Bereitstellung von Container-Clustern in der de.NBI-Cloud Managed Kubernetes-as-a-Service in der Bioinformatik

Die Idee, verteilte Anwendungen über eine leicht skalierbare Infrastruktur bereitzustellen, findet auch in der Gesundheitsforschung Anklang. Bioinformatiker am Berlin Institute of Health, kurz BHI, sprachen sich für Kubernetes-Cluster aus – doch das Management derselben wollte man ihnen nicht zumuten.

Die Mission des Berliner Instituts für Gesundheit (Berlin Institute of Health, BIH) an der Charité ist die medizinische Translation: Gewonnene Erkenntnisse aus der biomedizinischen Forschung werden in neue Ansätze zur personalisierten Vorhersage, Prävention, Diagnostik und Therapie umgesetzt. Umgekehrt führen Beobachtungen im klinischen Alltag mitunter zu neuen Forschungsideen.

Zu diesem Zweck baut das BIH als translationale Forschungseinheit der Berliner Charité ein umfassendes translationales Ökosystem auf. Dieses konzentriert sich auf ein organübergreifendes Verständnis von Gesundheit und Krankheit und soll einen translationalen Kulturwandel in der biomedizinischen Forschung fördern.

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Die erste nationale Reifegradmessung

Das BIH wurde 2013 gegründet und wird zu 90 Prozent durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und zu zehn Prozent durch das Land Berlin gefördert. Die Gründungsinstitutionen Charité Universitätsmedizin Berlin und Max-Delbrück-Centrum waren bis 2020 eigenständige Mitglieder des BIH. Seit 2021 ist das BIH als sogenannte dritte Säule in die Charité integriert, das Max-Delbrück-Centrum tritt als privilegierter Partner auf.

Bereitstellung eines Kubernetes-Clusters für Bioinformatiker

Die benötigten Ressourcen stellt das BIH seinen Bioinformatikern seit 2017 über eine Infrastructure-as-a-Service (IaaS) auf Basis des de.NBI (Deutsches Netzwerk für Bioinformatik-Infrastruktur) zur Verfügung. Das de.NBI ist eine vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderte, nationale Infrastruktur. Als föderiertes Cloud- und Infrastruktur-Konzept soll die de.NBI-Cloud nicht nur die Infrastruktur- und Betriebskosten senken. Das ausgegebene Ziel ist es, integrative Analysen für die gesamte Life-Science-Community in Deutschland und die effiziente Nutzung von Daten in Forschung und Anwendung zu ermöglichen.

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Weitere fünf Millionen für Life-Sciences-Cloud

Im Rahmen ihrer Projekte können Forschende in der de.NBI-Cloud selbstständig eine Umgebung mit virtuellen Instanzen, Speicher- sowie Netzwerk-Ressourcen und Load Balancer erstellen, entweder über eine Benutzeroberfläche oder automatisiert. Doch seit 2017 hat sich viel getan, Cloud-native Technologien wie Container und Kubernetes sind längst in der IT-Praxis angekommen. Und so stieg zuletzt die Nachfrage von Bioinformatikern, Kubernetes-Cluster auch auf der de.NBI-Cloud am Standort Berlin zu betreiben.

Dank der bestehenden Möglichkeiten innerhalb der de.NBI-Cloud lassen sich Kubernetes-Cluster innerhalb kurzer Zeit selbst bereitstellen. Allerdings erfordert das Management, z.B. die Aktualisierung eines solchen Clusters, auch einen gewissen Zeitaufwand, den die Bioinformatiker dann nicht für ihre eigentliche Forschungsarbeit nutzen können. Gleichzeitig waren die Betreiber der de.NBI-Cloud daran interessiert, den Nutzern eine möglichst einfache User Experience und standardisierte Services zu bieten, die einen Mehrwert und keinen Mehraufwand für die Projekte generieren.

Kubernetes-Plattform als Lösung

Gemeinsam mit dem Cloud-Team des Berliner Instituts für Gesundheit der Charité evaluierten die Experten des IT-Dienstleisters SVA zunächst verschiedene Ansätze und Lösungen. Sie entschieden sich schließlich für die Kubermatic Kubernetes Platform (KKP). Die Idee dahinter war, eine zentrale, flexibel skalierbare Control Plane aufzubauen, die es erlaubt, verschiedene Cloud-Anbieter anzubinden – in diesem Fall die OpenStack-basierte Cloud des BIH.

Die Architektur basiert auf einem Kubernetes-Cluster, der über sogenannte Cloud-Controller in die bestehende OpenStack-Umgebung integriert wird. Der Basis-Cluster ließ sich initial mit Kubermatics KubeOne erstellen und zu verwalten. Fortan besaßen die Administratoren die Möglichkeit, die zugrundeliegende Infrastruktur vollautomatisch zu konfigurieren, um beispielsweise dynamisch weitere benötigte Ressourcen für die Ebene hinzuzufügen.

Endanwender müssen keine Infrastrukturkenntnisse haben

Letztlich sind die Bioinformatiker des BHI die Endnutzer. Sie sehen die Benutzeroberfläche nur als Produkt, in das sie sich mit der bestehenden OpenID-Connect-basierten Authentifizierung einloggen können. Anschließend können sie direkt in ihrem zugewiesenen Projekt innerhalb von OpenStack ein Kubernetes-Cluster bereitstellen.

Ein entscheidender Vorteil ist, dass die Endanwender keine Kenntnisse über die zugrundeliegende Infrastruktur haben müssen. Sie wählen schlichtweg aus, wie viele Ressourcen sie benötigen und welche Node-Typen (z.B. GPU, High-Memory) in ihrem Cluster verfügbar sein sollen. Aktualisierungen der Cluster können Endnutzer mit einem Klick durchführen.

Ein entscheidender Vorteil ist, dass die Kubernetes Control Plane, also die Master Nodes, nicht als drei virtuelle Maschinen pro Cluster aufgesetzt werden, sondern zentral gehostet werden. „Die Administration der Cluster kann komplett von den Anwendern übernommen werden, nachdem die Projekte Zugang zu KKP erhalten haben, was sehr endanwenderfreundlich ist“, erklärt Harald Wagener, Gruppenleiter Cloud, AG Eils, BIH

Die SVA-Experten konnten das Projekt von der Konzepterstellung über den Aufbau und die Integration in die bestehende OpenStack-Umgebung bis hin zur Betriebsbereitschaft erfolgreich begleiten. SVA unterstützt de.NBI auch weiterhin bei der Weiterentwicklung der Umgebung und arbeitet mit dem Kunden als gemeinsames „Cloud-Team“ zusammen.

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