Международная телекоммуникатсионная конферентсия Молодеж и наука Ч.3 2015

Компьютерные системы и технологии

А.В. МАЛОФЕЕВА, С.О. ЗАХРЯПИН Научный руководитель – М.А. КОРОТКОВА, к.т.н., доцент

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

СОЗДАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ «НАХОЖДЕНИЕ КРИТИЧЕСКОГО ПУТИ» И МОДУЛЯ ГЕНЕРАЦИИ ВАРИАНТОВ ДЛЯ ЛАБОРАТОРНОГО КОМПЛЕКСА

GRAPHLABS ПО КУРСУ «ТЕОРИЯ ГРАФОВ»

В рамках создания лабораторного комплекса, предназначенного для выполнения лабораторных работ студентами по курсу “Теория графов” был создан лабораторный модуль «Нахождение критического пути». Для облегчения работы преподавателя создается генератор вариантов графов для лабораторных модулей.

Проведенные исследования современного состоянии образовательных программ приводят к осознанию необходимости создания виртуального лабораторного практикума по курсу «Теория графов». Использование различных программных средств расширяет возможности получения практических навыков, позволяет наглядно рассмотреть применение теоретических аспектов в решении практических задач и упрощает подготовку лабораторных материалов, делая выполнение лабораторных работ общедоступным. Также автоматическая система оценивания работ позволяет исключить фактор необъективной оценки преподавателями. Практикум был создан в виде интернет-сайта для студентов, изучающих данных курс.

В рамках данного проекта была создана лабораторная работа по теме «Нахождение критического пути». Решение данной задачи необходимо в области сетевого планирования и встречается в реальной жизни. Освоение данного алгоритма развивает способности мышления будущих специалистов и их практические навыки работы с данным типом задач.

Наиболее распространены алгоритмы нахождения пути минимальной длины, так как это является более частой задачей. Для наших целей эти алгоритмы можно переработать, изменив направление экстремизации. Для реализации был использован алгоритм Дейкстры, так как данный алгоритм является базовым, и любой взвешенный граф может быть приведен к виду, пригодному для применения данного алгоритма.

Разработанный лабораторный модуль позволяет студенту с помощью удобных средств интерфейса рассчитать критический путь графа. В режиме перемещения вершин можно расположить граф удобным образом, что облегчит нахождение критического пути. Для наглядности предлага-

_______________________________________________________________________

Компьютерные системы и технологии

ется заполнить матрицу весов графа. В режиме выбора искомого пути студент выбирает критический путь, указывая в правильном порядке вершины, входящие в критический путь. Также можно отменить выбор последней вершины или весь путь целиком. Предусмотрена гибкая система оценивания работы в зависимости от количества сделанных ошибок при заполнении матрицы и выделении пути.

Для существенного облегчения работы преподавателя и повышения удобства работы с системой разрабатывается новый модуль, который позволит автоматизированно создавать и редактировать исходные графы для лабораторных работ. Для генерации графов используется специальный настраиваемый алгоритм, позволяющий создавать графы для большинства существующих на настоящий момент лабораторных модулей.

В данный момент с помощью удобного интерфейса можно по введенным параметрам (ориентированность, взвешенность, количество вершин) сгенерировать граф и его матричное представление, изменить веса ребер в матрице весов графа, после чего сохранить полученный граф в базу данных.

В дальнейшем планируется добавить другие параметры для генерации графов, например, плотность, планарность, а также расширить возможности редактирования сгенированных вариантов с помощью различных инструментов: добавление новой и удаление выбранной вершины, добавление нового и удаление выбранного ребра, редактирование уже существующего варианта графа из базы данных. Данный модуль генерации графов можно расширить другими параметрами для новых различных алгоритмов генерации графов для специфических лабораторных модулей.

Созданный лабораторный модуль расширяет курс лабораторных работ. Разрабатываемый модуль генерации вариантов графов позволит повысить удобство работы с системой для быстрого пополнения базы вариантов лабораторных работ. Таким образом, расширяются возможности работы лабораторного комплекса Graphlabs.

Список литературы

1.Курмаз М.В. Нахождение критического пути в сетевом планировании в условии нечеткого задания времени//Таганрог: Известия Южного федерального университета. Технические науки, 2007 №1 Т.73, с. 18-21

2.Юдин Е.Б. Генерация случайных графов предпочтительного связывания // Омский научный вестник - Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Омский государственный технический университет" -№2-90, 2010, стр.

188-192

3.Н. Кристофидес. Теория графов: Алгоритмический подход. М.: Мир, 1978, 432 с.

Компьютерные системы и технологии

В.Н. МИНАЕВ Научный руководитель – Н.П. ВАСИЛЬЕВ, к.т.н., доцент

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

ПРОБЛЕМЫ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕХНОЛОГИИ CUDA ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ ВРЕМЕНИ ВЫПОЛНЕНИЯ ТРУДОЕМКИХ ИТОГОВЫХ SQL-ЗАПРОСОВ

ВРЕЛЯЦИОННЫХ СУБД

Вданной статье приведено описание итогового SQL-запроса, проблем с его производительностью в реляционных СУБД типа OLAP. Рассмотрены проблемы применения технологии CUDA для повышении его производительности.

Итоговый запрос – это запрос, в котором требуется узнать одно или несколько значений, которые подытоживают информацию, содержащуюся в базе данных [1]. Он используется в реляционных базах данных интеллектуальных ресурсов предприятия – OLAP, которые характеризуются большими размерами таблиц в миллионы или миллиарды строк. В нем используются агрегирующие функции: SUM(), AVG(), MIN(), MAX(), COUNT(), COUNT(*) [1], которым для получения результата нужна обработка всего массива данных при помощи простых алгебраических действий и сравнений.

В реляционных СУБД типа OLAP всегда происходит 100%-я выборка данных из таблицы в одном запросе, вследствие чего выполнение может затягиваться на несколько часов и значительно загружать аппаратные средства выполнения системы. Производители реляционных СУБД вкладывают огромные средства в оптимизацию своих продуктов [1], но технологии параллельной обработки данных используются мало. Чаще всего используются SIMD системы, которые делят выполнение запроса между ядрами центрального процессора (далее CPU). Но у CPU небольшое число ядер, количество используемых арифметико-логических устройств (далее ALU) в ядрах мало, так как большую часть их площади занимает кэш-память. В связи с этим при запуске итогового запроса на большом количестве записей (более миллиона) количество ядер не достаточно для его быстрого выполнения.

Концепция технологии параллельных вычислений от NVIDIA (далее CUDA) отводит графическому процессору (далее GPU) роль массовопараллельного сопроцессора, который обладает сотнями и тысячами вычислительных ядер и может выполнять простые алгебраические

_______________________________________________________________________

Компьютерные системы и технологии

Д.А. МУНИН Научный руководитель – В.О. ЧУКАНОВ, д.т.н., профессор

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

ОЦЕНКА НАДЁЖНОСТИ РЕЗЕРВИРОВАННЫХ НЕВОССТАНАВЛИВАЕМЫХ СИСТЕМ

Рассматриваются преимущества и недостатки основных методов резервирования для невосстанавливаемых информационных вычислительных систем, состоящих из множества элементов. Производится оценка общего и раздельного методов резервирования для ненагруженного и нагруженного резервов. Анализируется вероятность отказа работы резервированной системы с мажоритарным элементом, работающим по принципу 2 из 3, с учётом структуры неизбыточного блока.

Все технические устройства состоят из элементов. Элементы, составляющие техническое устройство, физически могут быть соединены между собой различным образом. Для анализа и расчёта показателей надежности применяются особые схемы – структурные схемы надежности [1].

Под структурной схемой надежности понимают наглядное графическое представление условий, при которых работает или не работает исследуемый объект. Структурные схемы надежности позволяют провести анализ и выяснить, как поведет себя система в случае возникновения отказа. Благодаря этому можно провести расчёт показателей надежности [1].

Введение избыточности является основным методом повышения надёжности системы, которая строится на элементах с низкой надежностью. Применяется общее и раздельное резервирование замещением для ненагруженного «холодного» и нагруженного «горячего» резервов [2].

Для общего резервирования замещением с «горячим» резервом структурная схема имеет вид:

Вероятность безотказной работы рассчитывается по формуле:

Общее резервирование замещением с «горячим» резервом дает хороший результат в случае, если основная система имеет высокие показатели надёжности. Данный метод наиболее целесообразно использовать для резервирования высоконадежных систем разового использования с коротким временем непрерывной работы [3].

_______________________________________________________________________

Компьютерные системы и технологии

Для общего резервирования замещением с «холодным» резервом структурная схема имеет вид:

Вероятность безотказной работы рассчитывается по формуле:

При отказе хотя бы одного элемента основной системы c j = 0 она отключается. При этом на место основной системы подключается одна из резервных систем. Таким образом, резервированная система откажет при появлении (m + 1)-го отказа [3].

Общее резервирование замещением с «холодным» резервом является эффективным средством повышения надёжности при низкой надежности основной системы. Система с «холодным» резервом надёжнее системы с постоянно включенным «горячим» резервом. Такой метод резервирования целесообразно использовать для систем с большим сроком службы [3].

Для раздельного резервирования замещением каждый резервный элемент заменяет основной элемент в случае его отказа. Раздельное резервирование замещением дает наибольший выигрыш надёжности по сравнению с другими видами резервирования. Причем этот выигрыш тем больше, чем больше элементов имеет резервированная система [3].

Подводя итог, можно сказать, что общее и раздельное резервирование для ненагруженного и нагруженного резервов позволяют значительно повысить надёжность информационной вычислительной системы, а учёт структуры неизбыточного блока существенно повышает точность вычислений для высоконадёжной системы.

Список литературы

1. Чуканов В.О. – Надежность программного обеспечения и аппаратных средств систем передачи данных атомных электростанций. – М.: МИФИ, 2008. – 166 с.

2. Половко А.М., Гуров С.В. Основы теории надежности. М.: БХВ-Петербург, 2006. 702 с.3. Хетагуров Я.А. Надежность автоматизированных систем управления М.: Высшая школа,

1979. – 288 с.

4. Александрович А.Е., Бородакий Ю.В., Чуканов В.О. – Проектирование высоконадежных информационно-вычислительных систем. М.: Радио и связь, 2004. – 143 с.

Компьютерные системы и технологии

О.Ю. МУСИЕНКО Научный руководитель – Н.П. ВАСИЛЬЕВ, к.т.н., доцент

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

СОЗДАНИЕ ПАРАЛЛЕЛЬНОГО ИНТЕРВАЛЬНОГО АЛГОРИТМА ПОИСКА ПРОСТЫХ ЧИСЕЛ

НА ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ КЛАСТЕРАХ

Предлагается версия интервального алгоритма нахождения простых чисел, которая может быть распараллелена на вычислительном кластере, а также описываются инструменты его реализации.

На сегодняшний день наиболее важными сферами применения простых чисел являются генерация псевдослучайных чисел и криптография. Например, в известном алгоритме шифрования RSA используются два больших простых числа для формирования открытого ключа. Также нахождение больших простых чисел (в т. ч. чисел специального вида, таких как числа Мерсенна, числа Ферма и т. д.) имеет научное значение.

Существует ряд распространенных алгоритмов нахождения простых чисел (решето Эратосфена, алгоритмы на основе тестов СоловеяШтрассена и Рабина-Миллера [1]), но наиболее производительным и перспективным является алгоритм на основе Теоремы о полном множестве простых чисел В. А. Минаева [2]. В ней доказывается, что множество чисел S={6*k±1} (k=1,2,3…) содержит, помимо составных, все простые числа (кроме чисел 2 и 3, которые названы фундаментальными), и задача нахождения простых чисел сводится к вычитанию из S множества составных чисел вида {6*k±1}, которые могут быть заданы линейными уравнениями.

Позже была опубликована статья [3], в которой представлены следствия Теоремы. В работе вводится понятие k-индекса – целого положительного числа, от которого порождается пара чисел из множеств {6*k+1} и {6*k-1}, а также исследуются свойства k-индексов (k-индексные зависимости, k-индексные прогрессии, базовый k-индекс, дивергентное смещение). Эти свойства позволяют адресовать любое составное число из множеств {6*k±1} через его k-индекс. На основе перечисленных следствий был разработан эффективный алгоритм поиска простых чисел на интервале.

Важно отметить, что существующие алгоритмы получения очередного простого числа учитывают все предыдущие вычисленные простые и со-

_______________________________________________________________________

Компьютерные системы и технологии

ставные числа, что снижает их эффективность, если требуется найти простые числа на произвольном интервале. В этом случае для ранее известных алгоритмов приходится задавать только верхнюю границу, производить ресурсоемкие расчеты, после чего отсекать значения, не попадающие в заданный интервал.

Рассматриваемый алгоритм лишен этого недостатка: на вход алгоритма подаются обе границы диапазона, и, благодаря свойствам k-индексных зависимостей, расчет ведется в его пределах.

Указанная особенность имеет важное следствие – алгоритм легко может быть распараллелен на множество вычислительных узлов. Для этого достаточно разделить исходный диапазон генерации на несколько поддиапазонов. При этом можно выбрать различные способы разделения. Простейший предполагает разбиение интервала на равные части по количеству участвующих в вычислениях узлов. Более предпочтительным способом представляется разделение диапазона генерации, при котором размер выделяемого узлу поддиапазона генерации пропорционален его производительности.

Для организации параллельных вычислений используется стандарт

Message Passing Interface (MPI) [4] – программный интерфейс для переда-

чи данных между процессами, а именно распространенная его реализация

– OpenMPI. Технология предназначена для систем с распределенной памятью. С точки зрения MPI, выполняемая программа – это набор процессов, запущенных на различных вычислительных узлах, соединенных между собой высокоскоростным каналом связи.

Реализация описанного алгоритма с помощью технологии MPI позволит добиться большей эффективности в задачах генерации простых чисел в заданном диапазоне, а также нахождения новых простых чисел. Также дальнейшее повышение эффективности алгоритма возможно за счет задействования в вычислениях графической подсистемы вычислительных узлов кластера с помощью технологий NVIDIA CUDA и OpenCL.

Список литературы

1.Черемушкин А. В. Лекции по арифметическим алгоритмам в криптографии, — М:

МЦНМО, 2002. — 104с.

2.Минаев В.А. Теорема о полном множестве простых чисел. М.: НИЯУ МИФИ, 2011.

3.Минаев В.А., Васильев Н.П., Лукьянов В.В., Никонов С.А., Никеров Д.В. Высокопроизводительный алгоритм генерации простых чисел в произвольном диапазоне // Матер. XIV междунар. науч. конф. "Цивилизация знаний: проблемы и смыслы образования". 2013. М.: РосНОУ.

4.Message Passing Interface Forum. URL: http://www.mpi-forum.org/ (дата обращения 22.11.2015)

Компьютерные системы и технологии

О.Ю. НОВИКОВА, В.А. ПЕРЕВОЗЧИКОВ Научный руководитель – И.В. ЧУГУНКОВ, к.т.н., доцент

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

ВОПРОСЫ ТЕСТИРОВАНИЯ ЛЕГКОВЕСНЫХ ГЕНЕРАТОРОВ ПСЕВДОСЛУЧАЙНЫХ ЧИСЕЛ

Рассматриваются вопросы оценки статистических свойств, формируемых легковесными генераторами псевдослучайных чисел последовательностей.

Развитие микропроцессорных систем, уменьшение размеров кристаллов, появление мобильных устройств – все эти факторы обусловили появление нового направления защиты информации – легковесной криптографии [2]. В связи с этим возникает актуальная задача разработки новых и адаптации существующих алгоритмов обработки данных применительно к легковесным устройствам. В частности, необходимо рассмотреть вопросы статистического тестирования [1] легковесных генераторов псевдослучайных чисел (ПСЧ), а именно, модификации алгоритмов работы оценочных тестов вследствие ограниченного объема эквивалентных логических элементов, характеризующих легковесное устройство.

В работе проводится исследование существующих статистических тестов для оценки свойств генераторов ПСЧ, а также дается оценка возможности сокращения ресурсов, необходимых для реализации оценочных тестов, применяемых для исследования легковесных генераторов ПСЧ. Предлагаются алгоритмы модификации традиционных оценочных тестов для возможности применение последних в легковесных устройствах. Разработаны программные модели, реализующие предложенные алгоритмы оценки статистической безопасности легковесных генераторов ПСЧ. Проведено исследование легковесных генераторов ПСЧ, а также проанализированы перспективы использования разработанного подхода тестирования применительно к критически важным информационным системам.

Список литературы

1.Жуков А.Е. Легковесная криптография // Вопросы кибербезопасности, 2015. № 1.

–С. 26-43.

2.Чугунков И.В. Методы и средства оценки генераторов псевдослучайных последовательностей, ориентированных на решение задач защиты информации. – М. НИЯУ МИФИ, 2012. – 236 с.

_______________________________________________________________________

Компьютерные системы и технологии

В.А. ПЕРЕВОЗЧИКОВ, С.С. ТРОИЦКИЙ Научный руководитель – И.В. ЧУГУНКОВ, к.т.н., доцент

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ nVIDIA CUDA ДЛЯ УСКОРЕНИЯ ТЕСТИРОВАНИЯ ГЕНЕРАТОРОВ ПСЕВДОСЛУЧАЙНЫХ ЧИСЕЛ

Приводится подход к повышению быстродействия систем оценки качества генераторов псевдослучайных чисел, основанный на распараллеливании оценочных тестов при помощи технологии nVIDIA CUDA.

Генераторы псевдослучайных чисел (ПСЧ) являются неотъемлемым элементом любой системы защиты. Именно от их свойств [1] зависят надежность и безопасность процессов сбора, обработки, передачи и хранения информации, а также управления объектами. В связи с этим, актуальной научной задачей является разработка методов и средств оценки качества генераторов ПСЧ. Одной из основных проблем, с которыми сталкиваются разработчики тестов, являются все возрастающие размеры исследуемых ПСЧ, что существенно увеличивает время тестирования генераторов.

В НИЯУ МИФИ на кафедре «Компьютерные системы и технологии» разработан подход для ускорения процесса тестирования генераторов ПСЧ за счет распараллеливания процесса тестирования при помощи гибридных систем. В частности, предлагается решение проблемы производительности оценочных тестов, основанное на распараллеливании процесса тестирования и реализация отдельных этапов исследования статистических свойств генераторов ПСЧ на графических процессорах (GPU). Разработаны методы распараллеливания оценочных тестов системы DIEHARD [2], осуществлена программная реализация модифицированных ускоренных тестов с использованием технологии nVIDIA CUDA [3].

Экспериментальные исследования разработанных программных моделей продемонстрировали возможность ускорения некоторых тестов до нескольких десятков раз

Список литературы

1.Иванов М.А. Криптографические методы защиты информации в компьютерных системах и сетях. – М.: НИЯУ МИФИ, 2012. – 400 с.

2.Marsaglia G. DIEHARD: Battery of tests of randomness. – http://stat.fsu.edu/pub/diehard/.

3.Боресков А. и др. Основы работы с CUDA. – М.: ДМК ПРЕСС , 2010. – 232 с.