Аннотация: В современном мире для разработчиков все острее встает проблема обработки и хранения больших объемов данных. Сообщения в социальных сетях, фотографии, потоковое видео – все это создает высокую нагрузку на программное обеспечение, используемое на серверах. По этой причине стандартные подходы, используемые для проектирования архитектуры настольных приложений, чаще всего будут неэффективны, так как в большинстве случаев они не учитывают нагрузку на приложение со стороны огромного числа пользователей. На сегодняшний день нет четкого определения для высоконагруженных систем. В большинстве случаев этот термин применяются в ситуациях, когда приложение перестает справляться с моментальной нагрузкой, возложенной на него. Нельзя указать конкретных значений, по достижении которых система считается высоконагруженной, поскольку все приложение специфичны и одинаковое количество запросов может приводить к абсолютно разным нагрузкам на ресурсы. В ходе исследования систем управления базами данных было проведено несколько опытов замеряющих скорость выполнения основных операций с базами данных: добавление, выборка и удаление. На основании результатов этих опытов были сделаны выводы и даны рекомендации по выбору системы управления базами данных. В данной статье рассмотрены подходы к разработке высоконагруженных систем, выделены недостатки и преимущества каждого из подходов и приведены примеры использования этих подходов такими популярными сервисами, как ВКонтакте, Facebook, Google и Яндекс. Приведен сравнительный анализ систем управления базами данных MySQL и MongoDB. В заключении даны рекомендации по выбору СУБД в зависимости от подхода к проектированию архитектуры высоконагруженного проекта.

Ключевые слова: высоконагруженные программные системы, архитектура приложений, хранение данных, базы данных, MySQL, MongoDB, СУБД, программное приложение, большие объемы данных, реляционные базы данных

Abstract: In today’s world the problem of processing and storing huge amounts of data becomes increasingly pressing. Messages in social networks, photos, streaming video – altogether creates a high load on the server-side software. For this reason common approaches used in desktop-software design may be ineffective since they don’t take into account the huge load on the application created by the vast number of users. Currently, there is no clear definition for highly-loaded systems. In most cases this term is used in situations, when software fails to operate under some momentary load. There’s no specific values set at which a system can be considered highly-loaded, since each software is different and same amount of requests can lead to completely different loads on the resources. The given study of the database management systems consisted of several experiments, measuring the speed of common operation on databases, such as adding, selecting and deleting. Based on the result of these experiments the author makes conclusions and gives recommendations on choosing the database management system. The article reviews approaches in developing highly loaded systems, highlights their features and disadvantages and shows examples of the use of these approaches in popular web-services such as ВКонтакте, Facebook, Google and Яндекс. The articles brings a comparative analysis of MySQL and MongoDB database management systesms. In conclusion the author gives recommendations on selecting a database management system depending on the approach to designing architecture of a highly-loaded project.

Keywords: highly loaded software systems, application architecture, data storage, database, MySQL, MongoDB, DBMS, software, large amounts of data, relational databases

Аннотация: В статье рассмотрены некоторые аспекты практического использования датчиков псевдослучайных чисел (ДПСЧ) в вычислительной математике и криптографии. В частности исследовано неадекватное поведение метода Монте-Карло при решении задачи оценки риска однородного кредитного портфеля с использованием штатного ДПСЧ системы программирования Microsoft Office. Выявлены ограничения штатного ДПСЧ. Проведена его реконструкция в терминах одномодульной арифметики вычетов и на этой основе показана нецелесообразность его использования в криптографических приложениях и объяснены отдельные аспекты неадекватного поведения метода Монте-Карло в модельном примере. Предложен вариант использования альтернативного ДПСЧ, основанного на идее "вихря Мерсенна", для решения сложных задач вычислительной математики. Приведены результаты соответствующих численных экспериментов. В основу работы положен ряд численных экспериментов, базирующихся на методе Монте-Карло. При реконструкции и исследовании ДПСЧ системы программирования Microsoft Office использованы теоретико-числовые методы. При постановке модельной задачи и интерпретации результатов ее решения используется теоретико-вероятностный формализм. В работе впервые проведено сравнение результатов оценки меры риска "Value at Risk" для однородного кредитного портфеля, полученных с использованием метода Монте-Карло, с точным значением, рассчитанным с использованием методов алгебраической теории риска. На этой основе выявлены ограничения подходов, основанных на методах Монте-Карло и связанных с конкретной реализацией штатного ДПСЧ системы программирования Microsoft Office. Предложено альтернативное решение и показана его адекватность в ходе соответствующего численного эксперимента.

Ключевые слова: риск, VBA, криптография, метод Монте-Карло, линейный конгруэнтный метод, псевдослучайное число, случайное число, мера риска, Value at Risk, вихрь Мерсенна

Abstract: The article reviews some aspects of practical use of the pseudo-random number sensors in computational mathematics and cryptography. In particular the author studied inappropriate behavior of the Monte Carlo method in solving the task of risk assessment of uniform credit portfolio using regular pseudo-random number sensor of the Microsoft Office programming system. The article identifies limits of the regular pseudo-random number sensor. The author reconstructs it in terms of single-module residue arithmetic and on that basis proves unreasonableness of its use in cryptographic applications and explained certain aspects of inadequate behavior of the Monte Carlo in the given example. The article proposes a solution as alternative pseudo-random number sensor based on the Mersenne twister for solving the complex tasks of computational mathematics. The article shows results of corresponding numerical experiments. The research is based on the numerical experiments based on the Monte Carlo method. The reconstruction and study of the pseudo-random number sensor of the Microsoft Office programming system involved number and theoretic methods. Probability theory formalism is used in formulating of the model problem and interpreting the results of its solution. The paper for the first time shows the comparison of the "Value at Risk" results for a task of risk assessment of uniform credit portfolio received using Monte Carlo method with exact values, calculated using the methods of the algebraic theory of risk. This comparison allowed to determine the limitations for Monte Carlo based methods and other methods using regular pseudo-random number sensor of the Microsoft Office programming system. The author proposes alternative solution for the problem and shows its adequacy in the corresponding numerical experiment.

Keywords: risk, VBA, cryptography, Monte Carlo method , linear congruential method , pseudo-random number , random number, risk measure, Value at Risk , Mersenne twister

Аннотация: Статья посвящена проблеме компьютерной симуляции проведения биохимического анализа биологических жидкостей с помощью прибора Stat Fax® 1904 + R. Описана методология и этапы создания обучающего симулятора (формулирование проблемы, планирование проекта, определение системы, сбор входных данных, трансляция модели, верификация и валидация, а также внедрение в образовательный процесс). Представлены основные методы расчета концентрации вещества, имитируемые компьютерным симулятором (на основе стандарта, расчета фактора, многоточечной калибровки и измерение кинетических характеристик). Автор уделяет значительное внимание разработке интерфейса основного окна программы, которое представляет собой виртуальный рабочий стол для проведения биохимического анализа. Необходимыми элементами имитируемой поверхности выступают изображения прибора с действующими клавиатурой и дисплеем, область печати для вывода результатов анализа, пробирок (бланк, стандарт, образец) с соответствующими кнопками, а также кнопка питания прибора. Задача симуляции количественных и качественных характеристик исследуемой смеси решена с помощью генератора случайных чисел. Результаты проведенного исследования могут быть использованы при создании обучающих компьютерных симуляторов не только в области медицины, но и в других сферах профессиональной деятельности.

Ключевые слова: компьютерная симуляция, симулятор, биохимический анализ, лабораторная диагностика, биохимический анализатор, Stat Fax® 1904+R, медицинское образование, концентрация вещества, виртуальный рабочий стол, симуляция оптической плотности

Abstract: The article is devoted to the problem of computer simulation of biochemical analysis of biological fluids using the Stat Fax® 1904 + R. The author describes methodology and stages of creating an educational simulator (formulation of the problem, project planning, defining the system, gathering of input data, translation of the model, verification and validation, implementation of the system into the educational process). The article presents main methods for calculation of substances’ concentration, imitated by the computer simulator (based on the standard, factor calculation, multi-point calibration and kinetic characteristics measuring). The author pays significant attention to the interface design of the application’s main window that visualize virtual desktop for carrying out biochemical analysis. The essential elements of the simulated desktop are the images of the device with working keyboard, display, printing area for displaying the results of analysis, tubes (blank, standard, sample) with corresponding buttons, as well as the power button. The task of simulation of the quantitative and qualitative characteristics of the test mixture is solved using random number generator. The results of the presented study can be used in building educational computer simulators not only in medicine but also in other areas of professional activity. 

Keywords: computer simulation , simulator, biochemical analysis , laboratory diagnostics, biochemical analyzer, Stat Fax® 1904 + R, medical education, substance concentration, virtual desktop, optical density simulation

Аннотация: В вузовском курсе физики рассматриваются различные волновые процессы: отражение и прохождение импульса через границу раздела двух сред, интерференция, распространение волны в диспергирующей среде, образование и взаимодействие солитонов. При этом важно, чтобы экспериментальные и теоретические методы изучения этих явлений сочетались с использованием компьютерных моделей, которые позволяют сформировать наглядный образ явления и проанализировать их протекание при различных условиях. Предметом исследования являются простые компьютерные модели и вычислительные эксперименты, позволяющие изучить волновые процессы в одномерных линейных и нелинейных средах. Применяются методы математического и компьютерного моделирования, которые состоят в построении математической модели и создании компьютерной программы, имитирующей изучаемое явление на основе численного решения соответствующей системы уравнений. Новизна работы состоит в том, что предлагаются три простые компьютерные программы на языке Pascal, моделирующие распространение импульса в одномерной среде, его отражение от границы раздела двух сред и прохождение во вторую среду, распространение волны в диспергирующей среде, образование различных солитонов и их взаимодействие. Анализ результатов компьютерного моделирования позволяет утверждать, что использование вычислительных экспериментов, основанных на моделировании одномерной среды системой связанных пружинных или математических маятников или решении уравнения синус-Гордона, действительно позволяют изучить волновые процессы на более высоком уровне, сформировать интерес к физике и информационным технологиям.

Ключевые слова: вычислительный эксперимент, численное моделирование, компьютерные симуляции, модель одномерной среды, волновые процессы, дисперсия, интерференция, солитон, уравнение синус-Гордона, информационные технологии

Abstract: The course of physics in colleges and universities includes various wave processes: reflection and transmission of the pulse through the interface between two media, interference, wave propagation in a dispersive medium, the formation and interaction of solutions. Here it is important to combine theoretical and practical approaches to studying of these phenomena with computer models, allowing creating visual image of the phenomenon and analyzing its behavior in different conditions. The subjects of the study are the simple computer models and computational experiments helping to show the wave processes in the one-dimensional linear and nonlinear media. The experiments require mathematical and computer modeling, building a mathematical model, creating software simulating the studied phenomenon based on the numerical solution of the corresponding system of equations. The novelty of the work is in the fact that the author presents three simple computer programs written in Pascal, simulating pulse propagation in one-dimensional medium, its reflection from the boundary between two media, and its passage of the second medium, the wave propagation in a dispersive medium, the formation of different solutions and their interactions. The analysis of the results of computer modeling allows to state that the use of such computational experiments based on the simulation of a one-dimensional medium by a system of coupled springing or simple pendulums or solving the sine-Gordon equation really allows to study the wave processes at a higher level and to form interest in physics and information technologies. 

Keywords: computational experiment, numerical modeling, computer simulations, model of the one-dimensional medium, wave processes, dispersion, interference, soliton, sine-Gordon equation, information technology

Аннотация: Предметом исследований является система арбитража потоков данных между портами коммутаторов современной последовательной шины PCI Express. Статья посвящена вопросам разработки модели данной системы. При построении модели принято допущение, что коммутационная матрица коммутатора является неблокирующей. Авторами даётся описание принципов функционирования программной модели, позволяющей исследовать алгоритм арбитража и зависимость характеристик потоков от различных факторов. На основе модели исследуется влияние числа виртуальных каналов и неравномерность загрузки входных портов коммутатора на объём буферной памяти арбитра портов и арбитра виртуальных каналов. В качестве метода исследований использовался вычислительный эксперимент на основе программной модели алгоритмов арбитража шины PCI Express. Разработанная модель базируется на концепциях и алгоритмах, регламентированных официальной спецификацией протокола шины PCI Express. Получена программная модель многоступенчатого арбитра коммутатора шины PCI Express, в которой варьируется множество параметров арбитража, характерных для реальной загрузки шины в кластерных системах. За счёт модульного принципа построения программную модель можно модифицировать и включать другие схемы приоритетов. Разработанная и описанная в статье модель может использоваться при построении структуры коммутатора, а так же при конфигурировании арбитра, что может быть полезно при создании кластерных систем с внешними коммутаторами PCI Express, нашедшими практическое применение относительно недавно. Так же модель может применяться для исследования самого протокола PCI Express.

Ключевые слова: арбитраж, коммутатор, PCI Express, последовательный интерфейс, имитационная модель, схемы приоритетов, циклическая схема, виртуальные каналы, теория массового обслуживания, уровень транзакций

Abstract: The authors study arbitration system for data threads between ports of modern serial PCI Express bus. The article is devoted to the development of a model for that system. For the model the authors make an assumption, that switching matrix of the switch is non-blocking. Authors describe principles of the software model operation that allows to study the arbitration algorithm and the dependence of flow characteristics upon various factors. Using the mentioned above model the authors examines the influence of the virtual channels quantity and of the unevenness of the input ports load of the commutator on the amount of buffering memory of the port and virtual channels’ arbiters. The article uses computational experiment based on the software model of PCI Express bus arbitration as a method of the research. The produced model is based on the concepts and algorithms regulated by the official protocol specification for PCI Express. The authors present a software model of multistage arbitrator switch for PCI Express, in which varies the set of parameters of the arbitration specific for the real bus load on the cluster systems. The modular approach allows to modify the software model and include different priority schemes. The model designed and described in the article may be used in the building of the switch structure, as well as in configuration of an arbitrator, which can be useful when creating a cluster system with external PCI Express switches, which found practical use relatively recently. The model can be also used during the study of the PCI Express protocol.

Keywords: arbitration, switch, PCI Express, serial interface, simulation model, priority scheme, cyclic scheme, virtual channels, waiting-line theory, transaction level

Аннотация: В докладе рассматриваются задачи, которые должны быть решены при моделировании коммуникационной структуры ПВС. С комбинированной или иначе смешанной топологии на основе гиперкубов: двоичного (ДК), обобщенного (ОГ), обобщенного кольцевого (ОКГ) и обобщенного кольцевого гиперкуба дополненного магистралями (ОКГМ). Первые три структуры можно моделировать на основе модели ОКГМ так как алгоритмы задания их топологий практически одинаковы . Моделирование ОКГМ имеет особенности, поскольку наличие магистралей существенно влияет на величину диаметра, пропускную способность, сложность организации межпроцессорного интерфейса, поскольку передача данных между узлами структуры сможет осуществляться как по непосредственным связям, так и по магистралям. В результате этого необходим оптимальный выбор пути с учетом состояния соседних узлов и занятости магистрали (магистралей) с которой связан данный узел. С этой целью формируется слово состояния, в котором отражена занятость магистрали и непосредственных связей с соединенными узлами и состояние самого узла, прием, передача или транзит данных. Для упрощения выбора направления и выбора пути вводиться понятие и, соответственно, параметр цены магистрали. Моделирование маршрутизации и транзакций не представляет трудностей, поскольку структура обладает высокой степенью размерности. Основным элементом системы моделирования является коммутационный процессор, на который возлагаются основные функции коммуникационной среды. Последовательность разработки системы моделирования выдвигает следующие требования к проектированию программного продукта на основе итерационный-инкрементной модели при использовании: объектно-ориентированного проектирования и СУБД, что вызвано необходимостью работы с большим количеством данных и быстрой обработкой результатов. Также необходимо использование языков высокого уровня которые дают возможность построения приложений реального времени, обладают свойствами многопоточности и масштабируемости. В работе используются аналитические методы теории вычислительных систем, метод имитационного моделирования, методология объектно-ориентированного проектирования. В статье рассматриваются вопросы связанные с исследованием существующих и перспективных топологий ПВС типа гиперкуб. Новизна заключается в том, что впервые представлена топология ПВС на основе обобщенного гиперкуба дополненная магистральными связями. Определены основные параметры, исследуются характеристики на основе имитационного моделирования. Приводится сравнение параметров с хорошо известными топологиями типа гиперкуб.

Ключевые слова: двоичный гиперкуб, обобщённый кольцевой гиперкуб, решётка-тор, обобщённый гиперкуб, трансляция, маршрутизация, коммутационная структура, моделирование, пакет связей, межпроцессорный интерфейс

Abstract: The report reviews tasks that shall be solved during interprocessor interface modeling in parallel computing system with combined (mixed) topology based on hypercubes: binary, generalized, generalized ring, generalized ring hypercube with multiple buses. The first three of those structures can be modeled based on the last one because the algorithms of specifying their topologies are practically the same. Modeling of the hypercube with multiple buses has its own specifics because the presence of buses considerably affects diameter, capacity and complexity of the inteprocessor interface structure, because the data can be transferred between the nodes of the structure using both direct connections and buses. As the result of this the it is important to find the optimal path for transferring data taking into account the state of closest nodes, congestion of bus (buses) linked to the current node. For that purpose a status word is formed, representing busyness of a bus and direct links of connected to the node, the state of the node itself, data acceptance, transfer or transit. To simplify selection of the direction and rout the model uses the cost of a bus. Simulation of routing and transactions are rather simple because the structure has a high degree of dimension.  The main element of the modeling system is switching processor that carries out the main functions of the commutation environment. The process of developing the modeling system has the following requirements for the designing of the software based on the iterative-incremental model using object-oriented approach and DBMS due to the need to work with large amount of data at the high speed of processing. It also requires high-level programming languages, which allows building real-time applications with features of multithreading and scalability. The project uses analytical methods of the theory of computing systems, simulation method, methodology of object-oriented design. This article discusses problems related to the study of existing and emerging types of parallel computing system topologies based on hypercubes. The novelty of the study lies in the fact that for the first time the topology of the parallel computing system based on the generalized hypercube with multiple buses is presented. The main parameters are defined, the characteristics are studied on the base of the simulation, the comparison of the parameters with the well-known hypercube topologies is given.

Keywords: binary hypercube, generalized ring hypercube, grid-tor, generalized hypercube, translation, routing, switching structure, simulation, links package, interprocessor interface