طراحی مشارکتی در عصر رایانش ابری Collaborative design in the era of cloud computing

مقدمه

در سال های اخیر با وجود نفوذ چشمگیر و رو به افزایش رایانش ابری در صنایع، بسیاری از بخش های طراحی از آن دوری می نمایند. به نظر می رسد دلیل اصلی این امر، بی میلی کاربران به زمان پاسخ برنامه های کاربردی باشد. تعامل مستقیم با کاربر در نرم افزار CADبسیار حیاتی می باشد و هر گونه تاخیر بین دستور کاربر و تاثیر گرافیکی موجب عدم قبول این سیستم می شود.

با این حال، رایانش ابری طیف وسیعی از خدمات و ویژگی های جدید را مطرح می نماید که می تواند موجب بهبود عملکرد بخش طراحی شود، در حالی که فن آوری های جدیدی که اخیرا ظهور یافته اند، وعده داده اند که اعتراضات کاربران CAD را برطرف نمایند. این مقاله الگوریتم جدیدی (بهینه سازی بی نظمی رتبه بندی) ارائه می نماید تا بتوان خدمات و زیرساخت رایانش را به سرعت با یک تصمیم بسیار کارآمد و حیاتی در مجازی سازی، ترکیب و به اشتراک گذاشت.

 در این مقاله از ماشین های مجازی برای ترسیم از راه دور بلوک های طراحی پارامتریک در نرم افزار CAD بدون تعامل با کاربر استفاده می شود و هزینه رایانش ابری با توجه به سخت افزار مورد استفاده  در مقابل هزینه های داخلی مقایسه می شود.

این مقاله علاوه بر استفاده از ماشین های مجازی جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

مقاله حاضر بحث انتقال تمام خدمات CAD به ابر را پیش می کشد و معماری زیرساخت های جدید را مطرح می نماید که می تواند برای پشتیبانی از اجرای از ره دور (ابر) مناسب باشد. علاوه بر این، طراحی معماری پیشنهادی، تکنیکهای جدیدی را در نظر می گیرد که اخیراً به منظور طراحی زیرساختی که قادر به برآورد نیازهای کاربران CADمی باشد، تکامل یافته اند(نرم افزار مجازی سازی، شتاب گرافیکی برای این امر ازGPU  استفاده می نمایند).

چالش های اصلی ای که بخش طراحی به آن مواجه است به شرح زیر می باشد:

• دسترس پذیری نرم افزار

شیوه کلاسیک کنترل نرم افزاری (مجوز هر کاربر/ ایستگاه کاری) مسئله مهمی را در مورد هزینه بهره برداری این بخش مطرح می نماید. در واقع، در حالی که این نرم افزار در تعدادی از ایستگاه های کاری نصب شده است، به طور همزمان توسط تعداد کمتری از این ایستگاه ها استفاده می شود. به عنوان مثال نرم افزار تجزیه و تحلیل محدود را می توان در تمام ایستگاه های کاری مهندسان عمران و مکانیک این بخش نصب مود، اما تنها تعداد معدودی از آنها به طور همزمان از آن استفاده خواهد نمود. راه حل ارائه شده معمول برای این مشکل، نصب متناوب نرم افزار بر روی تعداد معدودی از ایستگاه های کاری توسط مهندسین می باشد. بدیهی است که این راه حل یک راه حل توافقی می باشد نه راه حل مطلوب برای حل این مشکل.

• به روز رسانی مکرر نرم افزار

بخش طراحی باید، به منظور رقابت آمیز بودن و کارآمدی، اغلب نرم افزار مورد استفاده را  ارتقاء دهد، تا از ویژگی های جدید ارائه شده توسط نسخه های جدید استفاده شود. نسخه های جدید را باید در بسیاری از ایستگاه های کاری با مشخصه های متفاوت و سیستم های عامل احتمالی نصب نمود. این امر منجر به هزینه های نگهداری بالا می شود، زیرا صرف نظر از هزینه های بهبود امکانات، باید از یک یا تعداد بیشتری متخصص IT بهره جست.

• الزامات ایستگاه های کاری قدرتمند

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

• راه حل های سفارشی – کتابخانه ها

در طی عملیات بخش طراحی، برنامه های اضافی سفارشی و طراحی کتابخانه ها ایجاد یا خریداری شدند. به عنوان مثال، برنامه سفارشی می تواند نرم افزاری باشد که پله ها یا چرخ دنده های پارامتریک سه بعدی را طراحی خواهد نمود، در حالی که مبلمان، درختان و غیره می تواند جزئی از طراحی کتابخانه ها باشد. این برنامه ها، کتابخانه ها، بازبینی ها و آخرین نسخه هایشان برای تمام ایستگاه های کاری بخش طراحی در دسترس و مطلوب می باشند. این امر بر حجم کار بسیار بزرگ جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

• طراحی مشارکتی

طراحی مشارکتی یک چالش کلیدی برای بخش طراحی می باشد، زیرا بیشتر مهندسان یا سایر متخصصان درگیر فرایند طراحی محصول می باشند. بنابراین، معماران برای طراحی یک ساختمان، یک طرح معماری (CAD) طراحی خواهند نمود، مهندسین عمران تجزیه و تحلیل استاتیک (CAE) را پیاده سازی خواهند کرد، مهندسین مکانیک به برسی مکانیکی (CAD/CAE) خواهند پرداخت و غیره. این بررسی ها و طراحی ها با هم در تعامل می باشند (به عنوان مثال، تجزیه و تحلیل استاتیک بر بررسی طراحی معماری تاکید دارد) در حالیکه در مطالعات فردی بیش از یک نفر درگیر می باشند. بعلاوه مکان فیزیکی افراد درگیر در این مطالعه نمی تواند یک محل یا دفتر اداری یکسان باشد، بلکه در شهرها یا کشورهای مختلف حضور دارند.

• سیاست پشتیبان گیری/ بازیابی داده های بحرانی

پروژه ها و بررسی ها از ویژگی های بخش طراحی می باشند و حفظ آنها (هر چند معمولاً دست کم گرفته شده اند) فرآیندی بسیار حیاتی می باشد. در اکثر موارد حفظ فرآیند، بدون وجود یک سیاست استاندارد، متکی به مهندسین می باشد. حتی سازمندترین بخش هایی  که جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید. این امر در دفتر محلی صورت می گیرد و مربوط به کل بخش نمی باشد. استفاده از یک سیاست پشتیبان گیری اطمینان خواهد داد که بازگردانی کامل فایل ها در صورت خرابی مستلزم تجهیزات اضافی ویژه و خدمات IT تخصصی می باشد.

• پویایی

پویایی یک مسئله بسیار مهم می باشد. کارکنان بخش طراحی افرادی می باشند که اغلب برای نظارت مناسب بر پروژه یا برای همکاری با اشخاص ثالث (مشتریان، شرکا) در حرکت به سوی دفاتر آنها می باشند. بنابراین اغلب موجب نیاز به دسترسی کامل یا جزئی به طرح های پروژه می شود. این دسترسی از راه دور باید از طریق لپ تاپ مهندس، ایستگاه های کاری مشتری یا حتی دستگاه تلفن همراه اجرا شود. 

• امنیت

بخش طراحی با نمایش در اینترنت با تمام مسائل امنیتی مطرح شده مواجه می باشد. برای مقابله با حریم گذری ها از سوی اینترنت به سطح بالایی از کارکنان IT و نرم افزار پرخرج نیاز می باشد. حقوق دسترسی به فایل ها به منظور اطمینان از قابلیت اعتماد بهمراه عاملیت، مسئله ای بسیار پیچیده تر می باشد.

• CAM

هنگامی که مرحله نهایی پروژه طراحی به CAM مربوط می شود، مسائل مربوط به انتقال پروژه های جدید به امکانات مربوطه، طبقه بندی طرح های موجود و دسترسی به آنها مطرح می شود.

این مقاله تلاش دارد تا به این چالش ها پاسخ دهد، استفاده از رایانش ابری را در فرآیند ترسیم و طراحی مکانیکی صنعت بررسی نماید. برای اجرای یک سیستم طراحی مبتنی بر ابر مشارکتی، یک معماری خاص با سرورهای متفاوت را پیشنهاد می نماید. در نهایت به عنوان یک مثال کاربردی، هزینه های عملیاتی بخش طراحی صنعت را قبل و بعد از استفاده از سیستم پیشنهادی مقایسه می نماید.

این مقاله دارای ساختار ذیل می باشد: بخش 2 اصول مقدماتی ابر را تعریف می کند و در عین حال بحث مختصری در مورد ابر مبتنی بر CAD در بخش 3 ارائه می شود. رویکرد سیستم پیشنهادی در بخش 4 ارائه شده است و مزایا و ویژگی های آن در بخش 5 شرح داده شده است. در بخش 6 یک مثال کاربردی نشان داده شده و جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

2. اصول ابری

به عقیده موسسه ملی استاندارد و فن آوری (چاپ ویژه 800-145)، «رایانش ابری مدلی برای فعال کردن دسترسی مناسب، حاضر در همه جا و بنا به تقاضای شبکه در منابع محاسباتی قابل تنظیم (به عنوان مثال شبکه ها، سرورها، ذخیره سازی ، برنامه های کاربردی و خدمات) می باشد که می تواند به سرعت با حداقل تلاش مدیریت یا تعامل ارائه دهنده خدمات تهیه شده و انتشار یابد. این مدل ابر از پنج مشخصه حیاتی، سه مدل خدماتی و چهار مدل استقرار تشکیل شده است». در همین چاپ مدل های خدماتی و استقرار، به شرح ذیل توصیف داده شده اند:

انواع خدمات:

نرم افزار به عنوان یک سرویس خدمات(SaaS)

توانایی ارائه شده به مصرف کننده برای استفاده از برنامه های در حال اجرای بر روی زیرساخت ابری توسط ارائه دهنده می باشد.

پلت فرم به عنوان یک سرویس خدمات (PaaS)

به مصرف کننده این توانایی ارائه شده تا بر روی زیرساخت ابری ایجاد شده برای مصرف کننده قرار گیرد یا از برنامه های کاربردی موردنیاز ایجاد شده با استفاده از زبان های برنامه نویسی، کتابخانه ها، خدمات و ابزار پشتیبانی شده توسط ارائه دهنده استفاده نماید.

زیرساخت به عنوان یک سرویس خدمات (IaaS)

به مصرف کننده این توانایی ارائه شده تا اقدامات لازم جهت پردازش، ذخیره سازی، شبکه ها و سایر منابع محاسباتی اساسی که مصرف کننده را قادر به استقرار و اجرای نرم افزار دلخواه می نماید را تدارک ببیند و دربردارنده سیستم عامل و برنامه های کاربردی می باشد.

مدل های استقرار: ابر خصوصی.

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

ابر اجتماعی.

زیرساخت های ابری برای استفاده انحصاری توسط جامعه مصرف کنندگان خاص سازمان هایی تدارک شده که دارای نگرانی های مشترکی می باشند (به عنوان مثال رسالت، الزامات امنیتی، سیاست و پذیرش ملاحظات). می تواند متعلق به یک یا تعداد بیشتر سازمان در یک اجتماع، شخص ثالث یا ترکیبی از آنها باشد و توسط آنها اداره و اجرا شود و دارای قضیه های اثبات شده نامنظمی باشد .

ابر عمومی.

زیرساخت های ابری برای استفاده آشکار توسط عموم افراد تدارک دیده شده است. می تواند متعلق به یک کسب و کار، سازمان دانشگاهی یا دولتی یا ترکیبی از آنها باشد و توسط آنها اداره و اجرا شود. از سوی ارائه دهنده ابری دارای قضیه های اثبات شده می باشد . 

ابر ترکیبی.

زیرساخت های ابری، ترکیبی از دو یا تعداد بیشتر زیرساخت ابری (خصوصی، اجتماعی یا عمومی) می باشند که منحصر به فرد بوده، اما در کنار هم توسط فن آوری استاندارد شده یا اختصاصی محدود شده و داده ها و نرم افزار قابل حمل را در اختیار کاربر قرار می دهند(به عنوان مثال، ترکیدن ابر برای متعادل کردن بار بین ابرها)»

مشخصه های اساسی تعریف ابر، علی الخصوص مشخصه هایی که برای کاربران CAD مهم می باشد، به شرح ذیل است: سلف سرویس درخواستی(On-demand self-service) بطوریکه می توان به خدمات ارائه شده مورد نیاز دسترسی یافت، جمع کردن منابع(Resource pooling) به طوریکه می توان از اقتصاد عرضه شده توسط به اشتراک گذاری منابع فیزیکی یا مجازی استفاده نمود و انعطاف پذیری سریع (Rapid elasticity) به طوری که می توان به سرعت خدمات ارائه شده مورد نیاز را مقیاس نمود.

علاوه بر این، در یک سازمان می توان از ابر خصوصی برای رفع نیازهایش استفاده نمود، در حالی که ارائه دهنده خدمات می تواند از ابر عمومی به منظور خدمت رسانی به سازمان های مختلف یا کاربران فردی استفاده نمود.

3. ابر مبتنی بر CAD

همانطور که قبلاً اشاره شد، مشکل اصلی استفاده از ابر برای برنامه های کاربردی CAD در تعامل بدون دردسر با کاربر می باشد. برای حل این مشکل سه عامل اصلی وجود دارد. نخست، سرعت اتصال (پهنای باند)، تین کلاینت های(thin-clients) ویژه (مرورگرهای سنتی کافی نیستند) و سوم زیرساخت های ویژه سرور.

با توجه به نکته نخست، زمانی که سرعت اینترنت موجود (ADSL، VDSL) با تکنیک های جدید و توپولوژی های تاکنون ظهور یافته ترکیب شده باشد، کافی می باشد.

وجود سیستم های مجازی سازی کاربردی در راه حل، مسئله مهمی می باشند. اصل مقدماتی این سیستم ها ساده و حاوی موارد زیر است: برنامه کاربردی به طور کامل در سرور اجرا می شود.کاربر از نرم افزار تین کلایتن (thin-client) تنها به عنوان ورودی (صفحه کلید، ماوس یا سایر دستگاه های ورودی) و خروجی (مانیتور و غیره) داده استفاده می نماید. همه محاسبات و مدیریت داده ها جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

مزیت اصلی این فن آوری این واقعیت است که کلاینت تین را می توان در سیستم های عامل و دستگاه های مختلف اجرا نمود. تا زمانی که سرور با الزامات برنامه CAD سازگار باشد، می توان آن را در محیط ویندوز کامپیوتر شخصی، OS مک، لینوکس یا حتی سایر کامپیوتر های شخصی قدیمی گرفته تا نوت بوک ها، تبلت ها یا تلفن های همراه اجرا نمود.

 اجرای سیستم مبتنی بر مجازی سازی کاربردی را می توان در سازمانی بکار برد که آن را برای استفاده داخلی بکار خواهد برد (ابر خصوصی) یا توسط ارائه دهنده ای اعمال خواهد شد که این خدمات (نرم افزار ارائه شده) را به اشخاص ثالث (ابر های عمومی) اجاره خواهد داد.

البته یک معماری پیشنهادی نه تنها باید عاملیت بلکه باید هزینه را نیز در نظر بگیرد.

4. معماری پیشنهادی برای سیستم طراحی مشارکتی

معماری پیشنهادی شامل سرورهای زیر می باشد:

سرور وب

در این سرور یک پورتال سیستم تنظیم شده است. نقطه آغاز ورود به سیستم می باشد و همچنین می توان بر روی آن کارهای اضافی و خدماتی انجام داد. بنابراین، حاوی تعدادی سیستم فرعی می باشد که در آن کاربران منوط به حقوق شان به آنها دسترسی دارند.

سرورهای کاربردی

در سرور های کاربردی برنامه های کاربردی CAD/CAM/CAE تنظیم شده اند. این سرورها بطور فیزیکی این برنامه ها را اجرا خواهند نمود. هر برنامه در حال اجرا یک جلسه (session) را تشکیل می دهد. نرم افزار کاربردی مجازی ویژه، در حین انتقال داده خروجی به مشتری (مانیتور- نتیجه چاپ و غیره) و دریافت اطلاعات توسط ورودی (موس-کیبور و غیره)، برنامه کاربردی را اجرا می نمایند.

سرورهای هماهنگ کننده

 این سرورها درخواست کاربر برای اجرای برنامه را در مناسب ترین سرور برنامه مسیر یابی می نمایند. آنها به طور مداوم تمام سرورهای کاربردی موجود را با توجه به جلسات باز نظارت می نمایند و یکی از آنها را با حداقل بار انتخاب می کنند. سپس دستور اجرای برنامه را داده و مجدداً کاربر را به سوی سرور برنامه کاربردی هدایت می نمایند.

سرورهای ذخیره سازی/ پایگاه داده

این سرورهای خاص دارای ظرفیت ذخیره سازی بالا و انتقال داده سریع و امنیت بالا (RAID 10) می باشند. از آنها برای ذخیره اطلاعات کاربر (فایل های طراحی) استفاده می شود و همچنین میزبان پایگاه دادهی می باشند که برای اجرای سیستم لازم می باشد.

سرورهای GPU

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید..

سرورهای محاسبه / ماژول های خارجی

این سرورهای خاص در مورد محاسبات ریاضی دارای سخت افزاری با استاندارد بالا می باشد که محاسبات پیچیده ریاضی را انجام می دهد (عمدتاً در مورد برنامه های کاربردیCAE). همچنین این سرورها می توانند ماژول های اضافی و خارجی برنامه های کاربردی را به منظور کمک به سرورهای کاربردی اجرا نمایند.

همه سرورهای ذکر شده در بالا می توانند یک دستگاه فیزیکی یا VPS (سرور های خصوصی مجازی) باشند و می توانند در یک یا چند مرکز داده وجود داشته باشد. توپولوژی این معماری در شکل 1 نشان داده شده است.

توالی مقدماتی فرآیندهای سیستم به شرح زیر می باشد:

• کاربر از طریق تین کلاینت به سرور وب متصل می شود.


• کاربر اطلاعات را وارد سیستم می کند.


• کاربر برنامه ای را که می خواهد(CAD) اجرا کند را انتخاب می کند.


• آدرس سرور وب را به یک سرور هماهنگ کننده می دهد.


• سرور هماهنگ کننده، سرور برنامه کاربردی ای را انتخاب خواهد کرد که برنامه در آن اجرا خواهد شد و به سرور وب گزارش می دهد.


• سرور وب کاربر را مجدد به سرور برنامه کاربردی هدایت می کند.


• سرور برنامه کاربردی یک زمان اجرای باز می کند و برنامه را اجرا می نماید.


• کاربر با برنامه کاربردی تعامل برقرار می نماید.

5. مزایا - ویژگی های سیستم پیشنهادی

چالش هایی که یک صنعت با آن مواجه است، در مقدمه ذکر شده است. از این چالش ها به عنوان یک معیار استفاده می شود، مزایا و ویژگی های سیستم پیشنهادی به شرح زیر توصیف می گردد:

اتصال اینترنت

سرور وب

LAN

سرور هماهنگ کننده

ویندوز در کامپیوتر شخصی

سرورهای کاربردی

مک و لینوکس در کامپیوتر شخصی

ارتباط از راه دور

سرورهای محاسب- ماژول ها

سرورهای GPU

سرورهای ذخیره سازی- پایگاه داده

دستگاه های تلفن همراه

CAM           

شکل1. معماری پیشنهادی.

• دسترس پذیری برنامه کاربردی

تعداد مجوزهای خریداری شده توسط این بخش به حداکثر تعداد کاربران همزمان بستگی دارد، نه تعداد کل کاربران. این امر به معنی هزینه های کمتر می باشد.

• ارتقاء مکرر نرم افزار

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

• الزامات ایستگاه های کاری قدرتمند

دیگر نیازی نیست که ایستگاه های کاری قدرتمند باشد، زیرا نقش آنها به بررسی داده های ورودی-خروجی محدود شده است.

• راه حل های سفارشی – کتابخانه ها

یک سیستم متمرکز را می توان برای اجرای به نحو احسنت خیلی آسان تر پیکربندی نمود (به عنوان مثال، کتابخانه ها به طور مستقیم در دسترس توسط تمام کاربران قرار دارند، در حالی که برنامه های کاربردی سفارشی اضافی سابقاً نصب شده اند).

• طراحی مشارکتی

نکته واقعاً قوی معماری پیشنهادی در پتانسیل آن می باشد که از نظر طراحی مشارکتی ارائه می شود. بنابراین، مدیر پروژه می تواند تعریف کند که کدام کاربر می تواند به بخش های خاصی از پروژه دسترسی داشته باشد، مجوز های (فقط خواندنی، اجازه ایجاد تغییرات و غیره) طراحی هر کاربر یا گروه کاربران را تعیین نماید، شرکای خارجی را دعوت کند و با توانایی اضافه کردن نظرات به مشتری نهایی اجازه مشاهده طرح های انتخابی را بدهد. علاوه بر این، وی می تواند در مورد ایجاد تغییرات در طرح ها هشدار دهد، به طوری که تمام افراد درگیر می توانند به سرعت از آنها آگاه شوند.

• سیاست پشتیبان گیری/ بازیابی داده های بحرانی

واقعیت تمرکز بر تمام فایل های این بخش در یک مرکز داده تخصصی، صرفاً تضمینی بر ایمنی در زمان بحران می باشد. علاوه بر این، یک روش بسیار ساده تر برای پشتیبان گیری این است که  از فایل ها در یک مرکز دیگر پشتیبان گیری شود

• پویایی

پاسخ قطعی به این چالش در توانایی معماری پیشنهادی برای اجرا بر روی هر پلت فرم می باشد.

• امنیت

«عملاً» در یک مرکز داده، امنیت در برابر حملات خارجی، بالاتر می باشد. معماری پیشنهادی بطور اضافی امنیت بیشتری به کاربران سیستم ارائه می دهد. مزیت اصلی اش این است که می تواند توانایی نسخه برداری از فایل ها در ایستگاه های کاری را رد نماید.

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.