Сверхбольшие системы

Сверхкрупномасштабная система ( ULSS ) — это термин, используемый в таких областях, как информатика , разработка программного обеспечения и системная инженерия, для обозначения систем с интенсивным использованием программного обеспечения с беспрецедентным количеством аппаратного обеспечения , строк исходного кода , количества пользователей и объемов данных . Масштаб этих систем порождает множество проблем: они будут разрабатываться и использоваться многими заинтересованными сторонами в различных организациях, часто с противоречивыми целями и потребностями; они будут построены из разнородных частей со сложными зависимостями и возникающими свойствами; они будут постоянно развиваться; и сбои программного обеспечения, оборудования и человеческого фактора станут нормой, а не исключением. Термин «сверхкрупномасштабная система» был введен Нортропом и другими. описать проблемы, стоящие перед Министерством обороны США . Впоследствии этот термин использовался для обсуждения проблем во многих областях, включая компьютеризацию финансовых рынков . Термин «сверхкрупномасштабная система» (ULSS) иногда используется как синоним термина «крупномасштабная сложная ИТ-система» (LSCITS). Эти два термина были введены в одно и то же время для описания схожих проблем: первый был придуман в Соединенных Штатах, а второй – в Соединенном Королевстве.

Фон

Термин «сверхбольшая система» был введен в 2006 году в отчете Института разработки программного обеспечения Университета Карнеги-Меллон, автором которого выступила Линда Нортроп и ее коллеги. В отчете поясняется, что системы с интенсивным использованием программного обеспечения достигают беспрецедентных масштабов (по таким параметрам, как количество строк кода, количество пользователей и заинтересованных сторон, цели, для которых предназначена система, объемы данных, которые хранятся, к которым осуществляется доступ, манипулируются и уточняются, количество связей и взаимозависимостей между компоненты и количество элементов аппаратуры). Когда системы станут сверхбольшими, традиционные подходы к проектированию и управлению перестанут быть адекватными. В докладе утверждается, что проблема больше не в инженерных системах или системе систем , а в инженерных « социотехнических экосистемах ».

В 2013 году Линда Нортроп и ее команда провели беседу, чтобы рассмотреть результаты исследования 2006 года и реальность 2013 года. институты значительны; (b) первоначальная исследовательская группа 2006 года, вероятно, была слишком консервативна в своем отчете; с) новейшие технологии ускорили темпы масштабного роста; и d) существуют большие возможности.

Одновременно с публикацией отчета Northrop и других в Великобритании была инициирована инициатива по исследованию и обучению крупномасштабных сложных ИТ-систем . Многие из проблем, признанных в этой инициативе, были такими же или были похожи на проблемы, признанные проблемами сверхкрупномасштабных систем. Грег Гот цитирует Дэйва Клиффа , директора британской инициативы, который сказал: «Предложение ULSS и предложение LSCITS были написаны совершенно независимо, однако мы пришли к очень схожим выводам о том, что необходимо сделать и о том, как это сделать». Разница, на которую указал Ян Соммервилль заключается в том, что инициатива Великобритании началась с перспективы от пяти до десяти лет, в то время как инициатива Нортроп и ее соавторов имела гораздо более долгосрочную перспективу. Похоже, это привело к появлению двух несколько разных точек зрения на сверхбольшие системы. Например, точка зрения Ричарда Гэбриэла заключается в том, что сверхбольшие системы желательны, но в настоящее время их невозможно построить из-за ограничений в области проектирования программного обеспечения и системной инженерии. С другой стороны, точка зрения Соммервилля заключается в том, что сверхбольшие системы уже появляются (например, в управлении воздушным движением ), и ключевая проблема заключается не в том, как их достичь, а в том, как обеспечить их адекватное проектирование.

Характеристики сверхкрупномасштабной системы

Сверхкрупномасштабные системы обладают характеристиками систем систем (систем, которые имеют: оперативно независимые подсистемы; управленческо независимые компоненты и подсистемы; эволюционное развитие; эмерджентное поведение; и географическое распределение). В дополнение к этому, в отчете Northrop утверждает, что ULSS будет:

• Иметь децентрализованные данные , разработку, эволюцию и оперативный контроль.
• Учитывайте противоречивые, непостижимые и разнообразные требования.
• Постоянно развиваться во время работы, при этом различные возможности развертываются и удаляются.
• Содержат разнородные, противоречивые и изменяющиеся элементы.
• Разрушьте границы системы людей. Люди будут не просто пользователями, но и элементами системы, влияющими на ее общее эмерджентное поведение.
• Встречайте сбой как норму, а не исключение, при этом крайне маловероятно, чтобы все компоненты работали одновременно.
• Требуются новые парадигмы приобретения и политики, а также новые методы контроля.

Отчет Нортропа заявляет, что «сам масштаб систем ULS изменит все. Системы ULS обязательно будут децентрализованы различными способами, разрабатываться и использоваться широким кругом заинтересованных сторон с противоречивыми потребностями, постоянно развиваться и состоять из разнородных частей. Люди не будут они будут просто пользователями системы ULS; они будут элементами системы. Реальность сбоев программного и аппаратного обеспечения будет фундаментально интегрирована в проектирование и работу систем ULS. Приобретение системы ULS будет происходить одновременно с ее эксплуатацией. потребуются новые методы управления. В системах ULS эти характеристики будут доминировать. Следовательно, системы ULS будут предъявлять беспрецедентные требования к приобретению, производству, развертыванию, управлению, документации, использованию и развитию».

Домены

Термин сверхкрупномасштабная система был введен Нортропом и другими. обсудить проблемы, с которыми сталкивается Министерство обороны США при разработке систем с интенсивным программным обеспечением. В 2008 году Грег Гот написал, что, хотя отчет Northrop сосредоточен на будущих потребностях вооруженных сил США, «его описание того, как фундаментальные принципы разработки программного обеспечения изменятся в глобальной экономике   … находит широкую привлекательность». Этот термин теперь используется для обсуждения проблем в нескольких областях.

Оборона

В отчете Northrop утверждается, что «Министерство обороны США (DoD) преследует цель информационного доминирования   ... эта цель зависит от все более сложных систем, характеризующихся тысячами платформ, датчиков, узлов принятия решений, оружия и боевых самолетов, соединенных посредством разнородных проводных и беспроводные сети   ... Эти системы по всем параметрам значительно превысят размеры сегодняшних систем   ... Это будут сверхкрупномасштабные системы».

Финансовая торговля

После Flash Crash 2010 года Клифф и Нортроп утверждают: «Очень высокая степень взаимосвязанности глобальных рынков означает, что целые торговые системы, реализуемые и управляемые независимо независимыми организациями, могут по праву рассматриваться как важные составные части более крупной глобальной суперсистемы.   ... Огромное количество человеческие агенты и компьютерные системы, связанные в рамках глобальной системы систем финансовых рынков, настолько велики, что являются примером сверхкрупномасштабной системы, и этот масштаб оказывает существенное влияние на природу системы. ".

Здравоохранение

Кевин Салливан заявил, что система здравоохранения США «явно представляет собой сверхкрупномасштабную систему». и что построение киберинфраструктуры здравоохранения национального масштаба «требует не просто тщательного современного программного обеспечения и системной инженерии, но и подхода, который находится на переднем крае нашего понимания систем обработки информации, их разработки и развертывания в сложных социотехнических средах».

Другие

Другие области, в которых, как утверждается, наблюдается рост сверхкрупномасштабных систем, включают правительство, транспортные системы (например, системы управления воздушным движением), системы распределения энергии (например, интеллектуальные сети) и крупные предприятия.

Исследовать

Фундаментальные пробелы в нашем нынешнем понимании программного обеспечения и разработки программного обеспечения в масштабе систем ULS представляют собой серьезные препятствия на пути технически и экономически эффективного достижения значительного прироста базовой функциональности системы. Эти пробелы носят стратегический, а не тактический характер. Маловероятно, что их можно будет адекватно решить путем дополнительных исследований в рамках установленных категорий. Скорее, нам нужна широкая новая концепция как природы таких систем, так и новые идеи о том, как их развивать. Нам нужно будет взглянуть на них по-другому, не просто как на системы или системы систем, а как на социотехнические экосистемы. Мы столкнемся с фундаментальными проблемами при проектировании и развитии, оркестрации и контроле, а также мониторинге и оценке систем ULS. Эти проблемы требуют прорывных исследований.

В Соединенных Штатах

В отчете Northrop предлагается разработать портфель междисциплинарных исследований в соответствии с программой исследований систем ULS, в которой выделяются следующие области: Человеческое взаимодействие. Люди являются ключевыми участниками систем ULS. Многие проблемы в сложных системах сегодня возникают из-за сбоев на индивидуальном и организационном уровне. Понимание поведения системы ULS будет зависеть от представления о том, что люди являются элементами социально обусловленного вычислительного процесса. В этом исследовании участвуют антропологи , социологи и социологи, проводящие подробный социотехнический анализ взаимодействия пользователей в этой области с целью понять, как эффективно создавать и развивать такие социотехнические системы.

Возникновение вычислений. Системы ULS должны удовлетворять потребности участников на нескольких уровнях организации. Эти участники часто ведут себя оппортунистически для достижения своих собственных целей. Некоторые аспекты систем ULS будут «запрограммированы» путем надлежащего стимулирования и ограничения поведения, а не путем явных предписаний. Эта область исследований исследует использование методов и инструментов, основанных на экономике и теории игр (например, проектирование механизмов), для обеспечения глобально оптимального поведения системы ULS путем использования стратегических интересов участников системы. Эта область исследований также включает изучение метаэвристики и цифровой эволюции для расширения когнитивных возможностей проектировщиков, чтобы они могли более эффективно управлять текущей адаптацией системы ULS.

Проектирование. Существующая теория проектирования, методы, обозначения, инструменты и практики, а также методы сбора данных, которые их поддерживают, недостаточны для эффективного проектирования систем ULS. Эта область исследований расширяет традиционное, ориентированное на технологии определение дизайна, включив в него людей и организации; социальные, когнитивные и экономические соображения; и структуры проектирования, такие как правила проектирования и государственная политика. Он включает в себя исследования в поддержку проектирования систем ULS со всех этих точек зрения и на многих уровнях абстракции, от аппаратного обеспечения до программного обеспечения и людей и организаций, в которых они работают.

Вычислительная инженерия. Для обеспечения интеллектуального управления на совершенно новом уровне объема и масштаба системного анализа, проектирования и эксплуатации потребуются новые подходы. Системы ULS будут определяться на многих языках, каждый из которых имеет свои собственные абстракции и семантические структуры. Эта область исследований сосредоточена на развитии выразительности репрезентаций с учетом этого семантического разнообразия. Поскольку сложность систем ULS будет бросать вызов человеческому пониманию, в этой области также основное внимание уделяется обеспечению автоматизированной поддержки расчета поведения компонентов и их составов в системах, а также поддержанию желаемых свойств по мере развития систем ULS.

Адаптивная системная инфраструктура. Системы ULS требуют инфраструктуры, которая позволяет организациям в распределенных местоположениях работать параллельно для разработки, выбора, развертывания и развития компонентов системы. Эта область исследований исследует интегрированные среды разработки и платформы времени выполнения, которые поддерживают децентрализованный характер систем ULS. Это исследование также сосредоточено на технологиях, методах и теориях, которые позволят разрабатывать системы ULS в средах их развертывания.

Адаптируемое и предсказуемое качество системы. Системы ULS будут работать долго и должны надежно работать в средах, чреватых сбоями, перегрузками и кибератаками . Эти системы должны сохранять надежность даже при наличии адаптаций, которые не контролируются и не санкционируются централизованно.

Управление традиционными качествами, такими как безопасность , производительность, надежность и удобство использования , необходимо, но недостаточно для решения задач систем ULS. В этой области исследований основное внимание уделяется тому, как поддерживать качество системы ULS в условиях непрерывных изменений, постоянных сбоев и атак. Это также включает в себя выявление, прогнозирование и контроль новых показателей состояния системы (сродни валовому внутреннему продукту США ), которые необходимы из-за масштаба систем ULS.

Политика, приобретение и управление. Рамки политики и управления для систем ULS должны учитывать организационную, техническую и операционную политику на всех уровнях. Правила и политики должны быть разработаны и автоматизированы, чтобы обеспечить быстрые и эффективные действия на местном уровне, сохраняя при этом глобальные возможности. Эта область исследований сосредоточена на преобразовании политики и процессов приобретения для обеспечения быстрого и непрерывного развития систем ULS, рассматривая поставщиков и цепочки поставок как неотъемлемые и важные компоненты системы ULS.

Предлагаемое исследование не заменяет текущие важные исследования в области программного обеспечения, а, скорее, значительно расширяет их горизонты. Более того, поскольку команда SEI ориентирована на системы будущего, она намеренно избегала формулирования описаний с точки зрения сегодняшних технологий. Предполагаемый результат предлагаемого исследования — это спектр технологий и методов для разработки этих систем будущего, которые принесут выгоды для национальной безопасности, экономики и общества, которые выходят далеко за рамки самих систем ULS.

В Соединенном Королевстве

Британская исследовательская программа в области крупномасштабных сложных ИТ-систем занимается вопросами разработки ULSS и считает, что LSCITS (крупномасштабная сложная ИТ-система) разделяет многие характеристики ULSS.

В Китае

Национальный фонд естественных наук Китая наметил пятилетний проект для исследователей по изучению сборки сверхбольших космических кораблей. Хотя этот проект и расплывчат, он будет иметь применение для потенциальных мегапроектов , включая колоссальные солнечные электростанции космического базирования . Работа над проектом сборки сверхбольшой апертуры на орбите под эгидой Китайской академии наук (CAS) и при поддержке Министерства науки и технологий Китая уже ведется.

См. также

• Сложная адаптивная система
• Появление
• Управление ИТ-портфелем
• Перегрузка оператора
• Самоорганизация
• Социотехнические системы
• Архитектура программного обеспечения
• Проектирование систем
• Теория систем

Дальнейшее чтение

• Нортроп, Линда М. (24 мая 2013 г.). «Действительно ли важен масштаб? Сверхкрупномасштабные системы через семь лет после исследования» (PDF) . Институт программной инженерии . Университет Карнеги-Меллон. Основной доклад представлен на 35-й Международной конференции по программной инженерии (ICSE 2013) и опубликован издательством IEEE Computer Society Press. Архивировано из оригинала 12 февраля 2022 года.
• Питер Ван Рой (2008). «Проблемы и возможности нескольких процессоров: почему многоядерные процессоры — это просто, а Интернет — это сложно» — через Lambda the Ultimate . Дискуссионный документ, затрагивающий темы, важные для исследований ULS.
• Главы из: Б. А. Губерман, изд. (1988). Экология вычислений . Амстердам: Elsevier Science Северная Голландия. ISBN  978-0444703750 . Три основополагающих документа о рыночно-ориентированных вычислениях на основе возможностей (концепции, которые являются предметом некоторых исследований ULS Systems), написанные Марком С. Миллером и К. Эриком Дрекслером - через The Agoric Papers - ( архивный указатель ):
  • «Рынки и вычисления: агорические открытые системы» (PDF) . Экология вычислений . 1988. стр. 133–176. Архивировано из оригинала (PDF) 14 августа 2022 года.
  • «Стимулирующая инженерия для управления вычислительными ресурсами» (PDF) . Экология вычислений . 1988. стр. 231–266. Архивировано из оригинала (PDF) 5 декабря 2022 года.
  • «Сравнительная экология: вычислительная перспектива» (PDF) . Экология вычислений . 1988. стр. 51–76. Архивировано из оригинала (PDF) 24 января 2023 года.