بيئة افتراضية متكاملة عالية الأداء

بيئة الحوسبة الافتراضية المتكاملة عالية الأداء ( HIVE) هي بيئة حوسبة موزعة تُستخدم في تكنولوجيا المعلومات الصحية والأبحاث البيولوجية، بما في ذلك تحليل بيانات التسلسل الجيني من الجيل التالي (NGS)، والبيانات ما قبل السريرية والسريرية وبيانات ما بعد التسويق، والآثار الجانبية، وبيانات الميتاجينوم، وغيرها. ^{[ 1 ]} وتحظى HIVE حاليًا بدعم وتطوير مستمر من إدارة الغذاء والدواء الأمريكية (القطاع الحكومي)، وجامعة جورج واشنطن (القطاع الأكاديمي)، ومن DNA-HIVE وWHISE-Global وEmbleema (القطاع التجاري). وتعمل HIVE حاليًا بكامل طاقتها ضمن إدارة الغذاء والدواء الأمريكية، حيث تدعم مجموعة واسعة (أكثر من 60) من مشاريع الأبحاث التنظيمية ومراجعة الأنظمة، بالإضافة إلى دعم سجلات MDEpiNet للأجهزة الطبية لما بعد التسويق. وتُستخدم تطبيقات HIVE الأكاديمية في الأنشطة البحثية والمنشورات في تحليلات NGS، وأبحاث السرطان، وأبحاث الميكروبيوم، وفي البرامج التعليمية لطلاب جامعة جورج واشنطن. وتستخدم الشركات التجارية HIVE في مجالات الأورام، وعلم الأحياء الدقيقة، وتصنيع اللقاحات، وتحرير الجينات، وتكنولوجيا المعلومات الصحية، وتوحيد بيانات العالم الحقيقي، وفي الأبحاث ما قبل السريرية والدراسات السريرية.

هايف بيئة حوسبة موزعة متوازية للغاية ، حيث ترتبط مكتبة التخزين الموزعة ووحدة الحوسبة الموزعة بسلاسة. ^{[ 2 ]} يتميز النظام بالمتانة والمرونة بفضل احتفاظه بقاعدة بيانات التخزين وقاعدة البيانات الوصفية على نفس الشبكة. ^{[ 3 ]} تُعد طبقة التخزين الموزعة البرمجية المكون الرئيسي لإدارة الملفات والأرشيفات، وهي الركيزة الأساسية لخط أنابيب الإيداع. يتيح نظام إيداع البيانات الخلفي التحميل والتنزيل التلقائي لمجموعات البيانات الخارجية إلى مستودعات بيانات هايف. يمكن استخدام قاعدة بيانات البيانات الوصفية للاحتفاظ بمعلومات محددة حول الملفات الضخمة للغاية التي يتم إدخالها إلى النظام (البيانات الضخمة)، بالإضافة إلى البيانات الوصفية المتعلقة بالعمليات الحسابية التي تُجرى على النظام. تُمكّن هذه البيانات الوصفية من استعراض تفاصيل خط أنابيب الحوسبة بسهولة في المستقبل للتحقق من صحة التجارب أو تكرارها. ولأن البيانات الوصفية مرتبطة بالعملية الحسابية، فإنها تخزن معلمات أي عملية حسابية في النظام، مما يُلغي الحاجة إلى حفظ السجلات يدويًا.

ما يُميّز HIVE عن قواعد البيانات الأخرى الموجهة للكائنات هو أنها تُطبّق مجموعة من واجهات برمجة التطبيقات الموحدة للبحث عن البيانات وعرضها ومعالجتها من جميع الأنواع. كما يُسهّل النظام نظامًا هرميًا عالي الأمان للتحكم في الوصول وتحديد الصلاحيات، مما يسمح بتحديد امتيازات الوصول إلى البيانات بدقة متناهية دون الحاجة إلى إنشاء قواعد متعددة في النظام الفرعي للأمان. يوفر نموذج الأمان، المصمم خصيصًا للبيانات الحساسة، وظائف تحكم وتدقيق شاملة بما يتوافق مع تصنيف HIVE كنظام FISMA متوسط. ^{[ 4 ]}

• استرجاع البيانات : يتميز نظام HIVE بقدرته على استرجاع البيانات من مصادر متنوعة، مثل التخزين المحلي، والتخزين السحابي، والتخزين عبر الشبكة، وأجهزة التسلسل، ومن مستودعات HTTP وFTP وSFTP. بالإضافة إلى ذلك، يُطبّق HIVE بروتوكولات المصافحة المتطورة مع منصات البيانات واسعة النطاق الحالية، مثل NIH/NCBI، لتنزيل كميات كبيرة من بيانات الجينوم المرجعية أو بيانات قراءة التسلسل نيابةً عن المستخدمين بطريقة سهلة ودقيقة.
• تخزين البيانات : تم تصميم نموذج بيانات HIVE ذي البنية الهرمية المعقدة خصيصًا لاستيعاب التسلسل الهرمي المعقد لأنواع البيانات العلمية، مما يوفر منصة لتوحيد البيانات وتحديد مصدرها ضمن إطار نماذج البيانات الموجهة للكائنات. وباستخدام محرك بيانات متكامل، تُسهم HIVE في تعزيز دقة الحسابات الطبية الحيوية، وتساعد على ضمان قابلية تكرارها وتنسيق عمليات الحوسبة الحيوية.
• الأمان : يستخدم نظام HIVE-honeycomb نظام تحكم أمني هرمي، مما يسمح بتحديد صلاحيات الوصول بدقة متناهية دون إثقال النظام الفرعي الأمني ​​بقواعد متعددة. يوفر النظام تشفيرًا/فك تشفير فوريًا للمعلومات الشخصية الحساسة، ويتوافق مع أعلى بروتوكولات الأمان المطلوبة للأنظمة المصرح لها بالعمل في بيئات تنظيمية متوسطة المستوى وفقًا لقانون إدارة أمن المعلومات الفيدرالية (FISMA).

• التكامل : يوفر HIVE واجهة برمجة تطبيقات موحدة (API) للبحث عن البيانات والحسابات من جميع الأنواع وتحريرها وعرضها وتأمينها ومشاركتها ومعالجتها. وبصفته منصة تكامل، يوفر HIVE للمطورين وسائل لتطوير (C/C++، Python، Perl، JavaScript، R) ودمج أي أدوات مفتوحة المصدر أو تجارية تقريبًا باستخدام إطار عمل تكيفي عام لدمج أدوات سطر الأوامر. بالإضافة إلى ذلك، توفر واجهة برمجة تطبيقات الويب التي يتم التحكم فيها بالجلسة وسائل لتوجيه HIVE لإجراء مراقبة جودة البيانات والحسابات المعقدة نيابةً عن المستخدمين عن بُعد. يوجد حاليًا العشرات من أدوات تحليل البيانات الضخمة في بيئة إنتاج HIVE، والعشرات الأخرى قيد التطوير؛ وتشمل هذه الأدوات، على سبيل المثال لا الحصر، تسلسل الحمض النووي (DNA)، والحمض النووي الريبي (RNA)، والترانسبوزون، والرقائق، والتسلسل المناعي، والتجميع من الصفر، وعلم جينوم السكان، وتسلسل الميتاجينوم، والتوصيف التفاضلي، والأدوات الإحصائية والتصنيفية والتجميعية لدراسة البكتيريا والفيروسات والملامح الجرثومية والجسدية البشرية، والأنواع الشبيهة، والعدوى، ومسببات الأمراض.
• الحوسبة : على عكس العديد من بيئات الحوسبة الافتراضية، تُحاكي HIVE الخدمات، لا العمليات؛ فهي تُقدّم الحوسبة كخدمة من خلال توفير طبقة تجريد مستقلة بين الأجهزة والبرامج ومهام الحوسبة التي يطلبها المستخدمون. وقد أثبت النموذج الجديد المتمثل في نقل الحوسبة إلى مكان أقرب من البيانات، بدلاً من نقل البيانات إلى نوى الحوسبة، أنه المفتاح الأمثل لتدفق المهام والبيانات عبر البنية التحتية للشبكة.
• التصور : يوفر HIVE عددًا من مكونات التصور العلمي باستخدام تقنيات مثل HTML5 وSVG وD3JS ضمن سياق مستند البيانات. تتيح البيانات الأصلية والبيانات الوصفية ونتائج الحسابات، المُقدمة ببروتوكولات اتصال JSON وCSV، والتي تُستخدم لإنشاء أدوات تفاعلية قابلة للتخصيص، لعلماء المعلوماتية الحيوية معالجة تيرابايتات من البيانات الضخمة باستخدام متصفح ويب فقط.

أطلقت إدارة الغذاء والدواء الأمريكية منصة HIVE مفتوحة المصدر لدعم جميع احتياجات تحليلات تسلسل الجيل التالي (NGS). https://github.com/FDA/fda-hive

تُعدّ منصة HIVE لتنسيق الحوسبة الحيوية جوهر مشروع معايير الحوسبة عالية الإنتاجية لتسلسل الحمض النووي في العلوم التنظيمية (HTS-CSRS). وتتمثل مهمتها في تزويد المجتمع العلمي بإطار عمل لتنسيق الحوسبة الحيوية، وتعزيز قابلية التشغيل البيني، والتحقق من بروتوكولات المعلوماتية الحيوية ( https://hive.biochemistry.gwu.edu/htscsrs ). لمزيد من المعلومات، يُرجى الاطلاع على وصف المشروع على صفحة الأبحاث الخارجية التابعة لإدارة الغذاء والدواء الأمريكية (FDA).

• بنية الأجهزة : في صميم HIVE، توجد بنية أساسية متينة من الأجهزة تتكون من عدد قليل من المكونات الأساسية المتكررة ووحدات الحوسبة والتخزين القابلة للتوسع. يوضح الرسم التخطيطي على اليمين الاتصال وتوزيع المكونات لمجموعة HIVE هذه. تشمل المكونات الأساسية التي توفر الوظائف الحيوية لسحابة HIVE ما يلي:
  • خوادم الويب المواجهة للخارج من خلال جدار الحماية الآمن عالي المستوى لدعم وظائف بوابة الويب؛
  • تُعد خوادم الحوسبة السحابية الوحدات الوظيفية الأساسية التي تُنسق عمليات التخزين والحسابات الموزعة من خلال مخططات معقدة للترتيب حسب الأولوية؛
  • تُستخدم أجهزة الطائرات بدون طيار عالية التوافر كوحدة حسابية للتصور العلمي ووظائف دعم واجهة المستخدم؛
  • وحدات تخزين الاتصالات فائقة السرعة بين العمليات تنظم عمليات الحوسبة الموزعة وتبادل البيانات وساحة التجهيز.
  • تقوم أجهزة التبديل وجدران الحماية بتنظيم بيئة الشبكة الآمنة عالية الأداء لسحابة HIVE.
  • تم تصميم كل وحدة تخزين دائمة لتخزين مئات التيرابايت من بيانات NGS والجينومات المرجعية بالإضافة إلى تخزين النتائج الحسابية وملفات المستخدم الشخصية.

تُستخدم مجموعات فرعية من نوى الحوسبة عالية الأداء وعالية الكثافة والقابلة للتوسع كمركز قوة لإجراء عمليات حسابية متوازية موزعة ضخمة لخوارزميات تسلسل الجيل التالي. يتميز النظام بقابلية توسع فائقة، وتتراوح حالات نشره من جهاز HIVE واحد إلى أنظمة مؤسسية ضخمة تضم آلاف وحدات الحوسبة.

• بنية البرمجيات : تتكون البنية التحتية لبرمجيات HIVE من طبقات توفر المزيد من الوظائف بشكل تدريجي.

• • توفر طبقة العمود الفقري للنواة التكامل مع منصات الأجهزة وأنظمة التشغيل غير المتجانسة.
  • يدعم العمود الفقري السحابي لـ HIVE التخزين الموزع والأمان وبيئة الحوسبة.
  • يمثل العمود الفقري العلمي مجموعة من المكتبات العلمية منخفضة المستوى لإجراء مجموعة متنوعة من العمليات الحسابية العلمية، والأدوات الرياضية للمفاهيم الكيميائية والبيولوجية والإحصائية وغيرها من المفاهيم العلمية البحتة
  • توفر طبقات CGI و Javascript طبقات توافق لبوابات الويب وتطبيقات الويب.
  • توفر المكتبات منخفضة المستوى واجهة برمجة التطبيقات (API) لتطوير الأدوات والمرافق.
  • توفر التطبيقات المتكاملة ترسانة أدوات رئيسية لتقنية التسلسل الجيني من الجيل التالي (NGS).
  • توفر تطبيقات الويب وبوابة HIVE وظائف بوابة الويب

• قدّم الدكتور فاهان سيمونيان والدكتور راجا مازومدار عرضًا في مؤتمر NIH Frontiers in Data Science ^{[ 5 ]} حول دور HIVE كحلقة وصل بين البحث والتحليلات التنظيمية. ^{[ 6 ] [ 7 ]} كما قدّم سيمونيان عرضًا حول هذا الموضوع في معرض Bio-IT World Expo لعام 2014. ^{[ 8 ]}
• تمت مناقشة HIVE أيضًا في FedScoop. ^{[ 9 ]}
• داخل HIVE، بنية الحوسبة متعددة الأوميكس التابعة لإدارة الغذاء والدواء الأمريكية، عالم تكنولوجيا المعلومات الحيوية. ^{[ 10 ]}

• النسخة العامة من HIVE موجودة على الرابط التالي: https://hive.biochemistry.gwu.edu/dna.cgi?cmd=about