Основы
современной информационной технологии составляют базы данных (БД) и системы
управления базами данных (СУБД), роль которых как единого средства хранения,
обработки и доступа к большим объемам информации постоянно возрастает. При этом
существенным является постоянное повышение объемов информации, хранимой в БД,
что влечет за собой требование увеличения производительности таких систем.
Резко возрастает также в разнообразных применениях спрос на интеллектуальный
доступ к информации. Это особенно проявляется при организации логической
обработки информации в системах баз знаний, на основе которых создаются
современные экспертные системы.
Быстрое развитие потребностей применений БД выдвигает новые требования к СУБД:
поддержка широкого спектра типов представляемых данных и операций над ними
(включая фактографические, документальные, картинно-графические данные) ;
естественные и эффективные представления в БД разнообразных отношений между
объектами предметных областей (например, пространственно-временных с
обеспечением визуализации данных);
поддержка непротиворечивости данных и реализация дедуктивных БД;
обеспечение целостности БД в широком диапазоне разнообразных предметных
областей и операционных обстановок;
управление распределенными БД, интеграция неоднородных баз данных;
существенное повышение надежности функционирования БД. Вместе с тем
традиционная программная реализация многочисленных функций современных СУБД на
ЭВМ общего назначения приводит к громоздким и непроизводительным системам с
недостаточно высокой надежностью. Тем более затруднительным оказывается
наращивание программных средств, обеспечивающих перечисленные выше требования.
Это обусловлено рядом причин:
фон-неймановская архитектура ЭВМ неадекватна требованиям СУБД, в частности
реализации поиска, обновления, защиты данных, обработки транзактов только
программным способом неэффективны как по производительности, так и по
стоимости;
многоуровневое и сложное программное обеспечение СУБД снижает эффективность и
надежность функционирования БД;
универсальная ЭВМ оказывается перегруженной функциями управлениями базами
данных, что снижает эффективность функционирования собственно прикладных
систем;
централизация и интеграция данных в сетях персональных и профессиональных ЭВМ
нереализуема с приемлемой стоимостью без включения в состав сетей
специализированных ЭВМ для поддержки функции СУБД.
Эти соображения приводят к мысли о необходимости создания специализированных автономных информационных систем, ориентированных исключительно на реализацию функций СУБД. Однако системы, реализованные на обычной универсальной мини- или микроэвм, не способны полностью решить указанные проблемы. Необходим поиск новых архитектурных и аппаратных решений. Исследования в этом направлении привели к появлению-проектов и действующих прототипов машин баз данных, которые наряду с самостоятельным назначением составляют также основу вычислительных систем 5-го поколения. Машиной баз данных (МБД) принято называть аппаратно-программный мультимикропроцессорный комплекс, предназначенный для выполнения всех или некоторых функций СУБД.
Такие свойства реляционной модели данных, как возможность расчленения отношений
на непересекающиеся группы, возможность массовой и параллельной обработки,
простота и независимость данных в этой модели, а также наличие развитой теории
реляционных баз данных и аппарата сведения к реляционной других моделей данных
обусловили разработку МБД, ориентированных в основном на поддержку реляционных
баз данных. В настоящее время очевидна правильность такого выбора в связи с
установлением возможности оперировать объектами баз знаний на реляционном
концептуальном уровне посредством операций реляционной алгебры.
Первые публикации по МВД появились в 1974 г., сейчас можно назвать более 50
проектов, некоторые уже реализованы в виде промышленных прототипов и являются
коммерческими изделиями. Исследования по аппаратурной поддержке операций над
базами данных проводятся и в нашей стране. Основными критериями для оценки того
или иного проекта являются полнота выполняемых функций СУБД и ожидаемое
повышение производительности при их выполнении. Это одинаково важно как для
МБД, функционирующих совместно с главной ЭВМ в составе единой вычислительной
системы, так и для МБД, являющейся узлом локальной сети (data computer). Во всех
современных проектах и коммерческих МБД реализован полный объем функций СУБД.
Повысить производительность, учитывая ограниченные скоростные характеристики
современной элементной базы, можно только структурными методами (за счет
структурного распараллеливания). В силу этого МБД являются специализированными
параллельными вычислительными системами, и при их проектировании требуются
единая методология сравнения и четкие критерии оценки производительности. В
настоящее время ведутся интенсивные исследования в этой области.
Основными техническими приемами, применяемыми в структурных методах повышения
производительности МВД, являются следующие:
использование многоканальных устройств массовой памяти (УМП) со встроенными в
аппаратуру каналов процессорами поиска и фильтрации для уменьшения объемов
перекачиваемых данных из УМП в обрабатывающие подсистемы;
использование буферизации между основной памятью обрабатывающих процессоров и
УМП, которая не только сглаживает разницу в скоростях обработки данных и чтения
их в УМП, но и уменьшает частоту обращения к УМП;
сегментация данных в УМП, которая увеличивает локальность доступа и улучшает
эффект двух предыдущих методов; с этой целью предполагается развитие
мультиатрибутной кластеризации и индексации данных в УМП и аппаратная их
поддержка;
использование ассоциативной памяти в качестве буферной и соответствующих
алгоритмов обработки данных;
развитие подсистем опережающей выборки данных в буферную память (стадирование
данных) и оптимизация алгоритмов управления виртуальным пространством данных;
реализация режимов параллельной интерпретации каждой операции над БД
(горизонтальный параллелизм типа SIMD) и режимов конвейерной и потоковой
обработки не только операций, но и транзакций в целом;
функциональная специализация процессоров обработки и их аппаратная реализация в
виде СБИС.
Основные направления развития структур МВД:
Можно выделить два обобщенных направления, в которых ведутся исследования по
структурным методам повышения производительности МВД: многопроцессорные неоднородные
(МН) и сетевые МВД. На рис. 1 приведены обобщенные топологические схемы таких
МВД. Частным случаем МН МВД можно считать коммерческие МВД IDM-500, RS-310,
iDBP 86/440, топологическая схема которых приведена на рис. 2.
Рис. 1. Топология двух классов МВД:
а - многопроцессорные
неоднородные МВД с несколькими уровнями обработки
б - сетевые МВД
К МН МВД можно отнести большинство современных проектов МВД, таких как DELTA, GRACE, DSDBS, MPDC, SABRE и др. Основными особенностями МН МВД являются следующие.
1. Наличие нескольких уровней обработки данных, в частности, трех основных:
селекция и первичная фильтрация данных непосредственно в контрольных
устройствах массовой памяти;
вторичная обработка, заключающаяся в реализации операций реляционной алгебры
над вспомогательными отношениями, полученными на первом этапе;
←предыдущая следующая→
1 2 3 4 5 6 7