Тема: Разработка технологии моделирования взаимодействия распределенных реестров и приложений с использованием платформы контейнеризации

Закон Мура гласит, что количество транзисторов на чипе микропро­цессора удваивается каждые два года в ходе совершенствования техноло­гии производства [1]. Впервые сформулированный в 1965 году, он полвека диктовал темп развития вычислительной техники. Однако проблемы, свя­занные с выводом генерируемого транзисторами тепла, не позволяют про­изводителям продолжать удваивать их количество на чипе [1]. Связанное с этим замедление темпа увеличения производительности вычислительной техники заставляет разработчиков искать новые пути развития для повы­шения производительности их продуктов [2]. Одним из способов, способных обеспечить необходимый эффект, является распределение вычислительной нагрузки на несколько компьютеров. Основанные на этом принципе систе­мы называются распределёнными, а используемые для непосредственных вычислений машины — узлами системы. По мере увеличения пропускной способности глобальной сети распределённые системы получают всё боль­шее распространение [3][4].
Вне зависимости от используемого в распределённой системе алго­ритма организации совместной работы и разбиения нагрузки, её узлы будут использовать сетевые соединения для координации рабочего процесса. При разработке такой системы необходимо обеспечить её тестирование с учётом логической структуры и различных возможных состояний физической се­ти, поверх которой должно будет работать приложение. (Под логической структурой сети здесь имеется в виду способ объединения узлов в группы, используемый для организации её работы) Проведение такого тестирова­ния связано с большими трудностями, однако, если проигнорировать его и предположить все узлы напрямую соединёнными между собой идеальной сетью, то даже успешное тестирование приложения сможет гарантировать его правильную работу в реальных условиях только при нормальном со­стоянии сети и не позволяет оценить влияние на него проблем сетевого плана.
Так, для децентрализованных сервисов, построенных на платфор­ме Ethereum, было показано, что изменение скорости передачи сообщений между узлами может повлиять на соотношение их мощностей при майнинге [5]. Для другой распределёной системы, предполагавшейся защищённой по свой архитектуре криптовалюты “Bitcoin” [6], существуют доказательства проведения успешных атак, основанных на манипуляциях с протоколами динамической маршрутизации пакетов в глобальной сети, поверх которой работает система [7].
Данная работа описывает основанную на технологии контейнериза­ции систему симуляции распределённых систем MADT ("Modeling and Analysys of Distributed Technologies"), обеспечивающую возможность тестирования их работы при изменяющемся поведении сети и анализа влияния логиче­ской структуры сети на такие системы. Система моделирует работу узлов системы и логическую структуру нижележащей сети и позволяет динами­чески манипулировать качеством её работы. В качестве вычислительных ресурсов для моделирования система может использовать как одну маши­ну, так и кластер, таким образом позволяя моделировать работу систем со значительным (более 1000) количеством узлов. Для сравнения, коли­чество полноценных узлов во всей сети Bitcoin оценивается как 10000 [8]. Для доступа к информации, получаемой в ходе тестирования, была реа­лизована система мониторинга, визуализирующая данные, генерируемые моделью, в реальном времени и с учётом структуры сети, позволяя со­относить изменения в работе сети с изменениями в поведении системы и упрощая планирование дальнейшего направления тестирования.
В качестве демонстрации работы созданной системы симуляции был проведён анализ поведения узлов DHT Kademlia при нарушении работы се­ти, в ходе которого были обнаружены временное замедление работы всей сети при отключении одного узла, продолжение работы отсечённого от остальной сети набора узлов и невозможность переподключения узла после кратковременного нарушения его соединения с остальной сетью, что вме­сте позволяет владельцу физической сети разделять глобальную сеть DHT Kademlia на локальные участки посредством кратковременных нарушений передачи сообщений.
Купить

Построенная в ходе данной работы система моделирования распреде­лённых приложений MADT позволяет моделировать работу приложений с большим количеством узлов при разной логической структуре нижележа­щей сети и изменять качество работы сети в реальном времени. Это даёт разработчикам таких систем испытывать их работу в условиях, прибли­женным к реальным, в частности при высоких нагрузках и плохой или пе­ременчивой работе сети. Возможность использования динамической марш­рутизации и IP-маскарадинга дополнительно увеличивает реалистичность моделей относительно реальных распределённых приложений, развёрну­тых поверх сети интернет.
Тестирование с помощью MADT может быть полезным в нескольких случаях. Прежде всего, оно может помочь повысить скорость разработки новых распределённых систем, позволяя заранее находить проблемы при работе приложения с сетью и упрощая проведение стресс-тестирования. Другим возможным применением системы является анализ защищённости распределённых приложений относительно атак сетевого плана, возмож­ный благодаря наличию возможности динамически регулировать качество работы отдельных сегментов сети и поддержке моделирования протоколов динамической маршрутизации. Кроме того, возможность моделирования работы разных технологий поверх сетей произвольной логической струк­туры делает возможным использование MADT для бенчмаркинга распре­делённых систем в специфических условиях. Это может значительно упро­стить пользователям выбор распределённой системы, подходящей для их условий.
Купить