Verteilte Datenbanken und Client/Server -Systeme

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1 Verteilte Datenbanken und Client/Server -Systeme

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3 Peter Dadam Verteilte Datenbanken und Client/Server-Systeme Grundlagen, Konzepte und Realisierungsformen Mit 151 Abbildungen " Springer

4 Prof. Dr. Peter Dadam Universitat Ulm, Fakultat fur Informatik Abteilung Datenbanken und Informationssysteme Oberer Eselsberg, Gebaude 027/522 D Ulm ISBN Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme Dadam Peter: Verteilte Datenbanken und Client-,Server-Systeme: Grundlagen, Konzepte und Realisierungsformen 1 Peter Dadam. Berlin; Heidelberg; New York; Barcelona; Budapest; Hongkong; London; Mailand; Paris; Santa Clara; Singapur; Tokio: Springer, 1996 ISBN 13: e-isbn-13: : Dieses Werk ist urheberrechtlich geschutzt. Die dadurch begrundeten Rechte, insbesondere die der Obersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfaltigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfaltigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland yom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulassig. Sie ist grundsatzlich vergutungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1996 Printed in Germany Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, d a solche ~ Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz Gesetzgebung als frei zu betrachten waren und daher von jedermann benutzt werden duriten. Umschlaggestaltung: design & production GmbH, Heidelberg Satz: Reproduktionsfertige Vorlage yom Autor SPIN / Gedruckt aufsaurefreiem Papier

5 Vorwort Sinkende Preise fur Rechner- und Kommunikationssysteme haben, in Verbindung mit dem Trend zu "offenen" Systemen, in den letzten Jahren das Interesse an verteilten Systemen, insbesondere an verteilten Informationssystemen, stark wachsen lassen. Die Ab15sung monolithischer Zentralrechneranwendungen durch verteilte, dezentral organisierte Uisungen hat in vielen Unternehmen und Organisationen entweder bereits begonnen oder steht zumindest ganz weit oben auf der Planungsliste. Client/Server, Downsizing und Rightsizing sind die in diesem Kontext derzeit am haufigsten verwendeten Schlagworte. Das Buch wendet sich im Sinne eines Kurses tiber Realisierungsformen verteuter Informationssysteme und deren Grundlagen an Studierende, Wissenschaftler und Praktiker. Es vermittelt Grundlagenwissen tiber die in den verschiedenen Teilbereichen auftretenden Problemstellungen und zeigt die technologischen Altemativen sowie ihre Moglichkeiten und Grenzen bzw. Chancen und Risiken auf. Ftir Studenten eignet sich das Buch zum Se1bststudium. Anhand der eingestreuten Ubungsaufgaben und Musterlosungen kann das Ge1emte tiberpruft werden. Ftir Wissenschaftler liefert das Buch einen,,roten Faden" durch dieses breite Gebiet, schafft eine Obersicht und erleichtert den Einstieg. Durch die Hinweise auf aktuelle, weiterfuhrende Literatur konnen dann die interessierenden Themen se1bst weiterverfolgt werden. Ftir Praktiker vermittelt das Buch ein urnfassendes Verstandnis der wesentlichen Zusammenhange und gibt Hinweise tiber die potentiellen Fallstricke bei der Realisierung solcher Systeme. Das Buch kann somit dazu beitragen, gravierende Fehlentscheidungen zu vermeiden. Das Buch ist bis auf wenige Teile, bei den en es sich aus Grtinden der prazisen Formulierung nicht vermeiden lieb, informell und anschaulich gehalten, so dab es auch fur Personen ohne Hochschulausbildung in Informatik oder Mathematik lesbar sein sollte. Ein gewisser Schwerpunkt des Buches bzw. Kurses liegt auf der Vermittlung von Grundlagen- und Implementierungswissen tiber VerteUte Datenbank Management-Systeme (vdbmse). Zum einen dienen diese Kenntnisse dem besseren Verstandnis fur Aufbau und Arbeitsweise dieser Systeme, zum andem liefem sie die Grundlage fur die Diskussion der zu losenden Probleme, wenn die entsprechenden (Teil-)Aufgaben wie Anfragebearbeitung, Integration heterogener Systeme, Synchronisation, Recovery, koordinierte Freigabe von Anderungen, Kommunikation usw. keinem vdbms tibertragen werden konnen, sondem in eigener Regie ge10st werden mtissen. Zwei weitere

6 vi Vorwort Schwerpunkte sind Replikationsverfahren, also die Verwaltung redundant gespeicherter Daten, sowie die Konzepte und Basistechnologien fur die Realisierung von ClientiServer-Systemen. Das vorliegende Buch entstand aus einem Kurs Uber "Datenbanken in Rechnernetzen", den ich fur die FernUniversitat in Hagen erstellt habe und der erstmals im Sommersemester 1996 zum Einsatz gekommen ist, sowie aus Vorlesungen, Ubungen, Seminaren und Praktika aus diesem Themenbereich an der Universitat Ulm. FUr die UnterstUtzung dieses Projektes durch Prof. Dr. Gunter Schlageter sowie die Zustimmung der FernUniversitat zur VerOffentlichung als Buch mochte ich mich hiermit bedanken. Danken mochte ich auch meinen Mitarbeitern, und zwar insbesondere Herm Dipl.-Math. Christian Heinlein, Herm Dipl.-Inform. Erich MUller und Herrn Dipl.-Inform. Thomas Bauer fur ihre gewissenhafte und kritische Durchsicht des Textes und der Ubungsaufgaben. Wenn immer noch Fehler im Buch sein sollten, dann habe ich diese sicherlich beim Einarbeiten der Korrekturen versehentlich "eingebaut". Vielen Dank auch an Herm cand.-inform. Werner Traber fur seine UnterstUtzung bei den ersten Kapiteln, an Herm Dipl.-Inform. Thomas Beuter fur die kritische Durchsicht des Kapitels Uber Replikationsverfahren, an Herm Dipl.-Inform. Thomas Kretzberg von der FernUniversitat Hagen, fur seine hilfreichen Hinweise zur didaktischen Gestaltung, und an all diejenigen, die dieses Buch seitens des Springer-Verlages betreut haben, allen voran an Herm Dr. Hans Wossner. Uber konstruktive Kritik und Verbesserungsvorschlage zu Aufbau und lnhalt des Buches wurde ich mich freuen. Bitte schreiben Sie mir an die auf der lmpressumseite angegebene Adresse oder schicken Sie eine an Aktuelle Informationen zum Buch sowie zur Verfugung stehende Begleit- und Hintergrundinformation (Quellcodes von Algorithmen, Berichte etc.) finden sich im WWW unter Ulm, im August 1996 Peter Dadam

7 Inhaltsverzeichnis 1. Einriihrung, Problemstellung und iiberblick Einftihrnng... I 1.2 Allgemeine Problemstellungen Problemstellung bei Dezentralisierung Problemstellung bei Integration Formen und Problemstellungen von verteilten Informationssystemen Riiumliche AspeIcte Konventionell versus mittets verteiltem DBMS realisierte verteilte Informationssysteme Realisierungsformen verteilter DBMSe Zusammenfassung Realisierungsformen Abgrenzung zu verteilten Dateisystemen ClientiServer-Anwendungen Aufbau des Buches Rechnernetze Netze und Dienste auf Netzen Netztopologien Lokale Netze Medium Access Control (MAC) - Allgemeines CSMAlCD Token-Passing-Verfahren Leistungsverhalten Early Token Release Weitverkehrsnetze Wegewahl (routing) Das ISOIOSI-Referenzmodell Zusammenfassung... 37

8 viii Inhaltsverzeichnis 3. GrundIagen relationaler Datenbanksysteme Relationenalgebra Normalformen Korrekte Zedegung von Relationen Zusammenfassung von Relationen (Relationensynthese) Speicherung globaler Relationen Vorbemerkungen Partitionierung und Allokation Partitionierungsformen Horizontale Partitionierung Abgeleitete horizontale Partitionierung Vertikale Partitionierung Gemischte Partitionierung AbschIieBende Bemerkungen Bestimmung geeigneter Partitionen Vorbemerkungen Bestimmung horizontaler Partitionen Bestimrnung abgeleiteter horizontaler Partitionen Bestimmung vertikaler Partitionen Physische Verteilung der Daten (Allokation) Allgemeines Mathematisches Modell rur nicht-redundante Allokation Mathematisches Modell rur redundante Allokation Beispiel rur die Bestimrnung einer optimalen AlIokation AbschIieBende Bemerkungen S. Schema-Architekturen verteilter Datenbanksysteme Einftihrnng Homogene, pra-integrierte Datenbanksysteme Heterogene, pra-integrierte Datenbanksysteme Allgemeines zu post-integrierten Systemen Koexistenzproblematik und allgemeine Schema-Architektur Schema-Integration Updates tiber post-integrierte DB-Schemata Homogene, post-integrierte Datenbanksysteme Heterogene, post-integrierte Datenbanksysteme

9 Inhaltsverzeichnis Unterstiitwng lesender Zugriffe Unterstiitzung iindemder Zugriffe Schema-Information Realisierung des globalen Katalogs Anfragebearbeitung Aligemeines Formale Grundlagen der Anfragebearbeitung Vorbemerkungen Aquivalenzurnformungen Anfragetransformation und -optimierung (Beispiel) AbschlieBende Bemerkungen wr Anfragetransformation Transformation von globalen Anfragen in lokale Anfragen Erkennung iiberfliissiger Teilanfragen Voliiberlegungen Qualifizierte Relationen Ausfiihrung von Teilanfragen Parallele Ausfiihrung bei horizontaler Partitionierung Parallele Ausfiihrung bei vertikaler Partitionierung Ausfiihrung von Anderungsoperationen Horizontal partitionierte globale Relationen Vertikal partitionierte globale Relationen Ubertragungskosten und Ubertragungsdauer Berechnung von Joins Allgemeines Nested-Loop-Join Sort-Merge-Join Verbundberechnung mittels Semi-Join Verbundberechnung mittels HashfIlter AbschlieBende Bemerkungen wr Join-Berechnung Bestimmung einer optimalen Ausfiihrungsstrategie RelationsprofIl Berechnung des RelationsprofIls von Ergebnisrelationen Bewertung und Vergleich von Ausfiihrungspllinen GlobaJe Transaktionen Begriff der Transaktion

10 x Inhaltsverzeichnis 7.2 Globale und lokale Transaktionen Formen entfernter Prograrnm- und Transaktionsausfiihrung Entfernter Prograrnmaufruf Entfernte Ausfiihrung einer Transaktion Entfernt ausgefiihrte Teiltransaktionen Verteilte Transaktionen Korrekte parallele Ausfiihrung globaler Transaktionen Korrekte Transaktionsausfiihrung im zentralen Fall Korrekte Transaktionsausfiihrung im verteilten Fall Transaktionsaufrufstrukturen Freigabe von Anderungen, Commit-Protokolle Zwei-Phasen-Comrnit-Protokoll (2PC-Protokoll) Verhalten bei Knotenausfiillen Presumed-Abort-/ Presumed-Commit-2PC-Protokoll Weiterfiihrende Transaktionskonzepte Geschlossen-geschachtelte Transaktionen Offen-geschachtelte Transaktionen Synchronisationsverfabren Sperrverfahren Optimistische Synchronisationsverfahren Andere Synchronisationsverfahren Erkennung und Auflosung von Verklemmungen Zentralisierte Suche nach Verklemmungen Dezentrale Suche nach Verklemmungen AbschlieBende Bemerkungen rur verteilten Deadlocksuche Replikationsverfabren Motivation Grundsatzliche Problemstellungen und Vorgehensweisen Read-One-Write-All-Verfahren (ROWA-Verfahren) Kopien-Update-Strategien Strategien fiir den Fehlerfall Synchronisation von Updatetransaktionen Behandlung von Lesetransaktionen Ausgewlihlte Verfahren Primary Copy

11 Inhaltsverzeichnis Majority Consensus Dynamic Voting Tree Quorum Reconfigurable Tree Quorum Data Patches Semantikbasiertes Replikationsmanagement AbschlieBende Bemerkungen Recovery Kurzzeit-Recovery (Crash-Recovery) Langzeit-Recovery (Media-Recovery) Strikt-synchronisierte lokale Sicherungspunkte Lose-synchronisierte lokale Sicherungspunkte Nicht-synchronisierte lokale Sicherungspunkte ClientlServer-Anwendungen Aligemeines Das Client/Server-Modell Architekturaspekte Verteilte Priisentation Entfemter Datenbankzugriff Verteilte Applikationsfunktion Basistechnologien Remote Procedure Call (RPC) Systemeinbettung: Prozesse und Threads Kommunikationsdienste Autorisierung, Authentifizierung und geschiitzte Ubertragung Common Object Request Broker Architecture (CORBA) Remote Database Access (RDA) TP-Monitore Technischlwissenschaftliche Anwendungen Allgemeines Problemstellung (am Beispiel einer Robotik-Anwendung) Zugriff auf komplexe Objekte Kooperative Objektbearbeitung Lange Transaktionen AbschlieBende Bemerkungen

12 xii Inhaltsverzeichnis 12. Zusammenfassung und Ausblick Literatur Losungen zu den Ubungsaufgaben Anhang A: Programm zur Bestimmung der optimalen Allokation Anhang B: Transaktionsabhangigkeitsgraph Anhang C: Topologische Knotensortierung Anhang D: Deadlocksuche Anhang E: Deklaration von Triggern Anhang F: Proze8erzeugung und -iiberlagerung in UNIX Anhang G: Stream-Verbindung Anhang H: Datagram-Verbindung Index