На правах рукописи
Черноусов Антон Владимирович
Модели, методы и базовые
программные компоненты для создания
вычислительной инфраструктуры исследований
в энергетике
Специальность 05.13.18 – Математическое моделирование, численные методы и комплексы
программ
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Иркутск 2008 2
Работа выполнена в Институте систем энергетики им. Л.А. Мелентьева Сибирского отделения Российской академии наук (ИСЭМ СО РАН).
Научный руководитель:
доктор технических наук, профессор Людмила Васильевна Массель
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор Николай Николаевич Новицкий кандидат технических наук Сергей Владимирович Бахвалов
Ведущая организация: Институт вычислительного моделирования Сибирского отделения Российской академии наук (ИВМ СО РАН), г. Красноярск
Защита диссертации состоится 25 марта 2008г. в 11 часов на заседании диссертационного совета Д003.017.01 при Институте систем энергетики им.
Л.А. Мелентьева по адресу: 664033, Иркутск-33, ул. Лермонтова, 130, к. 355.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института систем энергетики им. Л.А. Мелентьева СО РАН Автореферат разослан 22 февраля 2008 г.
Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор А.М.Клер
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность Существует объективная необходимость в фундаментальных междисциплинарных исследованиях системных проблем развития и функционирования систем энергетики и топливно-энергетического комплекса (ТЭК). Около лет Институт систем энергетики им. Л.А.Мелентьева СО РАН (ИСЭМ СО РАН) занимается такими исследованиями, основными инструментами исследований являются математическое моделирование и вычислительный эксперемент. Для этих целей разработано большое количество программных комплексов (ПК). В настоящее время остро стоит вопрос о сохранении уникальных ПК, воспроизведение которых в современных условиях практически нереально по техническим или экономическим причинам, требуется их адаптация, создание ПК нового поколения и их интеграция в вычислительные сети.
Традиционно для исследований направлений развития ТЭК в ИСЭМ СО РАН разрабатывались пакеты прикладных программ и информационные системы. Постановки задач для автоматизации этих исследований формировались в 60-70-х годах XX века работами ученых Л.А. Мелентьева, А.А. Макарова, А.П. Меренкова, Ю.Д. Кононова, Л.Д. Криворуцкого, Б.Г. Санеева и др. Были реализованы версии программного обеспечения под руководством Э.Н. Яськовой, Г.Н. Волошина, Г.Н. Антонова, Л.В. Массель и др.
Проблема унаследованного программного обеспечения стала наиболее актуальной в связи с появлением современных средств и методов по созданию Web-ориентированных распределенных приложений. Моральное устаревание технической базы, необходимость замены системного ПО, разработка нового ПО на основе устаревших технологий, отсутствие документации и старение научного коллектива создает потенциально опасную ситуацию, способную замедлить, а в некоторых случаях и полностью остановить научные разработки.
Под унаследованным ПО (legacy systems, унаследованные системы) следует понимать системы или комплексы, которые перестали соответствовать изменившимся со временем потребностям, но, тем не менее, продолжают эксплуатироваться ввиду значительных финансовых, организационных, технических и прочих затруднений, возникающих при попытке их замены. Унаследованные системы базируются на отживших технологиях, архитектурах и платформах, а также используют морально устаревшее программное и информационное обеспечение.
При проектировании таких систем в свое время не предусматривались возможности их постепенного совершенствования и интеграции в новые, более производительные системы. Для подавляющего большинства из них характерны монолитность, закрытость и значительные сложности при внесении изменений.
Сегодня к разряду унаследованных можно причислить любые системы, снятые с производства ведущими компаниями мира и имеющие тенденцию быстрого превращения в тяжкое бремя для каждой владеющей ими организации. От них нельзя отказаться, хотя они значительно снижают производительность всех связанных с ними бизнес-процессов.
Проблемами разработки программного обеспечения в свое время занимались: Д. Кнут, сформулировавший многие методы реализации алгоритмов, Э. Дейкстра, поднявший вопросы документирования и отладки программного обеспечения, а также явившийся основоположником идей параллелизма, Г. Майерс, посвятивший ряд своих работ надежности ПО. Отметим, что вопросы разработки объектно-ориентированного подхода к созданию ПО, компонентных технологий, распределенных вычислений рассмотрены в работах Г. Буча, И. Якобсона, Дж. Румбау, Э. Гаммы, Н. Вирта, Р. Орфали и др.
На рубеже XXI века во всем мире остро встали вопросы, связанные с поддержанием и адаптацией унаследованного ПО, и, в связи с этим, нельзя не отметить неоценимый вклад в постановку и решение этих вопросов таких ученых, как: Ф. Брукс, М. Фаулер, Дж. Кериевски, К. Касперски, Р.К. Мартин, А.П. Ершов, В.И. Легоньков, М.М. Горбунов-Посадов. В ИСЭМ СО РАН вклад в развитие этого направления внесли Л.В. Массель, Е.А. Болдырев, Д.В. Подкаменный и др.
Работы перечисленных выше авторов являются основой для проведения интеграции ПО и основой для создания интеграционных сред. Одной из таких сред является предложенная Л.В. Массель ИТ-инфраструктура научных исследований. Под ИТ-инфраструктурой понимается совокупность: технических и программных средств, телекоммуникаций и информационной базы научных исследований; технологий их разработки и использования; стандартов, как внутренних, так и внешних, для разработки информационных и программных продуктов в области исследований в энергетике, обмена ими и их представления на информационный рынок.
Такая инфраструктура, с одной стороны, является интеграционной информационной и вычислительной средой для проведения исследований в энергетике. С другой стороны, создаются предпосылки для поэтапного перехода:
к созданию распределенных баз данных и программных комплексов; к распределению и распараллеливанию вычислений; к созданию Web-ориентированных программных комплексов (вычислительных серверов); к оказанию информационных услуг на основе наукоемких информационных и программных продуктов (создание Web-служб и Web-сервисов).
Термин распределенная подчеркивает ориентацию на работу в сетях, как локальных, так и глобальных, с соблюдением мировых стандартов; термин вычислительная обозначает ориентацию на поддержку математического моделирования и вычислительного эксперимента, которые являются основными инструментами исследований в энергетике, термин телекоммуникационная отражает технические аспекты ИТ-инфраструктуры.
В последнее время все более широкое распространение получает деятельность, связанная с предоставлением услуг в области информационных технологий, называемая аутсорсинг. В широком смысле слова аутсорсинг (от англ. Outsoursing) деятельность, связанная с передачей ряда функций, не являющихся профильными для данного предприятия или организации, другому предприятию, организации или лицам, являющимся реальными носителями квалификации, русский аналог этого термина ИТ-услуги.
Традиционно ИСЭМ СО РАН занимался предоставлением ИТ-услуг, выполняя различные расчеты и обоснования с использованием авторских программных продуктов и баз данных по заказам правительственных органов и энергетических организаций. Создание информационной и вычислительной инфраструктуры на основе современных информационных технологий позволяет выполнять оказание ИТ-услуг на современном уровне, без передачи своих программных продуктов, обеспечивая пользователям (заказчикам) доступ к сервисам, созданным на основе авторских программных продуктов, и их экспертную поддержку.
Актуальность создания ИТ-инфраструктуры исследований в энергетике обуславливается:
• мировыми тенденциями развития информационных технологий, т.е. использованием Internet не только как связующей и информационной среды, но и как среды программирования; созданием вычислительных ресурсов в Internet и др.;
• необходимостью использования современных информационных технологий для научных исследований (в нашем случае – в энергетике), с целью повышения эффективности этих исследований и расширения сферы применения результатов исследований, в том числе с помощью Internet;
• необходимостью разработки новых и адаптации унаследованных ПК для исследований в энергетике с целью оказания ИТ-услуг через Internet.
Одним из компонентов ИТ-инфраструктуры является вычислительная инфраструктура. Вычислительная инфраструктура научных исследований это взаимосвязанная совокупность программных и аппаратных средств, предоставляющих информационные и вычислительные услуги, необходимые для проведения научных исследований. В зависимости от решаемых задач можно выделить инфраструктуру отдела, института, научного центра и т.д.
Создание распределенной вычислительной среды в рамках ИТ-инфраструктуры является предпосылкой для перехода к распределенным вычислениям. Вычисления в распределенной вычислительной среде могут осуществляться как за счет распараллеливания алгоритмов, так и за счет распараллеливания подзадач, образующих иерархическую структуру задачи.
Целью работы является разработка методов, моделей и базовых системных программных компонентов для создания современной вычислительной инфраструктуры исследований в энергетике, обеспечивающей переход к новой технологии исследований и оказанию ИТ-услуг через Internet.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Анализ проблем создания вычислительной инфраструктуры научных исследований и технологии ее построения.
2. Разработка методического подхода к построению вычислительной инфраструктуры исследований в энергетике.
3. Исследование подходов к разработке платформеннонезависимых Webприложений, доступных через Internet.
4. Проектирование и реализация базовых системных программных компонентов для быстрой разработки Web-приложений (паттернов).
5. Разработка методики проектирования и реализации компонентов вычислительной инфраструктуры в виде Web-приложений на основе вновь создаваемых ПК.
6. Разработка методики проектирования и реализации компонентов вычислительной инфраструктуры в виде Web-приложений на основе унаследованных ПК.
7. Применение предложенных методов, моделей и базовых системных программных компонентов для реализации Web-приложений для исследований в энергетике и исследований по грантам РФФИ и РГНФ.
Методами и средствами исследования являются: методы системного и прикладного программирования, методы объектного подхода, методы проектирования баз данных и информационных систем.
Новизну составляют следующие положения:
1. Впервые предлагается методический подход к созданию вычислительной инфраструктуры исследований в энергетике, базирующийся на сервисориентированной архитектуре (SOA) и объединяющий как вновь создаваемые Web-сервисы, так и реализованные на основе адаптации унаследованных ПК.
2. Разработаны информационные модели вычислительной и телекоммуникационной инфраструктур, поддерживающих ИТ-инфраструктуру исследований в энергетике, и модель современного расширяемого Web-приложения.
3. Предложена авторская методика создания Web-ориентированных современных программных комплексов (приложений) с расширяемой функциональностью для исследований в энергетике.
4. Разработаны базовые системные программные компоненты, облегчающие создание Web-ориентированных прикладных ПК.
5. Предложена технология разработки современных программных комплексов (приложений) для исследований в энергетике, имеющих возможность быстрой адаптации для предоставления сервиса в Internet или в составе систем, реализованных в концепции SOA.
На защиту выносятся:
1. Информационные модели вычислительной и телекоммуникационной инфраструктур.
2. Информационная модель современного расширяемого Web-приложения.
3. Методика создания Web-ориентированного приложения.
4. Технология реализации расширяемых Web-приложений.
5. Технология создания современного Web-приложения, имеющего возможность быстрой адаптации для предоставления сервиса в Internet или в составе систем, выполненных согласно SOA.
Практическая значимость. Результаты работы применены:
• При выполнении проекта №2003-3 программы Интеграционных фундаментальных исследований СО РАН Методы, технологии и инструментальные средства создания вычислительной инфраструктуры в Internet (2003 – 2004 гг.).
• При выполнении работ по грантам: РФФИ № 04-07-90401; РГНФ № 04гг.); РФФИ № 07-07-00265а; РГНФ № 07-02-12112в (2007 – 2009 гг.).
• При проведении реинжиниринга телекоммуникационной инфраструктуры сети ИСЭМ СО РАН и выполнении проекта СО РАН Создание телекоммуникационной распределенной вычислительной инфраструктуры научных исследований: разработка методических основ и их применение для исследований в энергетике в рамках НИР Интегрированные вычислительные среды, сети и информационные технологии для обеспечения научных исследований в области энергетики, гос. рег. номер 01.200. Апробация работы. Результаты работы докладывались на IX Байкальской Всероссийской конференции Информационные и математические технологии, г. Иркутск, 2004 г.; X Байкальской Всероссийской конференции Информационные и математические технологии в науке, технике и образовании, г. Иркутск, 2005 г.; XI Байкальской Всероссийской конференции Информационные и математические технологии в научных исследованиях, г. Иркутск, 2006 г.; XII Байкальской Всероссийской конференции Информационные и математические технологии в науке и управлении, г. Иркутск, 2007 г.; Международной конференции Вычислительные и информационные технологии в науке, технике и образовании, г. Павлодар (Казахстан), 2006 г.;
Международная конференции Информационные технологии в энергетике, Партенит (Крым, Украина), 2006 г.; XXXV, XXXVI и XXXVII конференциях молодых ученых ИСЭМ СО РАН, г. Иркутск, 2005, 2006, 2007 гг.; 2-ой региональной зимней школе–семинаре аспирантов и молодых ученых, г. Уфа, г.; IX Международной Четаевской конференции Аналитическая механика, устойчивость и управление движением, г. Иркутск, 2007 г.; IX Всероссийской конференции Современные методы математического моделирования природных и антропогенных катастроф, г. Барнаул, 2007 г.; XXXIV Международной конференции Информационные технологии в науке, социологии, экономике и бизнесе, Гурзуф (Крым, Украина), 2007 г., а так же докладывались и обсуждались на заседаниях секции и Ученого Совета ИСЭМ СО РАН.
Личный вклад. Результаты, составляющие новизну и выносимые на защиту, получены лично автором.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ, три в реферируемых журналах, рекомендованных ВАК по специальности. Помимо этого, опубликована серия статей (7 статей) на тему создания Web-приложений в русской редакции журнала LinuxFormat.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы из 114 наименований и 2-х приложений общим объемом 158 страниц.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обосновывается актуальность работы. Ставятся цели и задачи исследования. Приводятся основные положения работы.
В первой главе анализируется специфика предметной области научных исследований. Определяется область комплексных исследований в энергетике, которой является топливо- и энергообеспечение жизнедеятельности человеческого общества. Эта сфера (энергетическое хозяйство, энергетика) включает предприятия по добыче и переработке природных энергетических ресурсов, средства преобразования и транспорта (передачи) энергоносителей (и энергии), а также потребителей топлива и энергии.
В настоящее время объектом комплексных исследований в энергетике являются: энергетические технологии (энергетические процессы и установки);
системы энергетики и управления ими; энергетические комплексы и управление ими. Задачей исследований энергетических технологий является комплексный сравнительный анализ эффективности (термодинамической, экономической, экологической) возможных и целесообразных масштабов использования различных энергетических процессов и установок в энергетике. Указанные объект и предмет исследований энергетики обуславливают их большое многообразие и трудоемкость. Общим же для всех исследований энергетики является необходимость использования системного подхода как научной методологии исследования сложных объектов, математического моделирования и вычислительного эксперимента как основного инструмента исследований. Для этих целей в ИСЭМ СО РАН разрабатываются ПК.
В ряде случаев ПК используются совместно, например, в рамках единого вычислительного эксперемента в отделе живучести и безопасности систем энергетики ИСЭМ СО РАН активно используются: ПК Нефть и газ России для исследования проблем живучести больших трубопроводных систем, ПК Корректива для проведения индикативного анализа возможных состояний энергетики с позиций энергетической безопасности (ЭБ), ПК ИНТЭК для исследований направлений развития ТЭК с учетом требований ЭБ и тд.
Анализируются проблемы сохранения корпоративных знаний в области исследований в энергетике, внимание акцентируется на проблемах сохранения методов, алгоритмов, программных комплексов.
Проанализирована тенденция изменений требований к программному обеспечению и сформулированы отличительные черты ПК нового поколения:
• иерархическая многослойная архитектура, предусматривающая использование серверов приложений и серверов БД;
• ориентация на работу в вычислительных сетях, как локальных, так и глобальных;
• расширяемость ПО (в его современной трактовке).
В любую программу в процессе ее сопровождения можно внести изменения, но в одни они вносятся значительно проще, чем в другие. Обладающее свойством расширяемости (в современной трактовке) ПО при добавлении новых функций требует только написания и компиляции кода, реализующего новую функциональность, тогда как при классическом подходе, в большинстве случаев, требуется значительная модификация существующего кода для поддержки новой функциональности и полная перекомпиляция системы.
Вслед за этим анализируются проблемы интеграции программного обеспечения, где особо выделены проблемы доступности исходного кода ПК, реализации алгоритмов и интеграции по данным.
Далее в работе обосновывается выбор технологий GRID, SOA и XML, как современных технологий для интеграции программного обеспечения.
В заключение первой главы на основании изложенного материала формулируется постановка задачи диссертационной работы.
Во второй главе автором дается определение вычислительной инфраструктуры научных исследований, под которой понимается взаимосвязанная совокупность программных и аппаратных средств, предоставляющих информационные и вычислительные услуги, необходимые для проведения научных исследований.
Вычислительная инфраструктура это основа для полноценной работы ИТ-инфраструктуры. Вычислительная инфраструктура является распределенной, децентрализованной и состоит из независимых программных комплексов, каждый из которых решает конкретную задачу. Особенностью вычислительной инфраструктуры является то, что реализация отдельных ПК может быть выполнена с применением различных технологий и языков программирования.
Выделяются три уровня ПК, образующих вычислительную инфраструктуру: локальные, сетевые и Web-ориентированные. Сетевые и Web-ориентированные ПК должны предоставлять пользователям удаленный (сетевой) доступ к реализованным методам на базе сервис-ориентированной архитектуры (SOA). Следствием этого требования авляется необходимость обеспечить все компоненты вычислительной инфраструктуры сетевыми интерфейсами для интеграции в ИТ-инфраструктуру.
Согласно фрактальной стратифицированной модели, предложенной Л.В.
Массель1, вычислительная инфраструктура графически может быть представлена в виде совокупности вложенных сферических оболочек (слоев), определяемой тройкой {V, F, G}, где V – множество слоев, F – множество отображений, G – множество инвариантов. Ее фрагмент (в виде конуса) приведен на рис. 1.
Рис. 1. Фрактальная стратифицированная модель вычислительной инфраструктуры Вычислительная инфраструктура V расслаивается (стратифицируется) на средства организации доступа (VA ), средства поиска (VS ) и вычислительA S ные мощности (VC ). Вводятся отображения слоев: FS : VA VS, FC : VS VC, FC : VA VC. Инвариантами (G) являются цели поддержки системных исследований в энергетике.
Все инструментальные средства делятся на поддерживающие конкретный слой и обеспечивающие отображения между слоями (табл. 1). Рассмотрим пример: пользователь подключается к вычислительной инфраструктуре с помощью средств поддержки, которыми могут являться VPN-сервера или Internet-шлюзы (зависит от конфигурации вычислительной инфраструктуры). Переход из слоя VA в слой VS осуществляется благодаря средству отображения, в качестве которого могут выступать прокси-сервер или VPN-сервер.
«