CC BY
60
УДК 004.75
05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)”
Афанасьев Вадим Владимирович
Государственное казенное образовательное учреждение высшего профессионального образования Академия Федеральной службы охраны Российской Федерации
(Академия ФСО России) Россия, Орел E-Mail: affa@mail.ru
Лебеденко Евгений Викторович
Государственное казенное образовательное учреждение высшего профессионального образования Академия Федеральной службы охраны Российской Федерации
(Академия ФСО России) Россия, Орел Кандидат технических наук E-Mail: lebedenko_eugene@mail.ru
Использование графо-аналитических моделей для представления процесса формирования глобальной схемы мультибазы данных с учетом этапов ее реструктуризации
Аннотация: В статье обосновывается использование в корпоративных
автоматизированных системах управления производством распределенных баз данных особого типа - мультибаз данных с глобальной схемой. Описывается проблема, заключающаяся в независимости функционирования отдельных подсистем таких распределенных автоматизированных систем управления производством, с одной стороны, и обеспечение их интеграции для реализации динамически изменяемого производственного процесса - с другой. Поясняется влияние процесса реструктуризации узлов мультибазы данных на эффективность ее работы. Обосновывается выбор представления глобальной схемы мультибазы данных в виде гиперграфа. Определяется система предикатных ограничений, позволяющая корректно представить глобальную схему мультибазы данных средствами аппарата гиперграфов. Указанные предикатные ограничения позволяют ввести шаблоны ориентированных графов, моделирующих структуру информационно-логических моделей узлов мультибазы данных. Вводится понятие схемы реструктуризации, как подграфа модели данных уровня информационно-логической модели, описывающей изменения глобальной схемы мультибазы данных в моменты реструктуризации информационнологических моделей ее узлов. Предлагается графо-аналитическая модель процесса формирования глобальной схемы мультибазы данных с учетом реструктуризации информационно-логических моделей в локальных базах данных ее узлов. Выделяются типовые задачи, подлежащие решению для достижения актуального состояния глобальной схемы мультибазы данных.
Ключевые слова: Мультибаза данных; глобальная схема; реструктуризация;
гиперграф; графовое представление глобальной схемы; графо-аналитическая модель.
Идентификационный номер статьи в журнале 59TVN613
Vadim Afanasyev
The Academy of the Federal Guard Service of the Russian Federation
Russia, Orel E-Mail: affa@mail.ru
Evgeny Lebedenko
The Academy of the Federal Guard Service of the Russian Federation
Russia, Orel E-Mail: lebedenko_eugene@mail.ru
Using the graph-analytical models for representation of the global scheme multidatabase formations in view of its stages of restructuring
Abstract: The article explains the use of multidatabase with a global scheme in automated systems of enterprise production management. Describes a problem in the functioning of the independence of the individual subsystems of the distributed automated production management systems and ensuring their integration for the implementation of dynamically change the production process. Explains the impact of the restructuring process nodes multidatabase on the effectiveness of its work. The choice of the representation of the multidatabase global scheme in the form of Hypergraph. Determine the system of predicate restrictions, allowing to correctly introduce the global scheme of multidatabase by means of apparatus of hypergraphs. The specified predicate restrictions allow you to enter the oriented graph templates modeling the structure of information-logical models nodes of the multidatabase. Introduces the concept of a restructuring scheme, as a subgraph of the information-logical model level describes the changes of the multidatabase global scheme in moments of restructuring. Offers graph-analytical model of multidatabase global scheme process formation taking into account the restructuring of information-logical models in local databases its nodes. Stand out common tasks that must be addressed to achieve the actual state of the global scheme of multidatabase.
Keywords: Multidatabase; global scheme; restructuring; hyper-graph; graph representation of a global scheme; graphical-analytical model.
Identification number of article 59TVN613
Введение
Постоянное совершенствование глобальной сетевой инфраструктуры и технологий распределенных вычислительных систем способствуют активному развитию децентрализованных автоматизированных информационных систем и созданию на их основе корпоративных распределенных автоматизированных систем управления производством (РАСУП).
В основе таких РАСУП, как правило, лежат распределенные базы данных (РБД), обеспечивающие решение задач интеграции данных, размещенных в рамках инфраструктуры РАСУП и обработку множества запросов к ним. В общем случае под РБД (DDB - distributed database) понимается совокупность логически взаимосвязанных локальных баз данных, распределенных в компьютерной сети [1]. Каждая из локальных баз данных располагается в отдельном узле компьютерной сети. При этом предполагается, что узлы работают согласованно, поэтому пользователь РБД может получить доступ к данным на любом узле сети так, как будто все данные находятся на его собственном узле. Важной архитектурной особенностью РБД является слабая связанность вычислительных систем, поддерживающих компоненты базы данных.
В своей работе [2] К. Дейт сформулировал ряд принципов организации РБД, определяющих их архитектурные и функциональные особенности.
Такими особенностями РБД являются:
1. Поддержка модели распределенных данных, на основе некоторого структурного формализма (например, реляционного). Это отличает РБД от распределенных файловых систем.
2. Наличие единого метода доступа к распределенным данным, поддерживающего единый интерфейс высокого уровня.
3. Поддержка функциональной полноты системы управления базой данных (СУБД) - реализация функций структурной организации данных, поддержки формирования и обработки запросов, Обработка транзакций является одной из функций систем управления РБД, наряду с функциями, а также.
4. Прозрачность распределения данных по множеству узлов коммуникационной сети.
Исходя из упомянутых особенностей, РБД можно разделить на два класса:
1. Ориентированные на обеспечение независимости хранимых данных и процедур доступа к ним от конкретных реализаций сетевой среды, операционных система и локальных СУБД, расположенных в узлах РБД.
2. Ориентированные на поддержание таких характеристик РБД, как целостность данных, их безопасность и оптимальная (по требуемым показателям) обработка распределенных запросов.
Между тем, практика формирования крупномасштабных корпоративных РАСУП показывает, что инфраструктура распределенных информационных систем (РИС) в них формируется путем интеграции разнородных информационных систем, функционирующих в составе предприятий, являющихся составной частью интегрированного производственного процесса [3].
В условиях динамично изменяющихся потребностей рынка такое интегрированное производство зачастую требует не только оперативного изменения хранящихся в узлах РИС
данных, но и самой модели данных, связанной с динамической модификацией предметной области, на основе которой формируется база данных (БД).
Использование РБД, поддерживающей единую информационную модель всей предметной области интегрированного производства, является нецелесообразным. Наиболее распространенным подходом организации системы хранения данных в подобных условиях является технология мультибаз данных (МБД) - совокупности локальных БД в узлах РИС, каждая из которых поддерживает собственную, специфическую для данного узла, информационную модель предметной области. Такая совокупность интегрирует локальные БД узла РИС в рамках единой структуры, именуемой глобальной схемой (ГС) [3,4].
Проблема реструктуризации мультибазы данных
Применение в корпоративных РАСУП технологии МБД с глобальной схемой позволяет отчасти добиться компромисса между независимым функционированием отдельных подсистем такой РАСУП и обеспечением их интеграции для реализации динамически изменяемого производственного процесса. В частности, благодаря использованию МБД появляется возможность расширения функциональности локальной информационной системы или изменения модели предметной области, без оказания существенного влияния на функционирование остальных узлов РИС.
Тем не менее, выполнение подобной локальной реструктуризации данных в узлах МБД требует постоянной корректировки и согласования глобальной схемы МБД - интеграционной основы РИС. В условиях, когда моменты локальной реструктуризации являются относительно редкими, корректировка глобальной схемы МБД может быть реализована организационными мерами - путем согласования структуры глобальной схемы совокупностью действий администраторов локальных БД РИС. Однако с повышением частоты моментов реструктуризации, связанных, например, с динамически изменяемым производственным циклом, требующим существенного изменения информационных моделей предметных областей локальных БД или даже включения в состав РИС новых функциональных узлов, качественное согласование глобальной схемы МБД, обеспечивающее поддержание ее актуального состояния, становится проблематичным.
Изменения глобальной схемы МБД могут происходить на двух уровнях. На первом уровне происходят изменения в структуре узлов МБД. Они обусловлены изменениями информационного процесса корпорации и приводят к корректировке номенклатуры участников информационного процесса - некоторые узлы удаляются, другие узлы добавляются. Такую работу возможно провести только средствами взаимодействия администраторов, поскольку необходимо не только включить узел в глобальную схему МБД, но и в соответствие с логикой информационного процесса организовать информационное взаимодействие между фрагментами данных добавляемого узла и остальных узлов МБД. На втором, более низком уровне, происходят структурные изменения в узлах МБД ы -изменяется номенклатура и структура таблиц локальной БД узла МБД, конфигурация функциональных связей между таблицами локальных БД, структура размещения фрагментов данных. Причем изменения такого рода могут возникать достаточно часто, и при большом количестве узлов средств административного управления МБД очевидно станет недостаточно для поддержания её глобальной схемы в актуальном состоянии.
Пусть исследуемая мультибаза данных функционирует в коммуникационной системе, состоящей из множества узлов У = = 1,т|, соединенных множеством каналов передачи
В результате выполнения требований информационного процесса мультибаза
представлена множеством фрагментов данных Ф = ^ | i = 1,п|, распределенных по
множеству Y. При этом предполагается, что обобщенная информационно-логическая модель (ИЛМ) МБД не является простым объединением ИЛМ локальных БД в узлах множества Y, а определяется глобальной схемой распределения множества Ф.
Представление глобальной схемы мультибазы данных при помощи гиперграфа
Существует несколько подходов формального представления глобальной схемы, предназначенных для решения различных задач, связанных с оптимизацией процесса информационного обмена в рамках РИС, базирующихся на МБД [5,6].
Поскольку в общем случае структура ГС МБД является вложенной иерархией информационно-логических моделей локальных баз данных (ИЛМ ЛБД), входящих в состав МБД и моделей физического уровня каждой ЛБД, представленных множествами таблиц в ЛБД и связей между ними [7], выдвинем гипотезу о возможности задания ГС МБД, представляемой схемой данных реляционной БД, в виде ориентированного графа без петель.
В обобщенном виде такой граф представлен на рисунке 1.
Рис. 1. Обобщенное представление ГС МБД в виде ориентированного графа без петель
В [7] показано, что средствами теории графов можно моделировать различные структуры, в том числе глобальные схемы мультибаз данных.
Глобальная схема мультибазы описывается гиперграфом Gh(X,U), где X = {хі | і = 1,і}
- множество вершин гиперграфа (узлов мультибазы), И = {um (Ym)}, m = 1,М - множество ребер гиперграфа, ит (Ут) - m-е ребро гиперграфа, Ym - множество вершин, инцидентных m-му ребру Ут ^ X, Ут = {хк }, к є Кт, Кт ^ 1,1. Причем ребра гиперграфа U определяют логическую связь между узлами мультибазы. При этом если два вершины хі и ^ графа
Gh(X, Ц) соединены дугой 1( хі , ^), то это означает что при изменении узла хі возможно
необходимо изменение узла х .
Введем ограничения:
1. Гиперграф не будет иметь смежных ребер, если выполняется ограничение
01: Vum(Ут)є И т є1,М ^
пЗип(Уп)є И . п є 1,М; т ^ п; Ут Уп ^ 0.
2. Определенный набор вершин У с X инцидентен определенному набору ребер И'с И, причем нет вершин, принадлежащих, Y инцидентных ребрам другого набора вершин.
02 : ЗИ' ={ир (Ур )}с И;Ур с X; р є Р с 1М ^
—Зип(Уп)й И'; п є 1,М; п ф р; Уп с X; Уп пУр ф 0.
3. Гиперграф не будет иметь кратных ребер, если выполняется ограничение
03 : Vum (ут )є И; т є 1,М ^
В свою очередь база данных узла МБД определена ИЛМ, заданной простым ориентированным графом Gs(E,R) , где Е = {єі | і = 1,і} - множество вершин графа Gs
(сущностей, входящих в состав ИЛМ), R = {гт(еі,еі)}, т = 1,М, і = 1,1, ] = 1,1 - множество
ребер графа Gs (связей между сущностями).
Введем ограничения:
4. Граф не будет иметь петель (ребер, соединяющих вершину саму с собой), если выполняется ограничение
О4 : -іЗгт(ек,Єк) є R; т = 1,М; к = 1,1.
5. Граф не будет мультиграфом, если выполняется ограничение
05 : Vrm(еі,еі)є ^ т = 1,М; і є 1,1; ]є1,І; ^
—Зі](еі,ер є R; 1 ф т; 1 є1,М.
6. Вершина-приемник связана только с одной вершиной-источником (ограничения на число связей нет)
06: Vrm(еі,е1)є R; т = 1,М; і є 1,1; ]є1,І; ^
—Згп(ек,ер є R; т ф п; і ф к; п є1,М; к є 1,1.
Указанные предикатные ограничения позволяют ввести шаблоны ориентированных графов, моделирующих структуру ИЛМ БД узла мультибазы данных (рис. 2).
G(X, U, О, Л О,)
Рис. 2. Шаблоны ориентированных графов, моделирующих структуру ИЛМ БД узла МБД
На физическом уровне ЛБД может быть определена графом реляционного представления данных Gph(Vph,Eph) , где
Vph = {t1,t2,..., tpn},pn е N - множество таблиц, представленных множеством полей Fields(t) = {ft,0,ft,1,.,ft,nt};
Eph = {rbr2,..., rpm},pm е N - множество связей между таблицами. При этом местоположение конкретных данных в каждой таблице определяется как
O(t,place),t е Vph,place е Place, Place = {db,pk} (1)
где db - база данных, описываемая глобальной схемой, pk - копия данных, описываемая схемой реструктуризации
На графе Gl можно определить следующие модели отношений сущностей: один ко многим (1:М), многие к одному (М:1) и многие ко многим (М:М).
Опишем соотношения вершин и дуг графа логической модели и элементов графа физической модели.
Определим главную таблицу (master table - MT) сущности ep, как:
MT(e) = t,e е Vj,t е Vph,
а множество ее справочников, как
S(e),e е Vj
Поскольку любой вершине графа ИЛМ ЛБД (сущности) соответствует множество таблиц на физическом уровне, состоящее из главной таблицы и таблиц-справочников, отношения 1:М и М:1 определяются как
(Ve е Vj)(3Te с Vph) :Te = MT(e) u S(e)
(2)
Для определения отношений М:М в [8] обосновывается необходимость введения промежуточной (ассоциативной) таблицы (middle table - Mid). Ей будет соответствовать функция:
Mid(r = (el,e2)) =
tm,(e2,el) є El 0,(e2,el) ^ El
(3)
а сами отношения определяются как (Уг = (ех,е2) е Еьех,е2 е У1)(ЗЕГ с ЕрЬ):
Ег = {(М2) е ЕрИ I г1,г2 е ^ь*1 = мт(е1),12 = МТ(е2ХМ1ё(г) = 0} V (4)
V {(11,1ш) е Eph, (12,1ш) е ЕрЬ 1 ^^ш е Vph, ^ = МТ(el), 12 = МТ(e2), V = ма(г) ф 0}
Тогда, из определенных в выражениях (1-4) отношений сущностей, множество всех вершин графа ЛБД на физическом уровне можно определить, как
Vph =
f Y
U MT(e) u S(e) u U Mid(e,d)
єєУ, йєу,
^(e^El J_
(5)
Очевидно, что в каждый момент реструктуризации одной и более ИЛМ ЛБД узлов, входящих в состав МБД, структура графа ГС МБД, представленная выше, требует модификации путем изменения структуры подграфов ИЛМ ЛБД узлов на уровне ИЛМ или на физическом уровне, причем такой, чтобы время обработки распределенного БОЬ-запроса, в состав которого входят реструктурируемые ИЛМ ЛБД узлов, будет минимальным.
Благодаря переходу к графовому представлению модели данных ГС МБД, решение этой задачи возможно численными методами, относящимися к классу задач динамического программирования (алгоритмы Флойда-Уоршалла, Беллмана-Форда) [9,10].
>
Г рафо-аналитическая модель процесса формирования глобальной схемы мультибазы данных с учетом этапов ее реструктуризации
Введем понятие схемы реструктуризации (СР) - подграф модели данных уровня ИЛМ, описывающей изменения ГС МБД в моменты реструктуризации моделей данных ИЛМ ее узлов.
Исходя из графового представления ГС МБД, СР можно задать графом Grs(Vrs, Ers),
где
Vrs = (ei,..., en) с Vj,n е N,n < p - множество сущностей, входящих в состав СР;
Ers = El\{r = (ej,ek) е Ellej е Vi\VrS v ek е Vi\VrS}, ri = (ej,ek),i = i.m; ej,ek е Vrs -множество связей между сущностями СР.
Определим также понятие корневых (root) сущности estart е Vsc и объекта
ostart е O(estart) •
Тогда, для имеющейся в каждый момент реструктуризации СР, в локальной БД (ЛБД) узлов необходимо:
1. создать копию данных - подграф модели данных узла ЛБД, подвергшегося реструктуризации (задача 1);
2. передать созданную копию данных на узел МБД, поддерживающий ГС (задача 2);
3. восстановить на узле МБД, поддерживающем ГС, модель данных СР, учитывая множество полученных копий данных (задача 3).
Первую задачу предлагается решать с использованием алгоритма рекурсивного обхода графа СР в глубину [9] - алгоритм Аі (рисунок 3).
Исходными данными для его выполнения являются значения е8Іаг1 є У8С и є 0(е8Іаг1), а результатом работы будет подграф копии данных (рк) Орк(Урк,Ерк), множество вершин в котором определяются как
Исключим из рассмотрения особенности процесса передачи рк на узел МБД, поддерживающий ГС, считая их идеальными (задача 2).
Тогда для решения задачи 3 возможно использование алгоритма попарного сравнения строк множеств Ури и Урк - алгоритм А2 (рисунок 3).
Очевидно, что в случае совпадения результатов сравнения (соответствует отсутствию изменений в данной ветви подграфа) достаточно выполнить обновление значений атрибутов, в противном случае (соответствует наличию изменений в данной ветви подграфа) требуется добавить объект 0(1, рк) в подмножество объектов 0(1, ёЬ).
Таким образом, в моменты реструктуризации моделей данных ЛБД некоторого подмножества узлов МБД над графом ГС, представленным подграфом СР, итерационно выполняются алгоритмы Аі и А2. Число итераций при этом соответствует данному подмножеству узлов МБД (рисунок 3).
Рис. 3. Наглядное представление графо-аналитической модели процесса формирования глобальной схемы мультибазы данных с учетом этапов ее реструктуризации
(6)
Ат - алгоритм создания копии данных по заданному графу
СР
А2 - алгоритм восстановления данных при реструктуризации
Заключение
Процесс учета динамики реструктуризации моделей данных в локальных БД узлов мультибазы данных требует формализованного представления глобальной схемы, позволяющего производить над ней операции модификации, приводящие к формированию ее актуального (на момент выполнения реструктуризации) представления.
В статье обосновывается выбор графового представления глобальной схемы, а также представляется графо-аналитическая модель процесса ее формирования с учетом реструктуризации моделей данных в ЛБД узлов, составляющих мультибазу данных.
ЛИТЕРАТУРА
1. Оззу, М.Т., Валдуриз П. Pаспределенные и параллельные системы баз данных// СУБД. - 1996. - № 4. - С. 4 - 26.
2. Дейт, К. Дж. Введение в системы баз данных, 8-е изд. : Пер. с англ. - Москва : Издательский дом "Вильямс", 2003. - 1072 с. : ил.
3. Черняк, Л. Интеграция данных: синтаксис и семантика // Открытые системы. -
2009. - № 10. [Электронный ресурс]. - Pежим доступа
http://www.osp.ru/os/2009/10/11170978/
4. Саймон, А. P. Стратегические технологии баз данных: менеджмент на 2000 год; Пер. с англ./Под ред. и с предисл. МР. Когаловского. - Москва : Финансы и статистика, 1999. - 479 с: ил.
5. Когаловский, М. P. Перспективные технологии информационных систем. -Москва: ДМК Пресс; Компания АйТи, 2003. - 288 с.
6. Шаша, Д., Бонне Ф. Оптимизация баз данных: принципы, практика, решение проблем. - Москва: КУДИЦ-ОБPAЗ, 2004. - 432 с.
7. Мокрозуб, В. Г. Графовые структуры и реляционные базы данных в автоматизированных интеллектуальных информационных системах. - Москва : ООО Издательский дом "Спектр", 2011. - 108 с.
8. Лядова, Л. Н. и др. Тиражирование данных в динамически настраиваемых распределенных информационных системах. В кн.: Natural and Artificial Intelligence. Sofia: Institute of Information Theories and Applications FOI ITHEA,
2010. C. 165 - 172.
9. Кормен, Т. X. и др. Алгоритмы: построение и анализ, 2-е издание. - Москва : Издательский дом "Вильямс", 2005. - 1296 с.
10. Седжвик, P. Фундаментальные алгоритмы на C++. Алгоритмы на графах: Пер. с англ. / Pоберт Седжвик. - Санкт Петербург: ООО "ДиаСофтЮП", 2002. - 496 с.
Рецензент: Баранов Игорь Юрьевич, Государственное казенное образовательное учреждение высшего профессионального образования Академия Федеральной службы охраны Pоссийской Федерации (Академия ФСО Pосси) Кандидат технических наук, доцент.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
REFERENCES
Ozzu, M.T., Valduriz P. Raspredelennye i parallel'nye sistemy baz dannyh // SUBD. -1996. - № 4. - S. 4 - 26.
Dejt, K. Dzh. Vvedenie v sistemy baz dannyh, 8-e izd. : Per. s angl. - Moskva : Izdatel'skij dom "Vil'jams", 2003. - 1072 s.: il.
Chernjak, L. Integracija dannyh: sintaksis i semantika // Otkrytye sistemy. - 2009. -№ 10. [Elektronnyj resurs]. - Rezhim dostupa
http://www.osp.ru/os/2009/10/11170978
Sajmon, A. P. Strategicheskie tehnologii baz dannyh: menedzhment na 2000 god; Per. s angl. / Pod red. i s predisl. M.R. Kogalovskogo. - Moskva : Finansy i statistika, 1999. - 479 s: il.
Kogalovskij, M. R. Perspektivnye tehnologii informacionnyh sistem. - Moskva : DMK Press; Kompanija AjTi, 2003. - 288 s.
Shasha, D., Bonne F. Optimizacija baz dannyh: principy, praktika, reshenie problem.
- Moskva : KUDIC-OBRAZ, 2004. - 432 s.
Mokrozub, V. G. Grafovye struktury i reljacionnye bazy dannyh v avtomatizirovannyh intellektual'nyh informacionnyh sistemah. - Moskva : OOO Izdatel'skij dom "Spektr", 2011. - 108 s.
Ljadova, L. N. i dr. Tirazhirovanie dannyh v dinamicheski nastraivaemyh raspredelennyh informacionnyh sistemah. V kn.: Natural and Artificial Intelligence. Sofia: Institute of Information Theories and Applications FOI ITHEA, 2010. C. 165 -172.
Kormen, T. X. i dr. Algoritmy: postroenie i analiz, 2-e izdanie. - Moskva : Izdatel'skij dom "Vil'jams", 2005. - 1296 s.
Sedzhvik, R. Fundamental'nye algoritmy na C++. Algoritmy na grafah: Per. s angl. / Robert Sedzhvik. - Sankt Peterburg: OOO "DiaSoftJuP", 2002. - 496 s.
