Что такое компьютерная Азия и чем она славится?

Сергей Кузнецов

Обзор июньского, 2012 г. номера журнала Computer (IEEE Computer Society, V. 44, No 6, июнь 2012).

Авторская редакция.
Также обзор опубликован в журнале «Открытые системы»

Темой июньского номера журнала Computer в этом году является «Компьютинг в Азии». Наиболее интересным исследовательским и производственным проектам, выполняемых в Китае, Японии и Сингапуре, посвящены шесть крупных статей номера. Приглашенными редакторами тематической подборки являются Карл Чанг, Владимир Гетов и Келвин Сунг (Carl Chang, Iowa State University, Vladimir Getov, University of Westminster, London, Kelvin Sung, University of Washington Bothell). Их вводная заметка называется «Компьютинг в Азии: подборка показательных примеров» («Computing in Asia: A Sampling of Recent Success Stories»).

Развитие компьютинга в Азии длится многие годы. Однако в то время, когда в высокоразвитых странах, таких как Япония, повсюду имеются вычислительные системы и хорошо подготовленные компьютерные специалисты, в развивающихся странах компьютерная инфраструктура гораздо менее концентрирована. Насколько разнообразны люди, языки и культуры Азии, настолько же различаются виды азиатской компьютерной деятельности, включающей исследования и разработки, на которые влияют региональные экономические потребности и приоритеты.

Частично по причине относительной незрелости традиционной IT-инфраструктуры, экономикам азиатско-тихоокеанских стран может быть близка проблематика исследований, связанных с переходом к использованию парадигмы облачных вычислений. Хорошей аналогией является быстрое развитие инфраструктуры высокоскоростных железных дорог в Китае: несмотря на наличие финансовых проблем и политических разногласий, возникают благоприятные возможности для энергичного решения родственных задач. Однако общему развитию компьютинга в азиатско-тихоокеанских регионах может повредить плохая согласованность правовых и нормативных баз разных стран.

Хорошо известно, что Китай стал крупнейшим производителем электронных устройств, включая ноутбуки, iPad’ы и другие планшеты. Достижения азиатской компьютерной индустрии демонстрирует и ряд других примеров. В частности, феноменальный рост исследовательской работы в Пекинском Институте генетики способствует формированию плодотворной компьютерной среды в Азии, основанной на более низких ценах и наличии огромных человеческих ресурсов по сравнению с развитыми странами, такими как США. К числу других примеров относится то, что в 2011 г. наиболее быстрыми в мире суперкомпьютерами назывались японская система K и китайская Tianhe-1A. Важно подчеркнуть, что эти примеры не являются изолированными или случайными. Основываясь на беспрецедентных достижениях в компьютерном секторе экономики, и Китай, и Япония продолжают наращивать не только число мощнейших суперкомпьютерных систем, но и общую компьютерную мощь.

Первая регулярная статья тематической подборки написана Хонгом Меем, Гангом Хуангом и Тао Ксаем (Hong Mei, Gang Huang, Tao Xie, Peking University, China) и называется «Internetware: парадигма построения программного обеспечения для компьютинга в Internet» («Internetware: A Software Paradigm for Internet Computing»).

Парадигма построения программного обеспечения (называемая также парадигмой программирования) описывает модель программного обеспечения и правила его конструирования с позиций инженеров программного обеспечения или программистов. В модели программного обеспечения специфицируются формы, структуры и поведение элементов программного обеспечения, а также способы их взаимодействия.

Увеличить рисунок
Парадигмы, допускающие совместную работу элементов программного обеспечения.

Как показывает рисунок, совместная работа элементов программного обеспечения обычно основывается на предопределенных или динамических взаимодействиях элементов. В структурной парадигме элементами являются процедуры, и взаимодействия происходят путем использования предопределенных вызовов процедур. В объектно-ориентированной парадигме объекты взаимодействую путем обмена сообщениями. В парадигме компонентного программирования компоненты взаимодействуют через коннекторы. В сервис-ориентированной парадигме разные сервисы могут взаимодействовать для удовлетворения общих требований с использованием одного из нескольких допустимых стилей взаимодействия.

Однако в среде Internet требования часто бываю нечеткими или даже неопределенными до начала выполнения совместной работы. Например, для обработки ситуации возникновения эпидемии свиного гриппа требуется кооперация различных организация и отдельных элементов программного обеспечения: авиалиний, отелей, больниц и операторов мобильной связи. Аналогичные сценарии возникают при возникновении других чрезвычайных ситуаций (например, землетрясений) и проведении крупных общественных мероприятий (например, Олимпийских игр).

Для обработки подобных ситуаций требуется новая технология, которая может поддерживать кооперацию элементов программного обеспечения по необходимости. Китайские исследователи предложили парадигму Internetware, обеспечивающую набор технологий для разработки приложений, которые могут удовлетворять требованиям, возникающим в среде Internet. В соответствии с этой парадигмой приложения получают свойства автономности, способности с кооперации, ситуационности, эволюционности и надежности.

Следующая статья называется «Компьютинг для автомобиля следующего поколения» («Computing for the Next-Generation Automobile») и написана Микио Аоямой (Mikio Aoyama, Nanzan University, Japan).

Автомобильная индустрия стала мультидисциплинарной областью. Если когда-то эта индустрия была только механической, то теперь она одновременно с этим является компьютерной индустрией, индустрией программного обеспечения, коммуникационной и энергетической индустрией. При наличии усиленных требований к обеспечению повышенной безопасности, сокращению объема выбросов углекислого газа, снижению уровня энергопотребления, поддержки сетевой связности и простоты использования можно ожидать, что объем автомобильного встроенного программного обеспечения будет возрастать экспоненциально. Настало время совместной работы разработчиков программного обеспечения и автомобильных инженеров.

Автомобильные компьютерные системы. В блоке электронного управления обычно имеется от 5 до 10 миллионов строк встроенного кода, а система навигации добавляет еще столько же.

Авторами статьи «Компьютеризованное аудивизуальное обучение языкам» («Computer-Assisted Audiovisual Language Learning») являются Лижуан Ванг, Яо Киан, Метью Скотт, Ганг Чен и Фрэнк Сунг (Lijuan Wang, Yao Qian, Matthew R. Scott, Gang Chen, Frank K. Soong, Microsoft Research Asia).

По ряду причин в Восточной Азии возрастает потребность в обучении населения английскому языку. В наибольшей степени эта потребность ощущается в Китае, в котором быстрее всех других стран развивается экономика, имеется больше всего пользователей Internet, и наибольшее число людей учит английский язык. Массовая надобность в инструментальных средствах поддержки обучения языкам в совокупности с возможностью применения простого подхода исследований на основе пробного внедрения Web-приложений (Web-based deployment-driven research, DDR) создают уникальную возможность для компьютерных специалистов выполнения масштабных экспериментов с новыми компьютеризованными средствами обучения языкам.

В частности, становятся возможными новые интересные сценарии. Например, ребенок мог бы обучаться у своей любимой телезвезды, которая, по его восприятию, персонально учит его английскому языку на его мобильном устройстве. Другой подросток мог бы использовать аватар, чтобы рассказывать одноклассникам детективные истории на иностранном языке.

Совместное использование крупномасштабной добычи данных в Web (Web mining) с двумя развивающимися технологиями обработки речи («говорящая голова» и поиск по фонетическому сходству) делает подобные сценарии потенциально возможными. Лаборатория Microsoft Research Asia успешно проверила жизнеспособность таких технологий в проекте Engkoo, компьютеризованном аудиовизуальном сервисе обучения иностранным языкам. В Китае этим сервисом ежемесячно пользовалось 10 миллионов человек. За счет постоянного анализа двуязычных англо-китайских сайтов система поддерживает наиболее свежую терминологию, используемую людьми в повседневной жизни.

Статью «Облачные вычисления на Тайване» («Cloud Computing in Taiwan») написали

Вильям Чен-Чун Чу, Чао-Тун Янг, Чи-Вей Лг, Чи-Хун Чанг, Джуей-Нан Чен, Пао-Анн Хсиунг, Хан-Мин Ли (William Cheng-Chung Chu, Chao-Tung Yang, Tunghai University, Taiwan, Chih-Wei Lu, Chih-Hung Chang, Juei-Nan Chen, Hsiuping University of Science and Technology, Taiwan, Pao-Ann Hsiung, National Chung Cheng University, Taiwan, Hahn-Ming Lee, National Taiwan University of Science and Technology, Taiwan).

В 2009 г. Тайваньское правительство инициировало Программу развития индустрии облачных вычислений (Cloud Computing Industry Development Program, CCIDP), расширяющую предыдущие проекты E-Taiwan (electronic), M-Taiwan (mobile) и I-Taiwan (intelligent), в которых решались различные проблемы коммуникационной инфраструктуры Тайваня. Целью программы является содействие развитию облачных вычислений с позиций предоставления, получения услуг и управления ими.

Для выполнения этой программы на Тайване интегрируются правительственные, производственные, академические и исследовательские ресурсы. Имея солидную базу производства аппаратных средств, Тайвань стремится перейти от производства компонентных продуктов (например, серверов и средств хранения данных) к построению экологически чистых полных решений для центров данных в облачной инфраструктуре. Одним из основных требований к таким решениям является эффективность энергопотребления. Поскольку индустрия программного обеспечения на Тайване развита относительно слабо, при разработке систем облачных вычислений тайваньские специалисты существенно полагаются на использование свободно распространяемого программного обеспечения.

Вин-Кин Сун (Wing-Kin Sung, National University of Singapore) представил статью «Биоинформационные приложения в генетике» («Bioinformatics Applications in Genomics»).

В прошлом ученые могли анализировать только части геномов из-за их длины. В настоящее время появилось несколько высокоэффективных технологий (в частности, новые методы секвенирования и микроматричный анализ), которые могут в корне изменить исследования геномов. Эти технологии позволяют получать полный геномный профиль, из любой части которого впоследствии можно добывать информацию.

Однако при всей своей привлекательности этот подход порождает новые проблемы. Одна из них состоит в том, что получаемые наборы данных слишком велики – их объем измеряется в гигайбайтах или даже терабайтах. Потребность в средствах извлечения информации из таких огромных наборов данных привела к развитию биоинформатики, мультидисциплинарной области исследований, в которой интегрируются знания из областей биологии, медицины, статистики и компьютерной науки.

Осознавая потенциальные возможности применения этого подхода, исследователи из Национального Сингапурского университета (National University of Singapore, NUS) и Наньянского технического университета (Nanyang Technology University) совместно с исследовательским центром Biopolis начали работу по поиску путей совершенствования генетики на основе мультидисциплинарного сотрудничества.

Эта группа применяет методы генетики в областях биологии стволовых клеток, биологии злокачественных новообразований, инфекционных болезней и генетики человека. Для выявления фундаментальных биологических законов исследователи изучают сравнительную генетическую историю азиатских народов. Кроме того, они помогают своей стране решать насущные практические проблемы (например, содействуют борьбе с вирусными пандемиями).

Последняя статья тематической подборки написана Женью Жангом, В.К. Ченом и Т.Х. Це (Zhenyu Zhang, Institute of Software, Chinese Academy of Sciences, W.K. Chan, City University of Hong Kong, T.H. Tse, The University of Hong Kong) и называется «Поиск ошибок на основе только прогонов с ошибками» («Fault Localization Based Only on Failed Runs»).

Если при выполнении программы, содержащей ошибки, встречается ошибочный код, внутреннее состояние программы может стать некорректным. В общем случае в программе выполняется ряд других операторов, в результате чего ошибка может распространяться в другие состояния программы. Если такие операторы породят результаты, поддающиеся наблюдениям, такой прогон будет явно ошибочным.

Встречая наблюдаемые ошибки, разработчики программы планируют процесс ее отладки с целью локализации ошибочного кода, исправления ошибок и подтверждения правильности их исправления. Однако этот процесс был и остается весьма трудоемким, и основной трудностью принято считать локализацию ошибок.

В ходе исследований, выполненных в Азии в последние годы, удалось существенно усовершенствовать автоматическую локализацию ошибок. В современных практических методах обычно требуется наличие комбинации ошибочных и безошибочных прогонов программ. Однако и в безошибочном прогоне в действительности может выполняться ошибочный код, не приводящий к возникновению ошибочных наблюдаемых результатов. Кроме того, многие современные системы могут обнаруживать ошибки автоматически и производить во время ошибочного прогона большое число полезных отчетов об ошибках. Авторы статьи предлагают эффективный метод FOnly, позволяющий статистически локализовать ошибочный код на основе только ошибочных прогонов.

Вне тематической подборки опубликованы две крупные статьи. Статья «Почему ФБР не может создать систему управления делопроизводством?» («Why the FBI Can’t Build a Case Management System») представлена Джеромом Израилем (Jerome W. Israel)

С 2001 по 2004 гг. ФБР потратило 171 миллион долларов на разработку неудавшейся системы Virtual Case File, а следующие восемь лет бьется над 451-миллионным проектом Sentinel, шансы на успешное завершение которого с полным удовлетворением исходных требований падают день ото дня. План состоял в том, чтобы автоматизировать работу с бумажными документами, выполняемую специальными агентами ФБР. Их ожидания дважды не оправдались, и они вынуждены использовать методы работы с документами, которые существенно не изменились со времени Эдгара Гувера (J. Edgar Hoover).

Как это могла случиться с крупнейшей в мире правоохранительной организацией? Что с этим можно сделать? Многие причины совсем не новы, обычная история, описанная еще Фредериком Бруксом в «Мифическом человекомесяце». Но кроме того, при разработке Sentinel встретились сложные технические проблемы, некоторые из которых были унаследованы от предыдущего проекта Virtual Case File. Разработчики были настолько озабочены тем, чтобы уложиться в бюджет и соблюсти график выполнения проекта, что не нашли времени для решения этих проблем. Кроме того, проект был слишком большим, слишком сложным и неуправляемым для организации с минимальным техническим опытом.

К сожалению, ФБР не является исключением. Многие федеральные организации затевают крупные IT-проекты и часто попадают впросак. Это не должно продолжаться. В эпоху высокого бюджетного дефицита правительственные компьютерные системы должны создаваться по-другому. В статье приводятся размышления и предложения относительно нового возможного подхода.

Последняя статья номера – «Ретроспектива методов управления доступом на основе ролей» («Role-Based Access Control in Retrospect») – написана Вирджинией Франквейра и Роелом Вирингой (Virginia N.L. Franqueira, VF InfoSec Consulting, Roel J. Wieringa, University of Twente, Netherlands).

Появившиеся в 90-е гг. прошлого века, методы управления доступом на основе ролей (role-based access control, RBAC), образовали одну из наиболее часто обсуждаемых и исследуемых моделей управления доступом. Проведенные в 2010 г. исследования показывают, что в организациях, включающих более 500 служащих, половина из них хотела бы, чтобы их права доступа обрабатывались на основе ролей. Подход RBAC стал основой сотен теоретических исследований, исследовательских прототипов и учебников.

После принятия в 2004 г. стандарта RBAC Американским национальным институтом стандартов (American National Standards Institute, ANSI) соответствующие средства были включены во многие коммерческие системы. Например, в менеджере авторизации (Authorization Manager) компании Microsoft возможности RBAC поддерживаются для Windows Server 2008, в SElinux (http://ru.wikipedia.org/wiki/SELinux) допускается наличие уровня RBAC между интерфейсом пользователя и базовым механизмом контроля доступа на основе проверки типов процессов и файлов, средства RBAC содержатся в модуле управления учетной информацией NetWeaver Identity Management компании SAP, интегрируемым с SAP Business Suite. Использование RBAC рекомендуется в законах, например, в Законе о праве сохранения и защите данных медицинского страхования (Health Insurance Portability and Accountability Act, HIPAA).

Тем не менее, по мнению некоторых экспертов, в большинстве организаций модель RBAC не реализуется. Это побудило авторов написать обзор текущего состояние RBAC, чтобы помочь практикам оценить применимость модели в своих организациях и выделить направления, в которых требуются дальнейшие исследования для совершенствования модели.