Исследование и организация приоритетных режимов в сетевой распределенной вычислительной системе с архитектурой в виде облачного сервиса

Актуальность и цель. Объектом исследования является сетевой облачный сервис, построенный на основе реплицированной базы данных. Данные в распределенных вычислительных системах реплицируются в целях обеспечения надежности их хранения, для облегчения доступа к ним, а также для повышения производительности системы хранения данных. В этой связи актуальной и недостаточно полно исследованной является проблема анализа эффективности обработки запросов к реплицированным базам данных в сетевой облачной среде, и, в частности, проблема организации приоритетных очередей запросов на обновление копий баз данных (update requests) и запросов на поиск и чтение информации в базах данных (query requests). Целью настоящей работы является исследование и организация приоритетных режимов в сетевой распределенной вычислительной системе с архитектурой в виде облачного сервиса.

Материалы и методы. Исследование проведено на основе поведенческих моделей двух видов: модели на основе сетей Петри для описания и проверки правильности функционирования распределенной вычислительной системы с реплицированными базами данных, представленными в виде пула единиц ресурса с несколькими единицами, и модели на основе языка имитационного моделирования GPSS для приближенной оценки времени пребывания запросов каждого типа в очередях в зависимости от приоритета запросов.

Результаты. На основе двух методов имитационного моделирования проведен анализ функционирования облачной системы с репликами баз данных, в которой взаимодействуют две распределенные облачные вычислительные системы: MANET Cloud на основе беспроводной сети и Internet Cloud на основе сети Интернет. В совокупности базы данных являются основой облачного сервиса DBaaSoD – Data Bases as a Service on Demand (базы данных как сервис, организуемый по требованию пользователя). Для исследования данной системы построены модели двух классов. Модель на основе сети Петри предназначена для проверки моделируемого распределенного приложения на правильность функционирования. Обсуждаются решения по отображению сетей Петри на архитектуру компьютерных сетей. Имитационная статистическая модель используется для сравнения приоритетного и бесприоритетного режимов обслуживания query- и update-запросов по критерию среднего времени пребывания запросов в очередях.

Выводы. Модели системы на основе сетей Петри прошли проверку, которая показала их живость и безопасность, что позволяет от моделей переходить к построению формализованных спецификаций для сетевых приложений для сетевых облачных сервисов в распределенных вычислительных системах с реплицированными базами данных. Исследование GPSS-модели показало, что в случае приоритетного обслуживания update-запросов время ожидания для них сокращается примерно в 2 – 4 раза по сравнению с query-запросами в зависимости от интенсивности поступления query-запросов. При бесприоритетном режиме условия обслуживания update-запросов ухудшаются и время ожидания в очереди для них увеличивается примерно в 2 – 6 раз по сравнению с query-запросами в зависимости от интенсивности поступления query-запросов.

1. Antonopoulos N., Gillam L. (Eds). Cloud Computing. Principles, Systems and Applications. Springer. London, Dordrecht, New York, Heidelberg, 2010. 379 p.

2. Handbook of Cloud Computing / Furht B., Escalante A. (Eds). Springer. New York, Dordrecht, Heidelberg, London, 2010. 634 p.

3. Foster I., Zhao Y., Raicu I, Lu S. Cloud computing and grid computing 360-degree compared // Grid Computing Environments Workshop (GCE'08), 2008, pp. 1-10.

4. Apache CloudStack: Open Source Infrastructure as a Service Cloud Computing Platform / Kumar R., Jain K., Maharwal H., Jain N., Dadhich A. // International Journal of advancement in Engineering technology, Management and Applied Science (IJAETMAS). 2014. Vol. 1, is. 2. P. 111-116.

5. Foster I., Kesselman C., Nick J., Tuecke S. The Physiology of the Grid: An Open Grid Service Architecture for Distributed Systems Integration. 30 p. URL: https:// www.dcc.fc.up.pt/~ines/aulas/ 1314/CG/papers/physiology.pdf. Дата доступа: 10.10.2018.

6. Advances in Grid Computing / Edited by Zoran Constantinescu. Published by InTech, Janeza Trdine 9, 51000 Rijeka, Croatia, 2011. 272 p.

7. Демичев А. П., Ильин В. А., Крюков А. П. Введение в грид-технологии: препринт НИИЯФ МГУ 11/832. М., 2007. 87 с.

8. The Grid. Blueprint for a new computing infrastructure / Foster I., Kesselman C. (Eds). San Francisco: Morgan Kaufman, 1999. 677 p.

9. Cluster computing and applications / M. Baker, A. Apon, R. Buyya, H. Jin. In A. Kent & J. Williams (Eds). Encyclopedia of Computer Science and Technology, 2002, pp. 87-125.

10. Sadashiv N., Kumar S. M. D. Cluster, Grid and Cloud Computing: A Detailed Comparison // The 6th International Conference on Computer Science & Education (ICCSE 2011), August 3-5, 2011. SuperStar Virgo, Singapore, 2011, pp. 477-482.

11. Jaiswal U. C. Study and Applications of Cluster Grid and Cloud Computing // International Journal of Engineering Research and Development. 2012. Vol. 3, No. 1. P. 45-50. e-ISSN: 2278-067X, p-ISSN: 2278-800X.

12. Samah Mawia Ibrahim Omer, Amin Babiker A. Mustafa, Fatema Abdallah Elmahdi Alghali. Comparative study between Cluster, Grid, Utility, Cloud and Autonomic computing // IOSR Journal of Electrical and Electronics Engineering (IOSR-JEEE). 2014. Vol. 9, is. 6, Ver. III. P. 61-e-ISSN: 2278-1676, p-ISSN: 2320-3331.

13. Kahanwal B., Singh T. P. The Distributed Computing Paradigms: P2P, Grid, Cluster, Cloud, and Jungle // International Journal of Latest Research in Science and Technology. Vol. 1, is. 2, 2012, pp. 183-187. ISSN (Online): 2278-5299.

14. Jungle Computing: Distributed Supercomputing beyond Clusters, Grids, and Clouds / Frank J. Seinstra, Jason Maassen, Rob V. van Nieuwpoort, Niels Drost, Timo van Kessel, Ben van Werkhoven, Jacopo Urbani, Ceriel Jacobs, Thilo Kielmann, Henri E. Bal. Department of Computer Science, Vrije Universiteit, De Boelelaan 1081A, 1081 HV Amsterdam, The Netherlands, 2010, pp. 1-31.

15. Kumar R. Comparison between Cloud Computing, Grid Computing, Cluster Computing and Virtualization // International Journal of Modern Computer Science and Applications (IJMCSA). January, 2015. Vol. 3, is. 1. P. 42-47.

16. Chen Rui, Meng Xiao-jing. Modeling of UDP Hole Punching in P2P Network Using Petri Net // International Proceedings of Economics Development and Research. 2012. Vol. 49. P. 150-154.

17. Park H., Ratzin R. I., Schaar M. Peer-to-Peer Networks: Protocols, Cooperation and Competition // Source Title: Streaming Media Architectures, Techniques, and Applications: Recent Advances, 2011. 33 p.

18. Mittal G., Kesswani N., Goswami K. A Survey of Current Trends in Distributed, Grid and Cloud Computing // International Journal of Advanced Studies in Computer Science and Engineering (IJASCSE). 2013. Vol. 2, no. 3. P. 1-6.

19. Tanenbaum A. S., Maarten Van Steen. Distributed Systems: principles and paradigms. 2nd Edition. Pearson Education, Inc., 2007. 669 p.

20. Distributed and Cloud Computing From Parallel Processing to the Internet of Things / Kai Hwang, Geoffrey C. Fox, Jack J. Dongarra. Elsevier, 2012. 648 p.

21. Nicola R., Gorla D., Pugliese R. Global computing in a dynamic network of tuple spaces // Science of Computer Programming. 2007. № 6. P. 187–204.

22. Зинкин С. А., Мустафа Садек Джафар. Развитие информационно-коммуникационных инфраструктур распределенных вычислительных систем на основе кон цепции «Сеть – это компьютер» // Известия Юго-Западного государственного университета. 2018. Т. 22. №4 (79). С. 75-93. DOI: 10.21869/2223-1560-2018-22-4-75-93.

23. Asynchronous Replication Engines // Sombers Associates, Inc., and W. H. Highleyman. November 2006, pp. 1-6.

24. Alireza Souri, Ahmad Habibizad Navin. Consistency of Data Replication Protocols in Database Systems: A Review // International Journal on Information Theory (IJIT). 2014. Vol. 3, no.4. P. 19 – 32.

25. Saadat N., Rahmani A. M. PDDRA: A new pre-fetching based dynamic data replication algorithm in data grids // Future Generation Computer Systems, 2012. Vol. 28. P. 666-681.

26. Wu A.-H., Tan Z.-J., Wang W. // Annotation Based Query Answer over Inconsistent Database // Journal of Computer Science and Technology. 2010. Vol. 25. P. 469-481.

27. Mansouri N., Dastghaibyfard G. H., Mansouri E. // Combination of data replication and scheduling algorithm for improving data availability in Data Grids // Journal of Network and Computer Applications. 2013. Vol. 36. P. 711-722.

28. Mansouri N., Dastghaibyfard G. H. A dynamic replica management strategy in data grid // Journal of Network and Computer Applications. 2012. Vol. 35. P. 1297-1303.

29. Liao X., Jin H., Yu L. A novel data replication mechanism in P2P VoD system // Future Generation Computer Systems. 2012. Vol. 28. P. 930-939.

30. Chiu-Ching Tuan, Yi-Chao Wu. Grid Header Election by Predetermining in Mobile Ad-Hoc Networks // Journal of Applied Science and Engineering. 2012. Vol. 15, no. 1. P. 69-78.

31. Imran Ihsan, Muhammad Abdul Qadir, Nadeem Iftikhar. Mobile Ad-Hoc Service Grid – MASGRID // International Journal of Electrical, Robotics, Electronics and Communications Engineering. 2007. Vol. 1, no. 5. P. 778-781.

32. Bhaskaran R., Madheswaran M. Performance Analysis of Congestion Control in Mobile Ad-hoc Grid Layer // International Journal of Computer Applications. February, 2010. Vol. 1, no. 20. P. 102-110.

33. Li J., Khan S., Li Q. An efficient event delivery scheme in mobile ad hoc communities // Int. J. Communication Networks and Distributed Systems. 2013. Vol. 10, no. 1. P.25–39.

34. An Approach to Ad hoc Cloud Computing / Kirby G., Dearle A., Macdonald A., Fernandes A. // Distributed, Parallel, and Cluster Computing. 2010. P. 1-6.

35. Forouzan B. A. TCP/IP Protocol Suite. McGraw-Hill, 2009. 1024 p.

36. OddCI: On-Demand Distributed Computing Infrastructure / Costa R., Brasileiro F., Filho G. L., Sousa D. M. // Proceedings of the 2nd Workshop on Many-Task Computing on Grids and Supercomputers (MTAGS'09), November 16th, 2009, Portland, Oregon, USA, Association for Computing Machinery, 2009, pp. 1-10.

37. Mustafa Sadeq Jaafar, Zinkin S. A., Pashchenko D. V. Reconfigurable network models for distributed computing systems // Proceedings of the Fourteenth International Conference of Science and Technology “New Information Technologies and Systems” (NITIS-2017). Penza, Russia, November 22-24, 2017. P. 92-104.

38. Mustafa Sadeq Jaafar, Zinkin S. A. The Implementation of Global Computing Through the Mapping of Object-Oriented Petri Nets into the Architecture of Distributed Computing Systems // Proceedings of the Fourteenth International Conference of Science and Technology “New Information Technologies and Systems” (NITIS-2017). Penza, Russsia, November 22-24, 2017. P. 105-116.

39. GPSS World Reference Manual. URL: http://www.minutemansoftware.com/ reference/ reference_manual.htm. Дата доступа 10.10.2018.

40. PIPE2: Platform Independent Petri net Editor 2. URL: http://pipe2.sourceforge.net. Дата доступа 10.10.2018.

41. Интеграция методов концептуального и поведенческого моделирования дискретно-событийных систем: I. Синтез и анализ концептуальной модели / Мустафа Садек Джафар, С. А. Зинкин, Д. В. Пащенко, У. Н. Пучкова // Кибернетика и программирование. 2016. № 6. С. 83-95.

42. Интеграция методов концептуального и поведенческого моделирования дискретно-событийных систем: II. Логико-алгебраические операционные модели и инфокоммуникационные технологии / Мустафа Садек Джафар, С. А. Зинкин, Д. В. Пащенко, У. Н. Пучкова // Кибернетика и программирование. 2017. № 1. С. 75-93.