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"Ohne SWITCHlan könnten wir nicht so forschen."

Das Hochleistungsnetzwerk von SWITCH trägt wesentlich zur internationalen Forschung in der Schweiz bei. Zwei Beispiele.

Text: Anja Eigenmann, publiziert am 15.11.2016

Immer mehr Teams aus der öffentlichen und privaten Forschung benützen SWITCHlan. Einige tun dies seit vielen Jahren. Unter anderem greifen die Schweizer Forschungsteams darauf zu, die Daten für das weltweite Projekt lieferte, das zum Physiknobelpreis 2013 beitrug. SWITCHlan verhilft auch tagtäglich zu detaillierten Wetterprognosen und trägt damit zur Sicherheit der Bewohner in diesem Land bei.

Nobelpreiswürdige Hochenergiephysik

4. Juli 2012: Das CERN findet das Higgs-Teilchen. Ein Meilenstein in der Teilchenphysik, denn bereits in den sechziger Jahren wurde es vorhergesagt, kann aber erst jetzt experimentell  nachgewiesen werden.  Ein Jahr später, 2013, werden die Forscher François Englert und Peter Higgs für ihre  theoretischen Grundlagen zu diesem schnell zerfallenden Teilchen mit dem Nobelpreis ausgezeichnet.

Was die breite Öffentlichkeit nicht weiss: Am experimentellen Nachweis des Higgs-Teilchens  waren mehrere Schweizer Forschergruppen wesentlich beteiligt, und alle sind auf den Datentransfer mit SWITCHlan angewiesen. Sie werten Daten aus, welche im Teilchenbeschleuniger Large Hadron Collider (LHC) im CERN anfallen.

Das Netzwerk ist inzwischen eines der ganz wichtigen Elemente in unseren Experimenten. Ohne SWITCHlan könnten wir nicht so forschen, wie wir es tun.

Christoph Grab, Teilchenphysiker

Christoph Grab koordiniert die nationalen Computingressourcen der Schweizer Forschergruppen, die in internationalen Zusammenarbeiten mit den LHC-Experimenten Compact Muon Solenoid (CMS), ATLAS und LHCb beteiligt sind. Um zu verstehen weshalb, muss man wissen, wie die Forschung im Bereich der Teilchenphysik heute organisiert ist:

Der Teilchenbeschleuniger im CERN liefert riesige Datenmengen aus Zusammenstössen von Protonen oder Atomkernen. Diese Mengen sind so gross, dass sie nicht direkt auf Disk gespeichert werden können: Im CMS-Experiment beispielsweise fallen Daten im Umfang bis zu 4,5 Petabytes pro Sekunde an. Zum Vergleich: Google verarbeitet etwa 20 Petabytes Daten pro Tag, also 19'440 Mal weniger. Mithilfe spezieller Algorithmen werden die Daten vom CMS-Experiment um etwa den Faktor 1 Million verringert. Sie sind nun verarbeitbar und können im CERN auf Disk geschrieben werden. Anschliessend werden sie über ein dediziertes Netzwerk weltweit an etwa ein Dutzend verschiedene grosse Rechenzentren gesendet, wo dann weitere Rekonstruktionsalgorithmen zur Anwendung kommen. Wesentliche Teile dieser Daten werden anschliessend in über 60 Länder weiterverteilt. Auf diese Daten greifen die Forscher zu, machen ihre Berechnungen und interpretieren die Resultate. Weil es für diese Kalkulationen aber noch immer riesige Rechenressourcen braucht, arbeiten die Physiker mit verteilten Kapazitäten in über 150 Rechenzentren weltweit.

Für die Experimente wurden rund um den Globus bisher über 300 Petabyte Daten auf Disk gespeichert, und es werden durchschnittlich 50 Gigabyte pro Sekunde weltweit durch die Netzwerke hin- und hergeschickt. Zum Vergleich: Ein 90-minütiger Kinofilm umfasst grob 10 GB. Die Datenmenge entspricht also etwa fünf Kinofilmen pro Sekunde. – Die Daten im Rahmen der Schweizer Beteiligung an den LHC-Experimenten liegen auf einem Server im Nationalen Supercomputing Center CSCS (Centro Svizzero di Calcolo Scientifico) in Lugano, der tägliche Datendurchsatz beträgt etwa 60 Terabytes.

"Wir sind sehr zufrieden mit SWITCHlan. Niemand sonst kann uns die Stabilität und die Bandbreiten bieten, die wir benötigen", führt Christoph Grab aus. "Es gab dank der Redundanz sehr selten Probleme; seit die dritte Verbindung gebaut wurde, erst recht nicht. Es kam höchstens mal zu leichten Verzögerungen. Aber da es bei uns ja nicht um Leben und Tod geht, ist es nicht schlimm, wenn wir mal eine halbe Stunde länger auf Ergebnisse warten. Wir wissen auch, dass wir die Kapazität auf 100 Gbit/s erhöhen können, falls wir das brauchen."

Es gab auch schon Sicherheitsvorfälle. "Die wurden aber immer sehr schnell und professionell behandelt“, erinnert sich Christoph Grab. "SWITCH-CERT kommuniziert sie, und sie werden sofort von den Administratoren behoben. Die wissen genau, was zu tun ist. Wesentliche Schäden sind dabei noch nie entstanden."


 

Wetterprognosen für die Sicherheit der Bevölkerung

Die Wetterprognosen sind im Verlauf der Jahre immer detaillierter geworden. Eben ist das Bundesamt für Meteorologie und Klimatologie MeteoSchweiz dabei, ein neues, noch genaueres Modell zu installieren: COSMO NExT. Zusammen mit dem CSCS hat MeteoSchweiz am 15. November den Swiss ICT Award 2016 für das neue Prognosemodell gewonnen. Die Maschenweite zwischen den Datenpunkten beträgt in COSMO NExT nur noch einen Kilometer anstelle früher zwei. Damit steigt allerdings nicht nur der Detaillierungsgrad, sondern auch die Datenmenge. Diese wird von Grafikprozessoren verarbeitet, die 40-mal schneller sind als die üblichen CPU-Prozessoren. Das ist weltweit ein Novum für einen nationalen Wetterdienst. Die Rechner stehen am CSCS in Lugano. Angebunden sind diese – wie das Internet – via SWITCHlan.

"Die hohe Verfügbarkeit und Performanz von SWITCHlan ist für uns sehr zentral. Wir müssen grosse Datenmengen zuverlässig zu unserem Supercomputer in Lugano übermitteln können", erklärt Martin Schäfer, Leiter Informations- und Kommunikationstechnologie bei MeteoSchweiz. "Die Verfügbarkeit ist speziell für das Flugwetter in Kloten essenziell: Für Prognosen sind wir unter anderem auf Daten angewiesen, die via Internet übermittelt werden. Gerade bei Vereisung, Gewitter oder Blitzen, wenn sich die Wettersituation rapide ändert, müssen wir rasch reagieren und warnen können. Dafür brauchen wir die Informationen zuverlässig und schnell", so Schäfer.

Allgemein machen wir sehr positive Erfahrungen mit SWITCH. Wir schätzen den persönlichen Kontakt zu den Experten.

Martin Schäfer, Leiter Informations- und Kommunikationstechnologie MeteoSchweiz

MeteoSchweiz hat den Auftrag, die Bevölkerung vor Unwettern zu warnen. Entsprechend profitiert jeder einzelne Bewohner der Schweiz von detaillierten Wetterprognosen, die er auch via Smartphone mit sich herumtragen kann. Zum Beispiel bei heranziehenden Gewittern oder für die Entscheidung, ob eine Bergtour stattfinden kann. Aber auch für statistisch wenig wahrscheinliche Ereignisse wie Nuklearunfälle müssen zuverlässige Wettersimulationen vorhanden sein.

Das Wetter: Zeitraffer-Zusammenschnitt von Aufnahmen der SWITCH-Kamera auf dem Jungfraujoch. (Videobearbeitung Dominik Aebli)

MeteoSchweiz hat einen weiteren wichtigen Auftrag. Dieser betrifft die Forschung in den Bereichen Klimatologie und Meteorologie. Der direkte Zugang zum Hochschulnetzwerk ist deshalb ein zusätzlicher Vorteil, den SWITCHlan für die Zusammenarbeit mit den Hochschulen bietet. Weil es beim Wetter und beim Klima weltweite Zusammenhänge gibt, arbeitet MeteoSchweiz auch in grenzüberschreitenden Kooperationen mit und stellt den internationalen Datenaustausch sicher.

"Allgemein machen wir sehr positive Erfahrungen mit SWITCH", betont Martin Schäfer. "Wir schätzen den persönlichen Kontakt zu den Experten, die uns auch bei speziellen Fragestellungen kompetent weiterhelfen. So benötigten wir beim Umzug unseres Rechenzentrums eine Glasfaserverbindung vom alten zum neuen Standort. Das klappte tadellos. Wir erleben SWITCH als flexiblen, zuverlässigen Geschäftspartner", so Schäfer.

Martin Schäfer ist sehr zufrieden mit der hohen Verfügbarkeit, Stabilität und Performanz von SWITCHlan: "An Stabilität hat es nie gemangelt. In den vier Jahren, seit ich bei MeteoSchweiz arbeite, gab es nur einmal kurz eine Situation, wo eine Verbindung nicht klappte. Bezüglich Sicherheit kann ich mich an einen Vorfall erinnern, bei dem SWITCH-CERT eine Anomalie im Datenverkehr meldete. Dank den präzisen, schnell gemeldeten Angaben konnten wir der Sache nachgehen und sie bereinigen, ohne dass ein Schaden entstand."

Über den Autor
Anja   Eigenmann

Anja Eigenmann

Seit 2012 ist Anja Eigenmann bei SWITCH tätig, heute als Redaktorin für Online- und Printmedien. Sie startete mit einer journalistischen Ausbildung und hat später einen Master of Advanced Studies in Business Communications zugefügt. Unter anderem war sie als Chefredaktorin sowie Beraterin tätig und hat einen Lehrgang in Online-Redaktion geleitet.

E-Mail

Christoph Grab

Der Physiker Prof. Dr. Christoph Grab ist seit 2003 Mitglied der Compact Muon Solenoid -Kollaboration am CERN in Genf. Seit 2008 leitet er eine eigene Forschungsgruppe am Institut für Teilchenphysik an der ETH Zürich. Er koordiniert die nationalen Computingressourcen der Schweizer Aktivitäten rund um die physikalische Auswertung der Large Hadron Collider-Daten.

Martin Schäfer

Martin Schäfer ist dipl. Physiker ETH. Er leitet seit 2012 die Informations- und Kommunikationstechnologie beim Bundesamt für Meteorologie und Klimatologie (MeteoSchweiz) und ist Mitglied der erweiterten Geschäftsleitung.

Was ist SWITCHlan?

SWITCHlan ist ein Hochleistungsnetzwerk, das seit 1989 eigens für Forschung und Lehre gebaut und fortlaufend für deren Bedürfnisse optimiert wird. Es ist dank redundantem Glasfasernetz hochverfügbar und unterstützt Bandbreiten bis zu 100 Gigabit pro Sekunde. Letzteres ist bis zu einem Faktor 100 mehr als bei herkömmlichen Netzwerken. Dank dem Anschluss ans europäische Forschungsnetz GEANT gibt es auch Verbindungen mit hohen Bandbreiten zu anderen Forschungs- und Hochschul-Standorten in Europa und Übersee.

SWITCHlan wird von SWITCH-CERT geschützt, dem Computer Emergency Response Team. Dies, weil Forschungsdaten sensibel sind und zunehmend auf den Radar von Cyberkriminellen geraten.

All diese Eigenschaften machen SWITCHlan auch für private Forschergruppen interessant.

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