[email protected] CRESCO – Concertation Meeting – MIUR 14 febbraio 2008 ITALIAN NATIONAL AGENCY FOR NEW TECNOLOGY, ENERGY AND THE ENVIRONMENT

[email protected] – Concertation Meeting – MIUR 14 febbraio 2008

ITALIAN NATIONAL AGENCYFOR NEW TECNOLOGY, ENERGY

AND THE ENVIRONMENT


CRESCO – Centro Computazionale di

RicErca sui Sistemi Complessi

Programma Operativo Nazionale 2000-2006 “Ricerca Scientifica, Sviluppo Tecnologico, Alta Formazione”

Misura II.2 “Società dell’Informazione per il Sistema Scientifico Meridionale”Azione a – Sistemi di calcolo e simulazione ad alte prestazioni


Il Progetto CRESCOIl Progetto CRESCOCCentro computazionale di entro computazionale di RRicicEErca sui rca sui SSistemi istemi COCOmplessimplessi Obiettivi infrastrutturali

•Realizzazione di un Polo di calcolo di eccellenza presso il Centro ENEA di Portici•Sviluppo di una nuova classe di funzionalità innovative di GRID Computing

Obiettivi applicativi•Implementazione di soluzioni innovative di GRID computing per le attività di R&S di punta dell’ENEA che richiedano l’utilizzo di risorse computazionali estremamente importanti.•Studio di oggetti biologici dal punto di vista “sistemico” e di sistemi naturali secondo il paradigma dei sistemi complessi•Studio di sistemi tecnologici e sociali complessi e delle loro mutue interazioni, realizzazione di strumenti per il modelling, la simulazione e il controllo


Macrostruttura del progettoMacrostruttura del progetto

Silvio MIGLIORIResp. Scientifico

Comitato Scientifico

Sandro TAGLIENTIDirettore INFO

Andrea QUINTILIANIResp. Amministrativo

Silvio MIGLIORICoord. LA1

Vittorio ROSATO Coord. LA2

Sandro BOLOGNACoord. LA3

Comunicazione e Mktg(TBD)

Prof. Jack Dongarra

Prof. Umberto Ferrari

Prof. Agostino Mathis

Prof. Salvatore Tucci

Prof. Samuel Varnado

Direttore CAMO


Situazione finanziaria al 14/11/07Situazione finanziaria al 14/11/07

Rendicontato 14/ 11/ 07 Già impegnato Programmato (piano fin. presentato

11/ 07)

Personale dip. o a tempo determinato 990.735,93 1.947.000,00 1.947.000,00

Partner tecnico-scientifici 389.699,96 1.330.000,00 1.490.000,00

Assistenza tecnica 26.024,00 121.700,00 241.700,00

Attrezzature HW e SW, impianti 391.877,28 4.200.000,00 5.058.382,00

Spese generali 295.039,61 564.630,00 564.630,00

2.093.376,78 8.163.330,00 9.301.712,00


Nuovo piano finanziario (nov. ’07)Nuovo piano finanziario (nov. ’07)

Motivazioni:• Riconoscimento effettivo delle spese generali in misura non

superiore al 29% del costo del personale; • Revisione al ribasso della previsione di rendicontazione di

personale; • Revisione di alcuni aspetti tecnici.

Interventi:• Incremento della voce “Attrezzature” (potenziamento del

supercalcolatore ed attrezzature di rete);• Incremento delle spese di software;• Incremento spese opere edili e impianti (originariamente

sottostimate);• Incremento degli impegni sul personale non dipendente.


Ripartizione delle risorse per macrocategoria (K€)

2511

291

4255

511

1490 242

Pers. e sp. gen.Op. ediliStrumentaz.SW, materialiPartner di ric.Ass. tecn.

Valore complessivo del Progetto: ca. € 9.300.000


Evoluzione nel tempo dei computer ad alte prestazioni

ENEA

ENEA (CRESCO 180°)

ICT – SCENARIO EVOLUTIVOICT – SCENARIO EVOLUTIVO

Previsione 500°


ENEA CRESCOENEA CRESCO SupercomputerSupercomputer

N° 180 Top500 Novembre 2007N° 180 Top500 Novembre 2007


Cronogramma1 aprile 2006 – 31 dicembre 2008

Mesi 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 33 F

SP I.1 “Realizzazione del Polo di calcolo”

Progettazione degli interventi e definizione delle specifiche

Acquisizione ed installazione di sistemi HW/SW

Implementazione dei sistemi HW/SW, avvio sperimentazione

Collaudo finale dell’intera infrastruttura

Tutti gli altri Sottoprogetti

Progettazione delle attività di R&S nella tematica applicativa

Sviluppo di modelli e codici, realizzazione di Software applicativi

Implementazione di modelli, codici, ecc. per l’utilizzo sulla piattaforma

Produzione, elaborazione e pubblicazione dei risultati di R&S


Le tre linee di attività di CRESCOLe tre linee di attività di CRESCO

LA ILA I Realizzazione del Polo di calcolo e sviluppo di nuove funzionalità di GRID Computing

LA IILA II Sviluppo di tecnologie e modelli computazionali per la descrizione di sistemi complessi di origine biologica e di materiali innovativi

LA IIILA III Sviluppo di modelli di simulazione ed analisi delle reti tecnologiche complesse e delle loro interdipendenze


LA ILA I Realizzazione del Polo di calcolo e sviluppo Realizzazione del Polo di calcolo e sviluppo di nuove funzionalità di GRID Computing di nuove funzionalità di GRID Computing

SottoprogettiSottoprogetti

SP I.1SP I.1 Realizzazione dell’infrastruttura HPCN SP I.2SP I.2 Sviluppo ed integrazione dell’architettura GRID

e di grafica 3D SP I.3SP I.3 Sviluppo ed ottimizzazione di codici applicativi

in settori di R&S di punta SP I.4SP I.4 Progettazione e sviluppo di librerie per

l’implementazione efficiente e parallela di nuclei computazionali su dispositivi FPGA integrati in un ambiente GRID

SP I.5SP I.5 Web archives


SP I.1SP I.1 Realizzazione dell’infrastruttura HPCNRealizzazione dell’infrastruttura HPCN

• Allestimento sala CalcoloAllestimento sala Calcolo– Alimentazione Elettrica predisposta 400 KVA– Condizionamento Completato– Ambienti accessori ultimati

• Allestimento Uffici nuovi ricercatoriAllestimento Uffici nuovi ricercatori– Operativi con i Ricercatori (Assegni di Ricerca)

• Adeguamento connessione GARRAdeguamento connessione GARR – Connessione GARR operativa a 100 Mbit/s in prova

400 Mbit/s e programmata l’evoluzione a 1 Gbit/s entro Giugno.

• Acquisizione SupercalcolatoreAcquisizione Supercalcolatore– In fase di installazione


SP I.1SP I.1 Realizzazione dell’infrastruttura HPCNRealizzazione dell’infrastruttura HPCN

Sala Calcolo CRESCO (ENEA-Portici)Sala Calcolo CRESCO (ENEA-Portici)


SPI.2 SPI.2 Sviluppo ed integrazione dell’architetturaSviluppo ed integrazione dell’architetturaGRID e di grafica 3DGRID e di grafica 3D

• Compilazione multi-piattaformaCompilazione multi-piattaforma di programmi seriali e paralleli (MPI).

• LanciatoriLanciatori su GRID di programmi seriali e paralleli. • InterfacciaInterfaccia Java alla GRIDJava alla GRID per la personalizzazione

dell'ambiente di lavoro.

• Test RSHTest RSH:: E' stato realizzato un programma che permette di testare, sull’ENEA-GRID, il funzionamento del comando rsh.

• Network Monitoring:Network Monitoring: E' stato sviluppato un software (NeTWork RESPONSE TIME TEST) di supporto alle funzionalità di network dell'ENEA-GRID.

• Test HPLTest HPL per misurare la potenza di calcolo di una macchina in termini di numero di operazioni floating point che si possono fare in un secondo.


SPI.2SPI.2 Struttura generale dati CRESCO

(operativa)


WARC: amministratori “super” e di Sito

SPI.2SPI.2


AMACA (AFS Memorize And Check Application)

Strumento integrato di monitoraggio, controllo e storicizzazione di componenti ed eventi di Andrew File System (cardine dell’infrastruttura ENEA-Grid)

Realizzato nell’ambito del contratto CRESCO di ricerca tra ENEA e CASPUR per “analisi e realizzazione di tool innovativi a supporto delle funzionalità GRID” (SPI.2) Alessio Rocchi (CASPUR) Ludovico Giammarino (CASPUR)

Sicuro: protezione delle informazioni tramite due layer dedicati in cascata (openSSL e

libreria crittografica mcrypt) Esecuzione di operazioni critiche concessa solo agli appartenenti a gruppi

prestabiliti Integrato: accesso garantito tramite credenziali AFS. Accessibile: fornisce numerosi strumenti user-friendly di supporto ai task di

amministrazione Adattativo: consente di concentrare la visualizzazione dello stato sul solo dominio di

appartenenza dell’amministratore

SPI.2SPI.2


Integrazione nella GRID ENEA di sistemi Windows

SPI.2SPI.2

LSF NON offre supporto per AFS in ambiente Windows

•Per integrare sono state sviluppate

•gettok_win (visualizza sullo standard output il token AFS)

•puttok_win (scrive nel kernel il token prelevato dalla standard input)

•E’ in corso di installazione litegrazione completa con ENEA GRID

•Principali risultati:•Interoperabilità delle routine prototipali con quelle fornite dal kit LSF per AFS•Accesso al volume AFS su sistema operativo Windows con token originato da sistema UNIX•Accesso al volume AFS su sistema operativo UNIX con token originato da sistema Windows


SPI.2.1SPI.2.1 Integrazione ENEA-GRID con altre Integrazione ENEA-GRID con altre GRIDGRID

Integrazione con •EGEE

•GRID.ITMiddleware LCG

Integrazione con BEinGRIDMiddleware UNICORE

Interoperabilità

4 PON 1575

attività in corso


SPI.2SPI.2 Sviluppo ed integrazione dell’architettura Sviluppo ed integrazione dell’architettura GRID e di grafica 3DGRID e di grafica 3D

• Tools per analisi immagineTools per analisi immagineSono stati sviluppati e sono in corso di sviluppo tools per l’analisi delle immagini dei plasmi termonucleari provenienti dalle telecamere FTU ( Frascati Tokamack Upgrade). L’insieme dei tools e la relativa documentazione è stata inserita nelle pagine web specifiche del sottoproggetto. Tutti gli applicativi sono stati sviluppati utilizzando il linguaggio ad alto livello IDL. Questi applicativi sono stati inseriti nella GRID ENEA e sono state sviluppate le procedure per sottometterli in modalità GRID ENEA.

• Integrazione librerie grafiche open-sourceIntegrazione librerie grafiche open-source• Integrazione di un modulo per il Distributed RenderingIntegrazione di un modulo per il Distributed Rendering

Il modulo di Distributed Rendering consente di sviluppare ed eseguire applicazioni “multiple channel” sincronizzate che utilizzino più piattaforme di calcolo connesse in rete per il rendering e display multipli contigui o non contigui per la restituzione di una scena virtuale. Allo stato attuale è in fase di test un applicativo della Multigen-Paradigm, integrato nell’ambiente di visualizzazione VegaPrime, in rete sia locale che geografica.

• RV Customizing toolsRV Customizing toolsE’ in corso l’integrazione in AFS dell’applicativo sviluppato, nell’ambito dell’attività di progettazione e sviluppo di Customizing tools per applicazioni di Realta’ Virtuale che basandosi su d una architettura Client-Server, è in grado di comunicare con una scena grafica a run-time e modificarne i parametri di navigazione (path e sincronismo con file audio), senza interrompere l’esecuzione della scena virtuale. Si dovrà procedere alla sua installazione nella GRID-ENEA, nell’area del progetto CRESCO, e quindi configurare e testare l’applicativo per la distribuzione agli utenti.

• Applicazioni per visualizzazione scientifica 3DApplicazioni per visualizzazione scientifica 3D• Film datiFilm dati

Le immagini e i filmati prodotti mediante applicazioni di visualizzazione scientifica saranno raccolti in un archivio visivo delle attivita’ svolte e saranno diffusi tramite pagine Web. L’obiettivo è quello di creare contenuti dimostrativi, delle applicazione e dei dati sviluppati, tramite filmati, anche in modalità stereoscopica, in modo da non utilizzare direttamente l’applicativo.


SPI.2SPI.2 Analisi ed ottimizzazione di strumenti Analisi ed ottimizzazione di strumenti Software per l'utilizzo di IDL sulla GRID ENEASoftware per l'utilizzo di IDL sulla GRID ENEA

Sono stati sviluppati tools per l’analisi delle immagini dei plasmi termo-

nucleari provenienti dalle telecamere FTU (Frascati Tokamack Upgrade).

Tools• Applicazioni IDL realizzate in ENEA

(Falsecolor, Brightzone, Volume rendering, Database).

Tutorial• IDL: gestione di batch files e esecuzione di programmi in

modalità non interattiva

• IDL: gestione di programmi in broadcasting attraverso


SPI.2SPI.2 Analisi ed ottimizzazione di strumenti Analisi ed ottimizzazione di strumenti Software per l'utilizzo di IDL sulla GRID ENEASoftware per l'utilizzo di IDL sulla GRID ENEA


SPI.2.2SPI.2.2 Sviluppo ed integrazione dell'architettura Sviluppo ed integrazione dell'architettura GRID e di grafica 3DGRID e di grafica 3D

Questa prima fase del sottoprogetto è stata articolata in tre punti fondamentali:

• Individuazione di tools per la grafica virtuale ed immersiva che consentano la visualizzazione remota 3d con motori di calcolo in rete ovvero consentano di sfruttare le potenzialità di calcolo messa a disposizione dalla griglia Enea per poi visualizzare il risultato su un qualsiasi dispositivo presente in rete: dal sistema 3d, alla workstation, al portatile;

• Adattamento dei tools individuati alla struttura della Grid Enea;

• Studio del comportamento e delle potenzialità dei Tools individuati all’interno della Grid Enea.


SPI.2.2SPI.2.2 OpenSceneGraph sulla Grid Enea OpenSceneGraph sulla Grid Enea

•Individuazione delle OpenSceneGraph (OSG) come librerie grafiche adatte agli

obiettivi del sottoprogetto.

• Configurazione e installazione su ENEA-GRID delle OSG. • Visualizzazione, tramite le OSG, di una nuvola di punti ottenuta

da una scansione di un sito archeologico con Laser Scanner 3D.


SPI.2.3SPI.2.3 Integrazione del controllo remotoIntegrazione del controllo remoto

di un microscopiodi un microscopio TEMTEM Realizzata l’integrazione di base, è in corso un’attività di ricerca e sviluppo per

realizzare un laboratorio virtuale per la microscopia TEM

Visualizzazione delle Immagini TEM

Tool di allineamento dati locali/dati AFS

Accesso remoto per il controllo

Visualizzazione Ambientale

Videocomunicazione

New: In fase di completamento il sistema di controllo locale e l’aumento di banda a presso l’ENEA di Brindisi


SPI.3:SPI.3: Sviluppo ed ottimizzazione di codici Sviluppo ed ottimizzazione di codici applicativi in settori di R&S di puntaapplicativi in settori di R&S di punta

• Simulazioni Fluidodinamiche:

– l'uso di Fluent è stato necessario per studiare l'evoluzione dei fenomeni di combustione di diversi combustibili. Viene portato avanti uno studio di ottimizzazione delle prestazioni dell’ENEA-GRID per condurre questo tipo di analisi

– E' in corso uno studio di condizionamento termico della configurazione finale della sala di calcolo CRESCO in Portici. Tale studio riguarda sia la modellistica geometrica della sala calcolo sia la fenomenologia di scambio termico nella stessa attraverso i sistemi di refrigerazione presenti


MpCCI (Mesh-based parallel Code Coupling Interface):Viene utilizzato per affrontare problemi di interazione fluido-struttura accoppiando diversi tipi di codici presenti in ENEA-GRID;I codici da accoppiare sono attualmente Fluent per l'analisi fluidodinamica e Ansys per l'analisi strutturale.

OpenFOAM: software opensource di analisi fluidodinamica.E' in corso uno studio di OpenFOAM ed in particolare:

• compatibilità di installazione sulle diverse macchine della GRID• confronto con Fluent (software commerciale generalmente impiegato sia nel settore industriale che di ricerca) in termini di accuratezza dei risultati.

SPI.3SPI.3 Sviluppo ed ottimizzazione di codici Sviluppo ed ottimizzazione di codici applicativi in settori di R&S di puntaapplicativi in settori di R&S di punta


Programmazione parallela in ambiente Matlab (Programmazione parallela in ambiente Matlab (Libreria MatlabMPI del M.I.T)• E’ stata installata su AFS per la versione 7.0.1 (R14) di Matlab.

• Permette l’attivazione parallella di diverse sessioni Matlab su più processori.

•I nodi coinvolti eseguono parallelamente lo stesso programma (SPMD).

•Lo scambio dei dati viene fatto tramite operazioni di lettura e scrittura da/su file.

• Per il funzionamento sulle macchine linux della griglia la modalità di lancio remoto (rsh/ssh) è stata sostituita con lsrun.

Di seguito sono riportati i risultati di un test effettuato con le funzioni della libreria MatlabMPI che misura

la velocità di comunicazione, al variare delle dimensioni dei pacchetti inviati, tra le macchine ‘Bw305-2’ e ‘Lin4p’.




• Realizzata un’analisi dei codici di massimo interesse di tipo commerciale

• Individuato come prioritari:– FLUENT** Fluidodinamica – ANSYS,ABACUS ** Strutturale– MpCCI ** Interazione fluido struttura– LS-DYNA Strutturale

(** Installati in modalità ENEA-GRID)

• Iniziati i test e personalizzazioni


SPI.5 SPI.5 Web archiveWeb archive

• Sono continuati i test di UbiCrawler sviluppato ed integrato in ENEA-GRID: è iniziata l’attività di installazione definitiva in previsione dell’arrivo dello storage necessario e della connettività GARR opportuna.


SP Attività Descrizione Attuatore/Collaborazioni

I I .1 Non attivato

I I .2 Bioinformatica

Sviluppo di un database e di tool perla c reazione di modelli di retimetaboliche e genetiche per lostudio di ba tteri del generePseudomonas.

ENEA CAMO-I NFOPTPSUniv. di Catania

I I .3 Non attivato

I I .4 SinteringSviluppo di modelli numerici peranalisi strutturali e processi disinterizzazione

Consorzio CETMA

I I .5 Modeling ofnanostructures

Utilizzo di tecniche di ab-initioMolecular Dynamics per lo studio dinanostrutture di interessetecnologico

ENEA FIM

LA II : Riassunto attività


LA IILA II Sviluppo di tecnologie e modelli computazionali Sviluppo di tecnologie e modelli computazionali per la descrizione di sistemi complessi di origine per la descrizione di sistemi complessi di origine

biologica e di materiali innovativibiologica e di materiali innovativi


SP II.1 Simulazioni di reti biochimiche

SP II.2 Bioinformatica per la creazione di modelli di reti metaboliche e genetiche

SP II.3 Ricerca polimorfismi

SP II.4 Sviluppo di modelli numerici per analisi strutturali complesse e processi di sinterizzazione

SP II.5 Modelling molecolare


SPII.1 SPII.1 Biochemical networks simulationBiochemical networks simulation

The subproject SP II.1 concerns the study of biochemical networks.The main aims are:• modeling through thee use of the principal up-to-date software (E-

cell, Copasi) of complex biochemical network dynamics; installation of the tools on Enea Grid and tweak to be compliant with LSF resource manager.

• analysis, through simulations, of possible modifications of genome or metabolic pathways in order to increase the achieve a better efficiency in the production of a specific molecule of interest;

• modeling of cellular main pathways with the aim to reproduce a simple living cell in silico.

General Activity Description


SP II.1 SP II.1 Steps ImplementedSteps Implemented

• installation of the software E-Cell, for biochemical network simulations, on Enea Grid. Two new Classes have been implemented to allow the software to submit batch jobs on LSF queues;

• implementation of a model for the PolyHydroxyAlcanoate(PHA, a candidate for biodegradable plastic) production by Pseudomonas;

• implementation of a procedure to analyze the sensibility of a biochemical network with respect to the kinetic parameters involved;

• implementation of a procedure based on the genetic algorithm for kinetic parameters estimation in a biochemical network.


SP II.1 SP II.1 Next StepsNext Steps

• analysis of Pseudomonas metabolism to study possible metabolic alterations to incresase PHA production.

• setting up of further software tools for biochemical network analysis and parameter estimation(COPASI and matlab SBMLToolbox); installation of new tools for gene network analysis from microarray data.


SP II.2 SP II.2 Bioinformatica per la creazione di modelli Bioinformatica per la creazione di modelli di reti metaboliche e genetichedi reti metaboliche e genetiche

E’ stato messo a punto il database sull’attivita’ di sintesi dei PHA che è ora disponibile al sito http://www.ylichron.it/PHA_Pseudomonas_DB/http://www.ylichron.it/PHA_Pseudomonas_DB/Il sito verra’ migrato, appena possibile, sulle macchine del progetto.


Simulazione del metabolismo degli acidi grassiSimulazione del metabolismo degli acidi grassi

Biosynthetic pathway for mcl-PHA from fatty acid

Fatty acid -oxydation

SP II.2SP II.2

Il tool E-Cell (simulatore delle reazioni biochimiche cellulari) è stato inserito all’interno di un codice di ottimizzazione (basato su algoritmi genetici) per la determinazione di parametri cinetici non noti nel pathway di produzione dei PHA

1

2

3

4

5


SP II.4.1 Simulazioni strutturali complesse

Modellazione di strutture complesse costituite da materiali a comportamento non lineare quali i materiali compositi e le leghe a memoria di forma (SMA - Shape Memory Alloy)

SP II.4.2 Simulazione del processo di sinterizzazione di ceramici tradizionali

Sviluppo di modelli comportamentali di materiali ceramici per la simulazione numerica del processo produttivo

SP II.4 SP II.4 Sviluppo di modelli numerici per analisi Sviluppo di modelli numerici per analisi strutturali complesse e processi di sinterizzazionestrutturali complesse e processi di sinterizzazione


Modellazione di strutture composite con filamenti in SMA

(shape memory alloy)

Le difficoltà principali nel modellare strutture composite con filamenti in SMA sono di diverso tipo:

• difficoltà nel descrivere il comportamento termomeccanico del materiale SMA;

• introduzione di fenomeni di interfaccia dovuti all’accoppiamento con la restante parte della struttura (ad esempio interfaccia filamento SMA-matrice);

• necessità di modellare contemporaneamente fenomeni fisici di tipo diverso: fisico, termico e meccanico (ad esempio nella simulazione di attuatori attivati attraverso riscaldamento per effetto joule dei filamenti SMA).

SP II.4.1SP II.4.1 Simulazioni strutturali complesseSimulazioni strutturali complesse

In fase di installazione i codici di interesse sul ENEA-GRID


SP II.5SP II.5 Modelling molecolareModelling molecolare

Modelling ab-initio di materiali funzionaliModelling ab-initio di materiali funzionali

(2) Interfaccia organico-inorganico

(3) Proprietà strutturali ed elettroniche del nitruro di Platino

Tutte le attività vengono svolte attraverso l’utilizzo di codici di simulazione numerica ab-initio della classe Density Functional Car-Parrinello. Tali codici di simulazione sono particolarmente onerosi sul piano computazionale e richiedono l’uso di grandi piattaforme di calcolo.I codici di calcolo verranno progressivamente ricompilati ed eseguiti sulle piattaforme di calcolo del progetto essendo i codici disponibili in versione Open Source.

Alcuni codici sono stati implemetati ed iniziano aessere usati sull’infrastruttura ENEA –GRID (CPMD, Siesta.)


LA IIILA III Sviluppo di modelli di simulazione ed analisi Sviluppo di modelli di simulazione ed analisi delle Reti Tecnologiche complesse e delle loro delle Reti Tecnologiche complesse e delle loro

interdipendenzeinterdipendenze


SP III.1 Fisica delle reti complesseSP III.2 Analisi di vulnerabilità delle reti complesseSP III.3 Modelli e strumenti di supporto alla ottimizzazione

e riconfigurazione delle reti SP III.4 Modellistica delle reti complesse viste come

aggregati socio-tecnologiciSP III.5 Interdipendenza tra reti complesseSP III.6 Sistema informativo per la salvaguardia delle

infrastrutture e della popolazione


ObiettivoObiettivo Studio delle proprietà di robustezza e di vulnerabilità delle reti complesse in base alla

loro struttura topologica.

Fasi di studioFasi di studio Cambiamento della performance della rete al variare del carico. Quantificare i parametri di robustezza, vulnerabilità, connettività, di una rete in

modo da essere misurabili attraverso un’attività di modellazione e analisi. Variazione della connettività, vulnerabilità, robustezza, in seguito alla perdita e/o

rimozione di alcuni parti della rete. Quale può essere il risultato dell’adozione di algoritmi di riconfigurazione per far

fronte a certe modifiche topologiche della rete.

PartnerPartnerUniversità di Catania

SPIII.1 SPIII.1 Fisica delle reti complesseFisica delle reti complesse


• GRID-ENEAGRID-ENEA

Al variare del rate di sorgente le diverse simulazioni sono state lanciate per mezzo di uno script esterno al file di simulazione.

Tale script ha consentito, sfruttando le potenzialità del GRID-ENEA, di sottomettere contemporaneamente i vari jobs, uno per ogni simulazione.

Il lavoro consiste nel misurare la diversa capacità di instradamento dei flussi di

pacchetti per le due tipologie di rete con le stesse caratteristiche in termini di

banda passante per link, politica di gestione delle code, stessa capacità di

generazione del traffico. In particolare si vuole capire per quale tipo di rete il

tempo medio di consegna dei pacchetti sia minore a parità di traffico immesso

nella rete.

• Simulatore NS2Simulatore NS2 L’utilizzo del simulatore permette la ricerca del punto di congestione delle due

diverse tipologie di rete, attraverso l’analisi del tempo medio di consegna dei

pacchetti al variare del rate di sorgente.

Analisi e misura delle differenze prestazionalitra una Internet Network Analisi e misura delle differenze prestazionalitra una Internet Network ed una Random Network.ed una Random Network.

SPIII.1 SPIII.1 Fisica delle reti complesseFisica delle reti complesse


SPIII.2SPIII.2 Analisi di vulnerabilità delle reti Analisi di vulnerabilità delle reti complessecomplesse

ObiettivoObiettivo• Studiare la vulnerabilità di reti complesse in termini di affidabilità, sicurezza,

qualità di servizio e prestazioni delle reti di telecomunicazione ed informatiche per la protezione ed il controllo (SCADA). L’obiettivo sarà perseguito attraverso:

• Formulazione di nuove teorie, investigazione di codici di analisi, realizzazione di un ambiente di modellazione. L’ambiente di modellazione consentirà di costruire modelli compositi ed eterogenei di reti complesse in funzionamento normale e degradato per eventi avversi (i.e. guasti, anomalie, intrusioni), seguendo tre direttrici principali:

– Simulatori di reti per l’analisi di reti di telecomunicazione e sistemi SCADA (congestione, sistemi di code, reazione agli eventi di guasto, prestazioni) e implementazione di nuovi protocolli e funzioni di rete

– Predizione stocastica degli indicatori di vulnerabilità tramite Reliability Block Diagrams, Reti di Attività Stocastiche, Analizzatori di affidabilità di Reti, basati su Binary Decision Diagrams)Bayes, Catene di Markov, Reti di Petri)

– Verifica formale automatica tramite model checking


• NS2 (Network Simulator 2) è installato sul GRID-ENEA – Lanciatori

• NS2 netsim2• NAM (Network AniMator) ns2namtool• Xgraph ns2xgraph

– L’area progettuale di riferimento è cresco/LA3/cresco_sp32_enea ed è raggiungibile

• /afs/enea.it/project/cresco/LA3/cresco_sp32_enea• http://www.cresco.enea.it/LA3/cresco_sp32_enea

• NS2, istallato per gli obiettivi di SPIII-2, concorre anche agli obiettivi di SPIII-1 ed SP III-5

• E’ possibile eseguire NS2 dalla seguente classe di hosts

Cluster Frascati Casaccia Brindisi Portici trisaia

Hosts bw305-1 lin4p feronix0 campus03 lazarus campus03

• Molto presto sarà disponibile anche la versione parallela di NS2 PDNS (Parellel Distribuited NS2)

Uso del simulatore NS2Uso del simulatore NS2

SPIII.2SPIII.2


Studio del BackBone Nazionale over IP di Telecom Italia Studio del BackBone Nazionale over IP di Telecom Italia

- Analisi di vulnerabilità- Reazione ad eventi di guasto

singoli e in cascata

- Implementazione della funzione di traffic engineering per la riconfigurazione dinamica della rete

SPIII.2SPIII.2


• Implementazione del protocollo IEC870 -5-101/105 specifico per le reti di telecontrollo delle reti di distribuzione dell’energia elettrica

• Cabine primarie e secondarie collegate in up/down load via GPRS

• Verifica delle funzionalità in caso di guasto di uno dei nodi della rete telecom su cui si poggia.

• Riferimento al black out del 1°gennaio 2004 avvenuto a TorPagnotta.

Rete di telecontrollo di ACEA distribuzione (SCADA)Rete di telecontrollo di ACEA distribuzione (SCADA)

SPIII.2SPIII.2


Network Reliability Analyzer (NRA)Network Reliability Analyzer (NRA) una prima approssimata modellazione della una prima approssimata modellazione della

rete elettricarete elettrica • la indisponibilità della rete elettrica in ciascun punto della rete telco e’ correlata la indisponibilità della rete elettrica in ciascun punto della rete telco e’ correlata

alla indisponibilità della rete elettrica mediante NRAalla indisponibilità della rete elettrica mediante NRA• I Binary Decision Diagrams (BDD) forniscono una tecnica efficiente per I Binary Decision Diagrams (BDD) forniscono una tecnica efficiente per

codificare e manipolare funzioni booleane, per modellare la connettività di reti codificare e manipolare funzioni booleane, per modellare la connettività di reti booleane e calcolarne l’affidabilità.booleane e calcolarne l’affidabilità.

Binary Decision Diagram Schema rete elettrica

SPIII.2SPIII.2


ObiettiviObiettiviProgettazione e sviluppo di un package per l’ottimizzazione delle azioni di configurazione di una rete elettrica in presenza di guasto attraverso la valutazione della loro capacità di incrementare la sostenibilità del servizio compatibilmente con i costi di attuazione.

• implementazione Algoritmo Genetico in versione sequenziale

• interazioni tra Algoritmo Genetico e il simulatore elettrico e-Agora

• test esclusivamente in locale in attesa di macchina Windows su GRID ENEA

• formulazione della funzione da ottimizzare (attualmente una funzione definita in accordo con quanto trovato in letteratura)

• definizione del tipo di vincoli che la configurazione di rete deve rispettare (ad esempio quali nodi devono essere necessariamente alimentati). Alternativamente si ricorre ad una penalizzazione della funzione obiettivo.

• codifica per esprimere i vincoli (stringhe XML e relativo parser)

• parallelizzazione dell'Algoritmo Genetico

• realizzazione di una ottimizzazione multiobiettivo

SPIII.3 SPIII.3 Modelli e strumenti di supporto alla Modelli e strumenti di supporto alla ottimizzazione e riconfigurazione delle retiottimizzazione e riconfigurazione delle reti


Obiettivi: Obiettivi: ottimizzazione della qualità dei servizi erogati da una rete di ottimizzazione della qualità dei servizi erogati da una rete di telecomunicazione soggetta a guasti e/o attacchi deliberati a livello fisico, telecomunicazione soggetta a guasti e/o attacchi deliberati a livello fisico, attraverso il raffinamento di un modello fluidodinamicoattraverso il raffinamento di un modello fluidodinamico

• Sviluppo schemi numericiSviluppo schemi numerici (02/04/2007 - 31/03/2008) (02/04/2007 - 31/03/2008) Partendo da modelli numerici che descrivono spazi omogenei è in fase di definizione la realizzazione di schemi numerici robusti. Ottimizzazione delle performance.

• Ottimizzazione politiche di instradamento (01/05/2007 - 30/05/2008)Ottimizzazione politiche di instradamento (01/05/2007 - 30/05/2008) Politiche di instradamento dei pacchetti e della loro relativa ottimizzazione. E’ stato realizzato un algoritmo che permette di instradare i pacchetti, che giungono ad un determinato nodo, sui relativi link di uscita indipendentemente dallo loro destinazione.

• Ottimizzazione coefficienti di traffico (01/05/2007 - 30/05/2008)Ottimizzazione coefficienti di traffico (01/05/2007 - 30/05/2008) Definizione di funzionali di costo per misurare la capacità di trasmissione di una rete di telecomunicazione e di rilevare il comportamento del traffico sulla rete.

• Ottimizzazione qualità di servizio (01/05/2007 - 30/05/2008)Ottimizzazione qualità di servizio (01/05/2007 - 30/05/2008) Analisi su come garantire l’ equilibrio tra la richiesta di utilizzo ed il livello di servizio del sistema stesso.

• Implementazione degli algoritmi (01/10/2007 - 30/10/2008)Implementazione degli algoritmi (01/10/2007 - 30/10/2008) Implementazione di due algoritmi che consentono di modellare e simulare il comportamento del carico sulla rete utilizzando due differenti tipologie di routing

SPIII.3 SPIII.3 Modelli e strumenti di supporto alla Modelli e strumenti di supporto alla ottimizzazione e riconfigurazione delle retiottimizzazione e riconfigurazione delle reti


SPIII.4SPIII.4 Modellistica delle reti complesse viste Modellistica delle reti complesse viste come aggregati socio-tecnologicicome aggregati socio-tecnologici

Aggregati Socio-Cognitivo-Tecnologici sono reti di alta complessità e ancora poco conosciuti. Socio-cognitive systems are complex from their nature. They include humans and organizations, they are intelligence-based systems. Their study is a new domain of systemics and requires a meta-systemic approach, http://erg4146.casaccia.enea.it/SC-CRESCO/index00.html

ObiettivoObiettivoAnalisi, modellazione e simulazioni sperimentali dei processi decisionali socio-cognitivi dell'alto rischio nelle organizzazioni umane interdipendenti e coinvolte nei processi di protezione socio-tecnologica delle grandi infrastrutture critiche (LCCIs). Identificazione e analisi della loro vulnerabilità (fattori umani dominanti).MetodoMetodo

A -Metodologia sistemica per reti decisionali basata sul generico modello IPK (information, preferences, knowledge): meta-teoria TOGA- Modellazione: Precautionary Principle in decision-making

Contributo ENEA

B - Analisi socio-cognitiva (un nodo) dei processi decisionali umani di tipo manageriale: due livelli: sub-simbolico e simbolico, dal punto di vista dei errori umani

Contributo ECONA

C - Analisi socio-tecnologica (rete organizzativa) dal punto di vista della comunicazione e degli errori organizzativi.

Contributo Tor Vergata DII


ObiettiviObiettivi Lo scopo finale di SPIII5 è la realizzazione di una piattaforma di

integrazione di diversi strumenti di simulazione eterogenei dove sia possibile eseguire in modo automatico scenari di guasto o attacco, per evidenziare le problematiche di “interdipendenza” fra differenti reti complesse

La piattaforma risiederà su uno specifico nodo della GRID e dovrà poter fornire questi servizi ad utenti che risiedono su un nodo qualunque della GRID

PartnersPartnersCRIAIUn. Tor VergataUn. Campus Biomedico

SPIII. 5 SPIII. 5 Interdipendenza tra reti complesseInterdipendenza tra reti complesse


MIDDLEWARE INTERFACCIAMENTO SIMULATORI

SIMULATORERETE

ELETTRICA

SIMULATORERETE

TELECOM

SIMULATOREInfrastruttura n ENEA

UTENTI/INTERFACCIA GIS

MIDDLEWARE GESTIONE RICHIESTE

Modello diSocietà ad

Agenti ModelloEntità - Risorse

ENEA

CRIAI

CRIAI

Tor Vergata

CAMPUSBIOMEDICO

SPIII.5SPIII.5


Protocollo proprietarioWeb Browser

Application Server

J2EEservlet

container

CLIENT

ASSOCIA

SIMULATORE1

Wrapper 1

HTTP

SIMULATORE 2Wrapper 2

XMLSOAP

Modello di società ad Agenti

Modello Entità Risorse

XML/SOAP

LOGIN SLA

GET

POST

CONFIGURE

SIMULATION

SHOW

Simulatori Legacy

CRIAISPIII.5SPIII.5


Stato di avanzamento dei lavoriStato di avanzamento dei lavori

Middleware gestione richieste tra utente e modelli di simulazione (ASSOCIA):terminato e funzionante Simulatori delle interdipendenze di tipo Società ad Agenti (REPAST) e Entità-Risorse (CISIA): terminati e funzionanti

Modello ad Agenti integrato con Omnet: terminato e funzionanteModello ad Agenti integrato con e-Agora: in fase di conclusione

Modello Entità-Risorse integrato con Omnet: in fase di elaborazioneModello Entità-Risorse integrato con e-Agora: in fase di elaborazione

ASSOCIA + REPAST: -settaggio parametri e avvio simulazione funzionanteASSOCIA + CISIA: -configurazione entità/relazioni funzionante

-avvio simulazione in fase di elaborazione

Middleware interfacciamento simulatori di dominio: in fase di eleborazione

SPIII.5SPIII.5


57

SPIII.6SPIII.6 Sistema Informativo geografico per la Sistema Informativo geografico per la Salvaguardia delle Infrastrutture e della popolazione Salvaguardia delle Infrastrutture e della popolazione

((SISI)SISI) Ambito:Ambito: LINEA DI ATTIVITA' III - Sviluppo di modelli di simulazione ed analisi delle

Reti tecnologiche complesse e delle loro interdipendenze.SP.III.6 – SISI: Sistema Informativo per la Salvaguardia delle Infrastrutture e della popolazione (ENEA Dipart. ACS - Ambiente, Cambiamenti Globali e Sviluppo Sostenibile)

Obiettivi:Obiettivi: Il sistema SISI persegue un innovativo “approccio diagnostico” nei confronti dell’analisi della vulnerabilità del territorio, quale passo propedeutico ad efficaci misure di salvaguardia e/o opzioni di adattamento rispetto a fenomeni o eventi naturali o antropici . L’obiettivo primario di tale strumento consiste nel localizzare elementi o siti territoriali vulnerabili, ricercandoli secondo criteri di vulnerabilità espressi di volta in volta dall’utilizzatore e nel rispetto delle peculiarità del territorio.

Quanti siti simili esistono sul territorio?

E dove sono localizzati?

I moduli elaborativi di SISI sono specificatamente progettati per scandire sistematicamente il territorio e rispondere a tali interrogazioni. Inoltre il sistema delimita e restituisce cartograficamente le aree vulnerabili identificate.


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COMPONENTI E FASI ELABORATIVECOMPONENTI E FASI ELABORATIVE

BANCA DATI GEOSPAZIALE

WEB_GIS

MODULI SW DI DIAGNOSTICA: RICERCA, INDIVIDUAZIONE E

LOCALIZZAZIONE DI SITI VULNERABILI (secondo i criteri definiti dall’utilizzatore)

DELIMITAZIONE DI AREE VULNERABILI

RESTITUZIONE DI MAPPE DI AREE VULNERABILI

MODULI SW DI SIMULAZIONE:

Progettazione e sviluppo di modelli di simulazione per l’esecuzione di indagini di dettaglio su siti pilota vulnerabili rispetto a specifici fenomeni o eventi avversi.

Scala Nazionale

Scala di dettaglio

SELEZIONE SITI

PILOTA

Definizione ed inserimento dei criteri

di vulnerabilità e di ricerca

Banca dati geospaziale Archivia e gestisce i livelli informativi necessari per la descrizione virtuale del territorio dettagliata ed aggiornata

Componenti e fasi elaborativeInnovativi metodi ed algoritmi di analisi e modellistica geospaziale in ambiente GIS

WEB_GIS Accesso via internet ed utilizzo ai fini della definizione di misure per la salvaguardia delle infrastrutture e della popolazione


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Componente elaborativa “SISI AnalyzeTool”Componente elaborativa “SISI AnalyzeTool”

E’ in corso lo sviluppo e l’implementazione, mediante specifici ambienti di programmazione, di innovativi Moduli SW per la ricerca e l’individuazione dei Siti Vulnerabili presenti sul territorio.

I criteri di vulnerabilità sono interrogazioni al Sistema. Ad esempio:

Selezionare i centri densamente abitati, gli insediamenti produttivi, le reti di trasporto, ecc. compresi entro un raggio assegnato (ad esempio 1 km) e caratterizzati da predefinite distanze reciproche (ad esempio a 200 m l’uno dall’altro)

Localizzare le aree urbane nelle cui vicinanze sono presenti raffinerie, depositi di carburante, impianti di trattamento di reflui e rifiuti solidi, industrie, reti di trasporto e corsi d’acqua superficiali

Selezionare, in base a caratteristiche morfologiche, le cosiddette “coste basse” (ossia le spiagge), che rappresentano la tipologia di coste potenzialmente vulnerabile a fenomeni di risalita del moto ondoso in occasione di eventi di mareggiata

Selezionare le aree caratterizzate dalla presenza, in un dato raggio, di due o più possibili bersagli o fonti di rischio (ad es. intersezioni tra reti di trasporto e reticolo idrografico naturale o artificiale; contiguità tra diverse attività produttive che possono avere impatto negativo l’uno sull’altro, ecc…)


60

RISULTATO: Mappa delle Aree vulnerabiliRISULTATO: Mappa delle Aree vulnerabili

Delimitazione delle Delimitazione delle Aree Aree vulnerabilivulnerabili come come aggregato di Siti aggregato di Siti

Vulnerabili contiguiVulnerabili contigui

Esempio di Esempio di criterio di criterio di vulnerabilitàvulnerabilità e di ricerca di e di ricerca di Siti VulnerabiliSiti Vulnerabili::

Si vogliono individuare quei punti Si vogliono individuare quei punti del territorio nel cui intorno di del territorio nel cui intorno di raggio 1 km coesistono una serie raggio 1 km coesistono una serie di elementi territoriali. di elementi territoriali. Nell’esempio:Nell’esempio:

• Aree UrbaneAree Urbane• Reticolo IdrograficoReticolo Idrografico• Rete FerroviariaRete Ferroviaria• Rete stradaleRete stradale

Contemporaneamente essi sono Contemporaneamente essi sono incrociati con la Carta della incrociati con la Carta della Vulnerabilità idrogeologica.Vulnerabilità idrogeologica.


CRESCO CRESCO Centro Computazionale di RicErca suiCentro Computazionale di RicErca sui

Sistemi ComplessiSistemi Complessi

www.cresco.enea.itwww.cresco.enea.it

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[email protected] CRESCO – Concertation Meeting – MIUR 14 febbraio 2008 ITALIAN NATIONAL AGENCY FOR NEW TECNOLOGY, ENERGY AND THE ENVIRONMENT