Глава 13. Тема 13. Усиление воздействия икт на развитие научных исследований и формирование пограничных технологий

Формирование новых информационно-коммуникационных технологий и рост производительности и эффективности традиционных информационных систем привели к интенсификации влияния ИКТ на развитие научных исследований и даже к появлению новых направлений научных исследований. В принципе даже такие относительно хорошо изученные области как гравитация с периода разработки общей теории относительности и появления гипотезы о существовании гравитационных волн существенно опираются (особенно в последнее время) на возросшие возможности ИКТ и вычислительных систем. Для экспериментального исследования природы гравитации и гравитационных волн ученые используют естественные лаборатории, образованные такими астрофизическими объектами как нейтронные звезды, пульсары и квазары и так называемые «черные дыры». Выдающуюся роль в развитии и углублении подобных исследований играют методы космической интерферометрии. Эти методы и многие другие технологии космологических и астрофизических исследований немыслимы без применения наиболее совершенных ИКТ.

Особый интерес представляют космические лаборатории, известные как VIRGO (гравитационно-волновая лаборатория), LIGO (лазерно-интерференционная гравитационная лаборатория). Чувствительности даже этих установок недостаточно для обнаружения гравитационных волн или иных признаков взаимодействия черных дыр, однако было предложено повысить чувствительность подобных технологий за счет применения интерферометрии со сверхдлинной базой в применении к парам пульсаров. Таким образом, удалось определить, что пульсары сближаются со скоростью 7 мм в сутки – это для объектов, удаленных от нас на 3500 световых лет.

Другим важным и весьма интересным примером из совершенно иной области может служить теория фракталов и ее применение. Фракталы представляют чрезвычайно своеобразные объекты, генерируемые в процессе специфических случайных воздействий и/или чрезвычайно сложных динамических воздействий. Прежде явления и процессы подобного уровня сложности оставались за пределами человеческого понимания, и уж тем более не шла речь о возможности применения соответствующих технологий. В настоящее время сформированы основы представлений о фракталах и разработаны численные методы моделирования фрактальных систем и процессов в них.

Составной частью информационного общества является так называемая e-Science – синтез науки и информатики, наступающий, когда роль информации и ее обработки в научных исследованиях становится превалирующей. Переход на e-стадию (информационную стадию) развития – реальная ситуация, затронувшая на сегодняшний день ряд естественных наук, оперирующих огромными объемами информации: физика (в первую очередь исследование элементарных частиц и физика высоких энергий), геофизика и геология, астрономия, биология, экономика, медицина. В этих науках происходит процесс лавинного поступления информации, в первую очередь связанный с успехами в технологии создания приемных устройств (сенсорно-ориентированная наука). Также, приходится работать с гигантскими объемами синтетических данных, полученными при численном моделировании. В современных крупных экспериментах (включая и численное моделирование) анализ терабайтов и даже петабайтов научных данных становится повседневной задачей.

Причины «информационного взрыва» в астрономии обусловлены следующими факторами:

• Астрономия стала всеволновой. Начиная с 70-х годов прошлого века наблюдения астрономических объектов ведутся не только в видимом свете, как раньше, а во всем диапазоне электромагнитного спектра, также регистрируются другие виды частиц и сигналов.
• Астрономические данные хранятся бесконечно долго. Так как данные астрономических наблюдений привязываются к конкретным объектам, то их необходимо хранить пока эти объекты существуют. Времена эволюции астрономических объектов очень велики, в обыденном смысле с хорошей точностью могут считаться бесконечными.
• Астрономия снова стала широкопольной. До конца XIX века наблюдения велись визуальным способом и давали информацию об отдельных объектах: одно наблюдение – один объект. Ситуация изменилась с появлением фотографии, на фотопластинках одновременно фиксировалось большое количество объектов. Ценность этой информации была ясна с самого начала, астрономические фотопластинки, снятые с последней четверти XIX до конца XX века хранятся в так называемых «стеклянных библиотеках». Во второй половине прошлого века широкопольную астрофотографию потеснили гораздо более точные электронные методы фотометрии, в которых, однако, одновременно можно было наблюдать только один объект (или небольшое количество объектов). Возвращение к «широкопольности» произошло после появления ПЗС-матриц большого размера. Сегодня одно наблюдение, длящееся от нескольких секунд до нескольких минут, дает от нескольких мегабайт до нескольких гигабайт информации.
• Политика доступа к информации. Данные всех космических и наземных экспериментов NASA, ESA и частично ESO становятся публично доступными спустя 1 год после их получения. Последние 10 лет КТБТ (Комитет по Тематике Больших Телескопов – занимается распределением наблюдательного времени на крупнейших оптических инструментах России) требует открытия данных через 2 года после их получения.
• Этому же способствует так называемая «Early Science» («Быстрая наука»): необходимость исследовать и публиковать полученные данные в строго определенный срок для того, чтобы успеть подготовить и подать успешную заявку на следующий цикл исследований. Это приводит к предельной интенсификации изучения полученных данных (возможно, делает его существенно более поверхностным).

Доступ к информации осложнен тем, что результаты наблюдений хранятся в неоднородных распределенных архивах. Разнородность архивов определяется тем, что они создавались независимо и были ориентированы на различные эксперименты со своими целями. Распределенность информации связана со следующими причинами:

• На сегодняшний день нет (и, скорее всего, не будет и в будущем) технических возможностей содержать всю астрономическую информацию в одном хранилище из-за слишком больших объемов информации.
• Создание нескольких копий информации в различных местах повышает надежность хранения информации.
• Распределенное хранение и наличие копий снижает нагрузку на сеть и повышает скорость доступа к информации.
• Необходимость обработки данных определенного эксперимента требует их локализации на достаточно длительный срок для быстрого доступа.
• В некоторых случаях распределенное хранение информации возникает по «физическим» причинам: Например, в эксперименте SNAP (орбитальный телескоп) большой поток информации и отсутствие существенных объемов памяти на борту обсерватории приводит к построению распределенной системы центров по приему и дальнейшему хранению данных

Специфика научных данных состоит в необходимости «вечного» хранения сырых данных (raw data, – данные, полученные непосредственно с приемника и не подвергшиеся никакой обработке), что накладывает повышенные требования к масштабируемости и защищенности систем хранения.

Отметим общие проблемы и особенности современной науки, связанные с увеличивающимся потоком данных (сейчас это сотни терабайтов, в ближайшие 5-10 лет – это десятки-сотни петабайт):

• Количество «сырых» данных только увеличивается и их необходимо хранить вечно, так как может потребоваться их переобработка.
• Очень сложная процедура получения научных данных из «сырых» данных. Развитие сенсоров только увеличивает разрыв между «сырыми» данными и научными данным, и зачастую требуются большие вычислительные ресурсы для получения научных данных. Задача усложняется тем, что современные научные эксперименты представляют собой сложный комплекс уникальных приборов, требующих специализированных методов обработки получаемых «сырых» данных, практически всегда несовместимых друг с другом.
• Еще одна особенность современных научных экспериментов – это сочетание распределенного хранилища данных с необходимостью доступа к высокопроизводительным вычислительным комплексам для получения научных данных и их анализа. Такие вычислительные комплексы в настоящее время в основном используются для решения расчетных задач, не требующих работы со сверхбольшими данными. Однако гигантские объемы данных полностью исключили традиционный раннее способ работы – загрузка данных из хранилища на сервер для обработки. Причем, основная проблема состоит в стоимости каналов связи, а не хранилища. Все работы по обработке данных эксперимента требуется вести в самом хранилище с использованием вычислительных кластеров. С другой стороны, и в задачах численного моделирования появились требования к возможности сохранения текущего состояния в субд, например, расчет космологической эволюции вселенной, требует сотни гигабайт для сохранения одного «слепка» вселенной. Подобные расчеты ведутся на распределенных кластерах с тысячами процессоров, и возможность работы с такими данными в субд позволяет проследить историю эволюции отдельных объектов вселенной (частицы, звезды, галактики, скопления галактик…).
• Обычно, из-за низкой производительности современных систем, исходные данные научных наблюдений хранятся вне каких-либо субд, и только метаданные индексируются в базе данных. Для доступа и обработки исходных данных научным коллективам приходится разрабатывать свои программные системы под каждую конкретную задачу. При таком подходе очень трудно поддерживать целостность данных, версионность данных, историю их изменений, получение научных результатов из «сырых» данных, что затрудняет поддерживание одного из основных принципов науки – повторяемости научных результатов.
• Сложная организация проектов – много участников, разные источники финансирования, что определяет необходимость поддержки определенной политики доступа к данным. С другой стороны, в науке ценят доступность данных, лицензионные ограничения на использование субд могут мешать свободному обмену данными. Кроме того, закрытая лицензия может мешать развитию программных средств.
• Распределенность данных – данные хранятся в разных научных центрах для локализации трафика, по физическим причинам, резервирование данных, масштабирование нагрузок;
• Очень трудно отслеживать изменяемость данных, например, изменилась процедура обработки «сырых» данных, добавились новые данные, и т.д.; данные должны сопровождаться информацией о происхождении (источник, автор, качество,..). Это очень важно, так как в науке нередки запросы, в которых участвуют данные из разных архивов и надо быть уверенным, что, например, устраивает качество данных. Это называется data provenance, lineage, pedigree. Очень важный аспект data provenance – это query inversion. Представим, что у вас на сайте публикуется автоматически сгенерированный по базе данных график распределения какой-то величины, и в одно прекрасное утро вы замечаете на нем важные изменения и естественное желание ученого узнать из-за чего это произошло заставляет его рыться в базе, программах, разного рода логах поступления данных, работы коллег и т.д. Это безумно тяжелая работа! Более строго можно сказать так: найти, какие записи в бд (изменения в каких записях) повлияли на результат работы запроса, т.е. – это обратная задача к обычному запросу.
• Аннотирование данных – это возможность хранить пометки разной степени детализации – на уровне таблицы, на уровне конкретного значения. Требуется эффективное хранение аннотаций и доступ к ним для баз данных петабайтного размера;
• Популярные задачи анализа данных, поиска зависимостей в сверхбольших базах данных являются крайне неэффективными в силу немасштабированности архитектуры классических субд;
• Очень большое разнообразие типов данных и запросов – трехмерные объекты, временные ряды, треки элементарных частиц и т.д.;
• Нет поддержки работы с данными, которые имеют погрешность измерений, пропущенными данными;
• Требование получения «быстрых» результатов («early science»).

Машины стали основными производителями информации и ее потребителями, поэтому требуется обеспечить, прежде всего, не интерактивную работу с данными, а программный доступ к ним, чтобы можно было автоматизировать рутинные работы обработки наблюдений, поиска данных. Прежде всего, это относится к проблеме эффективного хранения и доступа семантической информации в базах данных.

Эти проблемы необходимо срочно решать в ближайшее время, так как технологии производства приемных устройств (сенсоров) непрерывно улучшаются, что приводит к дальнейшему росту данных, а, следовательно, к усугублению описанных проблем.

Следует различать базы данных как хранилища метаданных, которые содержат очень большое количество записей с активным доступом и базы данных, ориентированные на архивное хранение очень больших бинарных объектов (их также может быть очень много).

На сегодня официально анонсирована самая большая в мире база данных с активным доступом – Yahoo Everest, которая на май 2008 года имела хранилище размером более 2 Pb, несколько триллионов записей, с ежедневным поступлением около 24 млрд событий и более 1/2 миллиарда пользователей в месяц. В 2009 году база данных доросла до 10Pb. Интересно отметить, что Yahoo Everest – это свободная СУБД PostgreSQL с распределенным вертикально-ориентированным хранилищем и поддержкой кластеризации. В 2010 году стало известно, что Yahoo рассматривает переход на Hadoop. Из планируемых научных экспериментов выделяются:

• Большой Адронный Коллайдер (LHC), который ежегодно будет производить около 15 Pb данных, распределенное хранилище будет состоять из примерно 200 центров данных по всему миру.
• Большой телескоп для обзора неба (LSST), с диаметром зеркала 8.4 метра и матрицей размером 3.2 Гп (гига-пикселей). Ожидается наполнение БД в 49 миллиардов объектов (256 атрибутов), 2.8 триллиона источников (56 атрибутов). К 2025 году ожидается накопить 14 Pb данных!
• Российский Космический Эксперимент «Лира» (КЭ Лира), который разрабатывается в ГАИШ-МГУ совместно с РосКосмос, планирует получение около 400 терабайтов сырых данных для получения многополосной высокоточной фотометрии звезд всего неба, в результате которого будет проведен большой ряд однородных наблюдений более 400 миллионов звезд.

В компьютерных технологиях произошли революционные изменения:

• Порог петабайтных БД преодолен
• Количество данных растет быстрее, чем закон Мура
• Данные стали разными, новые запросы – многомерные данные, запросы не ограничиваются операциями сравнения, например, найти 10 самых похожих изображений.
• Много запросов, другие требования к производительности и расширяемости – новые технологии (AJAX), динамические документы, увеличилось количество запросов, требование выполнения за десятые доли секунды
• Клиенты стали другими – раньше были операторы, сейчас в основном это бездушные клиенты, большей частью через http, большой уровень конкурентности

Не удивительно, что сейчас насчитывается около сотни различных СУБД, начиная от классических реляционных баз данных (Oracle, SQL Server, PostgreSQL, MySQL, Firebird, Ingres,…), которые обладают богатым набором возможностей, но их архитектура закладывалась во времена одного (не сетевого) большого и дорогого компьютера с маленькой памятью и одноядерным процессором, и кончая специализированными хранилищами, оптимизированных для решения определенных задач (Vertica, H-Store, StreamDB...). Посередине находятся СУБД, для которых самым важным является масштабирование и ограниченный набор возможностей. Эти СУБД ориентированы на современную многоядерную архитектуру дешевых серверов с большой памятью, организованных в кластера. Поскольку один сервер уже не справляется с нагрузкой, то имеется два способа масштабирования:

• Использовать реляционные СУБД с шардингом по большому количеству узлов. При этом многие свойства реляционной модели уже не поддерживаются (соединения, агрегаты, …);
• Использовать масштабируемое (ключ, значение) хранилище – это Project Voldemort, Scalaris, Dymomite, MemcacheDB, CouchDB, Cassandra, HBase, Hypertable, SimpleDB (Список NoSQL баз данных сейчас насчитывает около 40 баз данных). Для этих (ключ, значение) СУБД характерен уход от принципа целостности данных ACID к BASE, который более мягок и говорит о целостности базы данных «в конце концов» (eventually consistent).

Довольно часто вертикально-ориентированные базы данных отождествляют с не реляционными и NoSQL СУБД. На самом деле это не так, например, Vertica (C-Store), MonetDB – это реляционные СУБД с по атрибутным хранением и SQL. Далее остановился более подробно на двух типах вертикально-ориентированных хранилищах.

Какой же класс СУБД годится для науки? Очевидно, что богатые возможности реляционных СУБД крайне интересны для науки, но также очевидно, что строгая целостность и изоляция данных (CI в ACID) не важны, так как данные в науке в основном WORM (Write Once Read Many). Кроме того, реляционной модели не присуща внутренняя упорядоченность, в то время как для «сенсорно-ориентированной» науки, естественно хранить данные в массивах, которым присуща упорядоченность! В реляционной модели реализация массивов очень неэффективна.

Масштабируемость нужна по объему данных, но не нужна большая конкурентность и ориентированность на фиксированное время ожидания результата. В то же время, науке требуется более богатая модель данных нежели (ключ, значение). Многие науки согласились с тем, что наиболее важная структура данных – это многомерный вложенный массив с неровными краями и оптимизацией для разреженных данных. Если добавить сюда требования, специфические для науки, такие как поддержка версионности, происхождения, аннотирования данных, данных с ошибками и т.д., то приходим к выводу, что на сегодняшний момент нет СУБД, ориентированной на науку.

Майк Стоунбрейкер считает, что надо перестать «латать» устаревшие СУБД, что требуются кардинальные изменения в технологии СУБД, а именно – изменение принципа хранения данных. Он считает, что эра обычных больших СУБД общего назначения прошла, и требуются совершенно новые подходы для создания современной БД, которая с самого начала будет ориентирована на распределенность, параллельное исполнение запросов, компрессию, хранение по атрибутам, высокую доступность, линейное масштабирование с использованием кластеров независимых серверов.

Сложившаяся ситуация в больших научных проектах была оценена ведущими учеными из разных наук, представителями коммерческих компаний и разработчиками в области СУБД (систем управления баз данных) на серии конференций XLDB 2007, 2008, 2009 гг, в результате чего возник проект SciDB под руководством профессора MIT Майка Стоунбрейкера и его коллег из крупнейших университетов США. Основная цель проекта – разработка в кратчайшие сроки СУБД для нужд больших научных и промышленных проектов, в которых требуется анализ сверхбольших объемов данных (сотни и тысячи петабайт), масштабируемой на тысячи серверов.

Новая СУБД для больших объемов научных данных. Система SciDB разрабатывается, в первую очередь, исходя из требований больших научных проектов и имеет ряд принципиальных отличий от существующих СУБД. SciDB разрабатывается как система для хранения и анализа сырых и производных научных данных. Некоторые основные функции традиционных баз данных не поддерживаются в SciDB, позволяя системе более эффективно обрабатывать аналитические запросы. Например, так как исходные данные фактически не обновляются, в SciDB не предусмотрена эффективная поддержка больших объемов транзакций, что позволяет избежать серьезных накладных расходов. Наконец, SciDB – проект с открытым исходным кодом и бесплатной лицензией на использование, что отвечает требованиям большинства заказчиков. Открытый код позволяет экономить средства заказчиков на масштабные внедрения системы, а открытый процесс разработки обеспечивает высокое качество технических решений. Кроме того, открытость СУБД обеспечивает технологическую независимость и возможность обмена данными между разными научными коллективами.

Кроме привычных функций систем управления базами данных, в SciDB присутствуют новые механизмы работы с данными, специально разработанные для анализа научных данных. Модель данных SciDB представляет из себя многомерные вложенные массивы, таким образом, ученым не надо моделировать свои данные как таблицы записей, что в свою очередь ведет к более простой формулировке аналитических запросов и на порядки увеличивает производительность системы. Так как в SciDB будут храниться данные, полученные с приборов, SciDB поддерживает погрешность измерений на уровне модели данных и языка запросов. Наконец, SciDB изначально разрабатывается для работы на большом спектре вычислительных систем, от переносного ПК до больших кластеров и суперкомпьютеров. Таким образом, ученые смогут работать с данными в одной среде, например, отлаживая аналитические алгоритмы на персональных компьютерах, используя небольшую выборку данных, а отлаженные запросы без изменений запускать на высокопроизводительных кластерах. Также, SciDB интегрируется с популярными вычислительными пакетами программного обеспечения, такими как R, Matlab и другие, что позволит ученым использовать уже готовые алгоритмы обработки данных при переходе на SciDB.

Основные характеристики разрабатываемой СУБД:

• хранение «сырых» данных, их обработка происходит в самой СУБД с помощью пользовательских процедур для обеспечения версионности и истории изменения данных (новая идея) – полноценная поддержка полного цикла работы с научными данными;
• Модель описания научных данных – это многомерный вложенный массив (новая идея);
• Вертикальное (поатрибутное) хранение данных для компрессии и уменьшения операций ввода-вывода;
• Сохранность данных за счет репликации части данных на разных узлах системы;
• Масштабируемость СУБД от ноутбука до x1000 серверов для хранения x10 петабайтов;
• Расширяемость типов данных и запросов;
• Отказ от поддержки транзакций, которые не нужны для научных данных (WORM – Write Once Read Many), и которые сильно усложняют архитектуру СУБД и вносят существенные расходы на их поддержание. Вместо ACID будет использоваться модель BASE (eventual consistency), что вполне достаточно для научных данных.

Полноценная поддержка полного цикла работы с научными данными. Как упоминалось раньше, из-за недостатков существующих СУБД, большинство научных проектов, в которых встает задача анализа больших объемов данных, осуществляют обработку и анализ исходных данных вне системы управления базами данных. SciDB решает эту проблему, обеспечивая эффективное и удобное хранилище исходных данных и широкий набор инструментов для обработки и анализа данных. Версионное хранилище и учет всех преобразований данных позволяет пользователям SciDB получить точную информацию о версиях данных и о всех вычислениях, произведенных над исходными данными. Это позволяет эффективно устранять ошибки в алгоритмах переработки данных, отслеживать процесс переработки исходных данных при получении подозрительных результатов, и в точности повторять вычисления над исходными данными. При этом SciDB работает без каких-либо ограничений, как на суперкомпьютерном кластере, так и на персональном компьютере, что позволит ученым работать в одной и той же среде со своими данными. После переработки исходных данных, SciDB позволяет делиться полученными результатами, осуществлять выборки и выполнять аналитические запросы широкому кругу коллег, при этом соблюдая произвольную политику доступа как к данным, так и к полученным результатам.