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Open Source im DLR

Andreas Schreiber Chaosdorf Düsseldorf, 28.10.2015

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„Open Source im DLR" von Andreas Schreiber (DLR) ist lizenziert unter einer Creative Commons Namensnennung 4.0 International Lizenz.

Alle Bilder: DLR (CC-BY 3.0), soweit nicht explizit anders gekennzeichnet.

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• Software im DLR

• Software Engineering

• Open-Source-Strategie

• Migration nach Python

• Beispiele für Open-Source-Software

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Überblick

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Forschungsgebiete • Raumfahrt • Luftfahrt • Energie • Verkehr • Sicherheit

Softwareforschung- und Entwicklung • Einrichtung Simulations- und Softwaretechnik • Softwareentwicklung in allen 33 DLR-Instituten

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Forschung im DLR

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Einrichtung Simulations- und Softwaretechnik

DLR.de • Folie 5 > FSFE Fellowshiptreffen Düsseldorf > Andreas Schreiber • Open Source im DLR > 19.05.2015

• Zentrale Einrichtung mit Softwarekompetenz

• Standorte • Berlin-Zentrum • Braunschweig • Köln-Porz

• Ca. 50 Mitarbeiter

• http://www.DLR.de/sc

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Software-Forschung Erforschen und Entwickeln neuer Softwaretechnologien

DLR.de • Folie 6 > FSFE Fellowshiptreffen Düsseldorf > Andreas Schreiber • Open Source im DLR > 19.05.2015

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Software-Entwicklung Individualsoftware für die Forschung im DLR

DLR.de • Folie 7 > FSFE Fellowshiptreffen Düsseldorf > Andreas Schreiber • Open Source im DLR > 19.05.2015

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Software-Qualität Verbessern der Qualität der Software im DLR

DLR.de • Folie 8 > FSFE Fellowshiptreffen Düsseldorf > Andreas Schreiber • Open Source im DLR > 19.05.2015

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DLR Simulations- und Softwaretechnik Aktuelle Forschungsgebiete

DLR.de • Folie 9 > FSFE Fellowshiptreffen Düsseldorf > Andreas Schreiber • Open Source im DLR > 19.05.2015

High Performance Computing Software Engineering

Verteilte Systeme

Sicherheit

Big Data

Wissensmanagement

Eingebettete Systeme

Modellbasiertes Systems Engineering Mobile Systeme

Datenmanagement Virtual und Augmented Reality

Interaktive Visualisierung

Multidisziplinäre Simulation Quantencomputing Usability

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Einige Zahlen… • Mehr als 1200 Mitarbeiter entwickeln Software

• Mehr als 100 Mio EUR Personalkosten pro Jahr für Softwareentwicklung

• DLR ist eines der größten „Softwarehäuser“ in Deutschland

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Software im DLR Umfang

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• Im DLR entwickelte Software ist in der Regel Nicht-Standard-Software ( Individualsoftware)

• Oft spezielle und spezifische Anforderungen • Die „Entwickler“ haben oft keine Ausbildung in Software-

Entwicklung • Vielzahl an eingesetzten Software-Technologien • Sowohl Open-Source als auch proprietäre Software

• Viele Fragen und Probleme mit Open-Source-Lizenzen • Große Anzahl an Software-Projekten

• Überblick über existierende Software ist schwierig

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Software im DLR Charakteristiken

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Software im DLR

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ΠCOM

ηCOM

Power Equation LP Spool

Power Equ. HP Sp.

HPT Cooling

ΠCOM

ηCOM

Power Equation LP Spool

Power Equ. HP Sp.

HPT Cooling

-20000

2000

-500

0

2000

4000

6000

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Methoden und Werkzeuge für die Software-Entwicklung • Entwickeln von angepassten Prozessen für

Wissenschaftler, inklusive Web-basierter Dokumentation

• Integration von Entwicklungswerkzeugen in die Arbeitsumgebungen der Wissenschaftler

• Werkzeuge sind für jeden verfügbar und einfach im Intranet zugreifbar

• Schulungen für verbreitete Entwicklungswerkzeuge und Software-Technologien

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Software-Engineering-Strategie Unterstützen der Software-Entwicklung im DLR

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Austausch von Wissen und Informationen • Netzwerk von Software-Engineering-Beauftragten

• Informationsaustausch per Intranet und auf Workshops

• Software-Engineering-Wiki für Dokumentationen und Zusammenarbeit

• Software-Katalog

• Informationsbroschüre und Schulungen zu Open-Source-Lizenzrecht

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Software-Engineering-Strategie Wissensmanagement

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Software-Engineering-Wiki Startseite

DLR.de • Folie 16 > FSFE Fellowshiptreffen Düsseldorf > Andreas Schreiber • Open Source im DLR > 19.05.2015

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Software-Engineering-Wiki Programming-Guides für Entwickler

DLR.de • Folie 17 > FSFE Fellowshiptreffen Düsseldorf > Andreas Schreiber • Open Source im DLR > 19.05.2015

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DLR Software-Katalog http://software.DLR.de

DLR.de • Folie 18 > FSFE Fellowshiptreffen Düsseldorf > Andreas Schreiber • Open Source im DLR > 19.05.2015

• Verzeichnis für alle Software-Projekte im DLR

• Zugriff für DLR-Mitarbeiter und die Öffentlichkeit

• Für Open Source und proprietäre Software

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Open-Source-Strategie DLR’s Open-Source-Agenda

DLR.de • Folie 19 > FSFE Fellowshiptreffen Düsseldorf > Andreas Schreiber • Open Source im DLR > 19.05.2015

Sortiert nach Priorität • Anleitungen und Hilfe für

Open-Source-Lizenzen

• Kriterien für Auswahl von Open-Source-Software

• Best-Practices für eigene Open-Source-Projekte

• Migration nach Open Source

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Bereits vorhanden • Standard-Open-Source-Licenzen ausgewählt • Broschüre für Open-Source-Lizenzrecht • Schulungen • Hilfe und Unterstützung

Nächste Schritte • „Standard“-Hosting von Open Source

• Zur Zeit: SourceForge.net, Github, Google Code, … • Prozesse für Auswahl und Freigabe

• Teil des Qualitätsmanagementsystems

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Open-Source-Strategie Status im DLR

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Im DLR werden viele Open-Source-Lizenzen verwendet • AGPLv3, GPLv2, GPLv3, EPL, QPL, LGPLv2, LGPLv3,

CDDL, MPLv2, Apache 2.0, BSD 2/3, MIT, Zlib, ZPLv2, Python 2.0, …

Empfohlene Lizenzen (geprüft durch Rechtsabteilung) • Simplified BSD License • Apache License 2.0 • Eclipse Public License 1.0

DLR wird keine eigene Open-Source-Lizenz entwickeln • Die OSI-zertifizierten Lizenzen reichen aus!

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Open-Source-Strategie Licenses

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Open-Source-Broschüre Lizenzrecht

DLR.de • Folie 22 > FSFE Fellowshiptreffen Düsseldorf > Andreas Schreiber • Open Source im DLR > 19.05.2015

• Grundlagenwissen über

Open-Source-Lizenzrecht

• Entwickelt durch Anwaltskanzlei

• Finanziert und Herausgegeben von DLR-Technologiemarketing

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Open-Source-Broschüre Praktische Informationen

DLR.de • Folie 23 > FSFE Fellowshiptreffen Düsseldorf > Andreas Schreiber • Open Source im DLR > 19.05.2015

Checklisten

Infoboxen

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Open-Source-Broschüre Entscheidungshilfen

DLR.de • Folie 24 > FSFE Fellowshiptreffen Düsseldorf > Andreas Schreiber • Open Source im DLR > 19.05.2015

Entscheidungs-baum

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Lizenzrecht • „Rechtliche Aspekte der Open-Source-Nutzung im DLR“ • Regelmäßige Standardschulung im DLR

Bildungsprogramms • Zusätzlich bei Bedarf für Institute oder Teams

Entwicklung • „Werkzeug-gestützte Software-Entwicklung” • Entwicklung mit Open-Source-Tools • Standardschulung & nach Bedarf (siehe oben)

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Open Source Schulungen

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Hilfe und Unterstützung je nach Fragestellung • Allgemeine Lizenzfragen, Schutzrechte DLR-Technologiemarketing

• Rechtliche Unterstützung für Copyright- und sonstige Rechtsfragen DLR-Rechtsabteilung

• Lizenzkompatibilität, Lizenzauswahl, Entwicklung DLR-Simulations- und Softwaretechnik

Email • [email protected]

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Open Source Hilfe & Unterstützung

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Langfristig: Ersatz / Alternativen für Standard-Software • Microsoft Office • Messenger und Telefonie (Microsoft Lync) • Betriebssysteme • ...

Kurzfristig: Alternativen für techn./wiss. Tools • MATLAB • Visualisierungs-Tools • Compiler • ...

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Migration nach Open Source Ersatz für kommerzielle Software

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Migration nach Python

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Viele kommerzielle Anwendungen sind noch Standard • Microsoft Excel • MATLAB • IDL • Fortran-Compiler

Der Weg nach Python...

• Einheitliche Sprache für viele Anwendungsgebiete

• Workshop „Migration nach Python“

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Wichtige Anwendungssoftware Wissenschaft und Technik

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Wesentliche Funktionen • Tabellen • Sortier-, Gruppier-, Filterfunktionen • Pivot-Tabellen • Diagramme

Python-Alternative • Jupyter / IPython • pandas

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Microsoft Excel Verarbeitung tabellarischer Daten

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Wesentliche Funktionen • Eigene proprietäre

Programmiersprache • Viele Anwendungs-Toolboxes

z.B. Statistik, Signal- und Bildverarbeitung

Python-Alternative • NumPy • Matplotlib

Nützliche Quelle: wiki.scipy.org/NumPy_for_Matlab_Users

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The MathWorks MATLAB Numerische Matrixberechnungen

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Wesentliche Funktionen • Array-basierte Programmiersprache • Gute Bildverarbeitungsfunktionen

Python-Alternative • IDL-nach-Python-Compiler PIKE

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IDL – Interactive Data Language Analyse und Visualisierung von Daten

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Free-Wake (DLR-Flugsystemtechnik) • Simulation dreidimensionaler

Strömungen um einen aktiv gesteuerten Rotor eines Helikopters

• Code entwickelt 1994-1996 • MPI-parallelisiert in Fortran

• Aufwendige Performance-Optimierung 2013-2014

• MPI und Open ACC

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Python als Ersatz für Fortran? Beispiel: Simulation von Hubschrauber-Rotoren

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Visualisierung der Wirbel

DLR.de • Folie 34 > FSFE Fellowshiptreffen Düsseldorf > Andreas Schreiber • Open Source im DLR > 19.05.2015

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Kern-Schleifen von Free-Wake (Standard Python)

DLR.de • Folie 35 > FSFE Fellowshiptreffen Düsseldorf > Andreas Schreiber • Open Source im DLR > 19.05.2015

for iblades in range(numberOfBlades): for iradial in range(1, dimensionInRadialDirection): for iazimutal in range(dimensionInAzimualDirectionTotal): for i1 in range(len(vx[0])): for i2 in range(len(vx[0][0])): for i3 in range(len(vx[0][0][0])): # wilin-Aufruf 1 for iblades in range(numberOfBlades): for iradial in range(dimensionInRadialDirection): for iazimutal in range(1, dimensionInAzimualDirectionTotal): for i1 in range(len(vx[0])): for i2 in range(len(vx[0][0])): for i3 in range(len(vx[0][0][0])): # wilin-Aufruf 2 for iDir in range(3): for i in range(numberOfBlades): for j in range(dimensionInRadialDirection): for k in range(dimensionInAzimualDirectionTotal): x[iDir][i][j][k] = x[iDir][i][j][k] + dt * vx[iDir][i][j][k]

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Vergleich der hoch-optimierten Fortran-Version mit parallelen Python-Versionen

• Multi-core CPUs • Cython mit OpenMP • Python-Bindings für Global Array Toolkit

• GPGPUs

• NumbaPro

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Free-Wake Performance-Vergleich Fortran – Python

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Performance-Tests Single-Core Performance (Xeon E5645, 6 Cores)

DLR.de • Folie 37 > FSFE Fellowshiptreffen Düsseldorf > Andreas Schreiber • Open Source im DLR > 19.05.2015

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Performance-Tests Multi-Core Performance (Xeon E5645, 6 Cores)

DLR.de • Folie 38 > FSFE Fellowshiptreffen Düsseldorf > Andreas Schreiber • Open Source im DLR > 19.05.2015

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Performance-Tests GPGPU Perf. (NVIDIA Tesla C2075, 448 CUDA-Cores)

DLR.de • Folie 39 > FSFE Fellowshiptreffen Düsseldorf > Andreas Schreiber • Open Source im DLR > 19.05.2015

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Beispiele für Open-Source-Projekte des DLR

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Beispiel Software für multidisziplinären Entwurf Remote Component Environment (RCE)

DLR.de • Folie 41 > FSFE Fellowshiptreffen Düsseldorf > Andreas Schreiber • Open Source im DLR > 19.05.2015

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Ziel: Neue Flugzeugkonfigurationen

• geringere Betriebskosten • umweltverträglicher

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Entwurf in der Luftfahrt

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DLR.de • Folie 43 > FSFE Fellowshiptreffen Düsseldorf > Andreas Schreiber • Open Source im DLR > 19.05.2015

ΠCOM

ηCOM

Power Equation LP Spool

Power Equ. HP Sp.

HPT Cooling

ΠCOM

ηCOM

Power Equation LP Spool

Power Equ. HP Sp.

HPT Cooling

-20000

2000

-500

0

2000

4000

6000

Multidisziplinärer Entwurf

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Multidisziplinäre Entwurfswerkzeuge

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Kopplung multidisziplinärer Entwurfswerkzeuge

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Kopplung verteilter, multidisziplinärer Entwurfswerkzeuge

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Softwaresystem • Zur Modellierung von

Entwurfsprozessen • Zur automatisierten Ausführung

von verteilten, verketteten Entwurfswerkzeugen Historie

• Entwickelt für den Schiffbau im Drittmittelprojekt SESIS • Im und fürs DLR weiterentwickelt und inzwischen in

Luftfahrt, Raumfahrt und Verkehr eingesetzt • Externe Nutzer

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Integrationsumgebung RCE

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Open Source unter der Eclipse Public License (EPL) Links

• Github: https://github.com/rcenvironment • Website: http://rcenvironment.de • Twitter: @rcenvironment • Youtube: http://youtube.com/rcenvironment

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Integrationsumgebung RCE Open Source

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Grafische Benutzeroberfläche von RCE

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Grafische Benutzeroberfläche

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Ergebnisdarstellung während und nach einer verteilten Ausführung der Werkzeuge

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RCE in der Raumfahrt

DLR.de • Folie 51 > FSFE Fellowshiptreffen Düsseldorf > Andreas Schreiber • Open Source im DLR > 19.05.2015

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RCE in der Luftfahrt

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Beispiel Numerische Bibliotheken Geometriebibliothek TiGL

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Geometriebibliothek TiGL Herausforderungen

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Berechnen einer 3D-Geometrie aus parametrisierten Daten (DLR-Format CPACS)

Ausschnitte extrahieren • Punkte auf der Oberfläche • Punkte auf das Flugzeug projizieren • Schnitte durch den Rumpf • Schnitte mit Linien • Schnittkurve zwischen Flügel und

Rumpf • …

Von parametrisierten CPACS-Daten…

…zur 3D-CAD-Geometrie

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Geometriebibliothek TiGL Geometrieoperationen für Flugzeugentwurf

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Benutzt für viele Simulations-codes des DLR

• Multi-purpose

• Multi-language

• Multi-platform

Aerodynamik

Radar-Signatur

Infrarot-Signatur

Struktur und Aeroelastik

CPACS

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Geometriebibliothek TiGL Export-Funktionen

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Collada, STL

Rendering, Visualisierung

Gittergenerierung für CFD

Modellierung (CAD) 3D-Druck

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Geometriebibliothek TiGL Plattformunabhängige Betrachter

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Geometriebibliothek TiGL Open Source

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DLR.de • Chart 59

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