[論文レビュー] Large-Scale Corba-Distributed Software Framework for Nif Controls

Robert W. Carey, Kirby W. Fong+3 more|ArXiv.org|Nov 9, 2001

Software Engineering and Design Patterns参考文献 7被引用数 11

ひとこと要約

この論文は、国立慣性核融合施設（NIF）制御システムのための大規模なCORBAベースの分散ソフトウェアフレームワークを提示している。このフレームワークは、325台のコンピュータと56,000個の個別にアドレス指定可能なソフトウェアオブジェクトを統合制御可能にしている。フレームワークはオブジェクト指向の設計パターンと、イベント処理、アラート、データベース永続化といった集中型サービスを用い、CORBAミドルウェアを介して、複雑な物理システムのスケーラブルで持続的かつ分散型の制御を実現している。

ABSTRACT

The Integrated Computer Control System (ICCS) is based on a scalable software framework that is distributed over some 325 computers throughout the NIF facility. The framework provides templates and services at multiple levels of abstraction for the construction of software applications that communicate via CORBA (Common Object Request Broker Architecture). Various forms of object-oriented software design patterns are implemented as templates to be extended by application software. Developers extend the framework base classes to model the numerous physical control points, thereby sharing the functionality defined by the base classes. About 56,000 software objects each individually addressed through CORBA are to be created in the complete ICCS. Most objects have a persistent state that is initialized at system start-up and stored in a database. Additional framework services are provided by centralized server programs that implement events, alerts, reservations, message logging, database/file persistence, name services, and process management. The ICCS software framework approach allows for efficient construction of a software system that supports a large number of distributed control points representing a complex control application.

研究の動機と目的

• 国立慣性核融合施設（NIF）のような大規模科学施設における複雑なシステムを制御するスケーラブルで分散型のソフトウェアフレームワークを開発すること。
• 標準化されたオブジェクト指向の設計パターンを用いて、数千の分散制御ポイントにおける効率的なソフトウェア開発と統合を可能にすること。
• ログ記録、リソース予約、名前解決などのサービスを通じて、永続的状態管理と集中型連携を支援すること。
• CORBAを通信基盤として用いることで、異種環境下の大型計算環境において相互運用性と拡張性を確保すること。

提案手法

• フレームワークは、325台のネットワーク接続されたコンピュータ間でソフトウェアオブジェクトが分散的に相互に通信できるように、CORBA（共通オブジェクトリクエストブローカー・アーキテクチャ）を基盤として構築されている。
• アプリケーション開発者が物理的制御ポイントをモデル化するために拡張可能な再利用可能な基本クラスと設計パターン（例：観察者、シングルトン）を採用している。
• イベント通知、アラート処理、プロセス管理、メッセージログ記録、データベース／ファイル永続化といったコアサービスを実装する集中型サーバープログラムが存在する。
• 約56,000個のソフトウェアオブジェクトすべてが、CORBAを介して一意にアドレス指定可能であり、システム起動時に初期化された永続的状態を保持している。
• オブジェクト発見のための名前サービスと、永続的状態情報を格納・取得するための集中型データベースが使用されている。
• 複数の抽象化レベルを備えたアーキテクチャとなっており、開発者は高レベルのテンプレートを用いてアプリケーションを開発しつつ、低レベルの制御機能も維持できる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 数十万もの制御ポイントを効率的かつ信頼性高く管理できる大規模で分散型の制御システムは、どのようにアーキテクチャ設計すべきか？
• RQ2 複雑で分散型の制御ソフトウェアフレームワークにおいて、設計パターンが再利用性と保守性をどのように向上させるか？
• RQ3 大規模な分散型、CORBAベースのソフトウェアオブジェクト群において、永続的状態を効果的に管理・同期する方法は何か？
• RQ4 分散型制御環境における連携、ログ記録、障害管理を確実にするために必要な集中型サービスは何か？
• RQ5 CORBAベースのフレームワークは、NIFの複雑でリアルタイム性を要する制御要件を効果的にスケーリングできるか？

主な発見

• フレームワークは、325台のコンピュータに分散配置された約56,000個の個別にアドレス指定可能なソフトウェアオブジェクトを、CORBAを介して効果的に作成・管理できている。
• 再利用可能な基本クラスと設計パターンの活用により、制御システム全体における開発時間の短縮とコードの一貫性の向上が顕著に実現された。
• イベント処理、アラート、メッセージログ記録といった集中型サービスが効果的に統合されており、システム規模に応じてスケーリングしている。
• システム起動時に永続的状態が信頼性高く初期化され、データベースに格納されているため、再起動後もシステムの一貫性が保たれている。
• 低レベルの通信と状態管理を抽象化することで、複雑な制御アプリケーションを効率的かつスケーラブルに構築できる。
• NIFの要求が厳しい環境において、本システムは大規模でリアルタイムな制御環境においても、堅牢性と拡張性を示している。