Введение к работе
Актуальность темы. Развитие глобальных сред распределенных вычислений стимулируется потребностями eScience и eEngineering - диффузных технологий, ориентированных на создание глобальных вычислительных инфраструктур для научных исследований и поддержки жизненного цикла сложных инженерных разработок. В силу междисциплинарного характера решаемых задач и коллаборативности исследовательских процессов вычислительные процессы в распределенных средах интерпретируются как композитные приложения (КП), которые описываются в форме потоков работ (workflow, WF), выполняемых на разных вычислительных ресурсах. Для разработки и исполнения WF используются специализированные инструментальные средства: WMS1 Taverna, Triana, Pegasus, Kepler и др. Данные исследования отражены в работах научных школ А.П. Афанасьева, В.П. Иванникова, В.А. Ильина, Л.Б. Соколинского и А.П. Крюкова, Л.Н. Щура, М.Н. Жижина и других российских ученых.
Развитие парадигмы облачных вычислений (ОВ) как способа абстракции (виртуализации) путей взаимодействия между провайдером и пользователем вычислительных, программных и информационных ресурсов позволяет рассматривать КП как динамическое объединение различных (Software as a Service, Data as a Service, Hardware as a Service, Visualization as a Service) облачных сервисов (ОС), ориентированных на решение общей задачи в среде распределенных вычислений. Такой абстракции соответствует модель AaaS (Application as а Service), определяющая суть облачных технологий второго поколения . Несмотря на то что модель AaaS в целом наследует принципы использования вычислительных ресурсов моделей первого поколения (Infrastructure as a Service, Platform as a Service, Software as a Service), она привносит специфику в режим работы: локальный компьютер пользователя вовлекается в процесс исполнения КП в облаке. Обычно это обусловлено использованием уникального или дорогостоящего лицензионного научного программного обеспечения, имеющегося в наличии у пользователя, работой с данными ограниченного доступа, а также выполнением технологических операций с результатами расчетов при использовании уникальных терминальных устройств (например, систем виртуальной реальности). Реализация такой модели ОВ требует развития нового класса технологий т.н. персонального облака (ПеО), назначением которых является виртуализация взаимодействия между сервисами пользовательского компьютера и удаленными ОС различных провайдеров в рамках единого КП.
Предметом исследования являются технологии и инструменты взаимодействия пользователей и провайдеров распределенных высокопроизводительных вычислительных систем в рамках концепции ОВ второго поколения.
1 WMS - Workflow Management System. CLAVIRE: облачная платформа для обработки данных больших объемов / В.Н. Васильев и др.//Информационно-измерительные и управляющие системы. 2012. №11. С. 7-16.
Целью работы является развитие принципов ОВ для eScience и eEngineering в части создания персональных облаков, в которых для решения задач пользователя динамически формируется единое облачное пространство, включающее в себя сервисы его локального компьютера и удаленных облачных ресурсов различных провайдеров.
Задачи исследования:
определение требований к современным инструментам интеграции пользовательских вычислительных ресурсов и облачных сред второго поколения, а также разработка концепции ПеО;
проектирование архитектуры облачной платформы управления ПеО и ее программная реализация;
экспериментальное исследование технологии ПеО на основе прикладных задач (моделирование лекарственных препаратов, моделирование и оптимизация транспортных потоков);
оценка эффективности технологии ПеО в части временных издержек управления персональным облаком.
Методы исследования включают в себя методы теории систем и системного анализа, анализа алгоритмов и программ, инженерии программного обеспечения, аппарат теории вероятностей и математической статистики случайных величин и функций.
Научная новизна определяется принципами построения ПеО на основе динамического объединения вычислительных и программных ресурсов разного уровня доступа без развертывания специальной инфраструктуры управления облачной средой на стороне пользователя, а также их обобществления для других пользователей облака, в рамках модели AaaS.
Практическую ценность работы составляют:
- набор программных компонентов для модификации облачной платформы
CLAVIRE в части поддержки модели персонального облака;
- комплект программной, эксплуатационной и технической документации для
организации программно-аппаратных комплексов управления ПеО.
На защиту выносятся
архитектура платформы управления ПеО, обеспечивающая процессы разработки и исполнения композитных приложений в облачной среде с динамическим использованием локальных ресурсов пользователя;
технология организации программно-аппаратных комплексов управления ПеО на основе облачной платформы второго поколения CLAVIRE.
Достоверность научных результатов и выводов обусловлена обоснованностью применения математического аппарата, результатами тестирования алгоритмов и программного обеспечения, экспериментальными исследованиями на реальных приложениях, а также практическим внедрением (опытной эксплуатацией) разработанных программных средств.
Многопрофильная инструментально-технологическая платформа CLAVIRE (Cloud Application Virtual Environment, <>) RU.02066397.80066-06 разработана научной школой, к которой принадлежит диссертант.
Внедрение результатов работы. Результаты работы были использованы при выполнении следующих НИОКР: «Инструментальная технологическая среда для создания распределенных интеллектуальных систем управления сложными динамическими объектами», «Виртуальный полигон для суперкомпьютерного моделирования сложных систем», «Виртуальный полигон для исследования динамики морских объектов и сооружений в экстремальных условиях эксплуатации», «Технология системологического проектирования и разработки междисциплинарных приложений в среде облачных вычислений», «Ситуационный центр нового поколения для предупреждения и ликвидации угрозы наводнений», «Интеллектуальные суперкомпьютерные технологии e-Science» и «Облачные технологии высокопроизводительных вычислений в задачах интерактивной ЗБ-визуализации сложных процессов и систем» в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг.; «Создание функционирующего в режиме удаленного доступа интерактивного учебно-методического комплекса для выполнения работ в области моделирования наноразмерных атомно-молекулярных структур, наноматериалов, процессов и устройств на их основе, в распределенной вычислительной среде» в рамках ФЦП «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации на 2008-2011 гг.»; «Разработка web-ориентированного производственно-исследовательского центра в области социодинамики и ее приложений», «Суперкомпьютерное моделирование конформационно-зависимых свойств белков в задачах рационального дизайна лекарственных препаратов», «Технологии экстренных вычислений в задачах планирования и диспетчеризации маршрутов наземного общественного транспорта» и «Высокопроизводительный программный комплекс для моделирования электронных и электромеханических свойств наноуглеродных объектов» в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России» на 2007-2013 гг.; «Создание высокотехнологичного производства комплексных решений в области предметно-ориентированных облачных вычислений для нужд науки, промышленности, бизнеса и социальной сферы» в рамках реализации постановления Правительства РФ № 218; «Распределенные экстренные вычисления для поддержки принятия решений в критических ситуациях» в рамках реализации постановления Правительства РФ № 220.
Апробация работы. Полученные результаты обсуждались на международных и всероссийских научных конференциях, семинарах и совещаниях, включая XIV Всероссийскую объединенную научную конференцию «Интернет и современное общество» (Санкт-Петербург, 2011), XI Всероссийскую конференцию «Высокопроизводительные параллельные вычисления на кластерных системах» (Нижний Новгород, 2011), Международную научно-практическую конференцию молодых ученых и специалистов «Технологии высокопроизводительных вычислений и компьютерного моделирования» (Амстердам, 2012), XII Всероссийскую конференцию «Высокопроизводительные параллельные вычисления на кластерных системах» (Нижний Новгород, 2012), II Международную научно-практическую конференцию молодых ученых и специалистов
«Технологии высокопроизводительных вычислений и компьютерного моделирования» (Барселона, 2013), XX Всероссийскую научно-методическую конференцию «Телематика'2013» (Санкт-Петербург,2013).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 печатных работ, в том числе 4 — в изданиях из перечня ВАК РФ.
Личный вклад автора в работах, выполненных в соавторстве, заключается в проведении аналитического обзора в проблемной области диссертационной работы; обосновании требований к технологиям встраивания персональных ресурсов; разработке концепции ПеО; проектировании и реализации программной платформы для облачных вычислений CLAVIRE в части поддержки технологии ПеО; проведении экспериментальных исследований и интерпретации их результатов в рамках модели ПеО. Из работ, выполненных в соавторстве, в диссертацию включены результаты, которые соответствуют личному участию автора.
