В этом выпуске Трудов Института системного программирования РАН публикуются статьи, написанные по материалам докладов, которые были представлены на пятой ежегодной международной конференции "Облачные вычисления. Образование. Исследования. Разработка". Конференция прошла 4-5 декабря 2014 г в здании Президиума российской академии наук. В 2014 г. конференция была посвящена различным аспектам технологий параллельных и распределенных вычислений, в том числе высокопроизводительным вычислениям в облаках, безопасности распределенных систем, хранению и анализу сверхбольших массивов данных, предметно-ориентированным, виртуальным web-лабораториям. В рамках конференции также был проводен тематический семинар по применению современных высокопроизводительных технологий и свободного программного обеспечения (пакет OpenFOAM) для решения задач механики сплошной среды. Конференция проводится ИСП РАН при поддержке Российской академии наук и компаний-партнеров (HP, Dell, NVIDIA и д.р.), совместно с которыми реализуется ряд программ в области параллельных и распределенных вычислений: "Университетский кластер" (http://www.unicluster.ru), открытая лаборатория по технологиям больших данных (BigDataOpenLab - http://www.bigdataopenlab.ru), исследовательский центр CUDA (CUDA Research Center). Информационным партнером конференции является издательский дом "Открытые системы".

В статье рассматривается задача оценки объема трудозатрат на проектирование функциональных требований к информационной системе в сервис-ориентированной архитектуре. Для этого предлагается стохастическая модель процесса идентификации сервисов информационной системы, позволяющая при минимальных исходных данных дать оценку ожидаемого количества объектов проекта и связей между ними. Модель основана на представлении процесса декомпозиции автоматизируемого бизнес-процесса как ветвящегося случайного надкритического процесса Гальтона-Ватсона. Проектирование связей между элементами декомпозиции моделируется как процесс построения связного случайного графа в модели Эрдеша-Реньи. Предсказания модели подтверждаются проверкой на экспериментальных данных.

В статье рассмотрены вопросы оценки сложности крупноблочных облачных вычислений с повышенной точностью. Данная разработка направлена на решение в облаке задач математического моделирования с особыми требованиями точности. В частности речь идет о получении прецизионно-доверительного решения задач со сложными связями между подзадачами в виде крупных блоков и временем счета, значительно превышающим время передачи информации между ними. Предлагается методология оценки сложности задач подобного рода, используемая для построения оптимальных по производительности вычислительных систем, функционирующих в облачной среде.

В статье обсуждаются вопросы, связанные с обеспечением эффективного масштабирования потоков заданий, порождаемых проблемно-ориентированными распределенными вычислительными системами, в разнородных Grid с гибридными узлами. Рассматриваются мультиагентные методы и инструментальные средства нового поколения, обеспечивающие эффективное управление комбинированными потоками заданий масштабируемых сервис-ориентированных программных комплексов и балансировкой нагрузки вычислительных ресурсов исполнительной среды. Описывается высокоуровневый программный инструментарий для построения сервисов масштабируемых программных комплексов. Отличительной особенностью представленных методов и средств от известных является использование элементов экономической теории регулирования спроса и предложения ресурсов в согласованном мультиагентном управлении вычислениями для кластерной Grid с гибридными узлами, как на уровне Grid, так и на уровне приложений. Функции проблемно-ориентированной вычислительной среды (пользовательского приложения) оформляется в виде Grid-сервисов на основе применения технологии Web Services Resource Framework и шаблонов взаимодействия с локальными менеджерами ресурсов узлов Grid. Для создания программных агентов пользовательского приложения, предоставляющих эти функции, используется инструментальная среда High-performance computing Service-oriented Multiagent System Framework, разработанная авторами. В качестве примеров организации проблемно-ориентированной вычислительной среды (пользовательского приложения) с помощью рассматриваемых в статье методов и средств приводится ряд научных сервисов для экспериментальной Grid. Анализируются результаты эффективности их функционирования.

Данная работа посвящена криптоанализу по известным открытым текстам гомоморфной криптосистемы, предложенной Доминго-Феррером. В предыдущих работах было показано, что для раскрытия секретного ключа необходимо перехватить по меньшей мере пару (открытый текст, шифртекст), где - степень полиномов, являющихся шифртекстами. Здесь мы проводим анализ существующей атаки по известным открытым текстам, а также показываем, как можно её модифицировать так, чтобы значительно уменьшить нужное количество перехваченных пар. А именно, оказывается, что достаточно всего лишь двух пар для раскрытия секретного ключа. Время работы предложенной атаки так же, как и для уже существующей, зависит полиномиально от и логарифмически от размера пространства открытых текстов. Представлены результаты компьютерных экспериментов.

Методы полностью гомоморфного шифрования (ПГШ) - общепризнанный способ организации криптографической защиты облачных вычислений. Однако существующие криптосхемы ПГШ по своим характеристикам не достаточны для применения на практике - одни криптосхемы имеют слишком малую криптостойкость, другие требуют слиш-ком больших вычислительных ресурсов. Для развития последних исследователями из IBM был предложен метод «упаковывания шифртекстов», который был применен ими к криптосхеме с открытым ключом, стойкость которой основана на сложности задач теории решеток. В данной работе метод «упаковки шифртекстов» применен к симметричной криптосхеме на основе матричных полиномов: приводится описание возможных способов организации такой упаковки, представлено описание одного из вариантов таких криптосистем с оценкой сложности алгоритма умножения шифртекстов. В заключение приведено сравнение эффективности полученной криптосхемы с криптосхемами исследователей из IBM.

Проведено прямое численное моделирование формирования аттрактора внутренних гравитационных волн в стратифицированной жидкости с помощью двух численных алгоритмов. Математическая постановка задачи соответствует экспериментам по возбуждению внутренних волн через вертикальный волнопродуктор в трапецеидальном контейнере с раствором соли. Показано, что двумерные численные расчеты хорошо воспроизводят экспериментальные данные при учете изменения линейного профиля солености у свободной поверхности. При этом амплитуда колебаний в численных расчетах увеличена за счет потерь энергии волнопродуктора в трехмерном контейнере. Несмотря на то, что общий вид аттрактора хорошо воспроизводится как методом спектральных элементов, так и методом конечных объемов, в профилях скоростей имеются отличия у левой границы. Это требует дальнейшего исследования, поскольку такие отличия могут влиять на нелинейную динамику волн при развитии неустойчивостей.

Виброкипение широко используется в различных технологических процессах. В связи с этим исследование режимов виброкипения является актуальным. В работе проведено исследование режимов виброкипящего слоя с использованием пакета OpenFOAM. Представлены результаты моделирования динамики виброкипящего слоя частиц стекла при различных значениях амплитуды и частоты колебаний, толщины слоя засыпки. Выявлены режимы, при которых слой теряет устойчивость, и образуются всплески гранулированного материала и фонтанирующие каналы.

Пакет OpenFOAM является одним из популярных инженерных инструментов для численного моделирования задач прикладной гидродинамики, для которых могут быть характерны сложные геометрии и сетки с числом ячеек, измеряемых десятками миллионов. Поскольку решение такого рода задач зачастую отличается большой продолжительностью и ресурсоёмкостью, любое ускорение таких расчетов имеет большое практическое значение. На основе одной практической задаче численного моделирования гидродинамических характеристик гребных винтов в настоящей работе исследуется вопрос оптимизации расчета в OpenFOAM за счет применения оригинальной библиотеки SparseLinSol (SLS), разрабатываемой авторами. Библиотека предназначена для решения больших разреженных систем уравнений на суперкомпьютерах и использует итерационные методы подпространства Крылова и многосеточные методы. Алгоритмы библиотеки используют оригинальную гибридную схему распараллеливания, комбинирующию модели MPI и Posix Shared Memory, а также допускают использование графических ускорителей NVIDIA для значительной части реализованных методов. В результате проведенного тестирования на вычислительной системе, оборудованной ускорителями NVIDIA X2070, показано, что: 1) результаты моделирования целевой задачи в пакете OpenFOAM, в целом, соответствуют результатам, полученным в пакете Star-CCM и результатам экспериментов; 2) реализованные методы решения СЛАУ обладают большей робастностью по сравнению с многосеточным методом GAMG, реализованным в пакете OpenFOAM; 3) Гибрдная модель распараллеливания значительно улучшает масштабируемость солвера, что позволяет добиваться линейной масштабируемости до 128 узлов, на всем диапазоне рассмотренном в проведенных тестах; 4) использование графических ускорителей способно увеличить скорость расчётов в 1.4-3 раза; 5) реализация методов в библиотеке SparseLinSol превосходит по скорости реализацию методов из библиотеки hypre для той же комбинации методов и тесторых матриц

Представлен анализ влияния вида пульсационных слагаемых в системе осредненных уравнений гидродинамики пузырькового потока с несжимаемыми фазами на волновые свойства модели. Получены соотношения, определяющие решение задачи о распаде произвольного разрыва в газожидкостном пузырьковом потоке с несжимаемыми компонентами.

Работа посвящена построению численной модели и расчету течений непрерывно стратифицированных жидкостей в поле внешних массовых сил с учетом диссипативных факторов - эффектов вязкости и диффузии.Математическое моделирование проводится на основе фундаментальной системы дифференциальных уравнений механики неоднородных многокомпонентных жидкостей. В полной нелинейной постановке решение поставленной задачи строится численно с использованием метода конечных объемов в рамках открытого пакетаOpenFOAM. Для учета эффектов стратификации и диффузии был разработан и протестирован собственный решатель stratifiedFoam, созданный на базе стандартныхи расширенных инструментов пакета. Внимание уделяется созданию качественной расчетной сетки, удовлетворяющей требованиям разрешения всех микромасштабовзадачи в областях высоких градиентовфизических переменных. Расчеты, проведенные в параллельном режиме с использованием вычислительных ресурсов web-лаборатории UniHUB, показали высокую работоспособность предложенной численной модели и хорошее согласие с экспериментальными данными.

В работе проводится сравнение результатов математического моделирования аэродинамики типичных городских застроек с разной длиной улиц. Расчеты проводились с помощью свободно распространяемого пакета OpenFoam и удаленного доступа к консоли на управляющем узле вычислительного кластера BL2x220 Cluster Console https://unihub.ru/resources/bl2x220cc Web-лаборатории Unihub (www.unihub.ru) по программе «Университетский кластер» (www.unicluster.ru). Рассмотрены одиночная улица с домами одинаковой высоты по ее сторонам, одиночная улица с домами разной высоты по ее сторонам и две параллельные улицы, расположенные на склоне холма. Сравнение результатов расчетов в двумерном и трехмерном приближении показало, что длина улиц оказывает значительное влияние на качественную и количественную картины течения внутри улиц и над застройкой.