Архитектура системы

1. Концепция и базовые принципы построения

Архитектура программного комплекса «UrFU HeatBalance» спроектирована на основе современных шаблонов распределённых систем корпоративного уровня:

• Микросервисная декомпозиция: функциональные модули разделены по границам предметных областей (Bounded Contexts) в соответствии с методологией Domain-Driven Design (DDD).
• Изоляция хранилищ данных (Database-per-Service): каждый микросервис, требующий долговременного хранения, обладает собственной схемой или базой данных, исключающей прямые межсервисные зависимости на уровне SQL-запросов.
• Событийно-ориентированное взаимодействие (Event-Driven Architecture): интеграция между подсистемами телеметрии, расчётными модулями и хранилищем истории построена на асинхронном обмене событиями через брокер сообщений.
• Единая точка входа (API Gateway Pattern): клиентский интерфейс и внешние устройства взаимодействуют с кластером через централизованный реверс-прокси и шлюз API.
• Асинхронная отказоустойчивость: сбои отдельных расчётных сервисов не нарушают доступность ядра авторизации, каталога датасетов и приёма телеметрических пакетов.

---

2. Общая архитектурная схема (High-Level Architecture)

На диаграмме ниже представлена сквозная топология компонентов системы, включая клиентские интерфейсы, шлюзы, микросервисы бизнес-логики, брокер сообщений и уровень хранения:

---

3. Детальное описание архитектурных уровней

3.1. Клиентский уровень (Frontend Tier)

Клиентский интерфейс реализован в виде одностраничного веб-приложения (Single Page Application, SPA) на базе библиотеки React 19 с использованием компонентной библиотеки Ant Design:

• Модульная архитектура представлений: отдельные рабочие пространства для каждого типа печи, панели управления датасетами, журнала истории расчётов, мониторинга IoT и аналитического дашборда.
• Оптимизированный рендеринг графиков: векторные интерактивные SVG-графики трендов КПД с плавающей шкалой и всплывающими подсказками.
• Печатные стили отчётности: встроенные CSS-правила @media print для форматирования расчётных ведомостей под стандарт листа A4 без экранных элементов навигации.
• Динамическая мульти-темизация: поддержка 4 цветовых схем (Light, Dark, Emerald, Ocean) с сохранением пользовательских предпочтений в localStorage.

3.2. Периметр безопасности и шлюз API (Edge & Gateway Tier)

Входной трафик маршрутизируется через двухзвенный контур:

1. Nginx Reverse Proxy:
   • SSL/TLS-терминация входящих соединений по протоколам TLSv1.2 и TLSv1.3 с автоматическим перенаправлением с HTTP (порт 80) на HTTPS (порт 443).
   • Отдача статических скомпилированных файлов клиентского приложения React и портала документации.
   • Настройка заголовков безопасности (X-Frame-Options, X-Content-Type-Options, X-XSS-Protection).
   • Буферизация и ограничение размера загружаемых файлов (client_max_body_size 50M).
2. YARP API Gateway (Microsoft Yet Another Reverse Proxy):
   • Реализован на платформе .NET 10.
   • Выполняет сопоставление внешних REST-путей с внутренними микросервисными адресами Docker-сети.
   • Осуществляет трансформацию URL (удаление или подстановку версионных префиксов /api/v1/).
   • Обеспечивает централизованную валидацию JWT-токенов перед проксированием запросов в защищённые кластеры.

3.3. Уровень аутентификации и безопасности (Security Tier)

Безопасность комплекса обеспечивается сервисом HeatBalance.Auth:

• Реализация протоколов OAuth 2.0 и OpenID Connect на базе сертифицированного фреймворка OpenIddict.
• Выпуск криптографически подписанных токенов доступа JWT (JSON Web Token) с алгоритмом подписи RSA/ECDSA.
• Управление жизненным циклом учётных записей на базе ASP.NET Core Identity.
• Ролевая дифференциация прав (RBAC):
  • Роль User — доступ к штатным калькуляторам, персональным датасетам и своим IoT-устройствам.
  • Роль Admin — расширенный доступ к панели мониторинга здоровья микросервисов, сквозному аудиту чужих устройств и специализированному модулю предиктивной аналитики.
• Per-User Data Isolation: сквозная фильтрация данных по идентификатору пользователя (sub / NameIdentifier), гарантирующая изоляцию информации между различными предприятиями и операторами.

3.4. Уровень прикладных микросервисов (Application Core Tier)

• HeatBalance.DatasetService: отвечает за хранение вариантов технологических режимов работы установок. Интегрирован с распределённым кэшем Redis 7.0 для минимизации латентности при частых запросах.
• HeatBalance.RunService: фиксирует каждый выполненный расчёт (включая все входные параметры, рассчитанные статьи теплового баланса и дату). Предоставляет эндпоинты пагинации и поиска по архиву.
• HeatBalance.ReportService: принимает структурированные балансовые матрицы и формирует чистовые отчёты в формате PDF для архивации и печати.

3.5. Вычислительный уровень (Calculation Engines Tier)

Каждый расчётный сервис представляет собой изолированное ASP.NET Core Web API приложение, инкапсулирующее математическую модель конкретного типа печи:

• HeatBalance.ChamberKilnService — расчёт камерных печей периодического действия.
• HeatBalance.ConveyorKilnService — расчёт конвейерных печей непрерывного действия.
• HeatBalance.ElectricKilnService — расчёт установок с электронагревателями сопротивления.
• HeatBalance.DrumDryerService — расчёт вращающихся барабанных сушилок и топочных камер.

Сервисы являются полностью stateless (не сохраняют внутреннее состояние): при одинаковых входных данных гарантируется детерминированный и воспроизводимый результат вычислений.

3.6. Уровень промышленного IoT и аналитики (IIoT & Analytics Tier)

• HeatBalance.IoTService: высоконагруженный шлюз сбора телеметрии. Выполняет быструю аутентификацию по аппаратному ключу X-Device-Token, валидацию диапазонов измерений 15 типов датчиков, фиксацию пакетов в журнале и запуск асинхронной цепочки расчётов.
• HeatBalance.AnalyticsService: аналитический агрегатор, периодически запрашивающий исторические ряды расчётов из RunService и показания IoTService. Выполняет сглаживание SMA, расчёт Z-Score для детекции сбоев технологических карт, экстраполяцию МНК для прогнозирования срока службы футеровки и бенчмаркинг параметров.

---

4. Сводная таблица сетевых портов и протоколов взаимодействия

Компонент / Сервис	Внутренний порт (Docker)	Внешний порт хоста	Протокол	Назначение взаимодействия
Nginx Reverse Proxy	80, 443	80, 443	HTTP, HTTPS	Входная точка инфраструктуры, SSL, отдача статики
YARP API Gateway	8080	—	HTTP / REST	Внутренний маршрутизатор API запросов
HeatBalance.Auth	8080	5001	HTTP / REST	Авторизация, OIDC эндпоинты /connect/*
HeatBalance.DatasetService	8080	5100	HTTP / REST	CRUD операции с датасетами, кэш
HeatBalance.RunService	8080	5200	HTTP / AMQP	История расчётов, консьюмер SaveRunCommand
HeatBalance.ReportService	8080	5300	HTTP / REST	Генерация PDF-документов
HeatBalance.ConveyorKilnService	8080	5101	HTTP / REST	Расчёт баланса конвейерной сушильной печи
HeatBalance.ChamberKilnService	8080	5102	HTTP / REST	Расчёт баланса камерной сушильной печи
HeatBalance.ElectricKilnService	8080	5103	HTTP / REST	Расчёт баланса электрической сушильной печи
HeatBalance.DrumDryerService	8080	5104	HTTP / REST	Расчёт баланса сушильного барабана
HeatBalance.IoTService	8080	5400	HTTP / AMQP	Приём телеметрии, группировка датчиков
HeatBalance.AnalyticsService	8080	5007	HTTP / REST	Предиктивная аналитика, деградация, аномалии
RabbitMQ Message Broker	5672, 15672	5672, 15672	AMQP / HTTP	Шина событий MassTransit / Management Web UI
Redis Cache 7.0	6379	6379	RESP (TCP)	Распределённый оперативный кэш датасетов
PostgreSQL Database	5432	—	TCP / SQL	Основное реляционное хранилище данных