Особенности методики обеспечения интероперабельности в грид-среде и облачных вычислениях
Е.Е. Журавлев
С. В. Иванов
А. А. Каменщиков
А. Я. Олейников
И. И. Чусов
Т. Д. Широбокова
Аннотация
Описаны особенности методики обеспечения интероперабельности в грид-среде и облачных вычислениях. В основе методики лежит единый подход, разработанный авторами ранее и зафиксированный в виде национального стандарта. Особенности следуют из функционального назначения грид-среды и облачных вычислений. Эти особенности проявляются в различиях в архитектуре, в модели и составе стандартов, входящих в профиль интероперабельности, на семантическом и организационном уровнях. интероперабельность грид облачный
Ключевые слова: интероперабельность, грид, грид-среда, облачные вычисления, облака, методика, стандартизация.
Введение
Грид-среда (грид) и среда облачных вычислений (облака), состоящие из разнородных программно-аппаратных платформ, заведомо представляют собой гетерогенные среды, в которых неизбежно возникает проблема взаимодействия входящих в них систем, получившая название «проблемы интероперабельности». Актуальность данной работы обуславливается не только тем, что в нашей стране идет активное применение грид и облаков, но и тем, что вопросы развития принципов интероперабельности, стандартов и технологий открытых систем, а также развития технологий и стандартов грид включены в Программу фундаментальных исследований государственных академий наук в 2013-2020 г. Данная работа выполняется в рамках проекта РФФИ 12-0700261-а и Программы Президиума РАН №14.
Проблема интероперабельности
Согласно определению, приведенному в документе ISO/IEC FCD 24765:2010-Systems and Software Engineering-Vocabulary: «Интероперабельность - способность двух или более систем или элементов к обмену информацией и к использованию информации, полученной в результате обмена». Интероперабельность достигается за счет использования технологии открытых систем и согласованных наборов стандартов - профилей [1]. Построение профиля - лишь один из этапов определенной методики обеспечения интероперабельности. Проблема интероперабельности возникает в гетерогенной ИКТ-среде для информационных систем практически любого назначения и масштаба (от наносистем до грид-систем, систем облачных вычислений и сверхбольших систем - systems of systems). Эта проблема тем острее, чем выше уровень гетерогенности среды. Обеспечение интероперабельности - сложная научно-техническая задача, которой занимаются многие организации и исследователи, основными международными организациями в области грид-систем и систем облачных вычислений следует считать Open Grid Forum (OGF) и Open Cloud Consorcium (OCC). Этими вопросами занимается также IEEE.
Авторы ведут систематизированные работы по проблеме интеропербельности более 10 лет, выполнили ряд научных исследований по интероперабельности в области грид и облаков [2, 3, 4] и разработали ряд национальных стандартов, указанных ниже.
Результаты работ авторов по интероперабельности
В своих работах по стандартизации авторы руководствовались федеральным законом РФ «О техническом регулировании», согласно которому на территории РФ в первую очередь должны применяться национальные стандарты, гармонизированные с международными. Процедура разработки национального стандарта достаточно сложная, занимает около 2 лет и требует согласования со всеми заинтересованными организациями [5].
В течение последних двух лет авторами была завершена разработка ряда документов в области интероперабельности, оформленных в виде национальных стандартов:
1. ГОСТ Р 55062-2012 «Информационные технологии. Системы промышленной автоматизации и их интеграция. Интероперабельность».
2. ГОСТ Р 55022-2012 «Информационные технологии. Спецификация языка описания представления задач (JSDL). Версия 1.0».
3. ГОСТ Р 55768-2013 «Модель открытой Грид-системы. Основные положения».
4. ГОСТ Р «Информационные технологии. Архитектура служб открытой Грид-среды. Термины и определения», представляющий собой, по существу, глоссарий, касающийся интероперабельности грид среды (представлен к утверждению).
Первый из этих документов предназначен для систем широкого класса, документы 2 и 3 относятся к грид-системам. Глоссарий, оформленный в виде ГОСТ Р, позволит найти взаимопонимание между разработчиками, поставщиками и пользователями грид-систем и облаков. В настоящее время завершается НИР по созданию методики обеспечения интероперабельности в грид и облаках, которую тоже планируется оформить как ГОСТ Р.
Методика обеспечения интероперабельности в грид и облаках
Методика (см. рисунок 1), построена на основе единого подхода к обеспечению интероперабельности, зафиксированного в ГОСТ Р 55062-2012 и, по существу, использует принципы системной инженерии.
Рисунок 1 - Методика обеспечения интероперабельности грид и облаков.
Методика содержит ряд этапов. К основным этапам относятся этапы 1-5, а к вспомогательным - этапы 6-9. Для обеспечения интероперабельности в случае грид и облаков должны быть выполнены все этапы, приведенные на рис.1 с учетом специфики этих сред. Для этого приведем определения грид и облачных вычислений.
Согласно документу GFD 120 - Open Grid Services Architecture, разработанному международной организацией - Open Grid Forum:
«Грид - система, которая связана с интеграцией, виртуализацией и управлением услугами и ресурсами в распределенной, гетерогенной среде».
Для облаков приведем определение, данное The National Institute of Standards and Technology (NIST):
«Облачные вычисления - это модель предоставления повсеместного и удобного сетевого доступа по мере необходимости к общему пулу конфигурируемых вычислительных ресурсов (например, сетей, серверов, систем хранения, приложений и сервисов), которые могут быть быстро предоставлены и освобождены с минимальными усилиями по управлению и необходимостью взаимодействия с провайдером услуг (сервис-провайдером)».
Основные положения концепции
В области грид известны следующие концепции:
* Web Services Resource Framework http://en.wikipedia.org/wiki/Web_Services_Resource_Framework
* GridWise Interoperability Context-Setting Framework http://www.caba.org/resources/Documents/IS-2008-30.pdf
В области облачных вычислений известна концепция обеспечения семантической интероперабельности: Cloud4SOA (http://www.cloud4soa.eu/).
Согласно единому подходу к обеспечению интероперабельности, концепция интероперабельности должна содержать ряд основных положений. Рассмотрим эти положения (см. таблицу 1).
Таблица 1 ? Основные положения концепции грид и облаков.
|
Грид |
Облака |
|
|
Предполагает объединение групп компьютеров и устройства хранения, позволяющее динамически выделять под определенные задачи необходимые ресурсы по мере появления потребности в них. |
Суть облачных вычислений заключается в удаленном предоставлении по требованию конечным пользователям динамического доступа к услугам (вычислительным ресурсам, приложениям, платформам и инфраструктурам) через локальную сеть или Интернет. |
|
|
Интероперабельность в области грид означает способность двух или более грид систем или их узлов обмениваться информацией и использовать эту информацию |
Итероперабельность в области облачных вычислений означает способность двух или более облаков и их компонентов к обмену информацией и использованию информации, полученной в результате этого обмена |
|
|
Цель обеспечения интероперабельности грид-систем - создание единой грид-среды, содержащей множество стандартизованных компонентов, благодаря которым возможно взаимодействие между отдельными частями грид-систем. |
Цель обеспечения интероперабельности облачных вычислений - создание единой облачной системы, раскрывающей истинный потенциал и преимущества облачных вычислений, заключающихся в возможности обмениваться понятными сообщениями, умении передавать и хранить данные в унифицированном формате, иметь возможность переносить образы виртуальных машин |
Ключевая разница в концепциях - это способ предоставления вычислительных мощностей. В случае с грид это - распределенная мощность и ресурсы, предоставляемые на паритетной основе. В случае с облаками эта мощность арендуется и чем ее больше, тем больше приходится платить.
Архитектура
В таблицах 2 и 3 представлены архитектуры [6] для сравнения архитектур грид и облаков.
Таблица 2 - Архитектура грид
|
прикладной уровень (application) - содержит любые пользовательские приложения, реализуемые в грид среде через и API, и функционирует в средах виртуальной организации (ВО) |
||
|
коллективный уровень (collective) - перехватывает взаимодействия между наборами ресурсов, службы каталогов, допускает контроль и открытие ресурсов ВО |
||
|
уровень ресурса (resource) - определяет протоколы для публикации, открытия, согласования, контроля, учета и оплаты совместного использования операций на отдельных ресурсах |
||
|
уровень связи (connectivity) - определяет базовую связь и протоколы аутентификации для простых и безопасных сетевых транзакций |
||
|
структурный уровень (fabric) - обеспечивает доступ к различным типам ресурсов, таким как: вычисление, хранение, сетевой ресурс, репозиторий кода и т.д. |
Таблица 3 - Архитектура облаков
|
прикладной уровень (application) - содержит приложения, которые работали бы в облаке |
||
|
уровень платформы (platform) - прибавляет набор специализированных инструментов, промежуточного ПО и служб поверх объединенных ресурсов, чтобы обеспечить платформу разработки и/или развертывания (среда web-хостинга, служба планирования) |
||
|
объединенный уровень (unified resource) - содержит ресурсы, которые абстрагировались/инкапсулировались так, чтобы они могли быть представлены верхнему уровню и пользователям как интегрированные ресурсы (компьютер/кластер, логическая файловая система, система баз данных) |
||
|
структурный уровень (fabric) - содержит необработанные аппаратные ресурсы, такие как вычислительные ресурсы, ресурсы хранения и сетевые ресурсы; |
Грид сосредоточена на интеграции существующих ресурсов с их аппаратным обеспечением, ОС, управлением локальными ресурсами и инфраструктурой безопасности. Грид определяет и обеспечивает набор стандартных протоколов, промежуточного ПО, инструментов и услуг, построенных на основе этих протоколов. Интероперабельность и безопасность - основа инфраструктуры грид.
Облака обычно представляются как источник вычислительных ресурсов или ресурсов хранилища, к которым можно получить доступ через стандартные протоколы и абстрактные интерфейсы. Облака могут быть построены на многих существующих протоколах (Web Services, Web 2.0). Из сказанного следуют различия в представленных выше архитектурах.
Модели интероперабельности.
Для грид
На рисунке 2 представлена модель интероперабельности грид, зафиксированная авторами в ГОСТ Р 55768-2013.
Рисунок 2 - Модель интероперабельности грид
На этом рисунке по оси абсцисс перечислены группы сервисов, обеспечивающих реализацию свойств грид-среды. По оси ординат представлены три уровня (технический, семантический и организационный) интероперабельности сервисов. По третьей оси перечислены свойства грид-системы [7].
Для облаков
На рисунке 3 представлена предложенная нами модель интероперабельности облаков [8].
Рисунок 3 - Модель интероперабельности облаков
На рисунке система облачных вычислений изображена в виде цилиндра, которая содержит элемент «Группа сервисов», включающий сервисы, обеспечивающие реализацию свойств облаков. Также имеется элемент «Физические ресурсы», который представляет собой набор технических средств, используемых системой облачных вычислений. Представлены три уровня: технический, семантический и организационный интероперабельности сервисов. Ключевым элементом модели является «МИ» («Модуль Интероперабельности»), способный управлять сервисами. Из модели видно, что МИ затрагивает два уровня - семантический и организационный.
Как следует из проведенного выше рассмотрения, грид и облака с точки зрения проблемы интероперабельности имеют много общего. В связи с этим представляется целесообразным составить общий профиль интероперабельности, выделив в нем отличия для грид и облаков.
Профиль интероперабельности грид и облаков
Как известно, профиль подразумевает согласованный набор стандартов, структурированный в терминах модели интероперабельности, который должен обновляться по мере актуализации входящих в него стандартов и может быть издан как отдельный нормативно-технический документ [9]. Согласно модели интероперабельности, в профиль интероперабельности должны войти стандарты технического, семантического и организационного уровня. Данный этап в настоящее время проработан наиболее слабо. Следует отметить, что согласно действующим правилам, состав и расположение стандартов на тех или иных уровнях интероперабельности требует коллективного обсуждения.