Datenbanksysteme 2 Frühjahr-/Sommersemester Februar 2014

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1 Lehrstuhl für Praktische Informatik III Prof. Dr. Guido Moerkotte Marius Eich Fisnik Kastrati Datenbanksysteme 2 1. Übungsblatt Frühjahr-/Sommersemester Februar 2014 Aufgabe 1 Für ein Versandhaus soll ein verteiltes Datenbanksystem aufgebaut werden. Das Unternehmen ist an zwei Standorten vertreten. In der Zentrale in Mannheim werden die Bestellungen aller Kunden mit der Vorwahl 0621 abgewickelt. Zusätzlich wird die gesamte Rechnungsabwicklung in Mannheim erledigt. In der Außenstelle in Heidelberg werden die Bestellungen der restlichen Kunden betreut. Für die Rechnungsstellung werden die Auftragsnummer, der Gesamtpreis und die Rechnungsadresse benötigt. Die Versandabteilung benötigt Auftragsnummer, Vorwahl, Rufnummer, Artikel, Lieferadresse und Stückzahl. Die Daten des Versandhauses werden u.a. in der folgenden Relation gespeichert: Bestellung(Auftragsnummer, Vorwahl, Rufnummer, Artikel, Lieferadresse, Rechnungsadresse, Stückzahl, Gesamtpreis) Aufgabe 1 a) Welche unterschiedlichen Fragmentierungsarten können in einem verteilten Datenbanksystem zum Einsatz kommen? vertikale Fragmentierung horizontale Fragmentierung kombinierte Fragmentierung Aufgabe 1 b) Zerlegen Sie die obige Relation in geeignete Fragmente. Rechnungsdaten := Π Auftragsnummer,Gesamtpreis,Rechnungsadresse (Bestellung) 1

2 LieferdatenMA := σ V orwahl= 0621 ( Π Auftragsnummer,V orwahl,rufnummer,artikel,lieferadresse,stückzahl (Bestellung)) LieferdatenHD := σ V orwahl!= 0621 ( Π Auftragsnummer,V orwahl,rufnummer,artikel,lieferadresse,stückzahl (Bestellung)) Aufgabe 1 c) Für ein Backup soll ein komplettes Abbild der verteilten Datenbasis erstellt werden. Geben Sie einen algebraischen Ausdruck an, der aus den erstellten Fragmenten die ursprüngliche Relation rekonstruiert. Rechnungsdaten (Lief erdatenm A Lief erdatenhd) Aufgabe 1 d) Für eine Bestellung aus Mannheim wurde fälschlicherweise eine falsche Vorwahl (0791) eingetragen. Die Vorwahl wird entsprechend zu 0621 korrigiert. Was muss das Datenbanksystem beachten? Der entsprechende Datensatz muss von der Station in Heidelberg auf die Station in Mannheim verschoben werden. Aufgabe 2 Die Mitarbeiterdatenbank eines Unternehmens enthält die folgende Relation Mitarbeiter: Mitarbeiter(PersNr, Name, Anschrift, Gehalt, Standort). Das Unternehmen ist an den Standorten Mannheim und Heidelberg vertreten und führt eine entsprechende horizontale Fragmentierung der Relation durch: MitarbeiterMA := σ Standort= Mannheim (PersNr, Name, Anschrift, Gehalt, Standort) MitarbeiterHD := σ Standort= Heidelberg (PersNr, Name, Anschrift, Gehalt, Standort) Die erzeugten Fragmente werden redundanzfrei auf die jeweiligen Stationen in Mannheim und Heidelberg verteilt. Für eine Betriebsprüfung soll eine Liste aller Mitarbeiter erstellt werden. Aufgabe 2 a) Geben Sie ein SQL-Statement an, mit den eine vollständige Liste aller Mitarbeiter erstellt werden kann wenn das Datenbanksystem Fragmentierungstransparenz bietet. 2

3 select from Mitarbeiter Aufgabe 2 b) Geben Sie ein SQL-Statement an, mit den eine vollständige Liste aller Mitarbeiter erstellt werden kann wenn das Datenbanksystem Allokationstransparenz bietet. select from MitarbeiterMA UNION select from MitarbeiterHD Aufgabe 2 c) Geben Sie ein SQL-Statement an, mit den eine vollständige Liste aller Mitarbeiter erstellt werden kann wenn das Datenbanksystem lokale Schema-Transparenz bietet. select from MitarbeiterMA at S Mannheim UNION select from MitarbeiterHD at S Heidelberg Aufgabe 3 Ein Unternehmen speichert Mitarbeiterdaten in der folgenden Relation: Mitarbeiter(PersNr, Name, Raumnummer, Taetigkeit, Gehalt, Anschrift) Das Unternehmen hat zwei Standorte in Mannheim und Ludwigshafen. An jedem Standort gibt es eine Mitarbeiterverwaltung, die PersNr, Name, Raumnummer und Tätigkeitsbeschreibung benötigt, sowie die Lohnbuchhaltung, die die PersNr, das Gehalt sowie die Anschrift braucht. Hierfür wir die Relation kombiniert in folgende Fragmente zerlegt und redundanzfrei verteilt. LogaMA := Π PersNr,Gehalt,Anschrift (σ Standort= Mannheim (Mitarbeiter)) VerwMA := Π PersNr,Name,Raumnummer,Tätigkeit (σ Standort= Mannheim (Mitarbeiter)) LogaLU := Π PersNr,Gehalt,Anschrift (σ Standort= Ludwigshafen (Mitarbeiter)) VerwLU := Π PersNr,Name,Raumnummer,Tätigkeit (σ Standort= Ludwigshafen (Mitarbeiter)) 3

4 Der Vorstand interessiert sich für die Tätigkeiten, die von hochbezahlten Mitarbeitern durchgeführt werden. Hierfür wird die folgende SQL-Anfrage gestellt. select distinct persnr, name, taetigkeit, gehalt from Mitarbeiter where gehalt>=60000; Aufgabe 3 a) Welche Form der Transparenz liegt hier vor? Fragmentierungstransparenz. Aufgabe 3 b) Überführen Sie die obige SQL-Anfrage in einen kanonischen Operatorbaum den das Datenbanksystem erstellen würde wenn die Relation Mitarbeiter nicht fragmentiert worden wäre, d.h. die Relation befindet sich komplett auf einer einzelnen Station. Π persnr,name,taetigkeit,gehalt σ gehalt>= Mitarbeiter Aufgabe 3 c) Überführen Sie den in Aufgabenteil b) erstellen Operatorbaum in einen Operatorbaum, der die obige Fragmentierung der Mitarbeiter-Relation berücksichtigt. 4

5 Π persnr,name,taetigkeit,gehalt σ gehalt>= LogaMA LogaLU VerwMA VerwLU Aufgabe 3 d) Optimieren Sie den in Aufgabenteil c) erstellten Operatorbaum mit Hilfe der in der Vorlesung besprochenen Heuristiken. 5

6 Π persnr,name,taetigkeit,gehalt Π persnr,name,taetigkeit,gehalt σ gehalt>= VerwMA σ gehalt>= VerwLU LogaMA LogaLU Aufgabe 3 e) In der Vorlesung wurde die Optimierung mit Hilfe von zusätlichen Semi-Joins besprochen. Lässt sich diese Technik für obige Anfrage sinnvoll einsetzen? Begründen Sie. Die in der obigen Anfrage durchgeführten Joins finden (wegen der abgeleiteten Fragmentierung) lokal auf den einzelnen Stationen statt. Die Tupel, die von den Stationen versendet werden, tragen direkt zum Endergebnis bei, der Einsatz zusätzlicher Semi- Joins bringt hier also keine Verbesserung. Aufgabe 4 Im verteilten Datenbanksystemen sind an einer einzelnen Transaktion oft mehrere Stationen beteiligt. Aufgabe 4 a) Welche Probleme können (ohne den Einsatz zusätzlicher Sicherungsmaßnahmen) durch diese Verteilung in Bezug auf die korrekten Behandlung von Transaktionen auftreten? Wie können diese Probleme vermieden werden? Ohne besondere Sicherungsmaßnahmen kann es zu inkonsistenten Transaktionsab- 6

7 schlüssen kommen, d.h. zwei an der selben Transaktion beteiligte Stationen haben unterschiedliche Ergebnisse (commit und abort). Dieses Problem kann auftreten, da die Systeme unabhängig voneinander abstürzen können. Das Problem kann durch den Einsatz spezieller Commit-Protokolle (wie beispielsweise das Zwei-Phasen-Commit-Protokoll) vermieden werden. Aufgabe 4 b) Beschreiben Sie die vier Schritte/Phasen, die bei der Verwendung des Zwei-Phasen- Commit-Protokolls (2PC) beim Transaktionsende durchlaufen werden. Welche Nachrichten werden ausgetauscht? Was passiert wenn eine Station in einer dieser Phasen abstürzt bzw. nicht mehr antwortet? Funktioniert das Protokoll trotzdem? Diskutieren Sie. Prepare Der Koordinator sendet eine Prepare-Nachricht an alle beteiligten Stationen. Failed/Ready Jede beteiligte Station antwortet dem Koordinator ob sie die Transaktion commiten kann oder aborten muss. Antwortet eine Station nicht innerhalb eines vorgeschriebenen Zeitintervalls kann der Koordinator von einem Absturz ausgehen und die Transaktion abbrechen. Falls eine Station die Bereitschaft zum Commit signalisiert hat muss Sie sicherstellen dass der Commit auch von Ihr durchgeführt werden kann, d.h. bei einem eventuellem Absturz nach Senden der Commit-Nachricht müssen die von der Transaktion durchgeführten Änderungen wiederhergestellt werden können. Commit/Abort Der Koordinator entscheidet aufgrund der erhaltenen Antworten ob die Transaktion commiten darf (alle beteiligten Stationen haben die Bereitschaft zum commit signalisiert), oder ob die Transaktion abgebrochen werden muss. Eine entsprechende Nachricht wird an alle Stationen geschickt. ACK Jede Station antwortet mit ACK nachdem sie die vom Koordinator angeforderte Aktion (commit oder abort) durchgeführt hat. Der Koordinator hält das entsprechende Ergebnis der Transaktion bis zum Eintreffen von ACKs aller Stationen vorrätig. Diese Informationen werden z.b. für Stationen benötigt die nach dem Senden einer Commit-Nachricht in Schritt 2 abgestürzt sind und die Commit oder Abort Nachricht aus Phase 3 nicht erhalten haben. Diese können z.b. beim Koordinator nachfragen und die entsprechenden Operationen dann ausführen. Aufgabe 4 c) Bis zum Eintreffen der Acknowledgements aller beteiligter Stationen (Schritt 4) spei- 7

8 chert der Koordinator üblicherweise für jede Transaktionen deren Ergebnis (commit oder abort). Wie kann der Speicheraufwand auf Seiten des Koordinators reduziert werden? Der Koordinator kann sich nur die erfolgreich bzw. nicht erfolgreich abgeschlossenen Transaktionen merken und für alle anderen Transaktionen das Gegenteil annehmen (presumed commit / presumed abort). 8