Встреча_со_студентами_2014

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