전산유체해석및설계를위한 웹기반워크플로우환경 김서영강혜정윤경아허신영정소이김윤희 1) 김종암 0 숙명여자대학교컴퓨터과학과, 서울대학교기계항공공학부 0 {sssyyy77, hjkang, yoonka, hurcy, yd95068, yulan}@sookmyung.ac.kr, chongam@snu.ac.kr A Web-based Workflow Environment for CFD Analysis and Design Seoyoung Kim, Hyejeong Kang, Kyoung-a Yoon, Cinyoung Hur, Soyi Jeong, Yoonhee Kim, Chongam Kim 0 Dept. of Computer Science, Sookmyung Women's University Mechanical and Aerospace Engineering, Seoul National University 0 요약컴퓨터인프라의빠른발전과전산기법의발달에도불구하고, 개개인의과학응용연구자측면에서는여전히비효율적이고, 특정분야의연구만수행할수있는제한성때문에유연한연구환경에대한요구가높아지고있 e-science 기반의연구환경을공동으로활용하기위해서는다분야간연구활용도를고려한맞춤형연구환경을구성하는기술이필요하 본논문에서는여러연구를수행할수있다는 e-science 연구환경의궁극적목표에부합하는유연한통합연구환경을제시한 특히여러과학응용연구분야중에서도계산반복적이고개발과정중에비용및시간소비가큰항공우주분야를대상으로하여확장된맞춤형전역연구환경을제안한 이는연구자들이추가적지식없이쉽고다양한연구활동을가능하게하며, 실험규모확장에따른한계를개선할수있 또한워크플로우기반의설계환경을제안하여다단계비행체설계환경을포털에확장함으로써더욱정확하고생산성을높이는환경을지원한 이같이제안된환경은각연구자의실험과설계의정확도를높여기존환경의한계를극복하며전문성을높이도록도와준 1. 서론항공우주분야에서는전산유체역학 ( Compu tational Fluid Dynamics: CFD)[ 1] 을통하여효율적이고안정적인비행체형상을개발하기위한시도가활발하게이루어지고있 유체유동문제해석을이용한비행체설계연구는복잡한계산을반복적으로실행하고분석하므로대용량의컴퓨팅자원과함께거대한실험환경을필요로하게된 이러한요구에맞게수치해석시뮬레이션을수행하고원격실험환경을지원해주는포털서비스인 e-airs ( e-s cienc e Aerosp ace Integrated R esearc h System) 시스템이 2005년부터개발되어왔다 [2]. 1) 교신저자 (Corresponding Author): 김윤희 * 이논문은 2009년도정부 ( 교육과학기술부 ) 의재원으로한국연구재단의지원을받아수행된연구임 (No.2009-0084669). 이시스템은 CFD 및풍동실험을이용해서비행체공력해석및설계, 원격실험모니터링등의연구환경을제공한 하지만이서비스는간단한형상에대한수치해석만을수행하고응용자체가비교적간단하여, 심화연구중심인연구용으로사용되기보다는교육용으로사용하기에적합하 즉, 실제비행체개발을하는연구자들입장에서는기능이제한적이고연구에활용하는데에한계를갖는 따라서본논문에서는더욱복잡해진형상에대한수치해석및설계를지원하기위해현재존재하는포털서비스들의한계를개선하고워크플로우중심의프레임워크를적용한포털시스템을구축하였 이를통하여비행체공력설계연구분야에서설계의정확도를높이기위한다단계설계기법과같은심화연구를가능하게하였 또한워크플로우단 -547-
위의 실험 설계를 통해 재사용성과 규모 확장성이 보장된 풍부한 실험 서비스를 웹을 기반으로 구축하 였 본 논문의 2장에서는 관련 연구를 소개하고 3장에 서는 워크플로우 지원 시스템에서 비행체 설계에 워 크플로우가 어떻게 적용 되는지, 또 이를 위한 데이 터 관리와 실행을 위한 지원 방법에 대해서 살펴보 도록 하겠 그리고 4장 에서는 확장된 웹 기반 통 합 실험 환경에서 워크플로우 시스템이 어떻게 유체 해석 서비스와 실험 설계 서비스를 수행 하고 있는 지에 대하여 설명하고 마지막으로 5장에서는 결론 및 향후 과제에 대해서 정리 하였 2. 관련 연구 워크플로우 중심으로 작업을 구성하고 관리하는 것은 연구 규모의 확장과 각 작업의 모니터링을 용 이하게 하므로 이에 연관된 연구가 다수 존재한 특히 워크플로우 관리도구와 워크플로우가 적용된 통합 시스템에 대한 연구가 다양하게 시도되었 워크플로우 관리 도구는 서비스의 재사용과 공유를 통해 연구자들이 서로 협업할 수 있는 이점을 기반 으로, MyGrid 프로젝트의 Taverna[3] 를 비롯하여 Kepler[4], BioWMS[5] 등의 다양한 도구들이 오픈 소스로 개발되어 사용되고 있 이러한 워크플로우 관리 도구는 공간적으로 떨어진 서로 다른 서비스들 을 웹 서비스 기술을 기반으로 하여 하나의 작업 공 간에서 연구 과정을 모델링하고 자동화 할 수 있도 록 도와준 또한 과학 응용 분야에서 사용되는 많은 도구와 데 이터베이스들이 웹 서비스 형태로 제공되어 워크플 로우 관리 도구에서 사용되고 있 다수의 전산 과 학 응용 분야 연구 중 생물정보학 또는 분자 생물학 과 같은 분야에서는 기본적으로 사용되는 웹 서비스 의 개발과 안정적인 서비스 제공이 필수적이라 할 수 있 워크플로우를 중심으로 관리하는 통합 연구로는 대 표적으로 Condor 프로젝트의 DAG M an[ 6] 이 있 DAGMan 은 분산 컴퓨팅 환경에서 효율적인 워크플 로우의 관리 기능을 제공하기 위해 워크플로우에 의존적인 자원들을 스케쥴링 하는 기능을 제공한 하지만 작업들을 재사용하기 위한 기능을 제공하지 않는 여기서 비롯된 Pegasus 프로젝트의 DAX 는 각 워크플로우를 재사용, 재구성이 가능하게 하도록 DAG(Directed Acyclic Graph) 를 XML 스키마로 표 현한 연구이 본 연구에서는 DAX 를 사용하여 워 크플로우를 구성하는 여러 작업들 간의 관계 및 모 니터링을 명세 하는 데에 이용한 3. 워크플로우지원시스템워크플로우는단일작업이아닌여러프로세스들로복잡하게구성되거나반복적으로수행되는작업들을하나의흐름으로기술한것이 이러한워크플로우로분산된환경에서명세하고, 실행, 모니터링하도록구성되어있는것이워크플로우시스템이 워크플로우를사용함으로써특정목표에도달하기위한작업프로세스의전체혹은일부를이미정의된규칙을통하여자동화시킬수있 3.1 워크플로우기반비행체설계복잡한비행체에대한유체해석및설계를위해서는여러단계의계산수행및확인과정을거쳐야한 그림 1과같이최적화조건만을고려한설계의수행은적어도 2 단계의과정이요구된 [ 그림 1] 2-단계비행체최적설계기법또한, 이설계과정에서는첫번째단계의성공여부에따라두번째단계인국소최적설계가수행되는의존성 (dependency) 이발생되는특성을갖는 따라서연구자입장에서사용이편리하고습득이쉬운인터페이스제공이필요하 비행체설계를위한유체해석은일반적으로대용량의입력파일을사용하여여러단계에걸친계산이수행되고각단계마다막대한양의출력파일이발생된 가령한번의설계를위해서는한입력파일당 3 ~4 GBytes 의크기를갖으며이를이용해 6단계의해석단계를거치고, 각단계마다 4 G Byte 이상의크기를갖는파일을출력한 이전체과정을수행하는데에는약 3~4일정도의오랜시간이소요된 따라서이같은시나리오의작성과수정및재사용을위해서는워크플로우환경의제공이필수적이 -548-
본 논문에서는 유체 해석 연구를 위한 워크플로우 중심 설계 시스템을 보여, 향후 2 단계 설계 기법 적용을 목표로 하였 3.2 워크플로우데이터관리 워크플로우를 기반으로 한 설계 환경에서 실험과 연산의 반복적인 수행이 원할 하기 위해 시뮬레이션 -워크플로우 -케이스(case) 구조를 제안하였 본 논문에서 대상으로 한 비행체 설계를 위해서는 입력 파일에 대한 최적화 계산 과정을 거친 후 해석자로 계산을 수행하고 이에 따른 결과물을 이용하여 시뮬 레이션을 한 이 설계의 전체 과정을 하나의 시뮬 레이션이라고 한다면, 설계 수행을 위한 각 단계들 의 조합은 워크플로우 단위로 관리 되도록 하였 이는 사용자가 하나의 시뮬레이션 내에서 워크플로 우를 자유롭게 편집 및 구성을 가능하도록 하기 때 문에 실험의 재사용, 재구성이 가능하 더불어 사 용자는 재구성된 워크플로우를 저장하는 것이 가능 하여 결과를 비교 및 분석하는 데에 더욱 효율적이 수행을사용자가쉽게접근할수있도록하는서비스로서추가적인지식이나소프트웨어의설치없이도쉽게사용할수있도록제공한 이를위해미들웨어로는 G lobu s T oolkit2 와 Globus Toolkit4 를업그레이드한 Globus Toolkit5 를기반으로하여더욱안정적인실험이지원되도록하였다 [8]. 이로써 GT2 에서잦은인터페이스오류와보안적인측면및기능개선이지원되어웹상에서더욱안정적인연구환경을보였 3.3 워크플로우실행을위한지원워크플로우를비행체설계환경에적용하기위해서각단계별의존성과입력, 출력정보가명세된 DAX[7] 로표현하였 이는 DAG(Direct Acyclic Graph) 의형태로연결되어있어작업을정의하고자동화된컨트롤흐름을갖도록한 DAX 를이용한구조에서의장점은의존성표현이가능하여실험의재구성을용이하게해준다는것이 사용자가기존의구성한실험들을바탕으로새로운환경을재구성을할때각의존성만상세해준다면, 이는하나의큰워크플로우로구성할때손쉬운실험구성이가능하 유연한워크플로우실행을위해편집기능이작은단위로가능하게하였 일반적으로응용연구자들은자신만의워크플로우를가지고있으며그것의전체또는일부를컴퓨터로처리하거나, 각단계마다일정한규칙에의해서혹은연구자들의직접적인판단을통해워크플로우의방향이결정되곤한 따라서워크플로우흐름중사용자의개입이요구된다는응용의특성을고려하여, 실험전체를자동화하는것이아닌일정한단위의워크플로우들을통합하도록손쉽게표현되어설계의확장성과용이성을높였 4. 웹기반통합실험환경포털은항공우주응용분야의문제설정과작업 [ 그림 2] 워크플로우가추가된포털구조도 4.1 워크플로우기반유체해석서비스 CFD ( Compu tational Flu id Dynamic s) 는 특정 방정식에 수치 해석 기법을 적용하여 유체의 동적인 움직임에 대한 문제를 컴퓨터를 이용하여 풀고 해석 하는 것을 의미한 전산 유체 역학은 실제 시험 기법에 비하여 다양한 형상의 해석이 가능하고 해석 시간을 절약 할 수 있으며 결과에 대한 예측 값 도 출이 가능 하다는 면에서 비교적 이점을 가지고 있 하지만 현실적이고 복잡한 물리적 현상에 대한 해를 구하기 위해서는 고성능 계산 자원을 필요로 하므로, 대규모 자원을 활용하여 그 결과를 편리하 면서도 효율적으로 확인할 수 있는 시스템이 요구된 유체 해석 시스템은 크게 전처리 (Pre-Process), 시 뮬레이션 처리 (Simulation Process), 후처리 (Post - Process) 의 세 단계로 이루어진 2 단계 설계 기 법을 향후 적용하기 위해 더욱 정밀한 실험 수행이 가능하도록 해석 서비스 기능을 전처리 과정에 추가 하였 기존 과학 응용 포털 시스템에서 전 처리에 -549-
해당하는과정은간단한계산을지원하여수행에필요한작은용량의입력파일을생성하거나, 연구자각자가이미생성해놓은입력파일을업로드하는방식이었 즉유체해석시스템에적용하였을때사용자가해석하고자하는대상과관련한간단한격자계 (Mesh) 를직접모델링하거나격자파일을업로드하는것까지의과정을의미하였 그러나이논문에서는심화된설계연구를하는사용자를위한시스템을제안하고있으므로대용량의복잡한형상처리와입력파일에대한처리가가능하도록하나의큰단계로제공함으로심화연구를위한확장된환경을제공하였 사용자가미리구성된격자계업로드를통하여격자파일이적절한격자계인지확인, 분석하는해석단계가전처리에확장되어구성되었고이는그림 3 에서볼수있 이격자계를확인하고분석하는과정에서계산처리를함으로써최적화과정을거치게되는데, 이과정은각각선택적이고반복적으로수행하는것이가능하도록사용자의사용과관리의편의를고려해워크플로우를지원하였 이렇게최적화분석에서워크플로우를제공함은분석에서의시간소비를줄일수있고, 미리해석단계를선택할수있도록하여단계별반복적인수행이편리하고자동성의제공으로해석과정의효율성을높이기위함이 워크플로우의 연결에 관한 정보가 명세된 JSON (Java Script Object Notation)[14] 파일 포맷으로 저 장되며, 이것은 다시 워크플로우를 실행하고 관리하 는 단위가 되는 DAX 파일 포맷으로 변환되는데, 이 파일 포맷 변환에 관한 개발은 현재 진행 중에 있 또한 기존의 순차적 방식으로 설계된 작업들도 저장이 된 후에 워크플로우 명세 스키마인 DAX 로 변환하여 관리해줌으로써 유연하게 작업을 관리할 수 있도록 하였 워크플로우 서비스는 위의 편집 서비스뿐만 아니 라, 워크플로우의 형태를 이용하여 실행중인 실험의 진행 정도를 표시해 주고 사용자의 개입이 필요한 모듈이 실행 중일 때, 사용자가 적절히 개입할 수 있도록 해주는 모니터링 서비스를 제공 하며, 이러 한 가시적 표현은 사용자가 보다 투명한 환경에서 실험 할 수 있도록 해준 하지만 모든 실험이 실 행 중에 모니터링 되는 것은 아니며, 실험들이 모니 터링 되고 있지 않은 중에도 실행 될 수 있게 하였 이것은 실험 시간이 3~4시간에서 4~5일까지의 긴 수행 시간을 갖는 실험들에 대해서 가시적이고 투명한 모니터링 서비스를 사용자에게 제공하기 위 함이 그림 4는 워크플로우 편집, 모니터링 환경을 포함 하는 포털을 보여준 4.2 워크플로우기반실험설계서비스 본 논문의 3절에서 포털 시스템이 2 단계로 구성 된 실험 서비스의 반복적이고 사용자의 개입을 필요 로 하는 특징에 적합한 워크플로우 모델을 제공한다 고 언급하였 이를 위해 포털 시스템에서는 웹 기반의 워크플로 우 개발 도구 중에서도 자바스크립트를 기반으로 하 여 동적인 웹페이지 작성에 유용한 Wire-It[13] 으로 포털 시스템에 특화된 워크플로우 편집환경을 개발 하였으며, 이는 사용자가 특별한 소프트웨어를 설치 하거나 따로 복잡한 기능을 익히지 않고 워크플로우 의 기본적인 사용법과 실험 설계의 흐름을 아는 것 만으로도 쉽게 워크플로우를 작성할 수 있도록 하였 워크플로우 편집 모듈은 격자 사용방식 선택, 시뮬 레이션 이름 정의, 격자 선택, 격자 최적화 옵션 선 택, 솔버 선택, 유동 변수 입력 등 포털 시스템의 메 뉴 구성에 따라 정의되어 있으며, 각각의 모듈 속성 값을 편집하여 사용자가 원하는 실험 모델을 설계할 수 있 일단 워크플로우 편집기를 이용하여 설계된 실험은 [ 그림 4] 워크플로우편집및모니터링환경 5. 결론및향후과제본논문은비행체의간단한수치해석만을수행하던단일환경과다르게해석및설계서비스를제공하는웹기반의워크플로우시스템을제안하였 이는심화된설계연구를하는사용자에게여러단계의설계과정을자유롭게편집및구성할수있게하여사용자제어중심의설계가이루어지도록하였 이로써실험의재사용성이보장되므로실험 -550-
의실패로인한시간과계산자원의낭비를줄이고, 연구의확장성및생산성을높였 또한이시스템에서특화된워크플로우편집환경을통하여사용자에게다루기쉬운맞춤형환경을제공하고가시적인모니터링기능이제공되므로이또한연구생산성을높이는데에크게기인할것으로보인 그와더불어유체해석을이용하는유사형태의연구분야인화학공학, 영상처리분야의학문과복잡한계산의기반이필수인생명과학, 분자생물학등에까지다양하게적용하기가쉬워통합연구환경구성이용이할것으로보인 이로서본연구를통해얻게될 3차원비행체형상의고정및해석시스템의확장구축으로더욱신뢰성있는결과를얻을수있다우리는향후워크플로우단위의관리에서사용되는 DAX 파일과사용자의인터페이스의연결을위한 JSON 파일포맷의변환에대한연구를완성지어유연한환경이제공되도록할것이 더불어현재항공우주포털의기반으로그리드인프라만을지원하고있지만, 머지않아본연구팀에서진행하고있는 Science Cloud 인프라를동시에지원하여하이브리드인프라서비스를추가로제공할계획이 이것이현실화되면자원사용에낭비를줄일수있고, 실험환경에대해이미지화 (Appliance) 를시킬수있다는장점이더해져시간과자원낭비를최소화하는실험환경을제공해줄것으로보인 Sc ientific P rogramming Jou rnal 13 ( 3) 20 05 p p. 219 237 [8] GlobusToolkit 2.0, GT4.0, GT5.0 - http : / / www. globu s. org [9] 조정현, 허신영, 김윤희, 김종암, 조금원, e-sc ience 기반 사이버 교육을 위한 유체 해석 연 구 시스템, KNOM Review, Vol. 12, No. 1, June. 2009, pp. 42-50 [10] 심규호, 황선태, 정갑주, 방형우, 응용 그리드를 위한 워크플로우 시스템 설계, International Olympiad in Infomatics, 2004, pp.388 [ 11] http://eairs.kisti.re.kr/eairs/index.htm [12]Ext Js h ttp:/ /www. ex tjs.c om [13]WireIt API h ttp : / / j avasc rip t. neyric. c om/ wireit/ [14]JSON- http://www.j son. org 참고문헌 [1] CFD -www. cfd-online.c om [2] 조정현, 김병상, 송은혜, 김윤희, 김종암, 정민중. e-airs : 협업및동적파라메터실험을위한항공우주포탈, 한국정보과학회가을학술발표논문집 Vol.33, No.2(A), 2006. pp.552-556. [3]http ://www. taverna.org.u k [4]http://kepler-project.org [5]http : / / www. biomedc entral. c om/1471-2105/ 8/1/S2 [ 6] Condor team, DAG M an : A Directed Ac yc lic Graph Manager, July 2005. http://www.c s. wisc. edu / c ondor/ dagman/ [7] E. Deelman, G.Singh, M-H. Su, J. Blythe, Y. Gil, C. Kesselman, G. Mehta, K. Vahi, G.B. Berriman, J. Good, A. Laity, J.C. Jacob and D. Katz, P egasu s: A framework for mapp ing complex sc ientific workflows onto distribu ted systems, -551-