IPython Notebook no Azure

O projeto IPython fornece uma coleção de ferramentas para computação científica que incluem shells interativos avançados, bibliotecas paralelas de alto desempenho e fáceis de usar e um ambiente baseado na Web chamado IPython Notebook. O Notebook fornece um ambiente de trabalho para computação interativa, que combina a execução de códigos com a criação de um ambiente computacional dinâmico. Esses arquivos de notebook podem conter textos arbitrários, fórmulas matemáticas, códigos de entrada, resultados, gráficos, vídeos e qualquer outro tipo de mídia que um navegador da Web moderno é capaz de exibir.

Quer você seja absolutamente novo no Python e queira aprendê-lo em um ambiente interativo divertido, quer você faça um pouco de computação técnica/paralela, o IPython Notebook é uma ótima opção. Para ilustrar seus recursos, a captura de tela a seguir mostra o IPython Notebook sendo usado, combinado com os pacotes Scipy e matplotlib, para analisar a estrutura de uma gravação de som:

Este documento mostrará como implantar o IPython Notebook no Microsoft Azure, usando máquinas virtuais (VMs) Windows ou Linux. Usando o IPython Notebook no Azure, você pode fornecer facilmente uma interface acessível pela Web para recursos computacionais escalonáveis com toda a potência do Python e suas diversas bibliotecas. Como toda a instalação é feita na nuvem, os usuários podem acessar esses recursos sem a necessidade de qualquer configuração local - basta um navegador da Web moderno.

NOTE:

Para concluir este tutorial, você precisa de uma conta do Azure. Você pode ativar os benefícios de assinante do MSDN ou se inscrever para fazer uma avaliação gratuita.

Criar e configurar uma VM no Azure

A primeira etapa é criar uma Máquina Virtual (VM) que seja executada no Azure. Essa VM é um sistema operacional completo na nuvem e será usada para executar o IPython Notebook. O Azure é capaz de executar máquinas virtuais tanto Linux, quanto Windows, e nós vamos abordar a configuração do IPython em ambos os tipos de máquinas virtuais.

VM Linux

Siga as instruções fornecidas aqui para criar uma máquina virtual da distribuição OpenSUSE ou do Ubuntu. Este tutorial usa o OpenSUSE 13.2 e o Ubuntu Server 14.04 LTS. Vamos pressupor que o nome de usuário padrão é azureuser.

VM Windows

Siga as instruções fornecidas aqui para criar uma máquina virtual da distribuição doWindows Server 2012 R2 Datacenter. Neste tutorial, vamos pressupor que o nome de usuário é azureuser.

Criar um ponto de extremidade para o IPython Notebook

Esta etapa se aplica tanto a VMs Linux, quanto a VMs Windows. Mais adiante, configuraremos o IPython para executar seu Notebook Server na porta 9999. Para tornar essa porta publicamente disponível, devemos criar um ponto de extremidade no Portal de Gerenciamento do Azure. Este ponto de extremidade abre uma porta no firewall do Azure e mapeia a porta pública (HTTPS, 443) para a porta privada na VM (9999).
Para criar um ponto de extremidade, vá para o painel da VM, clique em "Pontos de Extremidade", "Adicionar Ponto de Extremidade" e crie um novo ponto de extremidade (chamadoipython_nb neste exemplo). Escolha TCP como protocolo, 443 como porta pública e 9999 como porta privada:

Após essa etapa, a guia Painel "Pontos de Extremidade" terá esta aparência:

Instalar software necessário na VM

Para executar o IPython Notebook na nossa VM, devemos primeiro instalar o IPython e suas dependências.

Linux (OpenSUSE)

Para instalar o IPython e suas dependências, use SSH na VM Linux e siga as etapas a seguir.
Instale NumPy, Matplotlib, Tornado e as outras dependências do IPython, fazendo o seguinte:

sudo zypper install python-matplotlib
sudo zypper install python-tornado
sudo zypper install python-jinja2
sudo zypper install ipython

Linux (Ubuntu)

Para instalar o IPython e suas dependências, use SSH na VM Linux e siga as etapas a seguir.
Primeiramente, recupere novas listas de pacotes:

sudo apt-get update

Instale NumPy, Matplotlib, Tornado e as outras dependências do IPython, fazendo o seguinte:

sudo apt-get install python-matplotlib
sudo apt-get install python-tornado
sudo apt-get install ipython
sudo apt-get install ipython-notebook

Windows

Para instalar o IPython e suas dependências na VM Windows, Acesse a Área de Trabalho remota para conectar-se à VM. Depois, siga as etapas a seguir, usando o Windows PowerShell para executar todas as ações de linha de comando.
Observação: Para baixar qualquer coisa usando o Internet Explorer, será necessário alterar algumas configurações de segurança. No Gerenciador de Servidores, clique em Servidor Local, clique em Configuração de Segurança Aprimorada do IE e desative-a para administradores. Você poderá habilitá-la novamente depois que a instalação do IPython for concluída.

1. Baixe e instale a versão de 32 bits mais recente do Python 2.7. Você precisará adicionar C:\Python27 e C:\Python27\Scripts para a variável de ambiente PATH .
2. Instale Tornado e PyZMQ e as outras dependências do IPython, fazendo o seguinte:
   

   easy_install tornado
   easy_install pyzmq
   easy_install jinja2
   easy_install six
   easy_install python-dateutil
   easy_install pyparsing

3. Baixe e instale o NumPy usando o instalador binário.exe disponível no site. Quando este artigo foi escrito, a versão mais recente era numpy-1.9.1-win32-superpack-python2.7.exe.
4. Instale o Matplotlib fazendo o seguinte:
   

   pip install matplotlib==1.4.2

5. Baixe e instale o OpenSSL.
   
   • Você encontrará o Pacote Redistribuível do Visual C++ 2008 na mesma página de download.
   • Você também precisará adicionar C:\OpenSSL-Win32\bin à sua variável de ambiente PATH.

NOTE:

Ao instalar o OpenSSL, use a versão 1.0.1g ou posterior, pois essas versões incluem uma correção para a vulnerabilidade de segurança Heartbleed.

1. Instale o IPython usando o comando:
   

   pip install ipython==2.4

2. Abra uma porta no Firewall do Windows. No Windows Server 2012, o firewall bloqueará as conexões de entrada por padrão. Para abrir a porta 9999, siga estas etapas:
   
   • Inicie o Firewall do Windows com Segurança Avançada da tela Iniciar.
   • Clique em Regras de Entrada no painel esquerdo.
   • Clique em Nova Regra... no painel Ações.
   • No Assistente para Nova Regra de Entrada, selecione Porta.
   • Na próxima tela, selecione TCP e digite 9999 em Portas locais específicas.
   • Aceite os padrões, dê um nome para a regra e clique em Concluir.

Configurar o IPython Notebook

Em seguida, nós configuramos o IPython Notebook. A primeira etapa é criar um personalizado Perfil de configuração do IPython para encapsular as informações de configuração:

ipython profile create nbserver

Em seguida, vamos usarcd para o diretório de perfil para criar nosso certificado SSL e editar o arquivo de configuração de perfis.
No Linux:

cd ~/.ipython/profile_nbserver/

No Windows:

cd \users\azureuser.ipython\profile_nbserver

Crie o certificado SSL da seguinte maneira (Linux e Windows):

openssl req -x509 -nodes -days 365 -newkey rsa:1024 -keyout mycert.pem -out mycert.pem

Observe que, uma vez que estamos criando um certificado SSL autoassinado, ao se conectar ao notebook seu navegador exibirá um aviso de segurança. Para uso de produção de longo prazo, convém usar um certificado devidamente assinado associado à sua organização. Como o gerenciamento de certificados está fora do escopo desta demonstração, manteremos um certificado autoassinado por enquanto.
Além de usar um certificado, você também deve fornecer uma senha para proteger seu notebook contra uso não autorizado. Por motivos de segurança, o IPython usa senhas criptografadas em seu arquivo de configuração, por isso você precisa criptografar sua senha primeiro. O IPython fornece um utilitário para isso, em uma execução de prompt de comando:

python -c "import IPython;print IPython.lib.passwd()"

Isto solicitará uma senha e uma confirmação e imprimirá a senha da seguinte maneira:

Enter password: 
Verify password: 
sha1:b86e933199ad:a02e9592e59723da722.. (elided the rest for security)

Em seguida, editaremos o arquivo de configuração do perfil, que é o arquivo ipython_notebook_config.py no diretório de perfil em que você está. Observe que este arquivo pode não existir, basta criá-lo. Esse arquivo tem diversos campos, todos comentados por padrão. Você pode abrir este arquivo com qualquer editor de texto de sua preferência e você deve garantir que ele tenha pelo menos o seguinte conteúdo:

c = get_config()

# This starts plotting support always with matplotlib
c.IPKernelApp.pylab = 'inline'

# You must give the path to the certificate file.

# If using a Linux VM:
c.NotebookApp.certfile = u'/home/azureuser/.ipython/profile_nbserver/mycert.pem'

# And if using a Windows VM:
c.NotebookApp.certfile = r'C:\Users\azureuser.ipython\profile_nbserver\mycert.pem'

# Create your own password as indicated above
c.NotebookApp.password = u'sha1:b86e933199ad:a02e9592e5 etc... '

# Network and browser details. We use a fixed port (9999) so it matches
# our Azure setup, where we've allowed traffic on that port

c.NotebookApp.ip = '*'
c.NotebookApp.port = 9999
c.NotebookApp.open_browser = False

Executar o IPython Notebook

Neste momento, estamos prontos para iniciar o IPython Notebook. Para fazer isto, navegue até o diretório no qual você deseja armazenar notebooks e inicie o servidor do IPython Notebook:

ipython notebook --profile=nbserver

Agora, você deve poder acessar o seu IPython Notebook no endereço https://[o nome escolhido aqui].cloudapp.net.
Quando você acessar seu notebook pela primeira vez, a página de logon pedirá a senha:

Após o logon, você verá o "Painel do IPython Notebook", que é o centro de controle para todas as operações de notebook. Nessa página, você pode criar novos notebooks, abrir os existentes, etc.:

Se clicar no botão "Novo Notebook", você verá uma página de abertura desta forma:

A área marcada com um prompt In []: é a área de entrada, e nela você pode digitar qualquer código Python válido e ele será executado quando você pressionar Shift-Enter ou clicar no ícone "Reproduzir" (o triângulo apontando para a direita na barra de ferramentas).
Como já configuramos o notebook para iniciar com suporte a NumPy e matplotlib automaticamente, você pode até produzir figuras, por exemplo:

Um paradigma avançado: documentos computacionais dinâmicos com mídia rica

O próprio notebook deve parecer muito natural para qualquer pessoa que tenha usado o Python e um processador de texto, porque, de certa forma, ele é uma mistura de ambos: você pode executar blocos de código Python, mas também pode manter anotações e outros textos, alterando o estilo de uma célula de "Código" para "Redução" usando o menu suspenso da barra de ferramentas:

Mas ele é muito mais do que um processador de texto, já que o IPython Notebook permite a combinação de computação e mídia avançada (texto, gráficos, vídeo e praticamente qualquer coisa que um navegador da Web moderno consiga exibir). Por exemplo, você pode combinar vídeos explicativos com computação para fins educativos:

ou inserir sites externos que permanecem ativos e utilizáveis dentro de um arquivo do Notebook:

E, com a potência das muitas excelentes bibliotecas do Python para computação científica e técnicas, um cálculo simples pode ser executado com a mesma facilidade que uma análise de rede complexa, tudo no mesmo ambiente:

Esse paradigma de combinar a potência da Web moderna com computação dinâmica oferece muitas possibilidades e é idealmente adequada para a nuvem; o Notebook pode ser usado:

• como um bloco de anotações eletrônico para gravar soluções para um problema,
• para compartilhar resultados com colegas em'live' forma computacional ou em formatos de cópia impressa (HTML, PDF),
• para distribuir e apresentar materiais de ensino ao vivo que envolvem computação, para que os alunos possam imediatamente experimentar o código real, modificá-lo e executá-lo novamente de forma interativa,
• para fornecer "trabalhos executáveis" que apresentam os resultados da pesquisa de forma que podem ser imediatamente reproduzido, validado e estendidos por outras pessoas,
• como uma plataforma para computação colaborativa: vários usuários podem fazer logon no mesmo servidor de notebook para compartilhar uma sessão computacional ao vivo
• e mais...

Se acessar o repositório de código-fonte do IPython, você encontrará um diretório inteiro com exemplos de Notebook que você pode baixar e experimentar na sua própria VM IPython do Azure. Basta baixar os arquivos .ipynb do site e carregá-los no painel de sua VM Notebook do Azure (ou baixá-los diretamente na VM).

Conclusão

O IPython Notebook fornece uma interface avançada para acessar interativamente o poder do ecossistema Python no Azure. Ele abrange uma ampla gama de casos de uso, incluindo exploração simples e aprendizagem de Python, análise e visualização de dados, simulação e computação paralela. Os documentos de Notebook resultantes contêm um registro completo da computação executada e podem ser compartilhados com outros usuários do IPython. O IPython Notebook pode ser usado como um aplicativo local, mas ele é idealmente adequado para implantações de nuvem no Azure
Os principais recursos do IPython também estão disponíveis no Visual Studio por meio do Python Tools for Visual Studio (PTVS). O PTVS é um plug-in gratuito e de software livre da Microsoft que transforma o Visual Studio em ambiente de desenvolvimento Python avançado que inclui um editor avançado com IntelliSense, depuração, criação de perfis e integração com computação paralela.

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