ECS Distributed System Simulator

Дипломный проект по теме «Архитектура ECS для моделирования распределённых систем». Репозиторий содержит интерактивный симулятор отказоустойчивого распределённого key-value кластера на Rust + Bevy 0.18.1, а также текст автореферата и сопроводительную документацию.

Что моделируется

Симулятор показывает упрощённый, но предметно осмысленный кластер, в котором есть:

• клиенты, генерирующие GET, PUT и DELETE;
• маршрутизаторы запросов;
• узлы хранения со состояниями Alive, Slow, Partitioned, Failed, Recovering;
• шардирование пространства ключей;
• leader/follower-реплики с фактором репликации;
• сообщения в полёте, heartbeat и timeout-механика;
• задержки сети, деградация каналов, потери сообщений и partition-сценарии;
• очереди обработки на узлах;
• упрощённое переизбрание лидера;
• панель метрик в реальном времени.

Это не реализация реальной СУБД и не протокол уровня Raft. Цель проекта — исследовать поведение распределённой системы и показать, что ECS-подход хорошо подходит для моделирования большого числа взаимодействующих сущностей.

Почему ECS

В модели много однотипных и слабо связанных объектов: узлы, реплики, сообщения, каналы, таймеры, клиенты, визуальные представления. ECS позволяет:

• хранить состояние как композицию независимых компонентов;
• разбить поведение на короткие системы: генерация запросов, доставка сообщений, heartbeat, обработка очередей, сбор метрик, визуальное обновление;
• отделить доменную модель от UI и визуализации;
• расширять сценарии без переписывания монолитного объекта «кластера».

Возможности приложения

• 2D-визуализация кластера, состояний узлов, каналов и сообщений.
• Запуск, пауза, пошаговое выполнение и сброс симуляции.
• Настройка числа клиентов, узлов, шардов, replication factor, интенсивности нагрузки, таймаутов и сетевых параметров.
• Preset-сценарии: Normal Operation, High Load, Leader Failure, Multi Node Failure, Network Partition, Recovery.
• Интерактивные воздействия:
  • клик по узлу переводит его в сбой или восстановление;
  • в панели управления можно выделить шард;
  • можно деградировать или отключать связь между двумя выбранными узлами;
  • можно скрывать или показывать сообщения в полёте.
• Метрики:
  • throughput;
  • средняя и p95 latency;
  • timeouts;
  • потерянные сообщения;
  • число смен лидера;
  • длины очередей;
  • загрузка узлов;
  • replica lag;
  • доля успешных чтений и записей.

Ограничения модели

• Используется дискретное модельное время, а не реальные сокеты и потоки.
• Выбор лидера упрощён и детерминирован.
• Репликация лидерная и quorum-like, без полного консенсусного протокола.
• GET может выполняться либо через лидера, либо через выбранную реплику в режиме PreferReplica.
• Сценарии отказов заданы как исследовательские эксперименты, а не как точная эмуляция продакшн-кластера.

Сборка и запуск

Требования:

• стабильный Rust;
• системные зависимости для winit/wgpu под вашу платформу.

Команды:

cargo fmt
cargo clippy --all-targets --all-features -- -D warnings
cargo test
cargo run

Как работать с приложением

• Левая панель: управление симуляцией, выбор сценария, параметры модели и интерактивные действия.
• Правая панель: метрики и инспектор выделенного узла/шарда.
• Клик по узлу на сцене:
  • живой узел переводится в Failed;
  • Failed или Partitioned узел переводится в Recovering.
• Выделение шарда подсвечивает его реплики на узлах.

Структура репозитория

• src/app/ — сборка приложения и headless-конфигурация для тестов.
• src/domain/ — чистая предметная логика: шардирование, выбор лидера, percentiles и базовые типы.
• src/simulation/ — компоненты, ресурсы, сообщения, системы и плагины симуляционного ядра.
• src/visualization/ — 2D-сцена, визуальные сущности, отрисовка связей и клики по узлам.
• src/ui/ — панели управления и метрик на bevy_egui.
• docs/ — описание модели и её соответствия ECS-структуре.
• thesis/abstract/ — LaTeX-автореферат.

Документация

• Подробная модель распределённой системы: docs/distributed_model.md
• Автореферат: thesis/abstract/abstract.tex