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Vol.2, N°2. (Julio - Diciembre 2020)
Revista Perspectivas
2
Rendimiento de herramientas de replicación libres
para la implementación de un sistema integrado de
alta disponibilidad orientado a la gestión de
tutorías académicas en Instituciones de Educación
Superior
Performance of free replication tools for the implementation of an
integrated high availability system oriented to the management of
academic tutoring in Higher Education Institutions
Diego Palacios Campana
1,2
, Gonzalo Allauca Peñafiel
2
, Danny Velasco Silva
2
, Estuardo Cajilema
Guamán
2,
Rubén Saltos Chávez
1
.
1
Escuela Superior Politécnica de Chimborazo, Dirección de Tecnologías dela Información y Comunicación,
Riobamba, Ecuador.
2
Universidad Nacional de Chimborazo, Facultad de Ingeniería, Riobamba, Ecuador.
Email: dpalacios@espoch.edu.ec, gallauca@unach.edu.ec, dvelasco@unach.edu.ec,
ecajilema.fis@unach.edu.ec, ruben.saltos@espoch.edu.ec
Resumen- Se realizó un análisis comparativo de las
herramientas de replicación de datos Slony-I y PgPool-II, para
seleccionar la mejor alternativa en la implementación de un
sistema integrado de alta disponibilidad para la gestión de
tutorías académicas en Instituciones de Educación Superior. Se
establecieron como parámetros de estudio el tiempo de respuesta
frente a la ejecución de sentencias SQL el uso de CPU, memoria,
y disco duro. Se de
sarrolló una aplicación web N-Capas
utilizando PrimeFaces y PostgreSQL, integrada a un Sistema
Académico a través de servicios web SOAP. Para la realización
de las pruebas se configuraron servidores de base de datos de
tipo master y esclavo bajo un entorno Linux. Las pruebas de
rendimiento estuvieron basadas en la herramienta Apache
JMeter, simulando 282 peticiones por segundo en un instante de
tiempo, observándose que PgPool-II consumió menos rec
ursos
con un promedio de 2,80%, sin embargo, Slony-I fue más eficaz
al realizar las transacciones con apenas un 0,009% de error.
Palabras Clave- Replicación, Slony, PgPool, PrimeFaces,
PostgreSQL
Abstract- A comparative analysis of the Slony-I and PgPool-
II data replication tools was carried out, to select the best
alternative in the implementation of an integrated system of high
availability for the management of academic tutoring in H
igher
Education Institutions, established as Study parameters the
response time against the execution of SQL statements, the use
of CPU, memory, and hard disk. An N-Layers web application
was developed using PrimeFaces and PostgreSQL, integrated
into an Academic System through SOAP web services. To carry
out the tests, master and slave database servers were configured
under a Linux environment. The performance tests were based
on the Apache JMeter t
ool, simulating 282 requests per second
in an instant of time, observing that PgPool-II consumed less
resources with an average of 2.80%, however, Slony-I was more
effective at carry out transactions with just 0.009% error.
Keywords- Replication, Slony, PgPool, PrimeFaces, PostgreSQL
I. I
NTRODUCCIÓN
En el ámbito de las bases de datos distribuidas, la
replicación es un conjunto de tecnologías destinadas a la
copia y distribución de datos y objetos de
una base de datos a
otra, para luego sincronizar ambas bases de datos y lograr
mantener su coherencia. La réplica permite distribuir datos a
diferentes ubicaciones y a usuarios remotos o móviles
mediante redes de área local y de área extensa, conexiones de
acceso telefónico, conexiones inalámbricas e internet [1].
La replicación es un proceso clave para lograr el
comportamiento exitoso de las bases de datos, ya que su
funcionalidad ayuda a garantizar la consistencia de los
datos y
permite que el motor de base de datos siga funcionando en
caso de fallas de la red. Esto implica copiar y mantener cada
manipulación de datos desde una ubicación a los otros nodos
que se actualizarán. Por lo tanto, la configuración de la red y
la comunicación de nodos tienen un gran impacto en el
rendimiento de la replicación. Sin embargo, los modelos
internos para la replicación provistos en la mayoría de los
motores carecen de flexibilidad y sufren
otros problemas
como las comunicaciones de cuello de botella. Actualmente
existe una diversidad de herramientas que facilitan el proceso
Fecha de Recepción. 31 - 03 - 2020 Fecha de Aceptación. 15 – 06 – 2020
DOI: 10.47187/perspectivas.vol2iss2.pp2-6.2020
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de replicación de datos logrando mejorar el rendimiento y
proteger la disponibilidad de las aplicaciones, ayudando al
auge, cada día más creciente, de sistemas de base de datos
distribuidos. Una correcta identificación de las necesidades de
replicación asegura la consistencia de los datos y disminuye
los errores de replicación [2] [3].
Slony-I es un sistema de replicación maestro-esclavo que
incluye todas las características y capacidades necesarias para
replicar grandes bases de dato
s a un número razonablemente
limitado de sistemas esclavos. Es un sistema diseñado para su
uso en centros de datos y sitios de respaldo, donde el modo
normal de operación es que todos los nodos están disponibles
[4].
PgPool-II es un middleware que se ubica entre los
servidores y un cliente de base de datos PostgreSQL,
proporcionando las siguientes características: agrupación de
conexiones, equilibrio de carga, limitación del exceso de
conexiones y replicación; esta última característica se
consideró en esta investigación [5].
Con el avance de la tecnología, tanto en el ámbito del
desarrollo web y de las bases de datos, se han incorporado
nuevas tecnologías, que permiten el desarrollo de soluciones
informáticas mucho más robustas, escalables, productivas,
seguras, flexibles, con un mayor rendimiento y de alta
disponibilidad. Java 2 Enterprise Edition (J2EE) es una
plataforma y filosofía de diseño para grandes sistemas
empresariales [6].
JavaServer Faces (JSF) es un marco de compon
entes de
interfaz de usuario (UI) para aplicaciones web J2EE que, una
vez adoptadas, permite a las organizaciones migrar desde
tecnologías antiguas, como plataformas basadas en caracteres
para terminales virtuales, a plataformas y tecnologías más
actualizadas basadas en estándares, como JSF y Java [7]. JSF
es considerado como un framework, el cual tiene como
propósito hacer más con menos código, para agilizar el
desarrollo [8].
PrimeFaces es una suite de componentes open source de
JSF, que provee un co
njunto de componentes enriquecidos,
con Ajax incorporado, ligero, con soporte a través de
Atmosphere Framework, con un kit de UI Mobile para la
creación de aplicaciones web móviles, y con mucha
documentación de apoyo para el desarrollador [9].
Por otro lado, las tutorías académicas en las instituciones
de educación superior significan un proceso educativo
dirigido a los estudiantes, con el objetivo de orientar, atender
y acompañar de forma individual o grupal, en el desarrollo
ac
adémico conforme a dimensiones basadas en criterios y
mecanismos de monitoreo y control, a fin de fortalecer su
formación integral.
En el Art. 15 componente 1 literal. b) 2do. Párrafo del
Reglamento de Régimen Académico del Consejo de
Educación Superior (CES), se menciona: Son actividades de
aprendizaje colaborativo, entre otras: la sistematización de
prácticas de investigación-intervención, proyectos de
integración de saberes, construcción de modelos y prototipos,
proy
ectos de problematización y resolución de problemas o
casos. Estas actividades deberán incluir procesos colectivos
de organización del aprendizaje con el uso de diversas
tecnologías de la información y la comunicación, así como
metodologías en red, tutorías in situ o entornos virtuales [10].
En base a éste contexto, y, con el propósito de contribuir
a la automatización de los procesos académicos y a los
indicadores del modelo para la evaluación de las carreras,
presentado por
el Consejo de Aseguramiento de la Calidad de
la Educación Superior (CACES), en la Universidad Nacional
de Chimborazo (UNACH) se implementó el Sistema
integrado de alta disponibilidad para la gestión de tutorías
académicas orientado a las Instituciones de Educación
superior, para lo cual en el desarrollo de la solución se aplicó
la arquitectura N Capas, utilizando tecnologías con versiones
estables de acuerdo a la tendencia de uso establecida en
google trends, como es el caso de
Netbeans 8.0, JSF2.2,
PrimeFaces 6.2.27 y Apache Tomcat 8.0. Posteriormente se
desarrollaron servicios web para su integración con un
sistema académico heterogéneo implementado bajo software
propietario, y por último se realizó un análisis comparativo de
las herramientas de replicación de datos Slony-I y PgPool-II
con respecto al rendimiento a través de pruebas de estrés
utilizando Apache JMeter.
La solución permite llevar un control y seguimiento de las
tutorías académicas
in situ o virtuales, de tipo individual o
grupal, dirigidas a los estudiantes con inconvenientes en tres
tipos de dimensiones: académica, profesional y personal.
Cuenta con los siguientes módulos: integración,
administración, planificación de actividades, gestión de
actividades y reportes.
II. M
ETODOLOGÍA
A. Arquitectura de la solución
El estudio de rendimiento de las herramientas de
replicación se la realizó en función al tiempo de respuesta
frente a la ejecución de sentencias SQL, uso de
CPU, uso de
memoria, y uso de disco duro, con la finalidad de obtener una
arquitectura de la solución como se describe en la Figura 1.
B. Materiales
La infraestructura sobre la cual se implementó la solución
tecnológica es una red LAN de tres capas como se muestra en
la Figura 2. En donde se puede observar como parte de la
solución un servidor web que alojará el sistema de gestión de
tutorías, un servidor web que aloja los servicios web para la
Fig. 1. Arquitectura de la Solución del Sistema integrado de alta
disponibilidad para la gestión de tutorías académicas en instituciones
de Educación Superior
Volumen 2, Número 2. (Julio - Diciembre 2020)
e -ISSN: 2661-6688
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integración con el sistema académico institucional, un
servidor de base de datos que resguarda la información del
sistema académico institucional, y tres servidores de bases de
datos para la replicación de datos. Los estudiantes, docentes y
autoridades institucionales, considerados como usuarios
finales pueden acceder a la aplicación desde cualquier
dispositivo tanto desde la intranet como desde el internet. En
la Tabla I y II, se detallan los insumos para la solución, y en
la Tabla III
las características de los servidores utilizados.
C. Procesamiento y análisis
El procesamiento y análisis se basa en la siguiente
propuesta metodológica de comparación de herramientas de
replicación de datos, la que está compuesta de los siguientes
pasos:
- Análisis de herramientas de replicación de datos
- Desarrollo del Sistema integrado de alta disponibilidad
para la gestión de tutorías académicas en instituciones
de Educación Superior
- Implementación de ambientes de prueba
- Ejecución de prue
bas de rendimiento
- Resultados
Paso 1: Análisis de herramientas de replicación de datos
Fig. 2. Infraestructura base para el despliegue de la Solución
Tecnológica.
Tabla I
I
NSUMOS PARA LA IMPLEMENTACIÓN DE LA APLICACIÓN WEB
Insumo
Descripción
Versión
Sistema Operativo
CentOS
7
Arquitectura de desarrollo de Software
N Capas
N/A
IDE
Netbeans
8
Framework
JSF
PrimeFaces
2.2
5.2.1
Servidor Web
Apache Tomcat
8
Motor de bases de datos aplicación
web
PostgreSQL
9.6
Servicios Web
Visual Studio
.NET
2017
Motor de bases de datos del sistema
académico institucional
SQL Server
2008
Tabla II
INSUMOS PARA LA IMPLEMENTACIÓN DE REPLICACIÓN DE DATOS Y
PRUEBAS DE RENDIMIENTO
Descripción
Versión
CentOS
7
PostgreSQL (base de datos del
sistema de gestión de tutorías)
9.6
Slony –I
2.2.3
PgPool-II
3.7.0
Apache JMeter
5.2.1
Herramienta de estrés
Apache JMeter PerfMon
(Servers Performance
Monitoring)
2.1
Apache JMeter PerfMon Server
Agent
2.23
Tabla III
C
ARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DE LOS SERVIDORES DE LA SOLUCIÓN
BAJO LA PLATAFORMA DE VIRTUALIZACIÓN
PROXMOX VE 4.2-2
Servidor
RAM
(GB)
CPU
Disco
Duro(GB)
Web Apache
Tomcat
16
12 x Intel(R) Xeon(E)
CPU E5-2620 2GHz (2
sockets, 4 cores)
150
Base de Datos
PostgreSQL
(Master)
16
12 x Intel(R) Xeon(E)
CPU E5-2620 2GHz (2
sockets, 4 cores)
500
Base de Datos
PostgreSQL (Slave
1)
16
12 x Intel(R) Xeon(E)
CPU E5-2620 2GHz (2
sockets, 4 cores)
500
Base de Datos
PostgreSQL (Slave
2)
16
12 x Intel(R) Xeon(E)
CPU E5-2620 2GHz (2
sockets, 4 cores)
500
Tabla IV
HISTORIAS DE USUARIO
Nº
Nombre
Iteración
1
Gestión de Acceso de Usuarios
1
2
Gestión de Seguridad
1
3
Gestión de Facultades
1
4
Gestión de Carreras
1
5
Gestión de Niveles
1
6
Gestión de Periodos
1
7
Gestión de Tutores
1
8
Gestión de Actividades Planificadas
2
Gestión de Actividades Realizadas
2
Emisión de Reportes
3
Tabla V
PLAN DE ENTREGA ITERACIONES
Iteración
Historia de Usuario
Duración en
semanas
1
Gestión de Acceso de Usuarios
2
1
Gestión de la Seguridad
3
1
Gestión de Facultades
1
1
Gestión de Carreras
1
1
Gestión de Niveles
1
1
Gestión de Periodos
1
1
Gestión de Tutores
3
2
Gestión de Actividades Planificadas
2
2
Gestión de Actividades Realizadas
3
3
Emisión de Reportes
3
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e -ISSN: 2661-6688
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El análisis corresponde a la revisión de elementos técnicos
y de versiones de las herramientas de replicación de datos
Slony-I y PgPool-II, para seleccionar la mejor alternativa en
la implementación de la solución.
Paso 2: Desarrollo del Sistema integrado de alta
disponibilidad para la gestión de tutorías académicas en
instituciones de Educación Superior
Para la implementación del software, se aplicó la
metodología Extreme Programming (XP), por considerarse
una metodología ágil,
centrada en potenciar las relaciones
interpersonales como clave para el éxito en desarrollo de
software, promoviendo el trabajo en equipo, preocupándose
por el aprendizaje de los desarrolladores, y propiciando un
buen clima de trabajo [11].
Se desarrollaron los módulos de: integración,
administración, planificación de actividades, gestión de
actividades y reportes. Para lo cual se utilizaron los insumos
detallados en la Tabla I.
Como roles del equipo de trabajo se definieron un
r
astreador, testeador, un programador y un consultor, en la
Tabla IV se detallan las historias de usuario con un riesgo,
prioridad y esfuerzo alto y en la Tabla V se muestra el plan de
entrega de las historias de usuario de acuerdo a iteraciones.
La base de datos de la solución se implementó utilizando
el Front-End de PostgreSQL, Pg-Admin IV. La arquitectura
utilizada para la solución es la N Capas, conformada por las
capas de: Base de Datos, Acceso a Datos, Reglas de Negocio,
Integr
ación y Presentación. En base a los requerimientos
recolectados, la descripción detallada en las historias de
usuario y el diagrama de procesos se definió las interfaces de
usuario definitivas, las cuales fueron implantadas en el
sistema, como se muestra en la Figura 4.
Paso 3: Implementación del ambiente de pruebas
Una vez implementado el sistema, se definió el ambiente
de pruebas que permitió la comparación de ambas
herramientas de replicación de datos, como se muestra en la
Figu
ra 3., utilizando los insumos detallados en la Tabla I y II.
Paso 4: Ejecución de pruebas de rendimiento
Para la toma y recolección de datos, se generaron las
pruebas de rendimiento para las dos herramientas, ejecutando
Apache JMeter, realizando por varias ocasiones una
simulación de 282 peticiones concurrentes por segundo
durante un lapso de 30 minutos. Este número corresponde al
número aproximado de usuarios que acceden normalmente al
aplicativo.
Paso 5. Resultados
Dado que los dat
os de los parámetros de la investigación
no cumplen los supuestos de normalidad y homogeneidad de
varianzas, se aplicó la prueba U de Mann-Whitney, se
compararon las medias, posterior a ello se interpretaron los
resultados y se obtuvieron las conclusiones respectivas.
III. R
ESULTADOS
A. Resultados de las mediciones de rendimiento de las
herramientas SLONY-I y PGPOOL-II
Como se mencionó anteriormente, para la toma y
recolección de datos, se generaron las pruebas de
rendimiento, eje
cutando Apache JMeter, tanto para el tiempo
de respuesta frente a la ejecución de sentencias SQL, uso de
CPU, uso de memoria, y uso de disco duro de manera
independiente. Se Aplicó la prueba estadística, estableciendo
un nivel de significancia de 0,05% con una muestra de 384
por grupo, obteniéndose los resultados presentados en la
Tabla VI, Tabla VII y Tabla VIII.
Fig. 3. Arquitectura de pruebas de rendimiento con Apache
JMeter
Fig. 4. Interfaz de usuario del Sistema integrado de alta
disponibilidad para la gestión de tutorías académicas,
disponible en http://siget.unach.edu.ec
Volumen 2, Número 2. (Julio - Diciembre 2020)
e -ISSN: 2661-6688
6
IV.
CONCLUSIONES
Aplicando la prueba estadística U de Mann-Whitney se
comprobó que existe diferencias de rendimientos en las
herramientas de replicación. Además, en la Tabla VII se
demuestra que la herramienta de replicación PgPool–II
presentó ventajas sobre Slony-I con respecto al rendimiento, y
ejecución de sentencias SQL en ambientes Linux CentOS 7
de 64 bits, luego de ejecutar Apache JMeter sobre la
infraestructura base para la solución. Sin embargo, es
importante r
ecalcar que al realizar las pruebas de rendimiento
por medio de la ejecución de transacciones de replicación se
comprobó que Slony-I es más eficaz que PgPool-II.
Los resultados obtenidos tanto en el ambiente de pruebas
y de producción arrojaron los mismos resultados. El método
de replicación asincrónica usado por la herramienta Slony-I,
es un método de replicación que provee menor carga a la red,
por tal razón los datos se pueden replicar en un momento
determinado; es una herr
amienta útil a la hora de realizar
replicaciones de datos de un servidor maestro a varios
esclavos, puede replicar parte de las tablas a otros servidores
esclavos diferentes, su configuración es menos compleja que
PgPool-II.
El método de replicación síncrona usada por la
herramienta PgPool-II, es propenso a sobrecargar la red por
razón que el servidor esclavo debe estar en escucha todo el
tiempo, a posibles cambios que se realice en servidor maestro,
permite replicar toda una base de dat
os, así como esquemas y
tablas desde el servidor PgPool-II a clientes, presenta su nivel
de complejidad al realizar las configuraciones ya que no
existe mucha documentación disponible. PgPool-II está
expuesto a tener errores con PostgreSQL versión 9.6 o
inferior por temas de compatibilidad y comunicación.
Se recomienda trabajar con cualquiera de los dos métodos
de replicación síncrona o asíncrona, dependiendo del contexto
y de la infraestructura base que soportará el sistema
integrado,
si se trabaja con el método de replicación síncrona
se debe tomar en cuenta que esta propenso a sobre cargar la
red, mientras con el método de replicación asíncrona se debe
tomar en cuenta los datos se puede actualizar más tarde desde
el servidor maestro a servidores esclavos.
PrimeFaces cuenta con 117 componentes, no requiere
dependencias para utilizar la librería, es compatible con otras
librerías de componentes, posee soporte Ajax, su
documentación es actualizada, además
los componentes son
amigables, atractivos e innovadores tanto para el
desarrollador como para el usuario.
A
GRADECIMIENTOS
A las autoridades de la Universidad Nacional de
Chimborazo, a la Facultad de Ingeniería, al Centro de
Tecnologías Educativas, a la Unidad Técnica de Control
Académico, y a la Dirección General Académica, por brindar
las facilidades técnicas y administrativas para la
implementación del presente proyecto de investigación.
R
EFERENCIAS
[1] M. Marqués. SQL Server 2008 R2 Motor de base de datos y
administración. Grupo RC, España, 2011.
[2] F. Asteasuain y A. Javed, «Tecnología aplicada a aspectos en base de
datos relacionales: El caso de replicación,» Ingeniería & Desarrollo, nº 25, p.
232, 2009.
[3] Y. Guerra, E. Altuna, A. García y. Pérez, «Experiencias en el uso del
symmetric para la replicación de datos en la plataforma educativa ZERA,»
Revista Cubana de Ci
encias Informáticas, vol. 9, nº 4, p. 197, 2015.
[4] S.D. Group. Slonny-I, 2007. [En línea]. Disponible:
http://www.slony.info/.
[5] MediaWiki. PgPool, 2011. [En línea]. Disponible:
http://www.pgpool.net
[6] G. Brill. Codenotes for J2EE: EJB, JDBC, JSP, and Servelets. Random
House Trade Paperbacks, New York, 2002.
[7] J. Jacobi, J. Fallows. Pro JSF and AJAX. Building Rich Internet
Components (1 ed.). Apress, USA, 2006.
[8
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herramientas para crear proyectos web. Edición Kindle, Estados Unidos,
2017.
[9] PrimeTek. Leading Provider of Open Source UI Component Libraries,
2009. [En línea]. Disponible: https://www.primefaces.org/
[10] Consejo de Educación Superior. Reglamento de Régimen Académico.
CES, Ecuador, 2019.
[11] K. Beck y C. Andres, Extreme Programming Explained: Embrace
Change, Addison-Wesley Educational Publishers Inc, 2004.
Tabla VI
ANÁLISIS COMPARATIVO SLONY-I FRENTE PGPOOL-II
Herramientas
Método de
replicación
Sincronización
Pool de
Conexión
Balanceo
de la
Carga
Posicionamiento
de Consultas
SLONY-I
Maestro/Esclavo
Asíncrono
NO
NO
NO
PGPOOL-II
Maestro/Esclavo
Síncrono
SI
SI
SI
Tabla VII
T
IEMPO DE RESPUESTA Y PORCENTAJE DE USO DE RECURSOS DE
SLONY-I Y PGPOOL-II
Indicadores
Slony-I
PgPool-II
Diferencia
Tiempo de
respuesta
2,22s
0,87s
1,35s
Uso de CPU
10,37 %
3,27%
7,1%
Uso de RAM
14,49%
5,05%
9,44%
Uso de DISCO
0,25%
0,09%
0,16%
Promedio uso de
recursos
8,37%
2,80%
5,57%
Tabla VIII
PORCENTAJE DE ERROR EN EL PROCESO DE REPLICACIÓN
Indicadores
Slony-I
PgPool-II
Diferencia
Error de
procesamiento
0,009%
1,56%
1,551%
Volumen 2, Número 2. (Julio - Diciembre 2020)
e -ISSN: 2661-6688