1

بهینه سازی پایگاه داده در فضای ابری

Optimize Database In The Cloud

2، مهدی جوانمرد 1علی حسینی

gmail.com242a.hosseini@، دانشجوی ارشد نرم افزار کامپیوتر دانشگاه پیام نور 1 Javanmard@pnu.ac.ir ، نور استادیار دانشگاه پیام 2

چكیده

سیستم مدیریت پایگاه داده فضای ابری ، مفهومی جدید و نوظهور است که اخیراً در

جهان معرفی شده است. در فضای ابری ، مفهوم معماری استاندارد سیستم مدیریت پایگاه

برای معماری سازی نشده است. در این نوشتار ما چارچوبی راداده فضای ابری هنوز پیاده

کنیم. الیه در سیستم مدیریت پایگاه داده فضای ابری پیشنهاد می 5

DBaaSپردازش فضای ابری ، مدیریت پایگاه داده فضای ابری ، : های کلیدیواژه

Abstract

Cloud database management system, the emerging concept that has been

introduced in the world. In this article we provide a framework for the 5-tier

architecture of database management system we offer cloud

keywords: Cloud computing,Cloud database management,DBaaS

2

. مقدمه1

. های بالقوه برای بکارگیری در فضای ابری هستندها ، گزینهکاربردهای مدیریت داده

ای است که معموالً بر روی بستر پردازش فضای ابری پایگاه داده فضای ابری ، پایگاه داده

و Salesforce.com ،Rackspace ،Amazon EC2مانند گوگل ، مایکروسافت ،

شود.غیره اجرا می

( به دو دلیل جذابیت دارد:DBaaSپایگاه داده به صورت سرویس )

جویی مقیاس ، هزینه سخت افزار و انرژی تحمیل هزینه سخت افزار: به علت صرفه

شده از جانب کاربران احتماالً در زمانی که آنها بجای اجرای هر چیز بوسیله خودشان ،

باشد.کنند ، بسیار کمتر میبرای اشتراک یک سرویس هزینه پرداخت می

هزینه نرم افزار: هزینه تحمیل شده درDBaaS بخوبی طراحی شده متناسب با

این امر هم برای صدور مجوز نرم –باشد کاربرد واقعی )پرداخت جهت استفاده( می

های اداری کاربرد دارد.افزار و هم برای هزینه

ها با استفاده از انواع پایگاه داده پایگاه داده فضای ابری به منظور مدیریت آنالین داده

کلی ، با مدل قیمت گذاری توزیع یافته متصور گردیده است. پردازش فضای ابری به طور

ها های مختلف ، یکی از بهترین اه حلانعطاف پذیر پرداخت به محض استفاده و ارائه طرح

های کوچکی است که در حال توسعه محصوالت جدید برای شروع به کار و شرکت

های مفهومی تأمین کننده باشند. بدین ترتیب پردازش فضای ابری ، یادآور مدلمی

باشد. ارائه ( میDBaaS( و پایگاه داده به صورت سرویس )ASPبردی )خدمات کار

DBaaS ( بخوبی با بستر به صورت سرویسPaaS تلفیق شده و به سازمان امکان )

دهد تا بر توسعه محصوالت جدید خود تمرکز کرده و هیچ گونه منابعی را برای اداره می

ها کند. مرکز دادهل را فراهم میبستر هدر ندهند و امکان تمرکزکامل بر توسعه محصو

شود. مراکز داده از سخت افزار مصرفی برای ها استفاده میبرای میزبانی این سرویس

کندمحاسبه و ذخیره سازی استفاده می

.وضعیت فعلی 2

سه چالش مهم: مالکیت چندگانه کارآمد ، حفظ حریم شخصی پایگاه داده و انعطاف

اند. کورینو و های داده پیشین مورد توجه قرار نگرفتهپایگاه بندی ، درپذیری در مقیاس

ای را به صورت زیر ارائه کردند:کلیدی فضای ابری رابطههمکاران ، ویژگی فنی

3

رویکرد آگاه از حجم کار در مالکیت چندگانه که حجم کار قرار گرفته در سرور پایگاه

رد بهتر نسبت به رویکردهای داده را شناسایی کرده و به استحکام بیشتر و عملک

یابد.موجود دست می

استفاده از افراز مبتنی بر نمودار برای دستیابی به انعطاف پذیری حتی برای حجم کار

تراکنشی پیچیده

طرح کارآمد امنیتی که اجرای درخواست( های زبان پرس و جوی ساختاریSQL )

های کارآمد کد گذاری را وریتمهای کد گذاری شده با استفاده از برخی الگبرای داده

سازدممکن می

باشند.همه این موارد بر مبنای آگاهی از حجم کار می

تغییر و پیشرفت فناوری ، عملکرد دیسک اشتراکی را برابر با اشتراک هیچ قرار داده است

های کند. صرفه جوییو پردازش فضای ابری کمک زیادی به معماری دیسک اشتراکی می

ای ابری با بهره گیری از توان مالکیت چندگانه ، ذخیره سازی اشتراکی پردازش فض

کند. مجازی سازی با دادن بینهایت سریع را با هزینه حداقل شده بطور چشمگیر ارائه می

امکان مقیاس بندی انعطاف پذیر به کاربران و پرداخت تنها برای منابعی که آنها استفاده

اید. به دلیل همه این تغییرات در فناوری ، اکنون دیسک افزکنند ، به این مزایا میمی

اشتراکی برای فضای ابری بطور برابر قابل مالحظه است.

های ذخیره شده در پایگاه های ذخیره شده در فضای ابری الزم است با دادهگاهی داده

وجود دارد که به Bigintegratorای ترکیب شوند. سیستمی با نام داده رابطه

ها را در ذخیره داده مبتنی بر فضای ابری با پایگاه داده دهد تا دادهها امکان میستدرخوا

ای ترکیب کنند ، چند سیستم مبتنی بر فضای ابری ولی با زبان پرس و جوی رابطه

محدود وجود دارد.

که رویکردی ترکیبی برای پر کردن شکاف بین پردازش داده مبتنی SQLMRسیستم

های چارچوبی را برای پردازش داده Map Reduceاست. MapReduceو SQLبر

های مصرفی ، مقیاس پذیر و متحمل بزرگ فراهم کرده و نشان داده شده که در ماشین

بسیار دشوار است و حفظ و SQLهای مشابه خرابی است. با این حال ، یادگیری زبان

مقیاس SQLی مبتنی بر استفاده مجدد از آن آسان نیست. از طرف دیگر ، پردازش سنت

پذیر نیست اما کاربران با آن آشنایی دارند.

جهت ترکیب تحمل خرابی ، دسته بندی ناهمگن و قابلیت سهولت و آماده استفاده بودن

MapReduce همراه با کارآیی ، عملکرد و اتصال پذیری ابزار در سیستم پایگاه داده

4

باشد. این راه حل اثر قابل توجهی بر ز میموازی اشتراک هیچ ، راه حل ترکیبی مورد نیا

بازار پایگاه داده فضای ابری دارد. معماری سیستم پایگاه داده فضای ابری ، معماری فضای

ابری را در سلسله مراتب دارای سه سطح: مرکز داده فضای ابری ، تأمین کننده خدمات

کند.فضای ابری و سرویس گیرنده سازماندهی می

ای سیستم مدیریت پایگاه داده فضای ابرییه. معماری ال3

های زیادی جهت رشد کاربردهای پردازش فضای ابری وجود دارد ، مانند دسترسی چالش

ها و معماری اشتراک هیچ. سیستم مدیریت موفق پایگاه به سرویس ، محرمانه بودن داده

ذیری ، مالکیت داده فضای ابری جهت تأمین اهداف دسترسی ، مقیاس پذیری ، انعطاف پ

چندگانه ، متوازن سازی بار ، تحمل خرابی ، قابلیت اجرا در محیط ناهمگن و رابط پرس و

شود.جوی انعطاف پذیر تا بیشترین حد ممکن طراحی می

ها را بهبود بخشیده و اهداف تواند چالشباشد که میمعماری همبسته فضای ابری نیاز می

ی استاندارد برای سیستم مدیریت پایگاه داده فضای فضای ابری را تأمین نماید. معمار

ابری هنوز توسعه پیدا نکرده است ، به همین دلیل در این نوشتار ما معماری پنج الیه را

کنیم.پیشنهاد می 1برای سیستم مدیریت پایگاه داده فضای ابری مطابق شکل

ابریای سیستم مدیریت پایگاه داده فضای : معماری الیه1شکل

های آنها در ذیل تشریح شده است.پنج الیه پیشنهاد شده به همراه مسائل و چالش

. الیه خارجی3-1

ها بیشتر از پیش کاربرد مدیریت داده باشد. شرکتاین الیه برای کاربران قابل ارائه می

های مصرفی کنند که ماشینخود را از سرورهای گران قیمت به فضای ابری منتقل می

5

تر هستند. در اینجا کارکرد اصلی تأمین کننده خدمات ، مدیریت و ارائه خدمات با ساده

باشد.شفافیت و امنیت کامل می

که یک پردازد. همچنین زمانیمدیریت پذیری: این الیه به مدیریت کاربران مختلف می

کند را )سیستم مدیریت پایگاه داده فضای ابری( استفاده می CDMBSکاربر خاص از

شود. این الیه نماید. پرداخت به کاربر بر اساس این زمان تصمیم گیری میبت میث

کند. این الیه همچنین باید گزارشی وضعیت پرداخت مقرر به کاربر را نیز نگهداری می

مانند تاریخچه پرداخت به کاربر ، تاریخچه استفاده یک کاربر ، خالصه کاربر از

CDBMS که کدام کاربر به چه مدت از را تولید کند و نظارت کندCDBMS استفاده

کرده است. پس از تأیید احراز هویت و اعتبار کاربر ، این الیه باید کنترل را به الیه بعدی

انتقال دهد.

کاربر فراهم Passwordو IDامنیت: الیه خارجی ، مکانیسم احراز هویت را به کمک

کسی یا چیزی باید به عنوان قانونی کند که کند. احراز هویت کاربر مشروط میمی

پذیرفته شده باشد. مورد قانونی مجاز است به سیستم پایگاه داده خود در فضای ابری

باشد.دسترسی داشته باشد اما این کار برای مورد غیر قانونی ممنوع می

شفافیت: کارکرد اصلی این الیه ، ارائه شفافیت برای کاربران است. شفافیت یکی از مزایای

باشد که معنی آن این است که موقعیت فیزیکی پایگاه داده فضای ابری در جایی می

ها برای کاربران معلوم نیست. شفافیت، توسعه انواع مختلف کاربردهای بالدرنگ را داده

کند.افیت از انعطاف پذیری ، جابجایی پذیری و غیره حمایت میسازد. شفساده تر می

. الیه میان افزار مفهومی3-2

های داده این الیه ، امکان مخفی کردن ناهمگنی در سطح مفهومی را در بین پایگاه

کند.فراهم می 2و غیره مطابق شکل SQL ،DB2 ،Oracleمختلف مانند

ومی: الیه میان افزار مفه2شکل

الیه میان افزار مفهومی

SQL DB2 Oracle MySQL

6

کند. هم کنش پذیری به معنی هم کنش پذیری: این الیه هم کنش پذیری را ارائه می

باشد. برای مثال ، اگر مشتری در پایگاه عملکرد بدون توجه به پایگاه داده زیربنایی آن می

اشتراک بگذارد ، آنها قادر به Bها را با مشتری دیگر در پایگاه داده بخواهد داده Aداده

ها بدون توجه به پایگاه داده مختلف زیربنایی فروشندگان مختلف به ذاری دادهاشتراک گ

باشند.کمک این الیه می

. الیه مفهومی3-3

دهد. چون ها نشان میاین الیه ، ساختار منطقی کل پایگاه داده را با پردازش داخلی داده

های ربران بایستی دادهها سر و کار دارد ، در اینجا کافضای ابری با انواع مختلف داده

اند ، ترکیب کنند چون انواع مختلف هایی که در فضای ابری قرار دادهمرسوم را با داده

کند الزم ها برای پایگاه داده فضای ابری که همه این کارکردها را فراهم میسیستم

، زبان پرس و جوی Bigintegrator ،SQLMRباشند. چند سیستم یا زبان مانند می

( و غیره برای فضای ابری توسعه پیدا کرده است که نتایجی SOQL) Sale forceشئ

کند تا کاربران بدون دانستن منطق ورای وظایف آنها ، به را بر مبنای آنالیز آنها ارائه می

کدام نوع از انواع –پردازد نتایج دست یابند. پس در اینجا این الیه به موضوعات زیر می

و جو یا کدام تکنیک از تعداد زیادی تکنیک برنامه نویسی موجود ، های پرسمختلف زبان

های مختلف بهینه سازی درخواست یا کدام تکنیک مدیریت تراکنش کدام یک از تکنیک

های باید برای سیستم مدیریت پایگاه داده فضای ابری استفاده گردد. این الیه با تکنیک

بهینه سازی و امنیت درخواست سر و کار برنامه نویسی ، پردازش کارآمد درخواست ،

دارد.

کاربران در زمان پردازش و بهینه سازی درخواست: مسؤولیت این الیه ، ارائه نتایج برای

توان از بهینه ساز درخواست استفاده باشد. برای این منظور میحداقل و هزینه حداقل می

ین برنامه اجرایی را از بین تعداد کرد. بهینه ساز درخواست ، درخواست را گرفته و ارزان تر

دهد.کند که پاسخ یکسانی میزیادی برنامه اجرایی احتمالی پیدا می

ها نباید نابود شوند ، تغییر کنند ، افشا امنیت: در این الیه ، نگرانی اصلی این است که داده

ور مجوز های کنترل صدشوند یا توسط هر کاربر غیرمجاز کپی گردند. الیه مفهومی ، روش

کند. های حساس جلوگیری میکند که از دسترسی هر کاربر غیرمجاز به دادهرا ارائه می

باشد.های امنیتی چندگانه میاین الیه شامل سیاست

7

ان افزار فیزیکیالیه می

Windows

OS MAC OS Linux

OS

. الیه میان افزار فیزیكی3-4

Macاین الیه امکان مخفی سازی ناهمگنی را در بین بسترهای مختلف مانند ویندوز ،

OS کند.فراهم می 3غیره مطابق شکل ، لینوکس و

: الیه میان افزار فیزیکی3شکل

هم کنش پذیری: در اینجا در این الیه ، هم کنش پذیری به معنی عملکرد بدون توجه به

نباید مشکلی در Mac OSباشد. مشتریان استفاده کننده از بستر زیربنایی آنها می

استفاده Windows OSی دیگر بیابد که از ها از پایگاه داده مشتردسترسی به داده

کند.می

. الیه فیزیكی3-5

داده فضای ابری ، سیستم ها است. در سرویس پایگاهاین الیه نشانگر نمایش فیزیکی داده

پشتیبان تحت نظارت الیه فیزیکی است که مسؤول نظارت مستمر و پیکربندی پایگاه

دسترسی باال ، مالکیت چندگانه و تخصیص داده جهت دستیابی به مقیاس بندی بهینه ،

باشد. موضوع امنیت ، حفظ حریم شخصی ، افراز ، معماری منابع مؤثر در فضای ابری می

گردند و مسائل ها در این الیه بررسی میدیسک اشتراکی یا معماری اشتراک هیچ داده

شود.مختلف این الیه در ذیل ارائه می

های ها برای فضای ابری اهمیت دارد. تکنیکبه داده پشتیبان گیری و تکثیر: دسترسی

ها را بازیابی و تکثیر بایستی جهت تضمین اینکه سازمان هیچ گونه از بین رفتن داده

شوند.های مختلف تکثیر میها در سایتتجربه نخواهد کرد ، استفاده گردند. داده

جهت ایجاد توازن و اشتراک بار افراز: افراز تکنیکی است که توسط ارائه کننده فضای ابری

شود. این متوازن سازی و اشتراک گذاری ، عملکرد ، مقیاس بندی و دسترسی استفاده می

دهد. اینکه افراز افقی و افراز در محیط دارای مالکیت چندگانه را بهبود می CDBMSبه

ن الیه های فضای ابری استفاده شوند ، این تصمیمات در ایعمودی در کجا برای داده

شوند.گرفته می

8

ها به منظور دسترسی ذخیره سازی: در این الیه ، موضوعاتی مانند محل قرار گیری داده

ها در زمان کمتر بایستی بررسی گردند. برای پایگاه داده فضای ابری ، معماری به داده

ده ( پیچیcacheدیسک اشتراکی بیشترین تناسب را دارد. همچنین باید از حافظه پنهان )

جهت حفظ فرا داده به تازگی استفاده شده در حافظه استفاده کرد.

کند. فهرست ها را فراهم میفهرست بندی: فهرست بندی ، مسیر دسترسی ساده به داده

شوند. کاربردهای فضای شود که در پایگاه داده ذخیره میهایی تشکیل میبندی برای فایل

ارائه عملکرد مقیاس پذیر فهرست بندی کنند.ابری باید انواع مختلف فیلدها را جهت

متوازن سازی بار: باید بتواند بار را به طور خودکار بین سرورها منتقل کند تا بیشتر منابع

سخت افزاری بطور مؤثر بکار برده شده و از وضعیت اضافه بار منابع جلوگیری کند.

ه خرابی برای عملیاتی ها برای فضای ابری باید جهت پرداختن بتحمل خرابی: سیستم

باقی ماندن )شاید در سطحی تقلیل یافته( در حضور خرابی طراحی شوند. پس مسؤولیت

های تشخیص بن های بازیابی و تکنیکاین الیه ، فراهم نمودن کنترل همزمانی ، تکنیک

باشد.( میdeadlockبست )

کلی غیر قابل خواندن به های خام به شامنیت: این الیه ، امنیت را از طریق تبدیل داده

کند. تهدیداتی مانند حریم شخصی ، های کد گذاری یا رمزگشایی ارائه میکمک تکنیک

ها قابل جلوگیری هستند.تغییر و جعل با استفاده از این تکنیک

. نتیجه گیری4

معماری پنج الیه سیستم مدیریت پایگاه داده فضای ابری در این کار معرفی شده است.

های این پنج الیه یعنی الیه خارجی ، الیه میان افزار مفهومی ، الیه مفهومی ، الیه کارکرد

های میان افزار فیزیکی و الیه فیزیکی تشریح شده است. همچنین موضوعات و چالش

مختلف موجود در هر الیه را تشریح کردیم.

9

. منابع 5

[1] Cong Wang, Qian Wang, Kui Ren, Ning Cao, and Wenjing Lou, Toward Secure and Dependable Storage Services in Cloud Computing IEEE Transactions on services computation vol. 5, no. 2, April-June 2112. [2] C. Wang, Q. Wang, K. Ren, and W. Lou, Ensuring Data Storage Security in Cloud Computing, Proc. 11th Int l Workshop Quality of Service (IWQoS 10), pp. 1-0, July 2110. [3] A. Juels and B.S. Kaliski Jr., PORs: Proofs of Retrievability for Large Files, Proc. 11th ACM Conf. Computer and Comm. Security (CCS 11), pp. 581-501, Oct. 2111. [1] Sun Microsystems, Inc., Building Customer Trust in Cloud Computing with Transparent Security, https://www.sun.com/offers/details/sun_transparency.xml, Nov. 2110. [5] K. Ren, C. Wang, and Q. Wang, Security Challenges for the Public Cloud, IEEE Internet Computing, vol. 11, no. 1, pp. 10-13, 2112. [1] M.A. Shah, M. Baker, J.C. Mogul, and R. Swaminathan, Auditing to Keep Online Storage Services Honest, Proc. 11th USENIX Workshop Hot Topics in Operating Systems (HotOS 11), pp. 1-1, 2111. [1] Q. Wang, C. Wang, J. Li, K. Ren, and W. Lou, Enabling Public Verifiability and Data Dynamics for Storage Security in Cloud Computing, Proc. 11th European Conf. Research in Computer Security (ESORICS 10), pp. 355-311, 2110. [8] Q. Wang, C. Wang, K. Ren, W. Lou, and J. Li, Enabling Public Auditability and Data Dynamics for Storage Security in Cloud Computing, IEEE Trans. Parallel and Distributed Systems, vol. 22, no. 5, pp. 811-850, 2111.