Математические модели и комплекс программ для ПК-кластеров консервативных баз данных

В диссертации исследуются вопросы синтеза параллельных систем управления базами данных (СУБД) на основе аппаратно-программных средств широкого применения. В качестве базовой технологии для построения таких систем рассматривается ^еотг/^технология. Данная технология позволяет создавать высокопроизводительные кластерные системы на базе стандартного аппаратно-программного обеспечения. При этом в качестве узлов кластера выступают обычные персональные компьютеры, в качестве коммутационной среды используются локальные сети (FastEthemet, GigabitEthernet и др.). Основным преимуществом данной технологии является высокое значение коэффициента производительность/стоимость.

Предмет диссертации ограничен случаем консервативных баз данных. Динамическое обновление данных в них отсутствует (работы с электронными справочниками, анализ результатов измерений, DataMining и др.). Это так называемые научные базы данных.

Работа выполнена в рамках направления конструктивного моделирования систем, развиваемого в КГТУ им. А. Н. Туполева под руководством профессора В. А. Райхлина. Основные концептуальные моменты этого направления состоят в следующем [1]. Процесс синтеза рассматривается с системных позиций в предположении, что синтезируемый объект моделирует поведение некоторой гипотетической системы. Моделирование системы проводится в рамках соответствующей модели синтеза, или S-модели (S — от Synthesis). В силу объективной неопределенности такую модель приходится строить неформально с привлечением эвристики.

Характерной особенностью S-модели является постулирование свойств эффективной реализации системы. Постулаты являются основой теории. Но они всего лишь нестрого индуктивно обобщают накопленный опыт. Поэтому система постулатов должна быть открытой.

Конечной целью Б-моделирования является разработка конструктивного метода, т. е. процедуры синтеза. Эта процедура формируется на основе теории (принятых постулатов) итеративно с учетом результатов модельного эксперимента.

Модели сложных систем всегда иерархичны. Задача построения таких моделей разделяется на две подзадачи: внешнего и внутреннего моделирования. Предметом внешнего моделирования является выбор направления развития каждого уровня иерархии. Именно здесь привлекается мировой опыт, строится конструктивная теория. Внутреннее моделирование связывается с разработкой процедурной компоненты, прототипа объекта синтеза и проведением модельных исследований.

Актуальность.

Непрерывный рост объемов баз данных ставит на повестку дня задачу разработки эффективных параллельных СУБД. Реальные финансовые ограничения заставляют искать альтернативу мэйнфреймовым платформам. Хорошей альтернативой является кластерная технология. Применение стандартного серийного аппаратно-программного обеспечения {Веом?и1/-то, хяо1юткя) еще более актуализирует данную тему. Однако вопросы построения кластерных параллельных СУБД по такой технологии исследованы до сих пор недостаточно.

Цель.

Целью диссертационной работы является разработка и исследование метода синтеза параллельных СУБД, реализуемых на платформе ВеолуиН7-кластеров, в совокупности задач внешнего и внутреннего моделирования.

Задачи.

Для достижения поставленной цели в работе исследуются и решаются следующие задачи:

1. Обобщение мирового опыта построения параллельных СУБД кластерного типа и решение на этой основе задачи внешнего моделирования.

2. Построение процедурной модели синтеза Веомт1/~кластеров БД как необходимой компоненты внутреннего моделирования.

3. Разработка с учетом мирового опыта исследовательского прототипа параллельной СУБД как одной из основных компонент внутреннего моделирования и как инструментального средства модельного исследования.

4. Установление закономерностей для границ масштабируемости Веоуи1?-кластеров БД, фактов существования в общем случае решения задачи поиска релевантной базы знаний и эффективности предложенной процедурной модели в процессе модельного эксперимента.

Научная новизна.

• Построение основ теории параллельных СУБД на платформе Веот^-кластеров.

• Использование парадигмы внешних параметров и нечеткая трактовка темпоральности в контексте семантики Крипке при построении процедурной модели синтеза параллельной СУБД кластерного типа.

• Установление факта существования в общем случае решения задачи поиска релевантной базы знаний для этой модели.

• Выявление зависимости границы масштабируемости Веомпл1/-кластеров БД от объемов баз данных.

Практическая значимость работы.

• Разработанная процедурная модель синтеза кластера баз данных может быть использована при построении подсистемы динамической реконфигурации параллельной СУБД.

• Разработанный исследовательский прототип параллельной СУБД Clusterix после его доведения до уровня действующего прототипа может быть использован для решения практических задач, требующих больших вычислительных мощностей.

Результаты диссертации использованы в учебном процессе кафедры Компьютерных систем КГТУ им. А. Н. Туполева (КАИ).

Апробация результатов работы.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научных конференциях и семинарах различного уровня:

1. Республиканском научном семинаре АН РТ «Методы моделирования» (Казань, 2001;2007гг.);

2.-V Международной научно-технической конференции «Новые информационные технологии и системы» (Пенза, 2002 г.);

3. Международной научно-технической конференции IEEE AIS'03 (Геленджик, 2003 г.);

4. Всероссийском конкурсе инновационных проектов аспирантов и студентов по приоритетному направлению развития науки и техники «Информационно-телекоммуникационные системы» (Москва,.

2005 г.);

5. Московской секции Международного семинара ACM SIGMOD (МГУ им. Ломоносова, Москва, 2005 г.);

6. VII Международной конференции-семинаре «Высокопроизводительные параллельные вычисления на кластерных системах» (ННГУ им. Н. И. Лобачевского, Нижний Новгород, 2007 г.).

На защиту выносятся следующие положения:

1. Систематика исследований в области параллельных СУБД и решение задачи внешнего моделирования.

2. Темпорально-нечеткая процедурная модель синтеза Веоуи1/~ кластеров БД и ее программная реализация.

3. Разработка исследовательской версии параллельной СУБД С/мя/епх.

4. Результаты модельных исследований.

Публикации.

Основное содержание диссертации опубликовано в 10 работах, включая 6 статей [40, 57, 60, 63, 65, 66], 4 тезиса докладов [55, 61, 62, 64].

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения.

Основные результаты диссертационной работы:

•Проведена детальная систематика исследований в области параллельных СУБД, итогом которой явилось решение задачи внешнего моделирования процессов синтеза кластеров БД.

•Разработан исследовательский прототип оригинальной СУБД С/ш*ега:. •Разработана темпорально-нечеткая процедурная модель выбора конфигурации Веомш1/~кластеров БД.

•Экспериментально показано существование решения задачи поиска релевантной базы знаний построенной модели в общем случае. •Подтверждено существование границы масштабируемости параллельных? ео-и>и//-кластеров БД и установлен факт роста этой границы с увеличением объемов баз данных.

•Найден вид предпочтительной архитектуры кластеров БД при работах до грани масштабируемости.

•Даны практические рекомендации по динамической перестройке архитектур кластера.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.