Аналитическая модель клиент-серверной системы с распределенной базой данных

25 декабря 2011 г. 3:45

ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЩЕСТВА

Аналитическая модель клиент-серверной системы с распределенной базой данных

Рассматривается модель функционирования распределенной базы данных в виде открытой сети массового обслуживания. В качестве заявок выступают запросы пользователей к базе данных. Каждый узел сети массового обслуживания моделирует определенную задержку процесса прохождения заявки. Используемый пакет прикладных программ позволяет п рези зводить расчёт для различных вариантов закона распределения входных потоков и параметров обслуживания.

Ерохин А.Г.,

МТУ С И

Распределенные базы данных (РБД) в настоящее время составляют основу большинства информационных систем. Под распределенной обычно подразумевают базу данных, включающую фрагменты из нескольких баз данных, которые располагаются на разл^-ных узлах сети компьютеров, и, возможно управляются различными СУБД Распределенная база данных выглядит с точки зрения пользователей и прикладных программ как обычная локальная база данных. В этом смысле слово "распределенная" отражает способ организации базы данных, но не внешнюю ее характеристику ("распределенность" базы данных невидима извне) [ 1 ].

РЕД состоит из набора узлов, связанных коммуникационной сетью, в которой:

• каждый узел — это полноценная СУБД сама по себе;

• узлы взаимодействуют между собой таким образом, что пользователь любого из них может получить доступ к любым данным в сети так, как будто они находятся на его собственном узле.

Каждый узел сам по себе является системой баз данных. Любой пользователь может выполнить операции надданными на своем локальном узле точно так же, как если бы этот узел вовсе не входил в распределённую систему. Распределённую систему баз данных можно рассматривать как партнёрство между отдельными локальными СУБД на отдельных локальных узлах.

Фундаментальный принцип создания распределенных баз данных состоит в том, что для пользователя распределенная система должна выглядеть так же, как нераспределенная система.

В связи повсеместным распространением информационных систем на основе РЕД возникает задача разработки моделей таких систем. При этом используются те же подходы, что и для моделирована информационных систем прошлых поколений [2] — аналитическое, имитационное моделирование, а также комбинация этих методов. Недостатком любой аналитической медели является необходимость введения упрощающих допущений о параметрах и характеристик моделируемой системы. Если в качестве математического аппарата для построения аналитической модели используется тео-рю массового обслуживания, то такая модель является несколько идеализированной, поскольку не учитывоет никаких накладываемых реальной жизнью ограничений, за исключением эффекта организации очередей.

Преимуществом же аналитическою моделирования является возможность предсказания будущего без предварительной проверки на практике. Поэтому на ранних стадиях проектирования информационных систем, когда существует высокая неопределенность исходной информации, использование аналитических методов может быть весьма эффективным.

Целью создания аналитической модели в виде сети массового обслуживания является оценка времени задержки при обслуживании заявки. Если речь идет о базе данных, то необходимо оценивать время отклика сервера баз данных на запрос пользователя. В соответствии с [6] под временем отклика сервера баз донных на запрос пользователя понимается сумма времени обслуживания и времени ожидания, причём под временем ожидания понимается не время задержки в очередях к дискам сервера, а общее фактическое время, прошедшее с момента последней инструкции, предшествующей выполнению вызова операционной системы и до первой инструкции, следующей за возвратом вызова операционной системы. Например, для отдельного вызова чтения операционной системы время ожидания Огаве включает в себя следующие составляющие:

— работы процессора, потраченное на подготовку системного вызова и его завершение (учитывается дважды);

~ задержка в очереди к дисковому устройству;

5»»сх — время работы дискового устройства, включая задержку поиска, задержку вращения и задержку передачи донных обратно с устройства ввода/вывода в память, к которой обращается процессор;

— задержка в очереди к процессору (рис. 1).

При моделировании разумнее всею выбрать самую простую из моделей, позволяющих получить результат, соответствующий необходимым требованиям. В настоящей работе рассматривается аналитическая модель клиент-серверной информационной системой на

основе РБД

Пусть имеется вычислительная сеть с несколькими узлами. Каждый узел сети имеет свою собственную базу донных, узлы работают согласованно. Пользователь может получить доступ к донным, распределенным на любом узле сети.

Рассмотрим следующую схему обработки зопроса пользователя в РБД Запрос, инициированный на терминале, поступает во входную очередь соответствующего узла. Процессор ЭВМ обрабатывает запросы в порядке их поступления. Если копия нужного файла содержится в локальной базе донных узла, на терминал которо-

1. Время ожцдс**« сервера баз донных

34

Т-Сотт, #10-2011

н h

ч н

Г

2 Модель фуню»ю**^х)вания РБД в виде открытой сети массового обслуживания

го поступил запрос, то запрос обрабатывается и результат выводится на этот терминал. Если копия нужного файла не содержится в локальной базе узла, то сначала по справочнику локальной базы данных определяется узел, содержащий копию нужного файла. Затем

запрос пересылается на этот узел, там он обрабатывается и ответ поступает в первоначальный узел. Порядок обслуживания запросов не влюет на объём пересылаемых данных по каналам связи.

Именно в такой постановке предложена аналитическая модель функционирования РБД в работе (3) и предложено программное средство для расчета ее характеристик. Однако в данной модели сам процесс обработки запроса пользователя к базе данных выглядит несколько упрощенным — он моделируется системой массового обслуживания типа М/М/1. С помощью данной системы моделируются и остальные фазы прохождения запроса пользователя по сети.

Кроме этого, при осуществлении доступа возможна ситуация, когда запись заблокирована другими пользователями [6], что соответствует переходу в состояние ожидания блокировки. Обработка данного состояния также не отражена в модели [3].

В то же время в работе [4] предложена аналитическая модель взаимодействия пользователя с базой данных в виде открытой сети массового обслуживания, учитывающая возможность такой блокировки. Однако база донных, рассмотренная в [4] не является распределенной.

Построим аналитическую модель функционирования РБД в виде открытой сети массового обслуживания, комбинируя результаты работ [3,4]. При этом выбор узлов — систем массового обслуживания на всех фазах прохождения запроса будем осуществлять в соответствии с [5]: процессы передачи по каналам связи будем моделировать с помощью многолинейных систем без очередей, а процессы обработки данных — с помощью однолинейных систем с бесконечной очередью. Предложенная модель представлена на рис 2.

Назначение отдельных узлов в данной модели следующее. Запросы пользователей передаются по каналу передачи данных (система Б,), поступают на центральный процессор сервера (система $2), далее может производиться чтение или запись данных на дисковые накопители сервера (система $3), затем осуществляется пере-

I Открытые сети массового обслуживания распределенная БД 1.df? 05WII

Файл Расчет Корректфоека ^правка

Исма&ъ0А»*де Параметры вхооде потоков

А.

liU

Параметры обсяуюеашя

Caj

Ж.

Результаты расчета Снеге**»* характеристик Среднее время заверки заявки в сети 1239.679

Стандартное отклоне»ые времени запер ж» и заявки в сети 1482 888

Макоела/кмое время заоержки заявки в сети 2903.321

Смете**** характеристик и сетевые потоки

tr1

Номер узла И, cV я i

1 0.05 10

2 0.1 10

3 0.1 10

4 0.05 10

5 0.033 10

Б 005 10

7 0.05 10

8 005 10

9 0.05 10

10 1LA rti то •г1

Номер узле Pi тд, °W.

1 0008 2012072 20.12072

2 8 236799Е02 10.89761 10.89761

3 7 495485Е-03 1007552 10,07552

4 0.1482624 23.48141 23.48141

5 2246399Е-03 30.37126 30,37126

Б 0002994 200Б00Б 20.06006

7 2.988012Е-03 20 05994 20.05994

8 2.982036Е-03 20 05982 20.05982

9 0 0408801 2085245 20 85245

10 1 860044Е -03 10.01863 10.01863

11 3.6792088-02 20.76395 20.76395

12 5.574559Е04 30.31993 30.31993

« j>J

FW. 3. Пример росчега характеристик расгределенмой БД

T-Comm, #10-2011

35

дача ответов на запросы по обратному каналу данных (система S4). При осуществлении доступа возможна ситуация, когда запись заблокирована другой пользователями, что соответствует переход/ в состояние ожидания блокировки. Эта задержка моделируется системой S5. Система S6 моделирует задержку, связанную с передачей данных по каналу передачи к концентратору (коммутатору), система $7 — задержку, связанную с работой концентратора (коммутатора), система Sg — задержку, связанную с передачей данных от концентратора к удаленному узлу. При этом возможна ситуация отказа в работе данных устройств. Системы Sg-S, 2 моделируют роботу удаленного узла, назначение данных систем аналогично системам S,-S5.

В работе [7] был произведен расчет характеристик сервера баз данных при таком моделировании в широком диапазоне изменения нагрузки для случая неэкспоненциального распределения входного потока и времени обслуживания (значение квадрата коэффициента вариации было принято равным 10) и для случая экспоненциального распределения (М/М... системы). Там же приводятся результаты имитационного моделирования работы данной системы. Основываясь на результатах [7] проведем расчет вероятностно-временных характеристик функционирования распределенной БД основываясь на рассмотренной выше модели. Расчеты производились с помощью пакета программ "Дифар" [2,5]. Пример результатов расчета показан на рис. 3.

Таким образом, рассмотренная модель функционирования распределенной БД является принципиально работоспособной. Для проведения более детальных оценок необходимо проведение натурных экспериментов.

Литература

1 DctoCJ. 1987 What is distributed database? // The Refatond Journal, 1987.

2. Локальные вычислительные сети Сфаво^ик. В 3-х км. Кн. 3: Организация функционировала, эффективность, оптимизация / СВ.Назаров, Н.В-Ашхимкин А.ВЛутовеа Ю А Воронцов, АГ.Ерохии, В.П.Поляков. Под ред. СВ. Назарова. — М.: Финансы и статистика 1995.

3 Петров Э.Г„ Самойпемаз НД Аналитическое моделирование распределенных баз денных со звездообразной топологией // Веспвж Херсонского государственного технического утверситета, №1,2009.

4 Петров МЛ, Треногин КГ. Раслределегвые информациоюые системы упрсвления в телекоммужкоциогвюй отрасли: Научное издание Под ред. Проф М. Н Петрова. — Красноярск, 2006.

5. Ерохт А.Г. Математические модели массового обслуживания функ циотрования информационных систем. Монография. // М.: Медиа Паблишер — 90 с.

6 Сежу Mlsap, Jeff HdL Optimizing Oracle Performance // OReJly & Associates, Inc 2003.

7 Воронцов ЮА Техжко- экономическое обоснование эффективное ти гроектое тформадонных систем. — М: Инсвязьиддсп, 2008.

36

T-Comm, #10-2011