Облачные технологии в компьютерном моделировании научных и инженерных задач

УДК 002.53:002.55

ОБЛАЧНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В КОМПЬЮТЕРНОМ МОДЕЛИРОВАНИИ НАУЧНЫХ И ИНЖЕНЕРНЫХ ЗАДАЧ

Г.А. Тарнавский, д.ф.-м.н.

В статье излагаются основные положения облачных вычислений - нового направления современных информационных технологий. Эта концепция иллюстрируется на примере Центра компьютерного моделирования SciShop.ru, облачного портала Интернета.

Ключевые слова: информационные технологии, Интернет, облачные вычисления, компьютерное моделирование.

Информационно-коммуникационные технологии как очень востребованная область знания развиваются в самых разных направлениях. Это связано, во-первых, с ростом собственно электроники, в том числе с массовым появлением и применением суперкомпьютерной техники с исключительными техническими характеристиками по скорости вычислений и гигантскому объему памяти, и, во-вторых, с массовым производством этой техники, что делает ее применение широкодоступным для специалистов в различных областях науки и инженерии. Расширению спектра применения компьютерной техники способствует развитие Интернета с высокой пропускной способностью его каналов и сверхбольшой емкостью памяти серверов Всемирной сети. Хорошо развитая аппаратная платформа, в свою очередь, обусловливает развитие ПО для компьютерной поддержки научных исследований и прикладного проектирования.

Направление «облачные вычисления»

Среди парадигм развития современных информационных технологий можно выделить направление, получившее название облачные вычисления (Cloud Computing). Кстати, облако - один из символов Интернета. Цель настоящей работы в общем обзоре позиций облачных вычислений и их иллюстрации на примере облачного портала Интернета - Центра компьютерного моделирования SciShop.ru.

Идеология облачных вычислений. Направление облачных вычислений в современной информатике быстроразвивающееся и перспективное. Идеология облачных вычислений в большей степени заключается в переносе вычислений и обработки данных с персональных компьютеров на серверы Всемирной сети. Концепция облачных вычислений основана на уверенности в том, что сеть Интернет в состоянии удовлетворить потребности пользователей в генерировании и обработке данных в широком диапазоне.

Так, система Google Apps обеспечивает приложения для бизнеса в режиме онлайн, доступ к которым происходит с помощью интернет-браузеров, при этом ПО и данные хранятся на серверах Google. Кроме того, Google Chrome OS целиком основана на облачных вычислениях.

Корпорация Microsoft разработала новую версию ОС Windows 7, сегменты которой почти полностью основаны на облачных технологиях. В частности, система MS Office хранится на серверах MS со свободным (лицензионным) доступом к ней клиентов по их запросу. Это освобождает потребителей от необходимости устанавливать систему на собственном компьютере и поддерживать в дальнейшем ее функционирование.

Таким образом, при использовании облачных вычислений существенно снижаются требования к ресурсам персональных компьютеров и даже рабочих станций коллективного пользования. Направление облачных вычислений исключительно перспективно для развития дистанционного обучения в различных областях знания, а также для компьютерного моделирования в режиме удаленного доступа, поэтому в ближайшем будущем следует ожидать массового появления облачных Web -ресурсов.

Технологии облачных вычислений. Направление облачных вычислений содержит специализированный спектр технологий обработки и передачи данных, когда компьютерные ресурсы и мощности предоставляются пользователю как интернет-сервисы. Пользователь имеет доступ к своей информации, которая постоянно хранится на Web -серверах, только как клиент во время интернет-сеансов, с размещением этой информации (и результатов ее обработки) на персональных компьютерах, ноутбуках, нетбуках, смартфонах и т.п. Можно выделить несколько основных технологий (моделей) этого направления:

- инфраструктура как услуга (Infrastructure as a Service, IaaS);

- платформа как услуга (Platform as a Service, PaaS);

- данные как услуга (Data as a Service, DaaS);

- ПО как услуга (Software as a Service, SaaS);

- рабочее место как услуга (Workplace as a Service, WaaS);

- всё как услуга (All as a Service, AaaS).

В рамках перечисленных моделей заказчики платят не за приобретение программного продукта как такового, а за его аренду (модель AaaS), то есть его использование через Wei-интерфейс. Таким образом, в отличие от классической схемы покупки лицензионного программного продукта заказчику не требуется инвестировать большие средства в приобретение продукта и аппаратной платформы для его развертывания и обеспечения работоспособности системы. Заказчик вносит только сравнительно небольшую абонентскую плату с возможностью ее прекращения или приостановления из-за ненадобности программного продукта и возобновления при необходимости.

Облачные вычисления в Интернете. Традиционно процесс передачи вычислительных комплексов заключался в приобретении потребителем (будущим пользователем) у разработчиков кодов (в некоторых случаях и текстов) программ и инсталляции их у себя на компьютере. При этом для безотказной и декларированной работы программного комплекса пользователь должен иметь аналогичную операционную среду, в том числе системы визуализации цифровых данных. В целом этап инсталляции программ, даже при поддержке разработчика, является весьма сложным и зачастую вызывающим массу затруднений, преодоление которых требует значительных и в сущности непродуктивных затрат интеллектуальных усилий и времени.

От всех проблем, связанных с инсталляцией приобретенного программного продукта, освобождает новая форма использования вычислительных комплексов.

В Интернете создается особая площадка -Центр компьютерного моделирования. В нем размещаются программные комплексы со всеми своими атрибутами: препроцессорной системой подготовки заданий, процессорной системой выполнения заданий (проведения вычислительных операций) и постпроцессорной системой вывода полученной информации в цифровой и графической формах. Пользователь должен только сформулировать собственную вычислительную задачу, введя необходимые числовые данные, и запустить ее на счет. По окончании вычислений ему будет предоставлено решение задачи. Комфорт пребывания посетителя в Центре должны обеспечивать специальные сервисы клиентской поддержки. В экономических терминах такой метод эксплуатации программных комплексов означает не по-

купку, а взятие их в аренду или лизинг у разработчиков ресурса.

Пионером этого нового направления развития современных информационных технологий является Центр компьютерного моделирования SciShop.ru, который был создан в результате выполнения целого ряда работ. Общее описание и инфраструктура Центра приведены в [1], а его контент, информационно -вычислительные комплексы решения задач в некоторых научных областях - в [2-5]. Центр компьютерного моделирования успешно функционирует во Всемирной сети, продолжает непрерывно модернизироваться и развиваться.

SciShop.ru - облачный портал Интернета

Проект по созданию Центра компьютерного моделирования (http://www.SciShop.ru) ориентирован на развитие и совершенствование новых способов распространения научных знаний на базе современных инфокоммуникационных технологий обработки, хранения, передачи и защиты информации (рис. 1).

s и н о УДАР

о 3 к ПОТОК

tp о о о « АСТРА

а о £ НАНО

Рис. 1. Общая архитектурная схема и главные структуры раздела «Центр-1»

Центр предназначен для реализации современных потребностей в коммерциализации научных продуктов и для решения фундаментальных проблем, связанных с разнообразными научными, техническими, социальными и психологическими аспектами разработки и продвижения в системе Интернет специализированного Web -ресурса.

Центр структурно состоит из двух сегментов: Центр-1 и Центр-2.

Центр-1 включает в себя 4 крупных информационно-вычислительных комплекса (ИВК): «Удар», «Поток», «Астра» и «Нано».

Посетителю Центра-1 предоставляются следующие сервисы.

1. Доступ к библиотекам, содержащим научные статьи по декларированным тематикам.

2. Доступ к табличным и/или графическим БД, содержащим результаты компьютерного моделирования некоторого спектра компьютерных задач.

3. Доступ к процессорным системам, позволяющим клиенту организовать и провести компьютерное моделирование интересующих его задач.

4. Доступ к шлюзам для выхода на сайты ведущих российских и зарубежных журналов в соответствующих областях знания.

5. Доступ на сегмент «Форум» для получения консультаций и обсуждения проблем.

В некоммерческом режиме посетителю доступны демоверсии систем Центра-1. Для полномасштабного доступа следует пройти регистрацию и произвести оплату.

Система приема платежей Центра принимает плату из любых электронных платежных систем (WebMoney, Яндекс.Деньги, E-gold и других, входящих в консорциум Robokassa). Разработана и верифицируется система приема платы с использованием кредитных банковских карт и SMS-сооб-щений сотовой телефонии.

Центр-2 предназначен для размещения программных разработок в различных областях знания без ограничений на тематику. Контент этого раздела может быть дополнен ресурсами любых специалистов, имеющих авторские права на эти информационные ресурсы.

К сотрудничеству с Центром-2 приглашаются все специалисты в области компьютерного моделирования в любых областях знания, имеющие программные разработки и желающие их продвигать, в том числе и на коммерческой основе. Специалистам, желающим разместить в Центре-2 свои научные продукты, следует изучить условия их размещения, связаться с администрацией Центра и заключить договор.

Подробно со всеми аспектами функционирования Центра можно ознакомиться в специальном разделе «Публикации» по соответствующей гиперссылке с главной страницы сайта.

На портале SciShop.ru в его различных сегментах применяются все облачные технологии.

Технология IaaS. Центр компьютерного моделирования предоставляет интернет-инфраструктуру и инфраструктуру портала:

- аппаратные средства (серверы, системы хранения данных, клиентские системы, сетевое оборудование);

- операционные системы и системное ПО (средства виртуализации, автоматизации, управления);

- многофункциональные сегменты контента портала (переключатели режимов, шлюзы и т.п.).

Технология SaaS. В распоряжение клиента предоставляются информационно-вычислительные комплексы со следующими характеристиками:

- комплексы используются в режиме дистанционного доступа;

- одним комплексом могут пользоваться одновременно несколько клиентов;

- поддержка систем комплексов включена в плату;

- модернизация комплексов происходит плавно и незаметно для клиентов.

Технология DaaS. Центр предоставляет клиенту библиотечные, табличные и графические БД, в которых содержатся:

- теоретические материалы и тексты опубликованных статей;

- цифровые результаты проведенных расчетов научных и прикладных задач и их визуализация.

Клиенту обеспечивается пересылка данных по сети с необходимым контролем потока данных и защитой информации.

Технология WaaS. Центр предоставляет клиенту максимальный комфорт для проведения научных исследований, а также снижает клиентские затраты на эксплуатацию собственных рабочих станций с их заменой виртуализированной (для пользователя) средой централизованной инфраструктуры (суперкомпьютер СО РАН).

Технология AaaS. Программные комплексы Центра могут использоваться как безвозмездно (демоверсии), так и на коммерческой основе:

- доступ в режим полномасштабного функционирования Центра осуществляется после регистрации посетителя в специализированной книге учета и внесения им абонентской платы через электронные платежные системы;

- для проведения платежей применяется специализированная банковская система Robokassa, обеспечивающая использование более 20 электронных платежных систем;

- внедрена система, позволяющая проводить платежи с использованием SMS сотовой телефонии.

Безопасность прохождения платежей, прозрачность их маршрутизации, необходимые сообщения клиенту, конвертация валют в различных электронных платежных системах гарантированы специальными структурами системы Robokassa и

проверены в ходе опытной эксплуатации Центра компьютерного моделирования.

Организация вычислений и информационные потоки на портале.

Облачная технология DFC «Круиз файлов данных»

Важнейшими атрибутами любого программного комплекса являются комфортность пребывания клиента в интернет-центре и удобная форма пользования его сегментами: библиографическим разделом, БД (в которых содержится уже полученная таблично-графическая информация) и в особенности процессорными системами. Именно это обычно вызывает наибольшие затруднения у пользователя. Системы препроцессорной подготовки заданий (ввод параметров и запуск процессорных систем) организованы в ясной, удобной и предельно простой форме, не вызывающей двоякого толкования и затруднений у специалистов даже с небольшим опытом. Операции с процессорными системами осуществляются пользователем не на собственном компьютере при установке на нем комплекса, а в режиме дистанционного доступа по Всемирной сети на его локальном портале - непосредственно в Центре компьютерного моделирования. Это дает возможность посетителю Центра в режиме реального времени изучить вычислительный комплекс, организовать решение интересующей его задачи и получить результаты компьютерных исследований.

Обычно передача вычислительного комплекса заключается в приобретении лицензии, документации и кодов компьютерной программы. После этого приобретенный продукт устанавливается покупателем на собственном компьютерном оборудовании. Как правило, это связано с большими затруднениями, которые могут вызываться рядом причин - от использования разных версий операционной системы до особенностей установленных у продавца и покупателя поддерживающих систем. При размещении процессорных систем в Центре таких проблем нет. Все интерфейсы налажены и хорошо отработаны. В указанных диапазонах вариации параметров функционирование комплексов безотказное (на форуме сайта всегда можно задать любой вопрос и получить разъяснение). Еще одним преимуществом этого подхода является то, что пользователь освобождается от закупки аппаратного обеспечения (часто весьма

недешевого), необходимого для нужных ему расчетов, фактически арендуя его у создателей сайта на нужное время.

При создании Web -ресурса SciShop.ru была существенно развита методология облачных вычислений. Эта методология предполагает, что информационный поток движется только в двух направлениях: браузер клиента - сервер Интернета и обратно. Разработанную и функционирующую новую организацию информационных потоков в SciShop.ru можно назвать DFC-технологией (Data Files Cruise, круиз файлов данных). Эта технология имеет существенно больше направлений движения потоков информации: браузер клиента -сервер Интернета SciShop.ru - вход в суперкомпьютерный центр (/Р^адрес) - вычисляющий процессор - выход из суперкомпьютерного центра (/Р2-адрес) - сервер Интернета SciShop.ru - браузер клиента (см. рис. 2). Полученный файл решения клиент может взять или непосредственно на портале SciShop.ru, или по указанному /Р2-адресу. В дальнейшем предполагается запустить третий вариант - отсылку решения на адрес, указанный клиентом.

ДРС-технология является огромным преимуществом Центра компьютерного моделирования, поскольку клиент может вообще не знать системное программирование, являясь научным исследователем или прикладным расчетчиком, и сосредоточиться на физическом или техническом смысле задачи без неоправданных и излишних затрат времени и интеллектуальных усилий на формирование вычислительного задания. Процедура использования суперкомпьютеров в режиме удаленного доступа достаточно хорошо известна, однако здесь имеется в виду совсем иное - создание файлов доступа к суперкомпьютеру, расчеты и пересылка решения по указанному адресу производят-

Платежная система

WEB-CEPBEP

SSH2

КОМПЬЮТЕРНЫЙ ЦЕНТР

Рис. 2. Схема организации информационных потоков в SciShop.ru

ся системами Центра SciShop.ru автоматически. В дальнейшем возможно использование и других суперкомпьютерных центров на альтернативной и/или совмещенной основе.

Позитивные и негативные аспекты облачных вычислений

К характеристикам pro и contra модели Cloud Computing можно отнести следующие моменты.

Позитивные факторы для разработчиков:

• эффективная борьба с нелицензионным использованием программного продукта, поскольку сам продукт не попадает к заказчику;

• относительная легкость обнаружения и пресечения несанкционированного доступа нескольких пользователей под одним логином;

• существенное уменьшение затрат на развертывание и внедрение технической и консалтинговой поддержки для каждого заказчика.

Позитивные факторы для потребителей:

• отсутствие необходимости установки ПО на рабочих местах пользователей, поскольку доступ к нему осуществляется через обычный браузер;

• радикальное сокращение затрат на развертывание системы в организации;

• сокращение затрат на техническую поддержку и обновление развернутых систем вплоть до их полного отсутствия;

• быстрота внедрения, обусловленная отсутствием затрат времени на развертывание системы;

• понятный интерфейс;

• ясность и предсказуемость платежей;

• возможность получения более высокого уровня обслуживания ПО.

Негативные факторы для разработчиков:

• концепция применима далеко не для всех функциональных задач;

• поскольку основная экономия ресурсов провайдера достигается за счет масштаба, модель облачных вычислений оказывается неэффективной для малого числа клиентов;

• модель неэффективна при необходимости глубокой индивидуальной адаптации под каждого заказчика.

Негативные факторы для заказчиков:

• привязка к единственному разработчику и его хостинг-площадке;

• нестабильность работы провайдера может приводить к невозможности долгосрочного планирования и даже срыву сроков проведения разработки;

• нежелательность использования облачных вычислений для проектов строгой конфиденциальности вследствие высокой возможности утечки информации со стороны поставщика услуг и невозможность контролировать этот процесс;

• затруднения в повышении качества сервисов в текущем режиме работы;

• необходимость наличия постоянно действующего подключения к Интернету с достаточно высокой скоростью передачи данных.

Следует упомянуть о проблеме конфиденциальности. Научно-технический процесс в любой стране имеет определенные ниши закрытых тематик, по которым утечка информации крайне нежелательна. Постороннему квалифицированному специалисту не составит труда даже по ряду признаков определить направленность тематики исследований. Это может зачеркнуть применение облачных вычислений для данных целей в принципе, несмотря на множество позитивных факторов.

Со стороны разработчика одним из главных недостатков модели является высокая стоимость входа на рынок. Чтобы предоставить конкурентную стоимость клиенту, разработчику требуется так называемый эффект масштаба, то есть большое количество потенциальных клиентов. Однако небольшие проекты с невысокой и удобной формой оплаты услуг могут быть весьма эффективными, с хорошими нормами прибыли в зависимости от тематики, определяющей число клиентов.

В заключение отметим, что в статье кратко рассмотрены идеология, технологии и проблемы концепции облачных вычислений на примере Центра компьютерного моделирования SciShop.ru, пионера новой формы распространения научных знаний. Этот Центр предназначен для непосредственного использования программных комплексов математического моделирования процессов в различных областях, предоставляя возможность прямого проведения вычислений в Интернете в режиме удаленного доступа. Такая форма имеет широкие перспективы применения в научных исследованиях и прикладных разработках, а также для дистанционного обучения специалистов, аспирантов и студентов.

Литература

1. Тарнавский Г.А. [и др.]. Информационные технологии и проблемы создания Центра компьютерного моделирования в Интернете // Информационные технологии. 2009. № 8.

2. Тарнавский Г.А. Дистанционное компьютерное моделирование ударно-волновых структур в гиперзвуковых потоках газа: технология облачных вычислений «Рабочее место как услуга» // Вычислительные методы и программирование. 2010. Т. 11. С. 1-25.

3. Тарнавский Г.А., Алиев А.В., Тарнавский А.Г. Компьютерное моделирование в аэромеханике: программный комплекс «Поток-5» // Авиакосмическая техника и технология. 2007. № 4. С. 27-38.

4. Алиев А.В., Тарнавский Г.А. Иерархический SPH-метод для математического моделирования в гравитационной газовой динамике // Сибирские электронные математические известия. 2007. Т. 4. С. 376-434.

5. Тарнавский Г.А., Анищик В.С. Инструментарий NanoMod компьютерной поддержки проектирования наност-руктурированных полупроводниковых материалов // Вычислительные методы и программирование. 2009. Т. 10. С. 34-50.