Студенческая лаборатория в поисках современных решений

Самой «молодой» лабораторией кафедры математического обеспечения и применения ЭВМ (МО ЭВМ) СПбГЭТУ «ЛЭТИ» является лаборатория операционных систем (OS Laboratory at LETI University). Она была создана всего лишь год назад – в июне 2019 года, и совсем скоро собирается отпраздновать свой первый «день рождения».

Целью работы лаборатории является переосмысление традиционных принципов построения операционных систем. Его необходимость возникла в связи с радикальными изменениями, произошедшими в прикладном программном обеспечении за последние 10 лет: персонификацией приложений и сервисов, активным применением решений на базе искусственного интеллекта, распространением интеллектуальных устройств. Большинство современных операционных систем разработано на принципах, появившихся более 30 лет назад, и просто не способно ответить на возникающие вызовы. Мало кто в Петербурге, да и вообще в России, занимается именно этой областью системно. Несмотря на то, что есть сильные конкуренты в лице ведущих западных вузов, у кафедры МО ЭВМ и ЛЭТИ есть хороший задел и шансы сказать свое слово в этой области.

Особенность лаборатории состоит в том, что она – студенческая. Научные исследования и развитие проектов осуществляются мотивированными студентами, свободными в своем творческом полете. Руководитель лишь направляет работу и оказывает помощь в случае возникновения сложностей.

Основателем и руководителем лаборатории является заведующий кафедрой МО ЭВМ, кандидат технических наук Кирилл Владимирович Кринкин. Основное участие в жизни лаборатории принимают студенты 1 курса магистратуры, обучающиеся по направлению «Программная инженерия» – технический лидер лаборатории Валерия Допира и программист Ольга Кочнева. Задачами программирования и исследования современных операционных систем занимаются также студенты 3 курса ФКТИ, обучающиеся по направлениям «Программная инженерия» и «Информатика и вычислительная техника», Сергей Петров и Максим Копылов.

«Специфика выполняемых задач лаборатории не требует больших затрат на оборудование: в большинстве случаев работы выполняются в комфортном для исследователей темпе с помощью ноутбука или домашнего ПК. Однако при возникающей необходимости в большой вычислительной мощности лаборатории предоставляются серверы и компьютеры, которые можно использовать в рамках работы».

Разработка новых операционных систем и исследование уже существующих – это сложный и объемный труд, требующий большого количества времени и затраченных усилий. Поэтому на данный момент лаборатория реализовала только один проект – apagescan – специальный инструмент, который позволяет визуализировать процессы, происходящие в памяти мобильных устройств на базе операционных систем Android на самом низком уровне. Он дает пользователю возможность считывать данные для каждой страницы памяти выбранного процесса и отображать полученную информацию в графическом виде. Его преимуществами также являются простой и понятный интерфейс, возможность исследования как оперативной памяти устройства, так и ZRAM. Приложение имеет открытый исходный код, доступный на сайте лаборатории.

В апреле этого года Валерия Допира, как представитель лаборатории ОС, выступила на 26-ой международной конференции Ассоциации открытых инноваций FRUCT (26th IEEE Conference of Open Innovations Association FRUCT), на которой рассказала о ключевых отличиях мобильных операционных систем от предназначенных для персонального компьютера, а также представила приложение apagescan.

«Основные принципы современных операционных систем были заложены довольно давно, и любая операционная система, с которой, так или иначе, сталкивается пользователь сегодня, используя компьютер, планшет, телефон, телевизор или, даже, точку доступа, тянет за собой этот исторический балласт, ядром которого является понятие процесса. Приложения будущего будут опираться на совсем иные архитектурные принципы, ядром которых будет искусственный интеллект и совершенно другие модели человеко-машинного взаимодействия. В связи с этим, и операционные системы должны пережить метаморфозу: в основе их модели теперь будет не процесс, а данные, а место обработки и интерпретации этих данных больше не будет иметь значения».

Сейчас в лаборатории продолжается активная исследовательская работа. К публикации готовится исследование, посвященное полномасштабному сравнению современных операционных систем, а также тех решений и находок, которые были сделаны в последние 5-7 лет. Эта работа будет крайне интересна для анализа последних тенденций в сфере ОС и уникальна подбором материала – трудов, которые охватывали бы такой широкий спектр, в настоящее время довольно мало. Параллельно с этим в лаборатории ведется работа над новым программным проектом, о котором совсем скоро студенты будут готовы объявить.

Команда лаборатории ОС осуществляет и учебную деятельность. Кирилл Владимирович Кринкин читает лекции на базе СПбГЭТУ «ЛЭТИ», на факультете математики и компьютерных наук Санкт-Петербургского государственного университета, и Computer Science Center. Многие лекции по операционным системам находятся в открытом доступе на сайте просветительского проекта «Лекториум».

К.В. Кринкин, Валерия Допира и Ольга Кочнева проводят занятия у партнеров лаборатории – Computer Science Center, а также в СПбГУ на направлениях «Современное программирование» и «Математика, алгоритмы и анализ данных», при поддержке JetBrains Research В рамках преподаваемого курса студенты осваивают историю, архитектуру, принципы организации и этапы развития современных операционных систем. Особое внимание уделяется механизмам планирования исполнения процессов и потоков, организации памяти, средствам межпроцессного взаимодействия.

«Мы считаем, что именно программирование компонент операционных систем позволяет лучше разобраться и усвоить полученные теоретические знания, поэтому практические задания – ключевая часть нашего курса. После того, как теоретическая база для лабораторных работ пройдена, мы рассказываем об особенностях написания кода для операционных систем, даем подсказки для успешного выполнения заданий и, конечно, каждый студент получает обратную связь. К окончанию курса студенты понимают и могут объяснить, как работают современные операционные системы, а также приобретают опыт программирования отдельных их компонентов».

«Открытие учебно-научной лаборатории операционных систем затрагивает интересы приоритетного R&D направления СПбГЭТУ «ЛЭТИ» «Искусственный интеллект».  Несмотря на то, что максимальное количество исследований в мире в этой области сейчас посвящено машинному обучению и нейронным сетям, мы видим, что решениям на базе ИИ все сложнее уживаться в устаревшей парадигме вычислений, исторически связанной с архитектурой Фон-Неймана и последовательным выполнением программ использующих аппаратные ресурсы в режиме разделения времени. Рано или поздно, устаревшая модель вычислений будет заметно расширена новой, опирающейся не на последовательные алгоритмы, а на вероятностные модели, что в свою очередь потребует новой архитектуры операционных систем».

Работа лаборатории происходит не только на кафедре МО ЭВМ в СПбГЭТУ «ЛЭТИ», но и на базе Open Source and Linux Lab (OSLL) – сообщества студентов, преподавателей и профессиональных разработчиков, которые совершенствуют свои умения в области разработки программного обеспечения, осваивают новые технологии,  а также увеличивают количество проектов с открытым исходным кодом в России.

---