ЛАБОРАТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ КОМПЛЕКСОВ ВМК МГУ, кафедра АСВК Чл.-корр. РАН, д. ф.-м. н., профессор Смелянский Руслан Леонидович, smel@cs.msu.su ЛВК 2014 1 План доклада • Что такое ЛВК? • Учебный процесс • Семинары ЛВК: – Распределённые системы и сети ПКС – Синтез архитектур и планирование вычислений • Требования к студентам ЛВК 2014 2 Положение на факультете • Лаборатория в составе кафедры АСВК • Основана в 1982 году • 20 сотрудников, около 40 студентов • Комнаты 247а, 760, 761, 764 • 1 место на факультете ВМК по объёму договоров (~350 000 €/год) ЛВК 2014 3 Направления исследований и партнёры Распределённые системы и сети ПКС Синтез архитектур и планирование вычислений ЛВК 2014 4 Специфика ЛВК • Тематика работы студент выбирает до распределения • Темы курсовых работ не привязаны к коммерческим проектам – Участвовать в коммерческих НИР и ОКР можно лишь с согласия научного руководителя • Обязательная исследовательская составляющая курсовых – Нет «технических» курсовых работ • Работа над курсовой начинается с 15 сентября, прогресс постоянно отслеживается – Курсовая работа становится основным учебным предметом, которому надо уделять время • Строгие требования к составу и оформлению курсовых работ ЛВК 2014 5 Жизненный цикл студента ЛВК Выбор направления Распределение Формулировка темы работы Работа над курсовой Зимний отчёт Проведение экспериментов и оформление текста работы Весенний отчёт ЕСТЕСТВЕННЫЙ ОТБОР Профессионал в своей области Отчисление или переход в другие подразделения ЛВК 2014 6 Порядок работы над курсовой • Исследование предметной области • Выбор математической модели • Построение решения (напр., алгоритма) в рамках выбранной модели • Исследование свойств построенного решения • Практическая реализация • Выполнение экспериментов и анализ результатов • Оформление работы (текст курсовой, доклады на конференциях, научные статьи) ЛВК 2014 7 Инфраструктура Тонкие клиенты SunRay Виртуальные машины Виртуальные сеансы Система контроля версий Управление задачами ЛВК 2014 ОС Debian Linux Доступ к библиотекам Необходимый набор сервисов (IMAP, SSH, хостинг) 8 Вычислительные ресурсы Сервера 2x 16Gb RAM, 4x2.8 GHz, 1Tb HDD SunFire SF440, 8Gb RAM, 4х1.28GHz, 1Tb HDD Система хранения данных CLARiiON AX150, 5Tb, подключение по оптоволокну ЛВК 2014 9 Чему мы учим? • Искать информацию и её источники • Анализировать информацию, составлять обзоры • Вести исследования в области Computer Science • Представлять свою работу, отстаивать точку зрения • Разрабатывать ПО с применением современных технологий и инструментальных средств • Работать в команде • Оформлять результаты исследовательской работы ЛВК 2014 10 Как происходит набор? • Просеминар • В апреле проходит собеседование, учитывающее – Оценки на экзаменах и по практикуму – Участие в олимпиадах • По итогам собеседования выдаются рекомендации в ЛВК • Набор ~ 12 студентов в год • Студенты распределены по 2 семинарам ЛВК 2014 11 Студенческие семинары Распределённые системы и сети ПКС Синтез архитектур и планирование вычислений ЛВК 2014 12 Семинар распределённые системы и сети ПКС • Программно-конфигурируемые сети (ПКС) • Имитационное моделирование • Надежность РВС ЛВК 2014 13 Тенденции и требования рынка Ключевые тенденции Изменение модели вычислений (outsourcing & robosourcing); Global IP Traffic By Type 59.354 60 Fixed Internet Быстрый рост траффика: к 2016 году объем трафика возрастет в 6 раз 46.29 50 Managed IP 27.434 30 Изменение структуры траффика: к 2016 г. 90 % видеотрафик; Взрывной рост мобильности; 35.879 Mobile data 40 20.65 20 14.955 10 4.989 0.237 9.014 6.839 0.546 1.163 11.352 2.198 13.189 14.848 6.254 3.806 0 2010 2011 2012 2013 2014 2015 Несоответствие темпов роста трафика и темпов роста доходов операторов Необходимо сокращать стоимость передачи трафика! К 2003 г. в Интернет было сгенерировано 5 экзабайт. Сегодня такой объем – за 2-3 дня 21.11.2013 Эрик Шмит, Google Смелянский Р.Л. ЦПИКС 14 Что такое ПКС логическая централизация и отделение управления от собственно передачи Реальное управление качеством передачи данных, инжинирингом трафика и маршрутизацией Открытый интерфейс для приложений Сетевая операционная система Аппаратный коммутатор/ Удобный механизм абстракции и Мониторинг и построение топологии/карты сети Расчет маршрута по запросу Управление маршрутизатор виртуализации сетевых ресурсов и сервисов Данные Повышение эффективности распределения ресурсов и размещения сервисов в сети Упрощение data plane 21.11.2013 Смелянский Р.Л. ЦПИКС 15 ПКС на базе OF RIP VLAN OSP OSPF F IIS-IS Classic router ACL …… 21.11.2013 MPLS Смелянский Р.Л. ЦПИКС 16 ПКС на базе OF RIP VLAN … 21.11.2013 OSPF Classic router IS-IS ACL MPLS Смелянский Р.Л. ЦПИКС 17 ПКС на базе OF RIP VLAN OSPF Classic router IS-IS ACL … 21.11.2013 MPLS Смелянский Р.Л. ЦПИКС 18 ПКС на базе OF Flow Table TCAM Switch VLAN Controller RIP OSPF IS-IS ACL MPLS … 21.11.2013 Смелянский Р.Л. ЦПИКС 19 ПКС на базе OF Flow Table MAC src MAC dst TCAM * * IP IP Flow Src Table Dst * Switch * 00:1f:.. 5.6.7.8 TCP sport * TCP dport * * VLAN * Controller port 1 RIP OSPF Routing Rule examples * Action * port 5 IS-IS ACL Switching * * * * * 22 drop MPLS Firewall … 00:20.. 00:1f:.. 1.2.3.4 5.6.7.8 20 666 port 7 Flow Switching 21.11.2013 Смелянский Р.Л. ЦПИКС 20 ПКС на базе OF Flow Table MAC src MAC dst TCAM * * IP IP Flow Src Table Dst * Switch 5.6.7.8 * TCP dport Action * Controller port 1 * 00:1f:.. * * * * port 5 * * * * * 22 drop 20 VLAN RIP OSPF Routing Rule examples 00:20.. 00:1f:.. 1.2.3.4 5.6.7.8 21.11.2013 TCP sport 666 IS-IS Switching ACL MPLS Firewall port 7 … Flow Switching Смелянский Р.Л. ЦПИКС 21 Flow Table TCAM Network operating system ПКС на базе OF Controller Switch 21.11.2013 APP VLAN APP RIP APP OSPF APP IS-IS APP ACL APP MPLS APP … Смелянский Р.Л. ЦПИКС 22 ПКС на базе OF Network operating system Switch Controller Switch APP VLAN APP RIP APP OSPF APP IS-IS APP ACL APP MPLS APP … Switch 21.11.2013 Смелянский Р.Л. ЦПИКС 23 ПКС на базе OF App App Контроллер App App App Контроллер Slice2 App Контроллер Slice3 Slice1 Слой виртуализации ПКС устройство коммутации пакетов ПКС устройство коммутации пакетов ПКС устройство коммутации пакетов Простое устройство коммутации пакетов Простое устройство коммутации пакетов 21.11.2013 Смелянский Р.Л. ЦПИКС 24 Сеть оператора с ВСС CPE DPI BRAS DSLAM Firewall Carrier Grade NAT Access Monitor CDN Edge Core WAN Accelerator DSLAM IMS, VoLTE, CSCF OLT © ON.LAB 21.11.2013 Смелянский Р.Л. ЦПИКС 25 Виртуальные Сетевые Сервисы (NFV) 21.11.2013 Смелянский Р.Л. ЦПИКС 26 21.11.2013 Смелянский Р.Л. ЦПИКС 27 Intel DPDK DPDK = Data Plane Development Kit http://intel.com/go/dpdk/ • • • • • • • • 21.11.2013 Intel DPDK – это набор библиотек и драйверов для быстрой обработки пакетов на платформах Intel. Использование больших виртуальных страниц (huge pages 2mb/1gb). Размещение объектов равномерно по всем каналам оперативной памяти. Адресное пространство карточки доступно из user_space. Неблокирующие очереди для передачи пакетов. Нет прерываний в драйверах DPDK – активный цикл. Активное использование SSE инструкций для обработки пакетов. Выделение целых ядер процессоров под задачи. Смелянский Р.Л. ЦПИКС 28 Open vSwitch ускоренный с DPDK • Open vSwitch - это виртуальный программный коммутатор, который обеспечивает соединение между виртуальными машинами и физическими интерфейсами. – VLAN, SPAN, RSPAN, GRE, sFlow, Netflow, OpenFlow 1.1. Open vSwitch Open vSwitch + DPDK PHY-to-PHY 1.1 Mpps 10 Mpps VM-to-PHY 0.3 Mpps 4 Mpps VM-to-VM 0.3 Mpps 2 Mpps * на 10 Gb канале ** на udp пакетах, 64 байта (самый сложный сценарий) *** теоретический максимум 15 Mpps 21.11.2013 Смелянский Р.Л. ЦПИКС 29 Сеть оператора с ВСС CPE CPE-Func CG-NAT CPE-Func CG-NAT CPE-Func BRAS CPE-Func DC (Standard High Volume Servers/Storage/Switches) DPI BRAS DPI DPI BRAS BRAS Firewall Network Function-VMs Access CDN CDN Monitor DSLAM Carrier Grade NAT CPE-Func CG-NAT CPE-Func BRAS CPE-Func BRAS CPE-Func DPI Monitor CDN Monitor WAN-Accl WAN-Accl 21.11.2013 CDN WAN Accelerator Monitor DSLAM © ON.LAB Edge Core Monitor OLT CDN CPE-Func CG-NAT CPE-Func BRAS CPE-Func BRAS CPE-Func DPI WAN-Accl WAN-Accl CDN CDN CDN CDN Смелянский Р.Л. ЦПИКС 30 ВСС с плоскостью управления ПКС BRAS BRAS WAN-Accel CPD VM + Network Orchestration Load Balancer VM Mgmt NF-VM NF-VM NF-VM NF-VM NF-VM NF-VM NF-VM NF-VM NF-VM NF-VM NF-VM NF-VM Firewall CG-NAT SDN Controller NF-VM NF-VM NF-VM NF-VM NF-VM NF-VM Core Edge Access 21.11.2013 © ON.LAB Смелянский Р.Л. ЦПИКС 31 CDN как NFV Region Consumer Consumers S1 Data origin CDN Consumers Statistics S1 NFV regional farm 21.11.2013 Controller Смелянский Р.Л. ЦПИКС 32 21.11.2013 Смелянский Р.Л. ЦПИКС 33 Направления исследований по теме ПКС • Моделирование работы ПКС • Обеспечение качества и живучести ПКС • Формальная верификация ПКС • Исследование контроллеров ПКС и приложений для них • Виртуализация сетей и сетевых функций • Обнаружение вредоносного исполнимого кода ЛВК 2014 34 Моделирование • Модель объекта – более простой объект, сохраняющий интересующие нас свойства исходного объекта • Моделирование – исследование или применение модели объекта вместо самого объекта ЛВК 2014 35 Задачи при разработке встроенных систем • Отладка программ без использования аппаратуры встроенной системы • Выбор архитектуры встроенного вычислителя • Интеграция многокомпонентной встроенной системы ЛВК 2014 36 Практическое применение • Моделирование аппаратуры встроенной системы для отладки программ «на модели» – Работы с НТЦ «Модуль» – Задачи: • Отладка программ для встроенных систем без использования «железа» • Низкоуровневая отладка, невозможная на реальном «железе» • Получение временных характеристик программ – Инструмент: «Модель NM» ЛВК 2014 37 Практическое применение • Выбор архитектуры встроенного вычислителя – Работы с ОКБ Сухого – Задачи: • Расчёт загрузки процессора центральной вычислительной системы самолёта • Расчёт загрузки бортовых каналов • Обоснование выбора архитектуры – Инструмент: среда моделирования «Диана» ЛВК 2014 38 Практическое применение • Интеграция многокомпонентной встроенной системы – Работы с ОКБ Сухого и ЦНИИ Электроприбор – Задачи: • Имитация «окружения» для интегрируемых устройств в реальном времени • Регистрация обменов устройств по каналам • Анализ правильности взаимодействия устройств • Отладка программ для встроенных систем без использования «железа» – Инструмент: стенд полунатурного моделирования ЛВК 2014 39 Структура стенда ПНМ Стенд моделирования ИУП Устройства КБО ЛВК 2014 Высокоуровневая архитектура HLA 1516 Федерат 1 Модель поведения одного объекта Среда выполнения моделей Федерат 2 Модель поведения другого объекта ЛВК 2014 Анализ свойств моделей РВС РВ ? Всегда x < 2 Глобальные спецификации Программа 1 ? Модель 1 Модель 2 ? Спецификация поведения модели 1 Спецификация поведения модели 2 Система Переходов 1 Система Переходов 2 Программа 2 ЛВК 2014 x=1 x=2 x=2 x=1 Инструментальные средства ЛВК 2014 43 Примеры направлений курсовых работ • Развитие методов и средств визуализации результатов моделирования • Анализ надёжности вычислительных систем • Интеллектуальный автоматический анализ результатов моделирования ЛВК 2014 44 Семинар «Cинтез архитектур и планирование вычислений» • планирование вычислений в РВС реального времени • структурный синтез ВС • построение оптимальных конфигураций для сетей передачи данных в РВС • распознавание аномального поведения технических систем • нейросетевые технологии ЛВК 2014 45 Разработка и применение передовых алгоритмов • Эволюционные и генетические алгоритмы • Алгоритмы имитации отжига • Муравьиные алгоритмы • Нейронные сети • Гибридные алгоритмы ЛВК 2014 46 Примеры проектов • Инструментальная система планирования информационного обмена в бортовой ВС – применение: ОКБ Сухого, ЦНИИ Электроприбор – комплекс средств: алгоритмы планирования, работа с БД, пользовательский интерфейс – интеграция со стендом полунатурного моделирования • Конструктор алгоритмов оптимизации – программная библиотека, позволяющая составлять специализированные алгоритмы из настраиваемых компонентов • Средства распознавания предаварийных ситуаций – применение: автоматическое распознавание состояний микросна у водителей автомобилей ЛВК 2014 47 Примеры направлений для курсовых работ • Алгоритмы планирования информационного обмена в среде Fibre Channel • Применение алгоритмов кластеризации для распознавания аварийных режимов работы технических систем • Применение муравьиных алгоритмов для планирования вычислительных задач и обменов данными • Автоматическое формирование рекомендаций по настройке алгоритмов планирования информационного обмена ЛВК 2014 48 Что даём вам МЫ? • Интересные и актуальные темы исследований в рамках курсовых и дипломных работ • Публикации и участие в конференциях и научных школах • Совмещение работы с учёбой в рамках высокотехнологичных промышленных проектов, проводимых ЛВК • Уникальная техническая база для проведения исследований • Научные и технические консультации специалистов высокого класса ЛВК 2014 49 Что требуется от ВАС? • Готовность много и активно работать самостоятельно • Желание получить максимум знаний и опыта за время учебы • Не бояться жёстких требований к выполнению курсовых и дипломных работ ЛВК 2014 50 Лаборатория Вычислительных Комплексов • Аудитории 764, 761, 760, 247а • Страница лаборатории http://lvk.cs.msu.su • Собеседование 17.04 (четверг), 16:00 ауд. 247(а) • Почта info@lvk.cs.msu.su ЛВК 2014 51