Разработка сайта технической поддержки пользователей пакета Geant4
|
Аннотация 2
Перечень условных обозначений, символов, сокращений, терминов 6
Введение 7
Актуальность исследования 7
Цель и задачи исследования 7
Практическая значимость 8
Объект и предмет исследования 8
Структура работы 9
1 Аналитический обзор 10
1.1 Анализ требований к системе 10
1.2 Технологии, применяемые в проекте 11
2 Функционал сайта 13
2.1 Описание возможностей 13
2.2 Роли пользователей 15
2.3 Сценарии использования (Use-Cases) 15
3 Принцип работы с примерами из Geant4 17
3.2 Оптимизация вычислений примеров и организация хранения результатов 18
3.3 Контроль запуска и выполнения расчёта примера 20
4 Стек технологий 22
4.1 Технологический стек Web-backend 23
4.2 Технологический стек Geant4-backend 25
5 Архитектура системы 28
5.1 Общая архитектура системы 28
5.2 Архитектура Web-backend 28
5.2.1 Архитектура базы данных web-backend 30
5.3 Архитектура Geant-backend 32
5.4 Вспомогательные сервисы 35
6 Тестирование и отладка 37
6.1 Тестирование основных модулей 37
6.2 Результаты тестирования 38
7 Заключение 40
Список использованной литературы 43
Перечень условных обозначений, символов, сокращений, терминов 6
Введение 7
Актуальность исследования 7
Цель и задачи исследования 7
Практическая значимость 8
Объект и предмет исследования 8
Структура работы 9
1 Аналитический обзор 10
1.1 Анализ требований к системе 10
1.2 Технологии, применяемые в проекте 11
2 Функционал сайта 13
2.1 Описание возможностей 13
2.2 Роли пользователей 15
2.3 Сценарии использования (Use-Cases) 15
3 Принцип работы с примерами из Geant4 17
3.2 Оптимизация вычислений примеров и организация хранения результатов 18
3.3 Контроль запуска и выполнения расчёта примера 20
4 Стек технологий 22
4.1 Технологический стек Web-backend 23
4.2 Технологический стек Geant4-backend 25
5 Архитектура системы 28
5.1 Общая архитектура системы 28
5.2 Архитектура Web-backend 28
5.2.1 Архитектура базы данных web-backend 30
5.3 Архитектура Geant-backend 32
5.4 Вспомогательные сервисы 35
6 Тестирование и отладка 37
6.1 Тестирование основных модулей 37
6.2 Результаты тестирования 38
7 Заключение 40
Список использованной литературы 43
Современная наука всё чаще использует информационные технологии для решения сложных задач, анализа данных и моделирования различных процессов. Например, моделирование часто применяется в физике частиц или биомедицине. Одним из инструментов для моделирования прохождения частиц через вещество является Geant4. Это библиотека позволяет моделировать взаимодействие частиц с веществом на крайне высоком уровне детализации, что делает её очень хорошим и надежным инструментом для ученых и инженеров.
Но Geant4 из-за своей специфики использование Geant4 сопряжено со множеством трудностей. Во-первых, платформа требует углубленных знаний физики и программирования на C++, что создает очень высокий порог входа. Во-вторых, для работы с большими объемами данных и сложным моделированием требуются значительные, прежде всего вычислительные, ресурсы. Эти факторы существенным образом ограничивают доступ к Geant4, особенно для студентов, начинающих исследователей и образовательных организаций с недостаточно большим бюджетом.
Актуальность исследования
Актуальность данной работы обусловлена растущей потребностью в упрощении работы с высокопроизводительным программным обеспечением, таким как Geant4. Современная наука и образование требуют инструменты моделирования с относительно низким порогом входа и с возможностью эффективно использовать ограниченные ресурсы. По этой причине создание веб-интерфейса для Geant4 является довольно важным шагом в решении обозначенной проблемы. Этот портал предоставит исследователям и студентам удобный инструмент для решения научных задач.
Цель и задачи исследования
Основной целью этой дипломной работы является создание удобного веб-интерфейса, который упростит взаимодействие с платформой Geant4, сделав её доступной для более широкой аудитории, чем есть на данный момент. Портал должен не только обеспечивать запуск вычислительных задач, но и автоматизировать управление параметрами моделирования, предоставляя пользователю удобный способ анализа результатов. Особое внимание уделяется созданию масштабируемой системы, способной поддерживать работу сотен пользователей одновременно, что особенно важно при использовании в научных и образовательных учреждениях. Также Веб-интерфейс должен предоставлять возможность создавать документацию к Geant4 на русском языке.
Для достижения этой цели в рамках работы решаются следующие задачи:
а) разработка архитектуры системы, обеспечивающей надёжность, масштабируемость и высокую производительность даже при больших нагрузках;
б) создание современного и интуитивно понятного пользовательского интерфейса, позволяющего легко управлять задачами Geant4, изменять параметры моделирования и отслеживать результаты;
в) интеграция интерфейса с платформой Geant4 для выполнения вычислений, обработки данных и сохранения результатов;
г) обеспечение поддержки асинхронной обработки задач, что необходимо для работы с длительными вычислительными процессами;
д) обеспечение администраторов сайта конструктором для создания и редактирования документации к Geant4 на русском языке.
Практическая значимость
Результаты работы могут быть полезны для научных организаций, образовательных учреждений и исследовательских центров. Внедрение такого решения упростит обучение студентов методам моделирования, позволит аспирантам и исследователям сосредоточиться на анализе результатов, а не на технических деталях работы с Geant4. Кроме того, разработанная архитектура может служить основой для обучения разработчиков, разрабатывающие системы, которые требуют значительное количество ресурсов.
Объект и предмет исследования
В данной работе объектом исследования является программный комплекс Geant4 и подходы к организации взаимодействия пользователей с системами высокопроизводительных вычислений. Предметом исследования выступает разработка и реализация масштабируемого веб-интерфейса, обеспечивающего упрощённый доступ к функционалу Geant4 и удобное взаимодействие с системой моделирования для пользователей с различным уровнем подготовки.
Структура работы
Работа включает анализ существующих решений, проектирование системы, разработку веб-приложения, его тестирование и оценку производительности, что позволяет комплексно подойти к решению поставленных задач.
Но Geant4 из-за своей специфики использование Geant4 сопряжено со множеством трудностей. Во-первых, платформа требует углубленных знаний физики и программирования на C++, что создает очень высокий порог входа. Во-вторых, для работы с большими объемами данных и сложным моделированием требуются значительные, прежде всего вычислительные, ресурсы. Эти факторы существенным образом ограничивают доступ к Geant4, особенно для студентов, начинающих исследователей и образовательных организаций с недостаточно большим бюджетом.
Актуальность исследования
Актуальность данной работы обусловлена растущей потребностью в упрощении работы с высокопроизводительным программным обеспечением, таким как Geant4. Современная наука и образование требуют инструменты моделирования с относительно низким порогом входа и с возможностью эффективно использовать ограниченные ресурсы. По этой причине создание веб-интерфейса для Geant4 является довольно важным шагом в решении обозначенной проблемы. Этот портал предоставит исследователям и студентам удобный инструмент для решения научных задач.
Цель и задачи исследования
Основной целью этой дипломной работы является создание удобного веб-интерфейса, который упростит взаимодействие с платформой Geant4, сделав её доступной для более широкой аудитории, чем есть на данный момент. Портал должен не только обеспечивать запуск вычислительных задач, но и автоматизировать управление параметрами моделирования, предоставляя пользователю удобный способ анализа результатов. Особое внимание уделяется созданию масштабируемой системы, способной поддерживать работу сотен пользователей одновременно, что особенно важно при использовании в научных и образовательных учреждениях. Также Веб-интерфейс должен предоставлять возможность создавать документацию к Geant4 на русском языке.
Для достижения этой цели в рамках работы решаются следующие задачи:
а) разработка архитектуры системы, обеспечивающей надёжность, масштабируемость и высокую производительность даже при больших нагрузках;
б) создание современного и интуитивно понятного пользовательского интерфейса, позволяющего легко управлять задачами Geant4, изменять параметры моделирования и отслеживать результаты;
в) интеграция интерфейса с платформой Geant4 для выполнения вычислений, обработки данных и сохранения результатов;
г) обеспечение поддержки асинхронной обработки задач, что необходимо для работы с длительными вычислительными процессами;
д) обеспечение администраторов сайта конструктором для создания и редактирования документации к Geant4 на русском языке.
Практическая значимость
Результаты работы могут быть полезны для научных организаций, образовательных учреждений и исследовательских центров. Внедрение такого решения упростит обучение студентов методам моделирования, позволит аспирантам и исследователям сосредоточиться на анализе результатов, а не на технических деталях работы с Geant4. Кроме того, разработанная архитектура может служить основой для обучения разработчиков, разрабатывающие системы, которые требуют значительное количество ресурсов.
Объект и предмет исследования
В данной работе объектом исследования является программный комплекс Geant4 и подходы к организации взаимодействия пользователей с системами высокопроизводительных вычислений. Предметом исследования выступает разработка и реализация масштабируемого веб-интерфейса, обеспечивающего упрощённый доступ к функционалу Geant4 и удобное взаимодействие с системой моделирования для пользователей с различным уровнем подготовки.
Структура работы
Работа включает анализ существующих решений, проектирование системы, разработку веб-приложения, его тестирование и оценку производительности, что позволяет комплексно подойти к решению поставленных задач.
В ходе выполнения выпускной квалификационной работы была разработана веб-платформа, предоставляющая удобный и наглядный доступ к инструментам моделирования физических процессов на базе Geant4. Система реализована в виде распределённого приложения, состоящего из трёх основных сервисов — Web-frontend, Web-backend и Geant-backend, а также двух вспомогательных компонентов: логирующей подсистемы (на базе ELK stack) и заглушки для S3-хранилища.
В процессе реализации проекта были изучены и применены современные технологии и инструменты разработки: Django, Django REST Framework, FastAPI, React, Redux Toolkit, Docker, Docker Compose, Redis, RabbitMQ, Elasticsearch, Logstash, Kibana, Nginx и другие. Кроме того, была настроена система CI/CD для автоматизации процессов сборки, тестирования и развертывания каждого из основных сервисов. В проекте последовательно применялись принципы REST, а также архитектурные и инженерные подходы, соответствующие практикам SOLID, DRY и KISS, что положительно сказалось на читаемости и масштабируемости кода.
Работа над проектом позволила получить ценный опыт как в области программной инженерии, так и в координации разработки, проектирования архитектуры системы и организации взаимодействия между компонентами. Полученные результаты подтвердили работоспособность предложенного решения: платформа успешно выполняет поставленные задачи и соответствует функциональным требованиям.
В то же время, в процессе реализации были выявлены отдельные ограничения. Так, в качестве временного решения было использовано упрощённое S3-хранилище (stub), не обладающее полной функциональностью и надёжностью промышленного хранилища. Кроме того, не были реализованы такие модули, как файловое хранилище для сотрудников и форум пользователей, поскольку в рамках текущей версии системы они были признаны избыточными. Также архитектура приложения пока не предполагает работу в распределённом кластере, что может ограничивать устойчивость системы при высокой нагрузке или отказе отдельных узлов.
В качестве направлений дальнейшего развития проекта можно выделить следующие приоритеты: замена S3 stub на полноценное объектное хранилище, внедрение кластерной архитектуры для повышения отказоустойчивости, расширение функционала системы за счёт добавления модуля обратной связи и пользовательского форума, а также организация 40
межсервисного взаимодействия с использованием специализированного брокера сообщений для повышения стабильности и надёжности всей платформы.
Таким образом, поставленные в ходе работы цели были достигнуты в полном объёме:
а) разработана архитектура системы, обеспечивающая надёжность, масштабируемость и высокую производительность даже при больших нагрузках;
б) создан современный и интуитивно понятный пользовательский интерфейс,
позволяющий легко управлять задачами Geant4, изменять параметры моделирования и отслеживать результаты;
в) интерфейс интегрирован с платформой Geant4 для выполнения вычислений, обработки данных и сохранения результатов;
г) обеспечена поддержка асинхронной обработки задач;
д) создан конструктор для создания и редактирования технической документации к Geant4 на русском.
Полученная система будет передана в лабораторию анализа данных и физики высоких энергий. Она будет использована в научной и образовательной деятельности университета.
В процессе реализации проекта были изучены и применены современные технологии и инструменты разработки: Django, Django REST Framework, FastAPI, React, Redux Toolkit, Docker, Docker Compose, Redis, RabbitMQ, Elasticsearch, Logstash, Kibana, Nginx и другие. Кроме того, была настроена система CI/CD для автоматизации процессов сборки, тестирования и развертывания каждого из основных сервисов. В проекте последовательно применялись принципы REST, а также архитектурные и инженерные подходы, соответствующие практикам SOLID, DRY и KISS, что положительно сказалось на читаемости и масштабируемости кода.
Работа над проектом позволила получить ценный опыт как в области программной инженерии, так и в координации разработки, проектирования архитектуры системы и организации взаимодействия между компонентами. Полученные результаты подтвердили работоспособность предложенного решения: платформа успешно выполняет поставленные задачи и соответствует функциональным требованиям.
В то же время, в процессе реализации были выявлены отдельные ограничения. Так, в качестве временного решения было использовано упрощённое S3-хранилище (stub), не обладающее полной функциональностью и надёжностью промышленного хранилища. Кроме того, не были реализованы такие модули, как файловое хранилище для сотрудников и форум пользователей, поскольку в рамках текущей версии системы они были признаны избыточными. Также архитектура приложения пока не предполагает работу в распределённом кластере, что может ограничивать устойчивость системы при высокой нагрузке или отказе отдельных узлов.
В качестве направлений дальнейшего развития проекта можно выделить следующие приоритеты: замена S3 stub на полноценное объектное хранилище, внедрение кластерной архитектуры для повышения отказоустойчивости, расширение функционала системы за счёт добавления модуля обратной связи и пользовательского форума, а также организация 40
межсервисного взаимодействия с использованием специализированного брокера сообщений для повышения стабильности и надёжности всей платформы.
Таким образом, поставленные в ходе работы цели были достигнуты в полном объёме:
а) разработана архитектура системы, обеспечивающая надёжность, масштабируемость и высокую производительность даже при больших нагрузках;
б) создан современный и интуитивно понятный пользовательский интерфейс,
позволяющий легко управлять задачами Geant4, изменять параметры моделирования и отслеживать результаты;
в) интерфейс интегрирован с платформой Geant4 для выполнения вычислений, обработки данных и сохранения результатов;
г) обеспечена поддержка асинхронной обработки задач;
д) создан конструктор для создания и редактирования технической документации к Geant4 на русском.
Полученная система будет передана в лабораторию анализа данных и физики высоких энергий. Она будет использована в научной и образовательной деятельности университета.
