Метод оптимального розміщення даних в білінгових OLTP-системах на основі рангового підходу

Abstract

Дисертаційна робота присвячена вирішенню актуальної науково-технічної задачі щодо розробки методу оптимального розміщення даних в білінгових OLTP-системах на основі рангового підходу. Об’єкт дослідження – процес розміщення даних в білінгових OLTP- системах. Предмет дослідження – моделі та методи оптимального розміщення даних в білінгових OLTP-системах у хмарному середовищі. Метою дисертаційної роботи – є підвищення оперативності рішення задач оптимального розміщення даних в білінгових OLTP-системах на основі рангового підходу. У вступі обґрунтовано актуальність оптимального розміщення даних в білінгових OLTP-системах, представлено зв’язок роботи з науковими програмами, планами і темами, наведено наукову новизну, представлено практичне значення отриманих результатів, надано інформацію щодо особистого внеску здобувача та представлено перелік публікацій за темою дисертації. У першому розділі проведено аналіз існуючих моделей та способів побудови транзакційних інформаційних систем, розглянуто різні властивості транзакційних інформаційних систем, а саме аналіз архітектури білінгових систем у хмарному середовищі та математичні моделі, оптимізація продуктивності та вирішення завдань щодо дискретної оптимізації, а також введено критерії та показники оцінки ефективності алгоритмів оптимального розміщення даних в білінгових OLTP-системах. На основі проведеного аналізу сформульовані завдання на дослідження. У другому розділі розроблено математичну модель оптимального розміщення даних в білінгових OLTP-системах на основі рангового підходу до рішення задачі цілочисельного лінійного програмування з булевими змінними, а також удосконалено узагальнену процедуру А0 та метод відсікання безперспективних варіантів для задачі цілочисельного лінійного програмування з булевими змінними. У третьому розділі запропоновано метод оптимізації розміщення даних у білінгових OLTP-системах на основі рангового підходу та удосконалено метод формування гарантованих прогнозів для забезпечення заданої точності обчислень при допустимих часових та ресурсних витратах. У четвертому розділі приведені результати експериментального дослідження розроблених наближених та точних алгоритмів, а також стратегій формування шляхів у графі. Розкрито сутність програмного забезпечення, що розроблено для проведення експеріменту. Проведено оцінку впливу виконання сортувань коефіцієнтів при функціоналі та обмеженнях на величину похибки рішень наближених алгоритмів. Наведено результати імітаційного моделювання задачі оптимального розміщення даних в білінгових OLTP-системах та оцінка її адекватності. У висновках наведено основні результати дисертаційної роботи щодо вирішення поставлених наукових завдань дослідження. За результатами дослідження отримано наступні наукові результати: 1) вперше розроблено модель оптимального розміщення даних в білінгових OLTP-системах на основі рангового підходу до рішення задачі цілочисельного лінійного програмування з булевими змінними, яка використовує стратегії відсікання неперспективних варіантів рішення та принцип оптимізації за напрямком; 2) удосконалено метод відсікання неперспективних варіантів рішень у задачі цілочисельного лінійного програмування з булевими змінними, який відрізняється від відомих тим, що впроваджено нові поняття, як одновимірний і m-мірний "коридор" та систему калібрувальних шкал, що дозволяє ефективно відсікати неперспективні варіанти рішень; 3) вперше розроблено метод оптимального розміщення даних у білінгових OLTP-системах на основі рангового підходу, який забезпечує лінійну залежність зростання продуктивності системи, на якій вирішується задача, від кількості процесорних елементів та дозволяє знизити похибку рішення задачі цілочисельного лінійного програмування з булевими змінними за допомогою використання стратегій MAX, MIN і MAX-MIN та сортування коефіцієнтів у функціоналі та обмеженнях для відсікання неперспективних варіантів рішень, а також підвищити оперативність рішення задач оптимального розміщення даних в білінгових OLTP-системах на основі розробки паралельних наближених і точних алгоритмів для стратегій MAX, MIN і MAX-MIN та їх реалізації на паралельних обчислювальних структурах (ПОС), що використовують принцип циклічної обробки даних; 4) одержав подальший розвиток метод формування гарантованих прогнозів рішення задачі цілочисельного лінійного програмування з булевими змінними, який, на відміну від відомих, використовує принцип оптимізації за напрямком для відсікання неперспективних варіантів рішень, що дозволяє забезпечити задану точність обчислень при оптимальному розміщенні даних в білінгових OLTP-системах. Практичне значення отриманих результатів полягає у тому, що розроблені у дисертації теоретичні положення та математичні моделі є методологічною основою для розробки алгоритмічного забезпечення, апаратних засобів та програмного забезпечення щодо оптимального розміщення даних в білінгових OLTP-системах, що дозволяє вирішувати дану задачу при забезпеченні показника оперативності Р≥0,9 із кількістю змінних від 250 до 400. За результатами дослідження підтверджено практичну та теоретичну цінність удосконалених і розробленого методів, надано практичні рекомендації щодо застосування отриманих методів та розглянуто перспективи їх подальшого розвитку. The dissertation is devoted to solving an urgent scientific and technical problem related to the development of a method for optimal data placement in billing OLTP systems based on a rank-based approach. The object of research is the process of data placement in billing OLTP systems. Subject of research - models and methods of optimal data placement in billing OLTP systems in the cloud environment. The purpose of the dissertation is to increase the efficiency of solving problems of optimal data placement in billing OLTP systems based on the rank approach. The introduction substantiates the relevance of optimal data placement in billing OLTP systems, presents the connection of the work with scientific programs, plans and topics, provides scientific novelty, presents the practical significance of the results obtained, provides information on the personal contribution of the applicant and presents a list of publications on the topic of the dissertation. The first section analyzes the existing models and methods of building transactional information systems, considers various properties of transactional information systems, namely, analysis of the architecture of billing systems in the cloud environment and mathematical models, performance optimization and solving problems of discrete optimization, and introduces criteria and indicators for evaluating the effectiveness of algorithms for optimal data placement in billing OLTP systems. Based on the analysis, research tasks are formulated. The second section develops a mathematical model of optimal data placement in billing OLTP systems based on a ranked approach to solving the problem of integer linear programming with Boolean variables, and improves the generalized A0 procedure and the method of cutting off unpromising options for the problem of integer linear programming with Boolean variables. The third section proposes a method for optimizing data placement in billing OLTP systems based on the rank approach and improves the method of generating guaranteed forecasts to ensure a given calculation accuracy at acceptable time and resource costs. Chapter 4 presents the results of an experimental study of the developed approximate and exact algorithms, as well as strategies for forming paths in the graph. The essence of the software developed for the experiment is revealed. The influence of the coefficients sorting under the functional and constraints on the error of approximate algorithms' solutions is evaluated. The results of the simulation modeling of the problem of optimal data placement in billing OLTP systems and the assessment of its adequacy are presented. The conclusions summarize the main results of the dissertation in terms of solving the research objectives. The following scientific results were obtained as a result of the study: For the first time, a model of optimal data placement in billing OLTP systems has been developed based on a ranked approach to solving the problem of integer linear programming with Boolean variables, which uses strategies for cutting off unpromising solution options and the principle of optimization by direction; the method of cutting off unpromising solution options in the problem of integer linear programming with Boolean variables is improved, which differs from the known ones in that new concepts such as a one-dimensional and m-dimensional "corridor" and a system of calibration scales are introduced, which allows to effectively cut off unpromising solution options; for the first time a method of optimal data placement in billing OLTP systems based on the rank approach, which provides a linear dependence of the performance growth of the system on which the problem is solved on the number of processor elements and allows to reduce the error of solving the problem of integer linear programming with Boolean variables by using the MAX, MIN and MAX-MIN strategies and sorting the coefficients in the functionality and constraints to cut off unpromising solution options, as well as to increase the efficiency of solving the problems of optimal; the method of forming guaranteed forecasts of solving the integer linear programming problem with Boolean variables was further developed, which, unlike the known ones, uses the principle of optimization by direction to cut off unpromising solution options, which allows to ensure a given calculation accuracy with optimal data placement in billing OLTP systems. The practical significance of the obtained results is as follows: - the efficiency of solving the problem of optimal data placement in billing OLTP systems using the rank-based approach is significantly higher than in known methods, the value of the efficiency index P≥0.9 can be provided for tasks with the number of variables from 250 to 400. The results of the study confirm the practical and theoretical value of the developed methods, provide practical recommendations for the application of the developed and improved mathematical models and methods, and consider the prospects for their further development.