CC BY
29
Распределенная архитектура разделяемых данных в приложениях для мобильных систем
А.А. Марков,
д.т.н., профессор кафедры информационных систем МГУП имени Ивана Федорова
М.Е. Смирнова,
ст. преподаватель кафедры информационных систем МГУП имени Ивана Федорова
Интеллектуальные мобильные устройства (смартфоны и планшетные компьютеры), ориентированные по своей функциональности на предоставление пользователям доступа к ме-диаданным, сами являются поставщиками медиаконтента. В статье рассматривается использование возможностей интеллектуальных устройств к высокоскоростной передаче мобильных данных для построения распределенных баз разделяемых данных.
Мобильные данные и рост IP трафика интеллектуальных мобильных устройств. По результатам статистических исследований проведенных в 2012 году в России 90% населения имеют мобильный телефон (МТ). Из лиц старше 55 лет не имеют мобильного телефона 21%, в возрастной группе 25-39 лет нет МТ только у 2% россиян. Не имеют МТ 15% опрошенных с уровнем образования ниже среднего, среди россиян с высоким уровнем дохода 4% не имеют МТ, примерно такой же процент среди лиц, имеющих высшее образование. По данным операторов мобильной связи на одного жителя РФ в 2012 году приходится более двух МТ1 с активными SIM-картами. В 2007 году число МТ превышало количество россиян в 1,21 раза. Вместе с тем все более увели-
1 По состоянию на 31-е марта 2012 года, на 100 жителей Москвы и Санкт-Петербурга приходилось 209 и 210 активных Б1М-карт соответственно. См. http://www.procontent.ru/news/24613.html
чивается доля продаваемых интеллектуальных МТ, составившая на начало 2012 года 22%, т. е. все большая часть МТ становится интеллектуальными мобильными устройствами (ИМУ). Число ИМУ дополнительно увеличивается за счет расширяющегося использования планшетных компьютеров.
По данным российских операторов мобильной связи за 2011/ 2012 год (табл. 1) число активных абонентов в основных сетях составило:
Таблица 1
Сотовый оператор Количество абонентов
декабрь 2011 г. март 2012 г.
1 МТС 69 954 221 69 375 141
2 МегаФон 61 631 093 61 629 603
3 ВымпелКом (Билайн) 57 223 518 55 621 541
4 Tele2 20 633 000 20 942 000
5 Ростелеком 12 514 075 12 680 000
6 Мотив 2 224 314 2 244 243
7 Смартс 1 919 542 1 920 860
8 Скай Линк 1 355 000 1 338 000
Число активных абонентов в основных сетях РФ
Основными операционными системами для интеллектуальных МТ являются iOS и Android. По данным операторов мобильной связи пользователи указанных операционных систем в среднем потребляют 1 ГБ трафика ежемесячно.
Примерное распределение пользователей по применяемым операционным системам следующее2 (табл. 2):
Таблица 2
Распределение пользователей по применяемым ОС
ОС июнь 2012 г. май 2012 г. в среднем за 3 месяца
Android 3 798 146 5,0% 3 474 386 4,5% 3 480 169 4,5%
iOS iPhone 2 427 530 3,2% 2 450 650 3,2% 2 449 307 3,2%
SymbianOS 2 287 333 3,0% 2 172 230 2,8% 2186 828 2,8%
iOS iPad 1 280 602 1,7% 1 161 129 1,5% 1 181 216 1,5%
2 По данным статистического портала http://www.liveinternet.ru, учитывающего 1Р трафик по операционным системам как для МТ и МУ, так и для стационарных компьютеров.
Согласно данным компании Apple устройства iPad потребляют в мире более 60% интернет-трафика планшетных компьютеров. Существуют авторитетные прогнозы по росту интернет-трафика в мире. Так компания Cisco предполагает, что объем мирового IP-трафика (совместно компьютеры и ИМУ) в 2015 году составит 245 терабайт в секунду3. По данным компании Stat Counter4 доля общемирового мобильного трафика составила 8,5% по сравнению с 4,3% в 2011 году. Статистические исследования также показывают, что мобильный трафик удваивается ежегодно, начиная с 2009 года. По прогнозу компании Cisco5 за период с 2010 по 2015 год мобильный трафик вырастет в 26 раз. Специалисты, занимающиеся анализом инвестиций6, предполагают, что к 2015 году объем мобильного трафика превысит объем компьютерного. Основная доля мобильного трафика порождается ИМУ.
В соответствии с прогнозами основной объем передаваемых данных будет приходиться на медиаданные, создаваемые и потребляемые ИМУ. Также можно заметить, что значительная доля пересылаемых данных обрабатывается в среде тематически или профессионально организованных групп пользователей (социальные сети, корпоративные данные, учебные материалы, тематические хранилища файлов). Для пересылаемых данных, характерным является увеличение объема. Рост пропускной способности каналов связи всегда сопровождается ростом объемов передаваемых данных. В связи с этим, актуальным для интеллектуальных мобильных устройств является разработка ПО, обеспечивающего обмен большими объемами данных в группах пользователей, образованных по профессиональному или тематическому признаку. Для решения этой задачи необходимо использовать все возможности увеличения пропускной способности существующих и перспективных сетей.
Коммуникационные возможности современных ИМУ. В настоящее время сдерживающим фактором, ограничивающим передачу данных большого объема, является недостаточная пропускная способность сетей. Сети третьего поколения 3g до сих пор не имеют достаточную зону покрытия, кроме того, они не обладают высокой пропускной способностью: скорость передачи данных не превышает 3,6 Мбит/с. Последнее ограничивает возможность их применения для загрузки данных на ИМУ (к примеру, компания Apple ограничивает объем, закачиваемых через сети 3g данных, величиной 50 МБ). Применение беспроводных сетей общего доступа снимает ограничение на объем
3 По прогнозу Cisco http://www.cisco.com/web/RU/news/releases/txt/ 2011/060111b.html
4 По данным http://www.likeni.ru/events/123633/
5 См. http://lenta.ru/news2/2011/02/02/cisco/
6 См. http://lenta.ru/news/2010/04/14/mobile/.
загружаемых данных, но отсутствие широко и свободно предоставляемого к сетям WiFi общего назначения доступа ограничивает возможность их применения. Даже в больших городах РФ сети WiFi имеют значительно меньшую зону покрытия, чем сотовые сети мобильной телефонии.
Рассмотрим в сравнении характеристики беспроводных сетевых интерфейсов и различных протоколов мобильной связи (табл. 3):
Таблица 3
Характеристики беспроводных сетевых интерфейсов
и различных протоколов мобильной связи7
Тип связи Протокол Максимальная скорость передачи данных Эффективный радиус действия Примечание
I Интерфейсы беспровод- Wi-Fi IEEE 802.11g до 54 Мбит/с До 300 метров Используется для создания беспроводной локальной сети (WLAN)
ной связи Wi-Fi IEEE 802.11n до 450 Мбит/с (в перспективе до 600 Мбит/с) до 300 метров
Bluetooth v3.0 от 3 Мбит/с до 24 Мбит/с До 100 метров Используется для создания беспроводной персональной сети (pAn) для двух устройств
Bluetooth v4.0 1 Мбит/с До 100 метров Особенности: низкое энергопотребление, высокая скорость установки соединения, 128-битное AES-шифрование, усовершенствованный алгоритм коррекции ошибок
7 iPhone 5 компании Apple поддерживает сети LTE со скоростью доступа до 100 Мбит/с; Wi-Fi 802.11n — со скоростью 150 Мбит/с (по технологиям Точка-Точка и Точка-Мультиточка).
Окончание табл. 3
Тип связи Протокол Максимальная скорость передачи данных Эффективный радиус действия Примечание
II Доступ в Интернет, поддерживаемый операторами мобильной GPRS от 9.6 б/с до 171,2 кбит/с Ограничивается зоной покрытия и размерами соты Используется для обмена данными между портативными устройствами в сети GSM и обмена данными с внешними сетями
связи EDGE до 474 кбит/с Ограничивается зоной покрытия и размерами соты Цифровая технология беспроводной передачи данных для мобильной связи
3G до 3,6 Мбит/с Ограничивается зоной покрытия и размерами соты Стандарт связи третьего поколения: объединяет высокоскоростной мобильный доступ к Интернету с каналом связи, созданным с помощью радио технологий
HSDPA до 80 Мбит/с Ограничивается зоной покрытия и размерами соты Стандарт связи, существующий в качестве переходного к стандарту 4G
4G (Mobile WiMAX Release 2 и LTE-A) 100 Мбит/с (для высо-коскорост-ных пользователей, например автомобилей) 1 Гбит/с (для низкоскоростных пользователей, например пешеходов) Ограничивается зоной покрытия и размерами соты Стандарт связи четвертого поколения: характеризуется высокой скоростью передачи данных
Приведенные в табл. 3 данные касаются двух различных типов соединений, устанавливаемых ИМУ. Первый тип - группа показателей I (интерфейсы беспроводной связи) характеризует коммуникационные возможности устройств без привязки к телефонным сервисам. Второй тип (доступ в Интернет, поддерживаемый операторами мобильной связи) - соединение, обеспечивающее обмен данными и поддерживаемое операторами сотовой связи.
Из таблицы 3 видно, что развитие сервисов второй группы может значительно увеличить пропускную способность, предоставляемую ИМУ. В настоящее время коммуникации, относящиеся к первой группе, обеспечивают более высокие скорости передачи данных. Такое сопоставление показывает, что за счет использования коммуникационных возможностей ИМУ, относящихся к группе I, можно значительно повысить возможную скорость передачи данных в некоторых типах при-ложений8.
Архитектура разделяемых распределенных баз медиа-данных. Существует множество приложений, применяющих распределенные данные в среде мобильных устройств. К таким группам относятся: приложения, использующие картографию; игровые приложения; автомобильные приложения; музейное и туристическое ПО; отдельные корпоративные и другие приложения. Особенностью для всех, поимен-нованных выше типов приложений, является то, что для всех участников группы имеется общая, как правило хранимая на сервере, часть данных, и, кроме того, каждый пользователь может иметь свои собственные данные, относящиеся к тематической или профессиональной группе.
Медиаданные, передаваемые между ИМУ: электронная почта, Интернет-браузинг, видео и аудио чаты, цифровые фотографии, видео и аудио информация, текстовые и мультимедиа сообщения занимают основную долю объема мобильного трафика. Основные сервисы по предоставлению доступа к сетевым технологиям обмена данными поддерживают телефонные компании. Технологии GPRS, EDGE, 3G, LTE различаются как по областям покрытия для мобильной связи, так и по производительности. Все эти технологии являются платными. Вместе с тем современные коммуникационные устройства могут поддерживать и другие, не связанные с телефонными компаниями, виды беспроводной связи, такие как bluetooth и Wi-Fi.
Рассмотрим распределенную архитектуру на примере. По данным московского правительства плотность населения в г. Москве составляет от 11 000 до 15 000 человек на км2. На рис. 1 показано условное расположение мобильных абонентов на площади четверть км2.
8 По данным компаний, занимающихся разработкой многопользовательских компьютерных игр, до 80% Интернет трафика удается обеспечить за счет применения технологий группы I.
Рис. 1. Условное расположение мобильных абонентов
Предполагается, что ИМУ имеются не более чем у 20% абонентов (серыми кружками показаны не имеющие ИМУ абоненты). Сделано предположение о том, что связи типа Точка-Точка, Точка-Мульти-точка9 могут устанавливаться на расстоянии не более 50 метров. Допустимые соединения на рис. 1 показаны линиями. Такие соединения можно было бы установить по технологии Wi-Fi. Дадим оценки суммарной пропускной способности сети, построенной на соединениях Wi-Fi между ИМУ мобильных пользователей на площади четверть км2.
Для различных вариантов распределения мобильных пользователей на заданной площади были вычислены показатели, характеризующие возможность расширения пропускной способности сети за счет подключения коммуникационных возможностей (группа I, табл. 3). В табл. 4 приведены средние показатели для различных вариантов конфигурации сети.
Таблица 4
Усредненные показатели для различных вариантов конфигурации сети
Показатель Среднее значение
1 Всего ИМУ 523
2 Всего соединений 7566
3 Суммарная пропускная способность 398,988[Гб/сек]
9 Мобильные устройства компании Apple, работающие на базе iOS (версий 5 и выше), а также ИМУ, работающие под управлением ОС Android (версий 2.1 и выше) могут выступать в качестве точек доступа (hotspot) сетей Wi-Fi.
Окончание табл. 4
Показатель Среднее значение
4 Коротких соединений 840(11.10%)
5 Средних соединений 2552(33.73%)
6 Длинных соединений 4174(55.17%)
7 Средняя длина соединения 33,162
8 Макс. число соединений 25
9 Мин. число соединений 1
10 Соединений/моб.станц. 14,467
Возможности увеличения пропускной способности. Данные, приведенные в табл. 4, показывают, что в среднем для 523 ИМУ (на четверть км2) приходится 7566 соединений, из которых коротких соединений 840, средних - 2552, длинных - 417410. Средняя длина соединения составила 33,162 метра. В среднем на одно ИМУ приходится 14,467 соединений. При скорости передачи данных для Wi-Fi 802.11g 54 Мбит/с суммарная пропускная способность сети ИМУ на указанной площади составляет примерно 400 Гбит/с. По данным источника11 емкость «большого европейского кольца» Билайн достигла 440 Гб, а международной IP-сети компании - 390 Гб, т. е. емкость четверти км2 площади г. Москвы практически равна емкости всего «большого европейского кольца» сети Билайн или емкости международной IP-сети этой компании.
Можно сопоставить возможности увеличения скорости передачи данных и другим способом. Так число активных пользователей Билайн в начале 2012 года составляло N = 55 621 541 чел. (табл. 1). На одного пользователя приходилось примерно 8 Кбит емкости «большого европейского кольца». Это - та величина, которая характеризует оператора мобильной связи. За счет использования коммуникационных возможностей самих устройств для локально сосредоточенных тематических групп пользователей можно получить дополнительную емкость на одного человека примерно в 10 000 раз превышающую аналогичную величину для оператора связи.
Таким образом, дополнительная пропускная способность, которая может быть получена за счет развитых коммуникационных возможностей современных ИМУ, может значительно увеличить суммарную пропускную способность действующих сетей операторов мобильной связи.
10 К коротким соединениям были отнесены соединения, устанавливаемые на расстоянии меньшем, чем 50/3 =16,67 м, к средним — большие, чем 16,67, но меньшие, чем 33,33 м, к длинным — оставшиеся, но меньшие по расстоянию 50 м.
11 См. http://www.mobiset.ru/articles/text/?id=6401
Для данных в табл. 4 делалось предположение о равномерном распределении мобильных пользователей в заданном районе. В реальных приложениях (образование, музеи, корпоративные и др.) пользователи собраны более концентрировано. Последнее должно приводить к появлению в среднем большего числа соединений на одно ИМУ.
Указанные обстоятельства показывают актуальность и перспективность разработки технологий объединения ИМУ тематических или профессиональных групп пользователей с помощью коммуникационных технологий, не привязанных к сервисам операторов связи, для создания распределенных архитектур разделяемых данных для мобильных систем.
