Astromodel Research

Astromodel Research – научно-исследовательский сервис астрофизического моделирования, разработанный в рамках проекта № 421-Л-23 программы «Приоритет-2030» под названием «Создание программного комплекса распределённых астрофизических вычислений и моделирования Astromodel». Управление сервисом осуществляется через одноименный портал на платформе Astromodel, с помощью которого любой зарегистрированный пользователь платформы может настраивать, запускать, управлять расчётом и получать результаты численного моделирования.

Сервис Astromodel Research представляет уникальные научно-исследовательские и образовательные возможности по организации высокопроизводительного математического моделирования различных процессов и явлений, как в области астрономии и астрофизики, так и в других областях естественных и технических наук. 

Сервис Astromodel Research может работать как в интересах осуществления научных исследований, так и в качестве  современного образовательного инструмента, ориентированного, в первую очередь, на углубленное  и дополнительное образование одарённых детей старшего школьного возраста, а также работу со студентами высшей школы. В научных исследованиях сервис может использоваться в качестве современного инструмента моделирования, поддерживающего работу с такими библиотеками астрофизических программных кодов как AREPO, FEniCS, SWIFT, Gadget и MESA, а потому пригодного для широкой номенклатуры. 

В базовой терминологии сервиса Astromodel Research используется следующая терминология:

• Библиотека (или астрофизический код) – любой программный код, который может быть установлен на платформу из открытого источника с целью использования в моделях.
• Модель – репозиторий с программным кодом, использующий любые установленные на платформе библиотеки и доступный через интерфейс сервиса Astromodel Research.
• Задача – совокупность модели и набора параметров расчёта, начальных и граничных условий, заданных пользователем, которая отправляется для выполнения численного расчёта.
• Нода – структурный элемент вычислительного сервера или сервера хранения данных, функционирующий и управляющийся независимо от других таких элементов. В текущей версии сервиса Astromodel Research представлены физическими компьютерами либо виртуальными машинами, на которых развернуты микросервисы, позволяющие использовать вычислительные ресурсы для математических расчетов.

Структурно сервис представляет собой сложную систему программных блоков, хранящих, обрабатывающих и передающих информацию между нодами: сервером управления, сервером хранения и расчётными серверами. Логически можно выделить несколько групп программных блоков: frontend, backend и CLI. Frontend обеспечивает взаимодействие пользователя с сервисом посредством web-интерфейса, включая авторизацию пользователя в системе, создание вычислительных задач, получение информации о текущем состоянии ранее запущенных задач, а также обеспечивает загрузку результатов проведённого моделирования. Backend осуществляет контроль и управления отдельными нодами распределенной системы вычислений, оптимизацию и балансировку вычислительной нагрузки между ними, синхронизацию файлов пользователей между нодами хранения данных. CLI представляет собой интерфейс управления сервисом из командной строки.

Программные блоки обычно работают в связке друг с другом, обеспечивая выполнение сходных функций на различных физических нодах. Например, блок storage manager центрального сервера управляет блоками storage agent и storage client серверов хранения и расчётных серверов соответственно, обеспечивая хранение и передачу данных моделирования от одних нод к другим. Наглядно структура работу сервиса может быть представлена на следующей схеме:

Блоки на схеме имеют следующие функции:

• Admin panel обеспечивает управление сервисом со стороны администраторов.
• Node manager управляет вычислительными нодами.
• Node controller отвечает за состояние каждой ноды.
• Metric server обеспечивает централизованный сбор и хранение технической информации о работе сервиса.
• Metric agent собирает метрики о состоянии программного и аппаратного обеспечения.
• Storage manager обеспечивает управление распределенным файловым хранилищем.
• Storage client получает и загружает файлы в систему в соответствии с доступными лимитам.
• Storage agent отвечает за отказоустойчивое хранение файлов на сервере.
• Task manager управляет вычислительными задачами.
• Task executor отвечает за получение и решение задачи расчётным сервером.

Пользователи сервиса имеют возможность создавать собственные конфигурации моделирования и собственные модели. Конфигурации существующих моделей позволяют в широких пределах варьировать условия моделирования того или иного процесса: добавлять и удалять объекты, изменять их параметры, редактировать начальные и граничные условия моделирования. Для проверки корректности созданной конфигурации следует использовать встроенный инструмент Astromodel Research – валидатор моделирования.

Добавление пользовательских моделей позволяет использовать сервис Astromodel Research для математического моделирования новых процессов и явлений с использованием пользовательских  или сторонних библиотек и схем численного моделирования. Пользовательские модели проходят модерацию, после чего добавляются в сервис Astromodel Research, где становятся доступными для всех его пользователей. Таким образом, сервис предоставляет открытую площадку для продвижения и развития авторских математических моделей различных естественнонаучных процессов и явлений. Подробные шаблоны добавления пользовательских моделей в сервис представлены в публичном репозитории проекта на GitLab.