Исследование сетевых моделей баз данных эксплуатационного управления сетью связи

В разделе 2.1 построена функциональная модель, отображающая распределенные базы данных информационной поддержки OSS, вероятностно-временные характеристики которых для централизованной, репликационной и частично репликационной конфигурации рассмотрены в этой главе.

В функциональной модели представлены базы данных и модули систем OSS/BSS.

Базы данных в этой модели учитывают факторы географического распределения по регионам и/или функционального распределения в зависимости от назначения хранимой в базах информации. Клиенты баз данных - приложения OSS/BSS, - в свою очередь, тоже могут быть географически распределены и выполнять специфические функции.

В разделах 2.2 и 2.3 исследуется структура централизованной и репликационных баз данных OSS и дается обоснование представленной далее математической модели массового обслуживания M/G/1.

Централизованная архитектура баз данных представляет собой архитектуру, в которой используется одна база данных, находящаяся в центральном регионе. Все приложения OSS/BSS центрального и других регионов направляют запросы данных технического учета непосредственно к центральной базе данных.

Под регионом может пониматься географическая и функциональная зона Оператора, которая, как правило, имеет внутреннюю сеть передачи данных с высокой связностью и использует для доступа к другим регионам выделенные каналы, туннели и прочие одиночные соединения.

Архитектура репликационных баз данных основывается на том, что кроме центральной базы данных (ЦБД) устанавливаются дополнительные репликационные базы данных (РБД), связанные с ЦБД через выделенные каналы передачи данных. Цель установки таких дополнительных баз состоит, главным образом, в расширении доступности системы и в увеличении ее надежности. Эти репликационные базы составляют множество баз данных OSS сети связи и могут обеспечить функциональные возможности эксплуатационного управления сетями связи МРК.

Репликационные БД можно разделить на два типа - базы со схемой полной и частичной репликации. В схеме полной репликации о каждом объекте имеются как минимум две одинаковые копии данных: одна в центральной базе данных ЦБД и другая (другие) в РБД. В отличие от этого, в схеме частичной репликации только РБД сохраняет полный набор характеристик объекта, тогда как ЦБД сохраняет (копирует) только подмножество таких данных, которые обновляются изредка.

Концепция схемы частичной репликации в системе баз данных OSS должна уменьшить обмен информацией обновления данных о тех характеристиках объекта, которые часто изменяются. Вероятно, будет выгодней сохранять в РБД все данные о характеристиках объекта, включая наиболее часто обновляемые, если эти обновления генерируют приложения OSS в том же самом регионе. operation support system вероятностный

Из функциональной модели следует, что в проведенном в диссертационной работе анализе вероятностно-временных характеристик нет возвращения обращения или ответа в ту же самую базу данных или в тот же канал передачи данных. Например, если обращение не может быть успешно обработано в РБД региона, т.е. нужная информация не находится в этой РБД, то ответ на неудавшееся F-обращение будет маршрутизирован непосредственно к источнику запроса (другой подсистеме OSS) этого региона, а не к РБД. Точно так же, ответы на отправленные G-обращения направляются прямо к источнику запроса.

В скобках заметим, что здесь F-обращения обозначены от слова филиал, а G-обращения - от слова генеральная дирекция, но эти обозначения не более чем условны, а понятия F и G трактуются в диссертационном исследовании гораздо шире.

Поскольку потоки обращений/обновлений в аналитической модели не используют обратной связи или обходных путей, средние значения времени ответа на обращение и реакции на обновление могут быть получены суммированием задержек в каналах передачи данных и БД, а все потоки запросов (обращений и обновлений) в аналитической модели можно считать пуассоновскими. Это дает достаточные основания для того, чтобы использовать в диссертационной работе модели M/G/1.

В параграфе 2.4 анализируются рабочие характеристики централизованных и полностью репликационных баз данных в терминах времени отклика на обращение и на обновление.

Для того чтобы идентифицировать ключевые переменные и получить возможность сравнить вероятностно-временные характеристики репликационной и централизованной архитектуры базы данных, в пункте 2.4 делаются и обосновываются следующие вполне естественные допущения:

каждая из ЦБД и РБД имеет один процессор, отвечающий за обработку как обращений, так и обновлений;

время обработки данных в процессорах баз ЦБД и РБД предполагается незначительным;

моделью канала передачи данных служит очередь FIFO к единственному обслуживающему прибору;

очереди к процессорам и к каналам передачи данных рассматриваются как независимые очереди M/G/l;

на каждое обновление записи базы данных приложение OSS обращается за чтением этой записи в среднем M раз.

Чтобы анализировать рабочие характеристики схем централизованных и репликационных баз данных, необходимо определить ключевые параметры.

Во избежание громоздкой аналитической модели первоначальный анализ выполняется здесь всего для двух регионов, например, для географических образований - центральный регион 1 и периферийный регион 2. Затем показывается, как можно этот анализ обобщить на реальные сети МРК с числом регионов, большим двух. С учетом вышесказанного вводятся следующие обозначения.

Р - доля приложений OSS, которые требуют доступа к БД не своего региона (т.е. оценка вероятности того, что в регионе 2 потребуется взаимодействие с записью БД региона 1), а также доля всех обновлений базы данных OSS, инициированных объектами, которые находятся вне центрального региона,

c_g- доля запросов, инициированных в регионе 2 и требующих обращения к объекту, запись о котором хранится в ЦБД,

c_f - доля запросов, инициированных в регионе 2 и требующих обращения к объекту, запись о котором в настоящее время находятся в РБД,

F_u - отношение интенсивности потока обращений к БД к интенсивности потока обновлений записей в БД, т.е. среднее число обращений к БД, приходящихся на одно обновление содержимого БД,

F_r - отношение интенсивности потока обращений к БД к интенсивности потока регистраций новых записей в БД, т.е. среднее число обращений к БД, приходящихся на одну новую запись в БД,

M_q - среднее число обращений к базе данных при одном запросе взаимодействия,

T_q и T⁽²⁾_q среднее значение и второй момент распределения времени обработки обращения к БД,

T_u и T⁽²⁾_u- среднее значение и второй момент распределения времени обработки обновления БД,

с - интенсивность нагрузки, обслуживаемой базой данных,

L_q - средняя длина сообщения с обращением к БД, в байтах,

L_u - средняя длина сообщения об обновлении данных БД, в байтах,

L_d - средняя длина записи данных об объекте при ее загрузке, в байтах,

S_q и S⁽²⁾_q - среднее значение и второй момент распределения времени передачи сообщения с обращением к БД или ответного сообщения по каналу передачи данных,

S_u и S⁽²⁾_u - среднее значение и второй момент распределения времени передачи сообщения об обновлении данных в БД по каналу передачи данных.

S_d S⁽²⁾_d- среднее значение и второй момент распределения времени передачи загружаемой записи по каналу передачи данных.

ф - задержка распространения сигнала.

В параграфах 2.5 и 2.6 представлен анализ схем ВВХ полной репликации и централизованных баз данных OSS.

Для объективности сравнительного анализа сделано предположение, что интенсивность трафика к репликационной БД совпадает с нагрузкой базы данных с_c для архитектуры централизованной базы данных. Это предположение позволяет сравнивать две архитектуры в одинаковых условиях.

При заданных нагрузке с_c централизованной базы данных, значениях продолжительности обработки T_q и T_u, среднем числе обращений к записи, приходящихся на одно обновление записи F_u, интенсивность потока обращений a_q и интенсивность потока обновлений a_u в централизованной базе данных составят, соответственно:

( 2.1 )

Соответствующая интенсивность потока обращений, приходящихся на один запрос взаимодействия между репликационными базами данных:

( 2.2 )

При заданных формулами (2.1) и (2.2) a_q и a_u значения интенсивности потока обновлений, исходящих из региона 1 и региона 2, изменяются в соответствии с параметрами трафика P, c_g и c_f, что в архитектуре БД с репликацией, в свою очередь, воздействует на трафик к РБД, к ЦБД и в канале передачи данных.

В архитектуре БД с репликацией имеются четыре основных типа запросов взаимодействия, которые сведены в таблицу 2.1.

Тип 1 - запросы, которые приводят к успешным F-обращениям. Доля таких запросов - c_fP.

Тип 2 - запросы, которые приводят к G-обращениям, и, согласно архитектуре с частичной репликацией данных, 1/M_q из них пересылаются в РБД для дальнейшей обработки. Доля таких запросов - (1-c_f)P.

Тип 3 - запросы, которые приводят к неудачным F-обращениям и к двойному обращению к РБД, а затем - к ЦБД. Доля таких запросов - c_g(l-P).

Тип 4 -запросы, которые приводят к успешным G-обращениям и не используют канал передачи данных и РБД. Доля этих запросов - (1-c_g)(1-P).

Таблица 2.1. Доли четырех типов обращений к базам данных OSS

Рис. 1 Типы обращений к базе данных

В параграфе 2.5 строится математическая модель полностью реплицированных баз данных, позволяющая определить ВВХ соответствующей архитектуры. В качестве ВВХ определяются средние значения времени ответа на запрос (выражение 2.4) и на обновление (выражение 2.5).

T_qr = [c_fP+c_g(1-P)]T_rq+c_g(1-P)[T_ui+2ф+T_uo]+(1-c_fP)(W_g+T_q), ( 2.4 )

где:

T_rq - среднее время ответа на обращение в РБД,

T_rq = W_r+T_q,

T_ui - средние значения времени ответа на обновления по каналу передачи данных во входящем направлении (то есть времени ожидания плюс времени передачи) ,

T_ui = W_i+S_u,

T_uo - средние значения времени ответа на сообщения ответа и на загрузку записи по каналу сигнализации в исходящем направлении,

T_uo = W_o+S_u,

W_r - среднее время ожидания ответа,

,

W_i - среднее время ожидания ответа во входящем направлении,

,

W_o - среднее время ожидания ответа в исходящем направлении,

,

W_g - среднее время ожидания обращений и обновлений в ЦБД,

,

с_f - нагрузка сервера РБД,

с_{f =} [c_g(1-P)+c_fP]a_qT_q+Pa_uT_u ,

с_i - нагрузка канала передачи данных в направлении от РБД к ЦБД,

с_i = c_g(l-P)a_qS_q+Pa_uS_u ,

с_o - интенсивность нагрузки канала в исходящем направлении,

с_g - нагрузка сервера ЦБД,

с_g = (1-c_fP)a_qT_q+a_uT_u .

Время ответа на обновление определено как интервал времени от момента поступления обновления (в РБД или ЦБД) до момента, когда обновленная запись станет доступной для обработки обращения в РБД или ЦБД. Используя соответствующие вероятности обращений разных типов как коэффициенты взвешивания, можно получить среднее значение времени реакции на обновление в следующем виде:

T_ur = PT_ru+(1-c_f)P[T_ui+ф]+(1-c_fP)[W_g+T_u] . ( 2.5 )

Далее в параграфе 2.6 аналогичным образом выводятся ВВХ централизованных баз данных, т.е. среднее время ответа на обращение к централизованной БД (2.6) и среднее время ответа на обновление в централизованной БД (2.7) -

T_aq = [c_g(1-P)+c_fP][T_qi+T_qo+2ф]+W_c+T_q , ( 2.6 )

T_au =P[T_ui+ф]+W_c+T_u , ( 2.7 )

где

W_c =

T_qi = W_i+S_q ,

W_i =

T_uo = + ,

с_i = [c_g(1-P)+c_fP]a_qS_q+Pa_uS_u ,

с_o = [c_g(1-P) + c_fP]a_qS_q .

Третья глава является продолжением исследования моделей централизованной и репликационной архитектуры, проведенного в главе 2, и начинается с качественного анализа двух математических моделей главы 2. В ходе этого анализа исследуется влияние на средние значения времени ответов на обращение и обновление от Р, c_g,c_f, частота загрузки данных для репликации в РБД и объем этих данных, отношение числа обращений к числу обновлений в БД.

В параграфе 3.2 производится исследование ВВХ третьей архитектуры - баз данных с частично репликационными базами данных. Анализ основан на определениях 2.4 и выражениях 2.1 и 2.2, благодаря которым становится возможен вывод формул для среднего времени ответа на обращение (T_pq) и на обновление (T_pu) частично репликационных баз данных, представленных в 3.1 и 3.2, соответственно.

(3.1)

T_pu = PT_ru+(1-P)(W_g+T_u) , (3.2 )

где

T_uo ,

T_qo=W_o+ S_q,

Т_ui = W_i+S_u,

T_rq =W_r+T_q,

,

,

с_g = (1-c_fP)a_qT_q+[(1-P)a_u+Pa_q/F_u]T_u,

с_r=[c_g(1-P)+c_fP+(1-c_f)P/M_q]a_qT_q+Pa_uT_u,

,

с_o = [c_g(1-P) + c_fP]a_qS_q .

Далее исследуются результаты вычислений ВВХ баз данных OSS/BSS. Чтобы обеспечить корректное сравнение вероятностно-временных характеристик архитектуры централизованной базы данных и баз данных с репликацией, нагрузка сервера с_c для централизованной базы данных принята равной 0.9 при разных значениях интенсивности потоков обращений и обновлений, создаваемых в центральном регионе и вне его, варьируемых в соответствии с другими параметрами. Для наглядности результатов в этом расчете принимается c_f=c_g. Кроме того, предполагается, что продолжительность обработки обращений и обновлений распределена экспоненциально со средними значениями T_q = 8 мс и T_u = 16 мс, соответственно. Если не будет указано иное, средняя длина сообщений обращения и обновления (а также ответа на обращение) равна 80 байтам.

Скорость передачи битов по каналу предполагается равной 64 Кбит/с в каждом направлении. Значения времени передачи по каналу сообщений обращения к базе данных, обновления и загружаемых записей предполагаются распределенными экспоненциально со средними значениями S_q=S_u=5 мс, и S_d=250 мс. Эти значения определяются также длинами сообщений, скоростью передачи по каналу, задержкой распространения сигнала.

Рис. 2. Время ответа на обращение при F_u=10

Рис. 3. Время ответа на обращение при F_u=10, Р=0.5 и Р=0.9

На основе результатов анализа вероятностно-временных характеристик показано, что выбор архитектуры БД OSS зависит от абсолютных величин и соотношения трафика обращений и трафика обновлений, доли запросов, генерированных за пределами данного региона.

Рис. 4. Время ответа на обращение при F_u=1, Р=0.5

Рис. 5. Время ответа на обращение при F_u=10 и различным Р=0.1, Р=0.5 и Р=0.9

Обнаружено, что для определенных диапазонов параметров трафика архитектура баз данных с репликацией обеспечивает значения времени ответа на запрос и реакции на обновление ниже, чем в архитектуре с централизованной базой данных.

На основании получившихся зависимостей предложена эволюционная «волнообразная» стратегия поэтапного внедрения сетевых баз данных OSS. Разумный подход к разработке сети баз данных OSS/BSS, основанный на архитектуре с применением репликационных баз данных, состоит в том, чтобы использовать постепенное развертывание репликационной архитектуры при возрастании трафика к базам данных, а начальная сеть может быть основана на централизованных базах данных. Затем, по мере развития OSS/BSS и увеличения трафика к базам данных, вместо того, чтобы добавлять другую центральную базу данных, разворачивается региональная база данных в том удаленном регионе, который создает наибольший межрегиональный трафик. По мере дальнейшего роста трафика к базам данных OSS/BSS регионы могут быть дополнительно разделены, и могут быть добавлены дополнительные региональные базы данных.

В четвертой главе аналитические модели полностью и частично репликационных и централизованной баз данных OSS/BSS проверяются на примерах внедрения технического учета и бюро ремонта в условиях Межрегиональной компании ОАО «Связьинвест».

Результаты исследований были применены для организации баз данных OSS/BSS в Межрегиональной компании ОАО «Связьинвест», а также в ряде проектных, научно-исследовательских и эксплуатационных предприятий связи. Акты о внедрении представлены в Приложении к диссертационной работе.