Интегрированная система кэширования информации межвузовского медиацентра

Размещено на http://www.allbest.ru/

ИНТЕГРИРОВАННАЯ СИСТЕМА КЭШИРОВАНИЯ ИНФОРМАЦИИ МЕЖВУЗОВСКОГО МЕДИАЦЕНТРА

Долгих Д.Г.

In the article the aspects of the application of information caching systems during the construction of the contemporary complexes, which allow the services of access to the information-educational resources, are considered. The using of these systems increases the quality of the local and remote user's maintenance. The represented results are tested during the construction of the network of intercollegiate in the media center in Samara.

Введение

Качество работы сети напрямую зависит от способа и методов построения сетевой инфраструктуры. Конечные пользователи традиционно связывают качество работы сети со скоростью доставки запрошенных ресурсов. Организациям, предоставляющим как возможности доступа к собственным и удаленным ресурсам, так и доступ к собственным ресурсам для удаленных пользователей, приходится решать противоречивую проблему. С одной стороны, для повышения качества работы пользователей необходимо увеличивать производительность собственной сети и скорость подключения к внешним каналам, связывающим собственную сеть с глобальными. С другой стороны, необходимо помнить, что повышение скорости увеличивает затраты на оплату внешнего подключения.

Системы кэширования информации сохраняют результаты запросов пользователей в локальном хранилище - кэш-памяти. В случае совпадения запроса, последующие запросы обслуживаются из кэш-памяти. Таким образом, уменьшается задержка доставки информации пользователю, увеличивается скорость этой доставки и уменьшается нагрузка на внешние каналы. Применение систем кэширования позволяет ускорить доставку информации без увеличения пропускной способности внешних каналов.

Несмотря на это, вопрос установки системы кэширования не решается однозначно. Для принятия обоснованного решения необходимо проанализировать типичные потоки информации в сети организации и во внешнем канале. Для каждого потока необходимо оценить его кэшируемость. После этого можно рассчитать суммарный предполагаемый выигрыш в скорости доступа и уменьшение нагрузки на внешний канал и оценить затраты на поддержание самой системы кэширования. Следующей проблемой является выбор оптимальных параметров системы кэширования, которые позволят получить максимальный выигрыш от имеющихся аппаратных ресурсов. Таким образом, принятие решения о необходимости установки системы кэширования зависит от многих факторов и требует системного подхода.

Межвузовский медиацентр г. Самара, типичные потоки передачи информации

Межвузовский медиацентр г. Самары (ММЦ) был создан ведущими образовательными учреждениями г. Самары при поддержке правительства Самарской области и федерального бюджета. Одними из целей создания ММЦ являются: создание условий для полноценного доступа студентов и преподавателей образовательных учреждений к информационным ресурсам; предоставление информационных ресур-сов медиацентра образователь-ным учреждениям Самар-ского региона; информационная поддержка образо-ватель-ных структур высокими информационными технологиями с использованием методики дистанционного образования; проведение телеконференций, онлайновых обсуждений, дискуссий на базе медиацентра. Медиацентр предполагает предоставление доступа к внутренним, региональным и глобальным ресурсам. Специфика задач медиацентра позволяет сделать вывод, что предоставляемая и запрашиваемая информация будет медленно меняющейся.

Перечислим типичные потоки информации ММЦ и проанализируем их кэшируемость. К локальным потокам можно отнести следующие: поток доступа к базе данных библиотечной системы ИРБИС; поток доступа к общим файлам ММЦ; поток доступа к порталу ММЦ. Они представляют собой серию сессий, в течение которых файлы передаются с соответствующих серверов на клиентский компьютер. Эти потоки кэшируются средствами серверных операционных систем (ОС). Управлять этим процессом можно только косвенно. Средний период изменения файлов, передаваемых по этим потокам, составляет один месяц. Таким образом, этим файлы являются хорошими кандидатами на включение в систему кэширования, но ввиду того, что производительность серверов выше создаваемой нагрузки, организация дополнительного кэширования нецелесообразна.

К региональным и глобальным потокам относятся следующие: входящий поток интерактивного телевидения; входящий поток доступа к региональным серверам конференций; входящий поток доступа к региональным WWW-ресурсам; входящий поток доступа к глобальным WWW-ресурсам; исходящий поток доступа к порталу ММЦ; исходящий поток доступа к библиотечной системе, использующей Web-интерфейс - WebИРБИС; потоки региональных телеконференций. Как видим, наибольшее количество составляют потоки, основанные на протоколе HTTP (WWW-ресурсы). Их кэшируемость хорошо известна. Другим потоком, представляющим интерес, является поток интерактивного телевидения, однако его кэшируемость и технологии кэширования требуют дальнейшего изучения.

Методика определения необходимости мест установки и расчета параметров систем кэширования информации

В предыдущем разделе показано, что потоки доступа к WWW-ресурсам являются одним из главных потоков в сети медиацентра. При этом наиболее часто запрашиваемыми документами должны быть документы из подобных систем, которые можно отнести к медленно меняющимся.

Для объективного обоснования необходимости установки системы кэширования воспользуемся стоимостной оценкой. Выигрыш от использования системы кэширования можно определить как разницу между экономией от ее использования и затратами на ее установку и поддержание :

(1)

Заметим, что все переменные в выражении (1) являются функциями времени. Затраты на установку и поддержание складываются из первоначальных затрат на закупку оборудования, дискового пространства для организации кэш-памяти и т.п., и текущих расходов на зарплату сотрудников, обновление аппаратуры, ее ремонт и т.д. Заметим, что эти затраты зависят от размера кэш-памяти системы. Определим затраты как:

(2)

где - единовременные затраты на закупку оборудования, программного обеспечения и т.д.; - единовременные затраты на закупку кэш-памяти, зависящие от объема памяти в байтах ; - расходы на зарплату и обслуживание; - расходы на ремонт и плановую замену оборудования и кэш-памяти.

Экономия от использования кэш-системы определяется как:

(3)

где - стоимость получения информации; - средняя скорость входящего потока внешнего канала организации; - доля входящего потока, проходящего через кэш-систему; - эффективность кэш-системы по объему, зависящая от размера кэш-памяти. Заметим, что произведение скорости входящего потока организации на долю этого потока, проходящего через кэш-систему, представляет собой среднюю скорость входящего потока кэш-системы:

(4)

Для кэш-систем различают две величины эффективности. Первая - это эффективность по запросам, она определяется как отношение запросов, обслуженных из кэш-системы, по сравнению с общим количеством запросов и обозначается . Вторая - это эффективность по объему. Она определяется как отношение объема информации, переданной из кэш-памяти, к общему объему информации, переданной пользователям. Она обозначается . Зависимость между этими двумя эффективностями не является однозначной, но показано [1,2], что в большинстве случаев можно использовать следующее простое соотношение:

(5)

Аналитическая модель системы кэширования [1] позволяет определить максимальную производительность по запросам, используя выражение:

(6)

где - показатель распределения Зипфа; - доля кэшируемых документов; а также зависимость между объемом кэш-памяти и требуемой производительностью:

(7)

где - период изменения непопулярных документов.

Приведенные выражения позволяют рассчитать эффективность применения системы и сделать вывод о целесообразности ее инсталляции.

Использование аналитического метода определения целесообразности установки кэш-системы для ММЦ г. Самара

информация кэширование производительность

Для принятия решения о целесообразности установки кэш-системы для ММЦ был произведен расчет, а также вычислены параметры системы, при которых ее эффективность максимальна. Для расчета была использована собственная методика, основанная на аналитической модели системы кэширования, собственном опыте и результатах подобных исследований [1,2,3].

На первом этапе была вычислена максимально возможная производительность кэш-системы. Для ее вычисления необходимо задаться значениями для всех параметров, входящих в выражение (6). ММЦ по составу пользователей очень близок к СГАУ, это позволило использовать в качестве значений параметров значения, которые были получены экспериментально при проведении исследований кэш-системы СГАУ [2], а именно: , , дней. В этом случае максимальная теоретически возможная производительность равна:

Скорость внешнего подключения ММЦ составляет 10Мбит/с. Это позволяет оценить входящую скорость для кэш-системы как:

Мбит/с

График зависимости объема кэш-памяти от ее производительности представлен на рисунке 1.

Рисунок 1 - Зависимость производительности кэш-системы от размера кэш-памяти

Второй была оценена экономия от применения кэш-системы. Для этого удобно использовать размер ежемесячных платежей за внешний канал :

(8)

где - расчетный месяц.

Следующим шагом было определено выражение для затрат. Принято, что стоимость кэш-памяти линейно увеличивается с увеличением объема. Для вычисления стоимости ремонта и замены мы исходили из предположения, что вся память должна быть полностью обновлена в течение некоторого периода амортизации . В качестве значения для периода амортизации логично выбрать типичный срок гарантии на жесткие диски, которые чаще всего используются для организации кэш-памяти, т.е. 24 месяца. При этом удобно разбить стоимость ремонта и замены на равные части, расходуемые ежемесячно. Из опыта поддержки кэш-систем мы можем оценить суммарные затраты времени на обслуживание кэш-системы как 1/8 от рабочего времени системных администраторов, что дает сумму 4 тыс. рублей для коллектива из четырех человек со средней зарплатой 8 тыс. рублей в месяц. В результате выражение (2) можно записать как:

(9)

где - стоимость кэш-памяти за байт; - часть ежемесячной зарплаты, выплачиваемой обслуживающему персоналу за поддержание работы кэш-системы.

Принципиальными являются не сами абсолютные значения затрат и экономии, а лишь их скорости изменения со временем. Для обоих значений это множители, стоящие перед переменной времени. Запишем выражение для скорости изменения эффективности:

(10)

График этой функции представлен на рисунке 2а. Выражение (11) можно также записать относительно эффективности.

(11)

В этом случае результат вычислений представлен на рисунке 2б и показывает область значений производительности системы, для которых возможно получить выигрыш от ее использования.

Рисунок 2а,б - Зависимость скорости изменения эффективности от размера кэш-памяти и производительности системы кэширования

По результатам, полученным выше, мы определили, что требуемый размер кэш-памяти составляет около 850Гб. После этого были рассчитаны полные затраты на установку и поддержание системы и определен период окупаемости системы. Графики экономий и затрат для выбранного размера кэш-системы, приведены на рисунке 3. Из него видно, что окупаемость для нашего варианта составляет 20 месяцев. Такой период мы считаем приемлемым и, следовательно, было принято решение об инсталляции кэш-системы в сети ММЦ.

Рисунок 3 - Экономия и затраты от применения системы кэширования

Выводы

Проделанная работа показывает порядок действий, необходимых для принятия решения об установке системы кэширования и выборе ее параметров. Показано, что системы кэширования являются актуальным элементом сетевой информационной инфраструктуры и позволяют получать выигрыш в скорости доступа и уменьшать нагрузку на внешний канал. Важно отметить, что приведенные расчеты выполнены на основе аналитической модели системы кэширования, а результаты расчетов подтверждаются экспериментально. Описанная система может быть использована как отправная точка при проектировании подобных систем другими организациями.

Литература

1. Dolgikh D.G. Parameters of cache system based on a Zipf-like distribution / D.G. Dolgikh, A.M. Sukhov // Computer Networks. - 2001. - № 37(6). - p.711-716

2. Долгих Д.Г. Повышение эффективности внешних каналов / Д.Г. Долгих, А.М. Сухов // VIII конференция представителей региональных научно-образовательных сетей "RELARN 2001", Материалы конференции, Петрозаводск 2001, С. 29-35

3. Долгих Д.Г. Оптимизация систем кэширования трафика. Д.Г. Долгих, А.М. Сухов, Е.А. Симановский // Труды международной конференции Телематика 2003. - Санкт-Петербург: Редакционно-издательский отдел СПбГИТМиО, 2003

Размещено на Allbest.ru