Реферат по теме выпускной работы

Содержание

1 Актуальность темы

Сегодня пользователями Интернет являются более 3.2 миллиарда человек, что составляет более 40% от населения Земли. Это говорит о чрезвычайном проникновении всемирной сети в жизнь человечества.

Прошло более 20 лет с момента, когда широкой общественности был представлен первый текстовый браузер и первый веб-сайт, объясняющий что такое World Wide Web. Доступ в Интернет теперь можно получить практически в любом месте планеты, при помощи не только компьютера, но и телефона, планшета и других менее распространенных устройств. На рисунке 1.1 приведена диаграмма, отражающая количество населения, имеющего доступ в Интернет по годам. Из чего следует вывод, что количество пользователей всемирной сети постоянно растет. На рисунке 1.2 изображен результат исследований Яндекс, отражающий процентное соотношение устройств, с которых осуществляется выход в Интернет российскими пользователями. На рисунке 1.3 отображены, результаты исследования Mail.Ru Group, отражающие процентное соотношение типов устройств, используемых геймерами. Данные, отображенные на рисунках, свидетельствуют о популярности мобильных устройств, как средств выхода в Интернет, а соответственно и большей аудитории пользователей, чем у приложений, ориентированных только на пользователей ПК.

Не менее важным при разработке приложения является анализ возможной аудитории (пол, вид деятельности, возраст, устройство для игры и популярные жанры). Информацию по всем необходимым параметрам, касательно игр, можно получить на сайте Gamestats.mail.ru. Для наглядности приведем некоторые картинки, отражающие основные характеристики: рисунок 1.4 сводная характеристика по пользователям и используемым устройствам, рисунок 1.5 отражает восемь самых популярных жанров игр за рубежом. Из приведенных рисунков следует, что игры в жанре стратегия имеют весьма обширную аудиторию, а приложения для мобильных устройств конкурентоспособны с приложениями для ПК.

2 Цели и задачи исследования, планируемые результаты

Цель работы — проектирование высокопроизводительной распределенной информационной системы и определение направлений ее развития при увеличении пользовательской базы и нагрузки.

Задачи исследования:

• рассмотреть принципы построения распределенных систем;
• оценить нагрузку на систему (сетевая онлайн-игра жанра платформер с элементами PvP (player vs player, игрок против игрока)) при различных условиях работы;
• спроектировать масштабируемую архитектуру распределенной системы, позволяющую стабильно работать в условиях возрастающей нагрузки.

3 Обзор исследований и разработок

Исследуемая тема популярна не только в международных, но и в национальных научных сообществах.

3.1 Обзор международных источников

В международном пространстве, в частности, англоязычных источниках, принципам и основным подходам проектирования распределенных систем посвящено множество книг и работ. Так же многие работы посвящены балансировке нагрузки на систему и подходам к обеспечению отказоустойчивости.

В книге профессора Амстердамского свободного университета Э.Таненбаума [5] излагаются базовые знания по распределенным системам, которые описывают концепции, принципы и технологии таких систем, а так же внимание читателя акцентируется на мировой сети Интернет (World Wild Web), стремительное развитие которой и стала причиной популярности и заинтересованности в распределенных системах.

В статье «Scalable Web Architecture and Distributed Systems» [6] Kate Matsudaira, описываются принципы построения распределенных веб-систем и важнейшие факторы, которые относятся к большинству крупных веб-приложений (избыточность, сервисы, сегментирование, обработка отказов) на примере «Приложения хостинга изображений».

Так же при разработке распределенных систем активно используется CAP-теорема, предложенная в 2000 году профессором калифорнийского университета Эриком Брюером [7]. Эта теорема является эвристическим утверждением, которое гласит, что в любой реализации распределенных систем можно обеспечить только два свойства из трех: согласованность, доступность и устойчивость. В то же время многие ученые критикуют данную теорему за вольность ее трактовки в обществе [8].

Через два года после доклада Эрика Брюера было опубликовано исследование Ненси Линч и Эрика Гилберта, давшие определение понятиям CAP и формализовали «отложенную согласованность», тем самым доказав CAP-теорему, что назвали «согласованность в конечном счете» (Eventual Consistency [9] или BASE) [10].

3.2 Обзор национальных источников

В национальных источниках тема создания распределенных систем так же популярна, как и на международном научном сообществе.

В статье «Проблемы распределенных систем» Цветкова В.Я. и Алпатова А.Н. [11] описываются: особенности, требования, проблемы, возникающие при создании и эксплуатации распределенных систем и приведена их классификация.

Статья Бершадского А. М., Курилова Л.С. и Финогеева А.Г. «Исследование стратегий балансировки нагрузки в системах распределенной обработки данных» [12] рассматривает средства и методы балансировки нагрузки в распределенных системах, а так же систематизированный подход по основным признакам.

Статья Пушкина И.А. «Разработка отказоустойчивой распределенной многопользовательской игры» описывает, как устроена серверная часть отказоустойчивой распределенной многопользовательской игры и рассмотрен паттерн программирования, разработанный в ходе проектирования игрового сервера [13].

3.3 Обзор локальных источников

Оптимизации и оценке производительности баз данных и распределенных приложений посвящены некоторые работы магистров ДонНТУ.

Так, в работе Бабич К.К. «Оптимизации для высоконагруженных реляционных БД и альтернативные решения» [14] упор делается на обеспечение быстродействия при работе с базами данных, но при этом в работе проектируется и разрабатывается онлайн система, являющаяся аналогом печатного периодического издания.

В работе Плотникова Д.Ю. «Методы и средства повышения эффективности Интернет-приложений» [15] рассматривается разработка правил и рекомендаций, которые позволят создавать проекты (сайты), способные выдерживать высокую нагрузку.

4 Свойства распределенных систем и подходы к их реализации

4.1 Определение требований к распределенной системе

При определении понятия распределенная система разные источники дают разные и иногда сильно различающиеся определения:

• система нескольких автономных вычислительных узлов, взаимодействующих для выполнения общей цели;
• система, чьи компоненты размещены на различных узлах взаимодействующие и управляемые только посредством передачи сообщений;
• система, состоящая из набора двух или более независимых узлов, которые координируют свою работу посредством синхронного или асинхронного обмена сообщениями.

Классическим и общепринятым считается определение Таненбаума, которое гласит, что распределенная система это набор независимых компьютеров, представляющийся их пользователям единой объединенной системой.

Прежде чем приступать к проектированию распределенной системы необходимо знать требования, которые предъявляются к ней: прозрачность, открытость, масштабируемость и отказоустойчивость.

Основной задачей распределенной системы является сокрытие факта, что ресурсы и процессы распределены физически по множеству компьютеров, такое свойство системы называется прозрачностью. В таблице 4.1 приведены различные формы прозрачности

Таблица 4.1 — Формы прозрачности в распределенных системах

Под открытостью подразумевается использование семантики и синтаксиса, которые основаны на стандартах, а именно использование формализованных протоколов. Службы, которые являются частью распределенной системы, описываются при помощи языка определения интерфейсов (Interface Definition Language, IDL), касающийся исключительно синтаксиса (типы параметров, имена доступных функций, возвращаемые значения и т.п.). Сложной задачей является описание деятельности службы (семантика), поэтому часто она задается неформально при помощи естественного языка.

Правильно описанный интерфейс позволяет совместно работать двум процессам, один из которых нуждается в интерфейсе, а второй его предоставляет. Важными способностями в интерфейсе являются переносимость и взаимодействие. Под переносимостью следует понимать: как приложение, реализованное для одной распределенной системы, способное работать в составе другой распределенной системы, без внесения изменений, реализуя те же интерфейсы, что и для разрабатываемой системы. Взаимодействие следует понимать как способность совместной работы двух различных компонентов или систем, принадлежащих разным производителям.

Гибкость (расширяемость) — важнейшая характеристика распределенной системы, подразумевающая легкость конфигурации системы (например, возможность простого добавления частей, работающих под управлением другой операционной системы).

Масштабируемость в распределенных системах может относиться к географическому положению, размеру и административному устройству систем. Для достижения масштабируемости необходимо решить проблемы, связанные с наличием узких мест в обслуживании (один сервер для множества клиентов), данных (множественный доступ к одному файлу) и алгоритмах (перегрузка коммуникаций из-за использования централизованных алгоритмов).

При работе с распределенными системами следует понимать, что в различные моменты времени части системы могут быть отключены или наоборот включены, но пользователи системы не должны получать уведомления о вносимых изменениях в компоненты системы.

Отказоустойчивость — способность системы автоматически распределять функции внутри системы, при возникновении ситуации, когда выходит из строя один из компонентов сети, т.е. выход из строя одного из серверов не приводит к невозможности обслужить запрос пользователя [16].

Помимо этих требований, при разработке распределенного сетевого многопользовательского приложения следует учитывать, что разрабатываемое приложение должно быть интерактивным (время с момента отправки запроса пользователем до момента получения ответа должно быть минимально, так как пользователь не будет слишком долго ожидать).

4.2 Клиент-серверная архитектура

За основу при проектировании архитектуры распределенного сетевого приложения следует взять трехзвенную клиент-серверную архитектуру, предполагающую выделение трех логических слоев (рисунок 4.1) у приложения: пользовательский интерфейс (клиентская часть приложения), правила логической обработки (сервер приложений) и управление данными (сервер баз данных) [17].

Порядок обработки запросов в системе проходит определенную последовательность шагов:

1. клиент посредством API осуществляет запрос к серверу приложений;
2. сервер приложений передает запрос SQL-серверу баз данных;
3. сервер баз данных обрабатывает запрос и возвращает серверу приложений набор записей;
4. сервер приложений возвращает полученные данные клиентской части;
5. клиентская сторона преобразует данные, полученные от сервера приложений, в необходимый приложению формат и отображает результат пользователю.

При разработке распределенного приложения, следуя принципам трехуровневой модели клиент-серверного приложения, следует рассмотреть ее преимущества и недостатки. К преимуществам такой архитектуры относится:

• масштабируемость — способность системы адаптироваться к росту количества пользователей и объема базы данных при адекватном повышении производительности аппаратной платформы, без замены программного обеспечения;
• конфигурируемость — изолированность уровней друг от друга позволяет (при правильном развертывании архитектуры) быстро и простыми средствами переконфигурировать систему при возникновении сбоев или при плановом обслуживании на одном из уровней;
• высокая безопасность;
• высокая надёжность;
• низкие требования к скорости канала (сети) между терминалами и сервером приложений;
• низкие требования к производительности и техническим характеристикам терминалов, как следствие снижение их стоимости. Терминалом может выступать не только компьютер, но и мобильный телефон к примеру.

Недостатки вытекают из достоинств. По сравнению c клиент-серверной или файл-серверной архитектурой можно выделить следующие недостатки трёхуровневой архитектуры:

• более высокая сложность создания приложений;
• сложнее в разворачивании и администрировании;
• высокие требования к производительности серверов приложений и сервера базы данных, а, значит, и высокая стоимость серверного оборудования;
• высокие требования к скорости канала (сети) между сервером базы данных и серверами приложений [18].

На начальном этапе создания, структура сетевого приложения не будет являться распределенной, и будет выглядеть, как изображено на рисунке 4.2. Согласно рисунку у нас есть много пользователей, один сервер и одна база данных, но при возрастании количества пользователей время ожидания пользователями ответа от сервера будет расти или некоторые пользователи вовсе не получат ответ от сервера.

Если же говорить о распределенном приложении, отвечающее поставленным требованиям, например: балансировка нагрузки на узлы системы, обеспечение пользователя всегда точной, достоверной и актуальной информацией, восстановление данных в случае возникновения ошибки, обеспечение быстродействия и масштабируемости системы, то возможная схема такого приложения отображена на рисунке 4.3. При увеличении нагрузки на систему, схема сетевого приложения будет все больше усложняться.

В ходе исследования будет разработана архитектура сетевого приложения и само приложение с минимальным функционалом, который позволит оценить скорость работы системы. В основе, разрабатываемого приложения, будет лежать идея, подразумевающая взаимодействие игроков не в реальном времени. Примером могут служить игры от компании ZeptoLab «King of Thieves» и Supercell «Boom Beach».

King of Thieves — игра, объединяющая в себе элементы платформера и tower defense и выполненная в мультяшном стиле. Главной целью игры, является, получение игроком звания «Король воров». Для этого игроку необходимо: красть золото и драгоценные камни у других игроков, защищать собственные сокровища, путем создания сложных подземелий, создавать/собирать драгоценные камни в шахтах и соревноваться с другими игроками за места в лигах, отражающих продвижение игрока по этапам игры [19].

Идея Boom Beach аналогична, только здесь игроку предстоит стать командиром островной базы. Необходимо улучшать свою базу, завоевывать и освобождать острова, захваченные Черной Гвардией под командованием Лейтенанта Хаммермана [20]. На рисунке 4.4 изображены кадры из игр-примеров.

Так же в разрабатываемое приложение может быть добавлена возможность режима игры, позволяющего взаимодействовать игрокам в режиме реального времени.

Выводы

Анализ источников показал, что тема проектирования и создания распределенных приложений актуальна не только в международном, но и национальном и локальном научных сообществах.

Были выдвинуты основные требования к распределенным системам и описаны: принцип работы, преимущества и недостатки трехуровневой клиент-серверной архитектуры, а так же приведены схемы простого сетевого приложения, основанного на этой архитектуре, без использования распределения и схема простого распределенного приложения.

Дальнейшая работа будет направлена на разработку схем сетевого приложения по мере изменения требований и нагрузок на систему, а так же на разработку приложения, реализовывающего минимальный функционал, приведенных примеров игр, необходимый для моделирования и исследования реакции приложения на возникающую нагрузку.

Список источников