книги2 / монография 31

периодически обновляющиеся вследствие произошедших изменений топологии сети.

Реактивные (работающие по запросу), которые строят маршрут между двумя узлами только в случае необходимости передать информацию от узла-отправителя узлу-получателю.

Гибридные протоколы, которые используют сочетание проактивных и реактивных протоколов. Например, в сети, разбитой на несколько кластеров (подсетей), внутри кластеров используется проактивный протокол, а для обмена данными между кластерами применяется реактивный протокол маршрутизации.

Маршрутизация — это важная и сложная задача обеспечения эффективности работы ad-hoc сетей требуют отдельного исследования и в данной работе детально не рассматриваются.

6.4.Краткий обзор методов репликации данных в мобильных сетях

Втерминах распределенных систем (например, распределенных баз данных) репликация данных заключается в совместном и согласованном использовании таких избыточных ресурсов системы, как аппаратное, программное и информационное обеспечение. Использование репликации данных позволяет увеличить масштабируемость, доступность и производительность распределенных систем, а также сохранность используемых ими данных [53].

Однако, перечисленные выше особенности мобильных сетей не позволяют эффективно использовать традиционные методы репликации в этих мобильных средах. Для использования в мобильных средах предложено несколько специальных технологий репликации, учитывающих специфику организации и работы мобильных сетей.

Детальные обзоры различных методов репликации данных в ad hoc сетях можно найти, например, в [57, 59]. Кроме того, авторы в работе [59] разделили представленные в этой работе методы репликации в базах данных MANET на две группы в зависимости от учитываемых в этих методах операций (транзакций) с данными:

169

1)В первую группу отнесли методы репликации, поддерживающие только транзакции чтения. В данную группу авторы включили такие методы репликации, как, например SAF, DAFN и DCG.

2)Во вторую группу включены методы репликации, поддерживающие как транзакции чтения, так и транзакции записи данных. В эту группу включены такие методы репликации, как E- SAF +, E-DAFN+, E-DCG+, DRAM, CADRE, DREAM, ARROM и E- ARROM.

Ниже в данной работе дано краткое описание некоторых методов репликации данных в мобильных сетях. Более детально дано описание одного из подходов к решению важной задачи, возникающей при эксплуатации мобильных сетей – метода E-SAF.

6.4.1.Методы репликации, основанные на подсчете частоты доступа к данным

Многие авторы в своих работах предлагают алгоритмы репликации данных, основанные на учете частоты возникновения запросов к данным [58,59,62].

Например, в работе [62] дано краткое описание трех методов размещения реплик с целью повышения доступности данных в мобильной сети. Все три метода используют данные о частотах возникновения запросов к данным реплик.

SAF (Static Access Frequency) – метод, основанный на учете частоты возникновения запросов к данным, размещенным в мобильных узлах сети. При этом дополнительные реплики данных в сети создаются тогда, когда частота запросов к реплике в некотором сегменте сети начинает превышать заданный порог. В случае, когда частота запросов к экземпляру реплики становится меньше порога удаления, происходит удаление этой реплики в мобильном узле.

К достоинству метода можно отнести то, что реплики размещаются по узлам мобильной сети с небольшими накладными расходами. При этом в сети генерируется сравнительно низкий трафик служебных сообщений.

170

Недостаток метода заключается в том, что в случае большого количества мобильных узлов со схожими характеристиками метод не может обеспечить хорошую доступность данных.

DAFN (Dynamic Access Frequency and Neighborhood) - метод,

который в дополнение к учету частоты запросов на доступ к данным (аналогично методу SAF) анализирует и статус соседних узлов с репликами.

Этот метод разрешает ситуации, когда соседние узлы имеют дубликаты одних и тех же реплик. На первом этапе этот метод работает аналогично методу SAF. На втором этапе, при наличии дублирования реплик в соседних узлах, выбирается узел, имеющий наименьшую частоту доступа к данным реплик. Поскольку сеть мобильна, то состояние соседних узлов изменяется при их перемещении. Поэтому этот метод выполняется при каждом перемещении узлов.

Достоинством метода является то, что он обеспечивает доступность данных более высокую, чем метод SAF. Однако данный метод генерирует более высокий трафик и накладные расходы по сравнению с методом SAF. Причина заключается в том, что метод работает при каждом перемещении узлов, что вызывает обмен информацией и перемещение реплик.

DCG (Dynamic Connectivity based Grouping). В данном методе помимо частоты доступа к данным реплик учитывается и топология самой сети. При этом анализируется статус узлов с репликами в большей группе мобильных узлов, а не только соседних узлов, как это делается в методе DAFN.

Достоинство метода заключается в том, что он обеспечивает более высокую доступность данных по сравнению с первыми двумя методами. Недостаток метода заключается в том, что он работает в три этапа, поэтому генерируется больше трафика и времени на перемещение реплик, соответственно растут и накладные расходы.

В работе [63] представлены три метода размещения реплик в мобильных сетях E-SAF, E-DAFN и E-DCG. Эти методы являются дальнейшим развитием рассмотренных выше трех методов размещения реплик (SAF, DAFN, DCG). Данные модифицированные

171

методы при определении нового распределения реплик учитывают возможность периодического обновления данных реплик.

6.4.2. Другие методы репликации

В работах многих авторов в разное время были предложены и другие методы репликации, основанные на различных принципах. Ниже перечислены только некоторые из них, без деталей реализации. Детальное описание методов можно найти в цитируемых источниках.

­Метод, основанный на операции Pre-Write [64,65].

­Методы, основанные на учете стоимости доступа к данным

(Access-cost based methods) [66,67].

­Методы, использующие информацию о клиенте (профиль клиента) [68].

­Активный метод, ориентированный на пользователя (User centered active method)[69].

­Внутригрупповой метод (Intra-group method) [70].

­Методы репликации в Grid сетях [71].

6.4.3.Метод E-SAF распределения реплик по узлам мобильной сети

В качестве примера рассмотрим более детально метод E-SAF размещения реплик по узлам мобильной ad hoc сети для повышения уровня доступности данных. Этот метод представляет собой модификацию метода SAF, краткое описание которого приведено выше [62,63]. Модифицированный метод в отличие от оригинального метода SAF учитывает возможность модификации данных в репликах. В формальной модели метода E-SAF предполагается, что изменение данных происходит периодически. Каждый мобильный узел может создавать реплики массивов данных и хранит реплики в своей локальной памяти.

Предположим, что мобильная сеть состоит из m мобильных узлов. Каждый узел имеет идентификатор (1 ≤ ≤ ).

172

Тогда = { 1, 2, … , } – это множество мобильных узлов. Каждый мобильный узел может перемещаться без каких-либо ограничений.

Данные хранятся и обрабатываются в мобильных узлах в виде массивов данных, каждому из которых присвоен уникальный идентификатор вида (1 ≤ ≤ ). Множество всех массивов данных обозначим как = { 1, 2, … , }. Предполагается, что все массивы данных одинакового размера, а оригинал каждого из массива хранится в конкретном мобильном узле. Мобильные узлы имеют память для хранения C реплик массивов данных. Кроме того, каждый узел хранит оригиналы массивов данных, владельцем которых он является. Массивы данных могут периодически изменяться, но только в узлах, где хранятся их оригиналы.

Рассматриваемый метод предназначен для поиска такого распределения реплик, который обеспечивает максимальную доступность данных с учетом таких параметров функционирования мобильной сети, как:

­частота обращений к каждому массиву данных из каждого узла сети,

­периоды обновления массивов данных,

­вероятность подключения мобильного узла к сети и вероятность отключения узла от сети,

­вероятность разрыва связи между двумя соседними узлами,

­вероятность восстановления связи между двумя соседними узлами.

Вычислительная сложность задачи поиска оптимального распределения реплик при сделанных предположениях велика, поэтому для упрощения сложности задачи используются следующие эвристики:

Реплики перемещаются в специальный период времени (период передислокации).

В каждом периоде передислокации новое местоположение реплик определяется исходя из следующих параметров сети: частота обращений к массивам данных из узлов сети, время до обновления каждого массива данных, топология сети на момент передислокации реплик.

173

Рассматриваемый метод E-SAF основывается на использовании значения величины , которая определяется как среднее число обращений из узла к массиву данных до момента очередного обновления этого массива. Величина PT рассчитывается по формуле

= ( − ), где:

– вероятность возникновения в узле запроса к массиву данных за единицу времени,

– время, оставшееся до следующего обновления массива данных ,

– длительность периода обновления массива ,

– равно времени, прошедшему с момента обновления массива в последнем периоде обновления.

Таким образом, передислокация реплик с большим значением величины PT увеличивает доступность данных.

Согласно методу E-SAF в течение периода передислокации каждый мобильный узел распределяет C реплик массивов данных в порядке убывания значения PT. В период передислокации мобильный узел может не иметь связи с другим узлом, который имеет в своей памяти оригинал массива данных или его актуальную реплику. В этом случае в памяти мобильного узла временно остается одна из реплик, которая была размещена в этом узле в предыдущем периоде передислокации и не отобрана для текущей передислокации.

Рассмотрим работу метода E-SAF на примере мобильной сети небольшого размера с ограниченным количеством массивов данных

[63].

Имеется мобильная сеть из 6-ти узлов = {1, 2, … , 6}. В этих узлах размещено 6 оригиналов массивов данных = {1, 2, … , 6}.

В таблице 6.1 приведены для каждого узла частоты возникновения запросов к каждому из 6-ти массивов данных. Для каждого массива данных в таблице также приведено значение – времени, оставшегося до следующего обновления массива данных

.

174

Таблица 6.1. Параметры узлов мобильной сети

Топология мобильной сети из 6 узлов на момент передислокации представлена на рисунке 6.5.

Рис. 6.5. Топология мобильной сети

В результате работы рассматриваемого алгоритма при C=3 получено распределение реплик и оригиналов массивов данных, представленное в таблице 6.2. Оригинал каждого массива размещен только в одном узле, в то время как его реплики размещаются в нескольких узлах сети.

Таблица 6.2. Распределение реплик и оригиналов массивов данных

Номера массивов данных и их реплик, размещенные в узлах сети

175

Так как согласно методу E-SAF каждый мобильный узел распределяет реплики только на основе значений величины PT для массивов данных, то мобильные узлы, имеющие одинаковые характеристиками доступа к данным, выбирают для размещения одни и те же реплики.

Поэтому метод E-SAF также, как и оригинальный метод SAF обеспечивает низкую доступность данных, когда многие мобильные узлы имеют одинаковые или сходные характеристики доступа

С другой стороны, поскольку распределение реплик производится только на основе значений PT и других данных о состоянии узлов все сети не требуется, и узлы не нуждаются в обмене информацией друг с другом, то распределение реплик выполняется с низкими накладными расходами и небольшим трафиком.

6.5.Эвристический метод распределения реплик в ad hoc сети MANET

Предлагаемый в данном параграфе оригинальный эвристический метод и алгоритм распределения реплик элементов данных по узлам мобильной сети MANET предназначен для обеспечения максимальной доступности и сохранности данных, используемых пользователями сети.

Основные особенности предлагаемого метода распределения реплик

Предлагаемый метод и эвристический алгоритм основаны на учете таких параметров мобильной сети, как:

­топология сети,

­частота обращений узлов сети к каждому элементу данных,

­вероятность отказа каналов связи между узлами сети,

­объем памяти каждого узла, выделенный для хранения элементов данных и их реплик.

Вычислительная сложность задач поиска оптимального распределения реплик значительна, поэтому для уменьшения сложности задачи в предлагаемом методе распределения реплик используются следующие эвристики:

176

­Реплики элементов данных перемещаются через определенные интервалы времени переменной длительности (интервалы передислокации реплик).

­Расчет длительности интервала передислокации реплик ведется автономно в каждом узле сети.

Для каждого нового включенного в сеть узла начальное значение интервала принимается равным значению соответствующего параметра, величина которого задается администратором сети.

Величина интервала в каждом узле рассчитывается сразу после окончания работы алгоритма передислокации. При этом текущее значение интервала уменьшается (умножается на коэффициент K1, меньший единицы), если произошло любое изменение в составе хранящихся в этом узле элементов данных (добавление, удаление). Если никаких изменений не произошло, то текущее значение интервала увеличивается (умножается на коэффициент K2, больший единицы).

Значения коэффициентов K1, K2 устанавливается администратором сети.

­Передислокация реплик элементов данных происходит в начале каждого очередного интервала в каждом узле сети.

­Новое местоположение реплик определяется с учетом следующих параметров мобильной сети: частота обращений к элементам данных из узлов сети, топология сети на момент передислокации реплик, текущее распределение реплик элементов данных по узлам сети.

­Алгоритм передислокации реплик работает в каждом узле сети независимо от других узлов сети.

Данный метод обладает следующими существенными особенностями.

­Предлагаемый метод не использует центральный узелсервер для определения того, как должны распределяться реплики. Эта задача решается автономно самими мобильными узлами.

­Решение о репликации данных в узлах сети принимается на основе учета потребностей каждого из узлов сети в тех или иных данных.

177

­Момент времени для запуска алгоритма передислокации определяется в каждом узле сети независимо от остальных узлов сети. Это означает, что алгоритм передислокации реплик выполняется в разное время и в разных узлах сети, что существенно снижает вероятность возникновения пиковых нагрузок на каналы связи сети.

­Предлагаемый метод обеспечивает приоритет репликации данных узлов сети в соответствии с потребностями каждого отдельного узла в этих данных, т.е. предпочтение для размещения реплик в узлах сети получают наиболее часто используемые элементы данных.

Предполагается, что узлы сети обмениваются сообщениями с небольшими объемами данных, такими, например, как запросы доступа к данным, информация о частоте запросов и т. д. Запрос на доступ к данным передается в адрес других узлов только в случае, если сам узел не хранит в своей памяти необходимые данные. Запрос на доступ к данным считается успешным, если запрашивающий узел получает ответ от другого узла сети.

Предполагается, что для маршрутизации сообщений в сети используется один из проактивных протоколов маршрутизации (например, OLSR или OSPF MANET [72]), который использует для хранения построенных маршрутов локальные таблицы маршрутизации, размещенные в узлах сети. Каждый отдельный узел сети хранит в такой таблице маршруты для связи с остальными узлами сети. Маршруты перестраиваются в случае изменения топологии сети.

В памяти каждого узла могут храниться как оригинальные элементы данных (ОЭД), так и реплики оригинальных элементов данных (РЭД), хранящихся в других узлах сети. Для упрощения модели предполагаем, что все узлы сети имеют одинаковый объем памяти для хранения элементов данных и их реплик, и каждый элемент данных имеет ровно один узел – владелец оригинального элемента данных. Все остальные узлы могут хранить только реплики данного элемента данных.

Оригиналы новых элементов данных могут создаваться в любом узле сети при наличии в нем достаточного количества памяти.

178