Anforderungen von Cloud-Anwendungen an den Einsatz von Datenbanksystemen

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1 Friedrich-Schiller-Universität Jena Fakultät für Mathematik und Informatik Lehrstuhl für Datenbanken und Informationssysteme Anforderungen von Cloud-Anwendungen an den Einsatz von Datenbanksystemen Im Rahmen des Seminars Software as a Service, Cloud Computing und aktuelle Entwicklungen Sommersemester 2010 Betreuer: Prof. Dr. Klaus Küspert Dipl.-Inf. Andreas Göbel Verfasser: Michael Kobold Wirtschaftsinformatik 9.FS

2 Gliederung 1. Einleitung Architekturen Multi Tenancy Multi Instance Anforderungen an Datenbanksysteme Implementierungsansätze Shared Machine Shared Process Shared Table Fazit...12 Quellennachweise

3 1. Einleitung Der Begriff Cloud Computing bezeichnet das Anbieten vielfältiger Dienste wie virtuelle IT-Infrastrukturen (IaaS) 1, Programmierumgebungen (PaaS) 2 sowie kompletter Applikationen (SaaS) 3 dynamisch an den Bedarf angepasst über das Internet, oder im Fall einer private Cloud über ein Intranet. Im Wesentlichen umfasst Cloud Computing das Auslagern der Ressourcen Rechenkapazität und Speicher(Storage). Die Cloud kann dabei in zwei Formen für Speicherzwecke genutzt werden: Einerseits ist die Nutzung eines Cloud- Storage für viele Software-as-a-Service Anwendungen nahezu unumgänglich. Andererseits kann auch das Auslagern der Datenspeicherung für lokal laufende Anwendungen interessant sein. Ein Speicher, der direkt über das HTTP- Protokoll erreichbar ist, ermöglicht vielfältige und kostengünstige Zugriffsmöglichkeiten. Mit der Nutzung von Cloud-Diensten einher geht die dynamische Anpassbarkeit der Ressourcen je nach aktuellem Bedarf. Dies bedeutet, dass Flaschenhälse durch hohes Lastaufkommen, als auch Überkapazitäten vermieden werden können. Die anfallenden Kosten für angebotene Services sind bei vielen Cloud- Anbietern wiederum abhängig von den in Anspruch genommenen Nutzungsvolumina, wodurch sich ein sehr gutes Kosten-Nutzen-Verhältnis ergibt. Dies wird von den Anbietern oft als pay-as-you-go beworben. Aus diesen Gründen ist zunehmend ein Trend zum Outsourcing der Bereitstellung von Applikationen und Datenspeicherung zu beobachten. Vor allem für klein- und mittelständische Unternehmen (KMU) ist das Auslagern von Diensten sehr attraktiv, da hier die Kostenvorteile besonders zum Tragen kommen. Ein großer Einsparfaktor ist beispielsweise, dass hierdurch das 1 Infrastructure-as-a-Service 2 Platform-as-a-Service 3 Software-as-a-Service 3

4 Errichten und Betreiben eines eigenen Datencenters ganz oder teilweise überflüssig wird. In den folgenden Ausführungen werden zunächst die beiden wichtigsten Architekturen näher erläutert. Einen Schwerpunkt bilden im Anschluss die Erläuterung von allgemeinen als auch architekturspezifischen Anforderungen an Datenbanksysteme sowie die Vorstellung einiger Implementierungsansätze. Abschließend sollen Grenzen heutiger DBMS für den Einsatz in Cloud aufgezeigt werden. 4

5 2. Architekturen Cloud-Service Provider sind bestrebt eine möglichst hohe Auslastung ihrer IT- Infrastruktur zu erreichen, indem sie ihre Services einer Vielzahl von Kunden anbieten. Größenbedingte Einsparungen, die sich einstellen, da sich nun Kosten für Nutzungslizenzen, Hardware und Administration auf viele Kunden verteilen, senken die Total Cost of Ownership (TCO). Diese Einsparungen können wiederum in Form von niedrigeren Preisen an die Kunden weiter gegeben werden. Verbunden ist dieses Ziel mit der gemeinsamen Nutzung von Ressourcen durch mehrere Mandanten, wozu Mutli-Tenancy- als auch Multi- Instance-Architekturen eingesetzt werden können. Nachfolgend sollen diese beiden Architekturen nun gegenüberstellt werden Multi Tenancy Multi Tenancy bezeichnet die Nutzung einer Softwareinstanz durch mehrere Mandanten (Tenants). Die Instanz kann dabei auf verschiedene Server verteilt sein. Anstelle eines einzelnen Mandanten teilen sich mehrere Tenants die Kapazitäten des Systems. Durch Lastverteilung zwischen den Tenants können die Ressourcen damit besser ausgeschöpft werden, was zur Senkung der operationalen Kosten führt. Die einzelnen Mandanten sollten sich in ihrer Funktion dabei gegenseitig nicht beeinträchtigen. Dies stellt hohe Ansprüche an Sicherheit und Isolation, um Einflüsse anderer Mandanten, wie unberechtigte Zugriffe, zu vermeiden. Mittels Konsolidierung von Mandanten wird es möglich, mehrere Mandanten in einer Datenbankinstanz aufzunehmen, um die gewünschten Kostenvorteile zu erreichen. Die Economies of Scale nehmen mit steigender Komplexität und dem damit verbundenen steigenden Ressourcenbedarf der Anwendung ab, sodass Konsolidierung nicht für alle Arten von Anwendungen im gleichen 4 vlg. [JA07] 5

6 Ausmaß erfolgen kann. Sehr gut lassen sich beispielsweise Kollaborationsanwendungen und CRM Software konsolidieren. 5 Die Konsolidierung von Mandanten auf einem gemeinsamen Software- Hardware-Stack kann dabei Größenordnungen von mehreren zehntausend Mandanten, die sich eine Anwendungsinstanz teilen, annehmen. Für die Anbieter ergibt sich durch diese Zentralisierung neben den Econmies of Scale eine einfachere Administrierbarkeit. 6 Ein großer Vorteil für die Kunden ist die einfache Anpassbarkeit der Infrastruktur an den Bedarf (Skalierbarkeit). Allerdings ist mit der Bereitstellung einer gemeinsamen Instanz auch ein gewisser Grad an Standardisierung der Anwendung verbunden, der die Erweiterbarkeit um mandantenspezifische Funktionen stark einschränkt. 2.2 Multi Instance Beim Multi-Instance-Ansatz wird jedem Mandanten eine individuelle Anwendungsinstanz zur Verfügung gestellt. Die Kostenvorteile sind bei diesem Ansatz eher gering, da kein Ressource-Pooling stattfindet. Um die Kosten aber dennoch möglichst moderat zu halten, werden hierbei virtuelle Maschinen eingesetzt, was jedoch zu einem Performance-Overhead führt. Außerdem führt eine große Anzahl von Instanzen zu einer erhöhten Komplexität bei der Administration. 7 Die Vorteile dieser Architektur liegen jedoch in der hohen Mandantenisolation verbunden mit hoher Sicherheit und umfangreicher Erweiterbarkeit. Daher eignet sich der Multi-Instance-Ansatz vor allem für sicherheitskritische Anwendungen die einen hohen Grad an Individualisierung erfordern. 5 vgl. [AGJ+08] 6 vgl. [Os10] 7 vgl. [Gö10] 6

7 Für den Großteil der Cloud-Anwendungen ist Multi Tenancy der bevorzugte Ansatz. Beispielsweise wird dieser auch von Service Providern wie salesforce.com favorisiert. Die folgenden Ausführen konzentrieren sich daher auf Multi-Tenancy-Architekturen. Im nächsten Kapitel sollen nun die spezifischen Anforderungen an Multi-Tenancy-Datenbanken erläutert werden. 3. Anforderungen an Datenbanksysteme Als allgemeine Zielstellung kann die Schaffung einer kostengünstigen, skalierbaren und optimal ausgelasteten Infrastruktur definiert werden, die von einer möglichst großen Kundenanzahl als Datenbank genutzt wird. Serviceprovider legen besonderen Wert auf niedrige laufende Kosten bei hoher Ressourcenauslastung. Kunden dagegen fordern im Wesentlichen eine hohe Verfügbarkeit bei hoher Datensicherheit. Eine weitere wichtige Kundenanforderung ist die Erweiterbarkeit und Anpassbarkeit an die unternehmensspezifischen Gegebenheiten. Was die Mehrmandantenfähigkeit daher problematisch macht, ist der Tradeoff zwischen Sicherheit, Kosten und individuellen Anpassungsanforderungen. Bei der Nutzung von Cloud-Services werden zwischen Anbietern und Kunden Service-Level-Agreements (SLA) als integraler Bestandteil der Serviceverträge vereinbart. In den SLA werden unter anderem die zu gewährleistenden Verfügbarkeits- und Performancekennzahlen spezifiziert, die dann auch bindend sind. 8 Die einzelnen Anforderungen und Herausforderungen an Multi-Tenancy- Datenbanken soll nun im Detail erläutert werden. 8 vgl. [JA07] u [AGJ+08] 7

8 Mandantenisolation Um die notwendige Sicherheit zu gewährleisten, ist zum einen der Schutz gegen externe Zugriffe von Außen gefordert. Daher sollte eine verschlüsselte Übertragung zum Cloud-Anbieter sowie eine verschlüsselte Speicherung der Daten gewährleistet werden. 9 Zum anderen ist bei Multi-Tenancy-Systemen eine Absicherung gegen mandantenübergreifende Fremdzugriffe notwendig. Daher ist ein Autorisierungssystem mit feingranularer Rechtevergabe notwendig, das dem Mandanten nur Zugriff auf eigene Daten gewährt. Dies kann beispielsweise über die Mandatory Access Control (MAC) bewerkstelligt werden, die Zugriffskontrollen für Tabellenzeilen und spalten bietet. MAC wird von vielen relationalen DBMS unterstützt jedoch in sehr unterschiedlicher Form und Mächtigkeit. 10 Des Weiteren dürfen Änderung eines Mandanten nicht die Verfügbarkeit oder Nutzung anderer Mandanten beeinflussen 11. Skalierbarkeit Theoretisch müssen die Ressourcen an jeden denkbaren Bedarf anpassbar, also frei skalierbar sein. Weder die Anzahl der Nutzer noch die Größe des Ressourcenbedarfs eines Mandanten darf als limitierender Faktor auftreten. Falls ein Mandant bis an die Grenzen des Systems stößt, muss es daher Mechanismen geben, diesen möglichst ohne Verzögerungen über mehrere Rechner zu verteilen (horizontal skalieren) oder das System auf eine leistungsfähigere Infrastruktur zu migrieren (vertikal skalieren). Die Implementierung einer Lastverteilung dient der Abfederung von Lastspitzen und Einhaltung der vereinbarten Dienstverfügbarkeit der SLA. Es sollte dabei möglichst eine dynamische Lastverteilung implementiert werden. Hierbei kann je nach Bedarf auch zur Laufzeit auf andere Systeme migriert werden, im Gegensatz zur statischen Lastverteilung bei der eine Zuteilung prognosebasiert erfolgt Für weitergehende Ausführungen zum Thema Sicherheit in der Cloud siehe [Ko10] 10 vgl. [Gö10] 11 siehe Ressourcenkontrolle und Individualisierung 12 vgl. [JA07] u. [AJPK09] 8

9 Ressourcenverwaltung In einer Multi-Tenancy-Datenbank kommt es zur Konkurrenz um kritische Ressourcen wie RAM, CPU und verfügbarer I/O-Bandbreite zwischen parallel abzuarbeitenden Abfragen innerhalb eines Mandanten und zusätzlich noch zur Konkurrenz zwischen verschiedenen Mandanten. Das DBMS muss daher eine Methode zur Erfassung der aktuellen Lastsituation bereitstellen, die dies an eine zentrale Überwachungsinstanz sendet, welche anhand der SLA die Einhaltung die Ressourcennutzung für die einzelnen Mandanten regelt. Die Überwachung sollte auch eine proaktive Ressourcenbeschränkung umfassen, um Amok-Anfragen, die auch andere Tenants negativ beeinträchtigen könnten, möglichst frühzeitig zu erkennen und zu verhindern. 13 Individualisierung Eine für Kunden sehr wichtige Anforderung ist die individuelle Anpassbarkeit des Mandanten, um die eigenen Geschäftprozesse und Spezialisierungen abbilden zu können. Dies kann sowohl die Erweiterung bestehender Entitätstypen um weitere Attribute, als auch die Definition neuer Entitätstypen beinhalten. Derzeit bieten Muti-Tenancy-Systeme jedoch meist nur eine Anpassbarkeit durch wählbare Optionen. 14 Da sich Multi-Tenancy-DBMS bei parallel agierenden Mandanten rund um die Uhr in Betrieb befinden, sind Schemaänderungen ohne Unterbrechung erforderlich. Anpassungen von Tenant A dürfen dabei nicht die Nutzung von Tenant B beeinträchtigen. Verfügbarkeit Die Verfügbarkeit der Services spielt eine zentrale Rolle beim Cloud Computing und ist in den Service-Verträgen geregelt. Die Anbieter sind verpflichtet. die SLA einzuhalten, andernfalls zieht dies Vertragsstrafen nach sich. Das bedeutet, dass das Multi Tenancy DBMS sicherstellen muss, dass die Anwendung für den Mandanten auch dann verfügbar ist, wenn Teile des Systems ausgefallen sind. Eine Non-Stop-Verfügbarkeit erfordert jedoch zu hohe Kosten an Redundanz, so dass die Provider in der Regel einen Kompromiss zwischen 13 vgl. [AJPK09] 14 vgl. [AJPK09] u. [Gö10] 9

10 Hochverfügbarkeit und Vertragstrafen eingehen. Hierbei dürfen im Gegensatz zur Non-Stop-Verfügbarkeit im Fehlerfall auch Transaktionen zurückgerollt werden Implementierungsansätze Mit marktüblichen DBMS lassen sich ohne besondere Modifikationen Multi- Tenancy Applikationen implementieren, jedoch sind hiermit einige Einschränkungen verbunden. Nachfolgend sollen nun die Vor und Nachteile einiger exemplarischer Implementierungsansätze aufgezeigt werden. Abb. 1: Übersicht über Implemenierungsansätze für Multi-Tenancy-Datenbanken Shared Machine Konsolidierung Isolation Bei diesem Ansatz bekommt jeder Mandant auf einem Rechner eine eigene Datenbankinstanz zur Verfügung gestellt, wodurch ein Höchstmaß an Mandantenisolation gewährleistet werden kann. Für den Cloud-Service- Provider lässt sich dies einfach umsetzen, da keine Modifikationen am DBMS 15 vgl. [AJPK09] 16 in Anlehnung an [Os09] 10

11 notwendig sind. Durch die hohe Isolation lassen sich Backups und Modifikationen sehr einfach einspielen. Auch die Individualisierung wird hierdurch begünstigt, teilweise ist sogar das Konfigurieren individueller Administrationsdetails möglich. Jedoch ist dieser Ansatz nicht sehr kosteneffizient, da keine Konsolidierung stattfindet und damit der initiale Ressourcenbedarf einer Datenbankinstanz nicht auf mehrere Mandanten verteilt wird. Eingesetzt werden sollte dieses Konzept daher nur bei Anwendungen mit sehr hohem Sicherheitsbedarf oder aber sehr großen und komplexen Anwendungen, die eine Vielzahl an Modifikationen erfordern. 4.2 Shared Process Eine Shared-Process-Implementierung bedeutet, dass sich mehrere Mandanten eine Datenbankinstanz teilen, wobei jedem Mandanten ein eigenes Datenbankschema zugewiesen werden kann. Die logische Isolation der Mandanten ist hierbei gewährleistet, sodass Modifikationen andere Mandanten nicht negativ beeinflussen. Die physische und logische Trennung der Daten erfolgt auf Anwendungsebene. Innerhalb des DBMS entsteht hierbei jedoch eine große Zahl von Tabellen, was zu einem hohem Hauptspeicherbedarf und nur partiell gefüllten Bufferpool Seiten führt, da die Metadatenverwaltung wenig effizient ist. Durch die Konsolidierung von Mandanten ist dieser Ansatz bereits deutlich ressourcen- und kosteneffizienter als Shared Maschine. Interessant ist diese Konzept vor allem für kleine und mittlere SaaS-Anwendungen Shared Table Hierbei teilen die Mandanten sich Tabellen und werden in einem Schema konsolidiert. Die logische Isolation erfolgt durch eine spezielle Art von Sichten die beispielsweise mittels Mandatory Access Control gesteuert werden. Es ist daher eine zusätzliche Schicht, die sog. Query-Tranformation-Layer, notwendig. Mit diesem Ansatz ist eindeutig die größtmögliche Einsparung von Ressourcen möglich. Jedoch kann die Kapazität der Tabellen durch das DBMS oder die 17 vlg. [JA07] 11

12 Plattform limitiert sein. Auch ist zu bedenken, dass es bei sehr großen Tabellen zu Performance-Verlusten kommen kann. Das Einspielen von Backups sowie die Migration sind hierbei sehr aufwendig und fehleranfällig, da sie auf Zeilenebene stattfinden. Diese Implementierung erfordert jedoch eine besonders hohe Verfügbarkeit, da einzelne Komponenten zum Flaschenhals werden können. Das größte Defizit des Shared Table Ansatzes ist jedoch die mangelnde Flexibilität. Bei gemeinsamer Nutzung von Datenbankobjekten müssen alle individuellen Datenbankschemata in einem flexiblen Schema vereinigt werden. 18 Zur Abhilfe sind spezielle Tabellen-Layouts notwendig, die jedoch Kompromisse zwischen Performance, Funktionalität und Flexibilität darstellen. 5. Fazit Multi-Tenancy-Datenbanken sind essentiell für gehostete Dienste, um große Datenmengen zu niedrigen Kosten zu verwalten. Die Wahl zwischen Multi Instance und Multi Tenancy sowie auf Datenbankebene zwischen den drei vorgestellten Implementierungen ist abhängig vom Geschäftsmodell sowie dem Know-How des Unternehmens zur Entwicklung von Datenbanklösungen. Ansätze bei denen sich mehrere Mandanten eine Instanz teilen, sind dabei günstiger im Ressourcenverbrauch als Ansätze mit jeweils eigenen Instanzen. Mit zunehmender Ressourcenteilung der Mandanten steigen die Ansprüche nach Isolation und Sicherheit, Skalierbarkeit, Lastverteilung und flexiblen Schemata. 19 Heutige relationale Datenbankmanagementsysteme können Daten strukturiert speichern, gespeicherte Programme ausführen, XML-Daten verarbeiten und vieles anderes mehr. 20 Im Umfeld von Cloud Diensten und Multi-Tenancy- Applikationen haben sie jedoch noch große Schwächen. Die größten Probleme ergeben sich aus der tabellenbasierten Verwaltung der Data Dictionaries und der Bufferpools, da diese eine sehr schlechte Auslastung besitzen. 18 vlg. [JA07] u. [Os09] 19 Quelle [Gö10], abgeändert durch Verfasser 20 Quelle [Ha10] 12

13 Nahezu alle administrativen Aufgaben, die in Multi-Tenancy-Systemen auf Ebene der Mandanten implementiert sind, gestalten sich als problematisch. 21 Dazu zählen beispielsweise Migration, Verfügbarkeit und insbesondere Schemaänderungen zur Laufzeit. 22 Unabhängig davon, dass die Last erfolgreicher Web 2.0 Anwendungen unberechenbar ist und die oft beworbene unendliche Skalierbarkeit ohne jegliche Verzögerung damit wohl eine Illusion bleiben dürfte, wird eine dynamische Ressourcenkontrolle und Mandantenpriorisierung auf Basis der Mandanten-SLA von den DBMS bisher nicht unterstützt. Marktübliche DBMS werden daher den Anforderungen von Multi Tenancy an vielen Stellen nicht gerecht. Einige Defizite können durch Modifikationen behoben, andere Anforderungen stehen erst durch eine Ablösung von Allzweck-DMBS durch spezialisierte DBMS bereit Quelle [AJPK09], abgeändert durch Verfasser 22 vlg. [JA07] 23 Quelle [Gö10], abgeändert durch Verfasser 13

14 Quellennachweise [HV10] Till Haselmann, Gottfried Vossen. Abgrenzung des Database-as-a Service-Begriffs aus Benutzerperspektive. Workshop Database-as-a- Service [JA07] Dean Jacobs, Stefan Aulbach. Ruminations on Multi.Tenant Databases. In BTW [AJPK09] S. Aulbach, D. Jacobs, J. Primsch und A. Kemper. Anforderungen an Datenbanksysteme für Multi-Tenancy- und Software-as-a-Service Applikationen. In BTW 09, Seiten , Münster, [Gö10] Andreas Göbel. Anforderungen von Cloud-Anwendungen an Datenbanksysteme. Workshop Database-as-a-Service [AGJ+08] S. Aulbach, T. Grust, D. Jacobs, A. Kemper und J. Rittinger. Multitenant databases for software as a service: schema-mapping techniques. In SIGMOD 08, Seiten , New York, NY, USA, [Os09] Alfred Ostermeier. Multi-Tenancy und Software-as-a-Service. Vorlesungscript. München [Ko10] Christoph Koch, Sicherheit in der Cloud, Blockseminar Software as a Service, Cloud Computing und aktuelle Entwicklungen 14

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