Anforderungen von Cloud-Anwendungen an den Einsatz von Datenbanksystemen

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1 Anforderungen von Cloud-Anwendungen an den Einsatz von Datenbanksystemen Im Rahmen des Seminars Software as a Service, Cloud Computing und aktuelle Entwicklungen Friedrich Schiller Universität Jena Lehrstuhl für Datenbanken und Informationssysteme Prof. Dr. Klaus Küspert, Andreas Göbel Referent: Michael Kobold

2 Agenda 1. Motivation 2. Spezielle Anforderungen an Multi-Tenancy- Datenbanken 3. Architekturen für Multi-Tenancy 4. Fazit 2

3 1. Motivation 3

4 Warum Datenspeicherung in der Cloud? Heutige DBS können: Daten strukturiert speichern Gespeicherte Programme ausführen XML-Daten verarbeiten. Aber: mit steigender Funktionsvielfalt monolithischer Systeme ist auch deren Komplexität und Verwaltungsaufwand gestiegen SaaS wird immer beliebter Einsparung von Kosten für HW, SW & Personal Benutzung per Browser Idee des Outsourcing von DBS 4

5 Warum Datenspeicherung in der Cloud? Vorteile Dyanmische Skalierbarkeit Pay-as-you-go Ortsunabhängiger Zugriff über das Internet Kein Investitionsaufwand für Infrastruktur attraktiv für kleine Unternehme ohne Datencenter 5

6 Nutzergruppen für Datenspeicher in der Cloud Database-as-a-Service i.e.s. - Infrastukturdienst der strukturierten Datenspeicher anbietet - Amazon SimpleDB Database-System-as-a-Service - traditionelles DBS als Service - Amazon Relational Database Service - Microsoft Azure SQL Services Database-as-a-Service i.w.s. - Grafische Oberfläche - Im- und Export, Datenverarbeitung, Datenauswertung - DabbleDB, Caspio Bridge XaaS Einordnung [Haselmann 2010] 6

7 Multi Instance vs. Multi Tenancy Multi Instance Stellt jedem Nutzer eine individuelle Anwendungsinstanz zur Verfügung Gründe: Sicherheit und Individualisierung Basierend auf virtuellen Maschinen um Kosten gering zu halten Performance Overhead Multi Tenancy: Zehntausende von Kunden (Mandanten) können sich eine Anwendungsinstanz nutzen und teilen sich deren Ressourcen Operative Kosten der Provider (TCO) können gesenkt werden 7

8 Relevanz gemeinsamer Ressourcennutzung Bessere Auslastung der Ressourcen Größenbedingte Einsparungen senken Total Costs of Ownership (TCO s), da Softwarelizenzen Hardwarekosten Administrationskosten einfachere Anpassungen der Infrastruktur Skalierbarkeit 8

9 Multi Tenancy Konsolidierung mehrerer Kunden (tenants) auf gemeinsamen Software-Hardware-Umbgebung Spektrum der Isolation von Mandanten: Gemeinsame Datenbankobjekte Getrennte DB-Schema Separate Datenbanken Ziel ist die Schaffung einer kostengünstigen, skalierbaren und optimal ausgelasteten DBaaS-Instrastruktur für eine hohe Kundenanzahl Herausforderungen: System soll sich so verhalten als würde der Kunde allein hierauf arbeiten! Konkurrenz um gemeinsame Ressourcen Erhöhte Anforderungen an die Datensicherheit Schwierige Erweiterbarkeit 9

10 Multi Tenancy allg. Anforderungen Serviceprovider: niedrige laufende Kosten durch hohe Ressourcenauslastung Kunde: hohe Verfügbarkeit bei hoher Datensicherheit Applikationsentwickler: einfache aber mächtige Funktionsmodelle Erweiterbarkeit & Individualisierbarkeit Problem: Tradeoff zwischen Sicherheit, Kosten und individuellen Anforderungen an die Anpassung 10

11 2. Spezielle Anforderungen an Multi-Tenancy-Datenbanken 11

12 Mandantenisolation Schutz gegen externe Zugriffe von Außen Authentifizierungsmechanismen, verschlüsselte Speicherung und Übertragung von Daten Schutz gegen mandantenübergreifende Fremdzugriffe Autorisierungssystem mit feingranularer Rechtevergabe; z.b. über Mandatory Access Control (MAC), das Zugriffkontrollen für Tabellenzeilen und Spalten bietet (von vielen RDMS in abgewandelter Form unterstützt) 12

13 Mandantenkonsolidierung Ermöglicht es mehrere Mandanten in einer Datenbankinstanz zu aggregieren Weder Anzahl, Größe oder Verteilung der Mandanten darf als limitierender Faktor auftreten d.h. im Falle dass ein Mandant bis an die Grenzen des Systems stößt muss es Mechanismen geben diesen über mehrere Rechner zu verteilen Skalierbarkeit 13

14 Größe des Host Mandantenkonsolidierung Wie viel Konsolidierung ist möglich? Rack # Mandanten pro DB Blade Komplexität der Anwendung Größenvorteile nehmen mit steigender Komplexität der Anwendung ab! Hauptanwendungsgebiete für MT sind Kollbarationsplattformen wie Google Docs, MS Office Live Proj Mgmt CRM ERP Banking 14

15 Lastverteilung und Migration von Mandanten Abfederung von Lastspitzen Einhaltung der vereinbarten Dienstverfügbarkeit (SLA s) Statische Lastverteilung: Zuteilung auf Vorhersagen basierend Dynamische Lastverteilung: je nach Bedarf kann auch zur Laufzeit auf andere Rechner migriert werden 15

16 Ressourcenverwaltung & Überwachung Konkurrenz um kritische Ressourcen wie RAM, CPU und verfügbarer I/O Bandbreite zwischen: parallel abzuarbeitenden Abfragen UND: unterschiedlichen Tenants DBMS muss eine Methode zur Erfassung der aktuellen Lastsituation bereitstellen die an eine zentrale Überwachungsinstanz sendet, welche anhand der SLA die Einhaltung die Ressourcennutzung für die einzelnen Mandanten regelt proaktives Ressourcenbeschränkung um Amok- Anfragen möglichst zu verhindern 16

17 Erweiterbarkeit & Individualisierung Anpassungen an unterschiedliche Geschäftsprozesse oder Spezialisierungen eines Mandanten sollen möglich sein bestehende Entitäten um weitere Attribute ergänzen neue Entitäten definieren Erweiterungen müssen dann in der gesamten Anwendung berücksichtigt werden Applikation sorgt für Präsentation der Daten DBMS sorgt für die Datenhaltung und ist Eigentümer des Schemas Kompatibilitäten mit den Schemaänderungen sind zu beachten! 17

18 Verfügbarkeit SLA sind oft Integraler Bestandteil von Service- Verträgen Bindung an die SLA s, andernfalls Vertragsstrafen Tradeoff zwischen Redundanten Systemen zur Gewährleistung der Ausfallsicherheit und Vertragsstrafen Hochverfügbarkeit bei der auch Transaktionen zurückgerollt werden dürfen ist deutlich günstiger als eine Non-Stop Verfügbarkeit 18

19 Integration in virtuelle IT-Landschaften Kompatibilität mit versch. SOA-Implementierungen XML Webservices Unterstützung aller gebräuchlicher (Meta-)Sprachen und Protokollen Effiziente Verarbeitung von Datenströmen 19

20 3. Architekturen für Multi-Tenancy 20

21 Architekturen für Multi-Tenancy Isolation Konsolidierung [Ostermeier, 2009] 21

22 Shared Machine Jeder Tenant hat eigene DB-Instanz auf derselben Maschine Vorteile einfach zu implementieren: keine Modifikationen am DBMS nötig höchstmögliche Isolation zwischen den Tenants leichte Erweiterbarkeit, teilweise individuelle Administrationsdetails Einspielen von Backups sehr einfach Migration durch Kopieren Nachteile Schlechte Skalierbarkeit (bis ~10 Mandanten) Hoher Speicherverbrauch mangels Ressource-Pooling schlechte Administrierbarkeit durch Anbieter Bulk Operationen über mehrere Mandanten nicht möglich Einsatz: größere Anwendungen mit hohem Sicherheitsbedarf, z.b. Banking-Software 22

23 Shared Process Mehrere Tenants teilen sich eine Datenbankinstanz Jedem Tenant kann dabei ein eigenes Datenbankschema zugewiesen werden physische und logische Trennung der Daten erfolgt auf Anwendungsebene Vorteile: Logische Isolation der Daten gewährleistet Bei physisch getrennter Speicherung der Daten der einzelnen Mandanten Migration und Lastverteilung einfach zu realisieren Backups sind leichter, weil nur eine Datenbank genutzt wird Nachteile: innerhalb des DBMS entsteht eine große Zahl von Tabellen ->Ineffiziente Metadatenverwaltung Konkurrenz um Pufferrahmen Skaliert bis 1000 Mandanten Für kleine und mittlere SaaS-Anwendungen 23

24 Shared Machine vs. Shared Process Ressourcenbedarf für Schemeninstanzen (in MB) [Jacobs, 2007] 24

25 Shared Table Alle Tenants teilen sich dieselbe Tabelle Tenants arbeiten auf Sichten Logische Isolation mittels Mandatory Access Control (MAC) zusätzliche Zwischenschicht muss im Datenbanksystem implementiert werden! Query-Transformation-Layer 25

26 Shared Table Vorteile: größtmögliche Einsparung von Ressourcen, Aber: Größe der Tabellen kann durch DBMS oder der Plattform limitiert sein! Nachteile: Isolation: Umsetzung von MAC unterscheidet sich in den einzelnen DBMS; nicht alle MAC gleichmächtig Einspielen von Backups auf Zeilenebene -> aufwändig und fehleranfällig Performanceverlust bei sehr großen Tabellen Mangelnde Flexibilität: verschiedene Tabellen-Layouts, die den Shared Table Ansatz ermöglichen. Kompromisse zwischen Performance, Funktionalität und Flexibilität! Datenmigration nur auf Kosten zusätzlicher Abfragen Erhöhte Anforderungen an Verfügbarkeit da einzelne Komponenten zum Flaschenhals werden können 26

27 4. Fazit 27

28 Grenzen heutiger Systeme Schemaänderungen zur Laufzeit Skalierbarkeit bei erfolgreichen Web 2.0 Anwendungen vollständige Verschlüsselung während der Speicherung und Übertragung der Daten ist nur unbefriedigend gelöst dynamische Ressourcenkontrolle und Mandantenpriorisierung auf Basis der Mandanten-SLAs nicht unterstützt 28

29 Bewertung Wahl zwischen Multi Instance und Multi Tenancy sowie auf Datenbankebene zwischen den drei vorgestellten Architekturen abhängig von: Geschäftsmodell des Unternehmens Know How des Unternehmens zur Entwicklung von MT-Lösungen Multi-Tenant Datenbanken sind essentiell für gehostete Dienste um große Datenmengen zu niedrigen Kosten zu verwalten MT-Ansätze bei denen sich mehrere Mandanten eine Instanz teilen sind günstiger im Ressourcenverbrauch als Ansätze mit eigenen Instanzen Mit zunehmender Ressourcenteilung der Mandanten steigen Ansprüche nach Isolation und Sicherheit, Skalierbarkeit, Lastverteilung, flexiblen Schemata Marktübliche DBMS werden den Anforderungen an vielen Stellen nicht gerecht Einige Defizite können durch Modifikation behoben, andere Anforderungen stehen erst durch eine Ablösung von Allzweck-DMBS durch spezialisierte DBMS bereit 29

30 Quellennachweise Till Haselmann, Gottfried Vossen. Abgrenzung des Database-as-a- Service-Begriffs aus Benutzerperspektive Dean Jacobs, Stefan Aulbach. Ruminations on Multi.Tenant Databases. In BTW Stefan Aulbach, Dean Jacobs, Jürgen Primsch, Alfons Kemper. Anforderungen an Datenbanksysteme für Multi-Tenancy- und Software-asa-Service-Applikationen. In BTW 09. Seiten Münster. Deutschland Andreas Göbel. Anforderungen von Cloud-Anwendungen an Datenbanksysteme S. Aulbach, T. Grust, D. Jacobs, A. Kemper und J. Rittinger. Multi-tenant databases for software as a service: schema-mapping techniques. In SIGMOD 08, Seiten , New York, USA, Alfred Ostermeier. Multi-Tenancy und Software-as-a-Service. München

31 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! Fragen? 31

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