Thema: Architekturen von SQL-Datenbank- Servern

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1 Thema: Architekturen von SQL-Datenbank- Servern Vertiefungsarbeit von Lars Franke aus Rudolstadt BERUFSAKADEMIE LÖRRACH STAATLICHE STUDIENAKADEMIE UNIVERSITY OF COOPERATIVE EDUCATION Ausbildungsbereich Wirtschaft Dozent: Herr Treffert Abgabetermin: Kurs: WWI01B Fachrichtung IS Unternehmen Delta Energy Solution AG Betreuer(in) im Betrieb: Jörg Sobottka , Seite 1

2 EINLEITUNG Ehrenwörtliche Erklärung Ich versichere hiermit, dass ich meine Vertiefungsarbeit mit dem Thema Architekturen von SQL Datenbank Servern selbstständig verfasst und keine anderen als die angegebenen Quellen und Hilfsmittel benutzt habe. Basel, , Seite 2

3 EINLEITUNG Kurzfassung Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem Thema Architekturen von SQL Datenbankservern. Nach einer kurzen Einleitung, in der die Rolle und Wichtigkeit von Datenbanken dargestellt wird, werden verschiedene Architekturen von SQL Datenbankservern erklärt. Die aufgezeigten Architekturen sind: - Die Process-per-client Architektur, bei der jeder Benutzer während der kompletten Ve r- bindung mit der Datenbank einen eigenen Serverprozess nutzen kann, - Die Multithreaded Architektur, bei der alle Datenbankbenutzer in einem einzigen Prozess verarbeitet werden - Und die Hybrid Architektur, bei der jeder Datenbankbenutzer nur dann einen Serverprozess beanspruchen kann, wenn er ihn auch wirklich benötigt. Im Anschluss wird festgehalten, dass die Hybrid Architektur aufgrund von hoher Sicherheit und hoher Performanz die optimale Architektur ist. Im Anschluss kommt es zu einer Anforderungsanalyse für die Hybrid Architektur. Es wird eingegangen auf die Anforderungen an die Speicherverwaltung und die Prozessverwaltung bei SQL Datenbank Servern. Nachdem die Anforderungen analysiert sind, kommt es zur Umsetzung dieser Anforderungen bei dem Datenbanksystem Oracle9i. Es werden alle Serverprozesse und Speicherbestandteile von Oracle9i aufgelistet und erläutert , Seite 3

4 EINLEITUNG Abkürzungsverzeichnis DBMS DB SGA PGA SQL PL/SQL Datenbank Management System Datenbank System Global Area Program Global Area Standard Queny Language Programming Language / SQL , Seite 4

5 EINLEITUNG Abbildungsverzeichnis Seite Abbildung 1: Process-per-client Architektur...12 Abbildung 2: Multithreaded Architektur...12 Abbildung 3: Hybrid Architektur...13 Abbildung 4: Bestandteile der SGA...19 Abbildung 5: Übersicht der Prozesse und Speicher [TECH03] , Seite 5

6 EINLEITUNG Tabellenverzeichnis Seite Tabelle 1: Zusammenfassung Speicher- und Hintergrundprozesse Oracle9i , Seite 6

7 EINLEITUNG Inhaltsverzeichnis Seite Ehrenwörtliche Erklärung...2 Kurzfassung...3 Abkürzungsverzeichnis...4 Abbildungsverzeichnis...5 Tabellenverzeichnis Einleitung Motivation Problemstellung und -abgrenzung Ziel der Arbeit Vorgehen Grundlagen Process-per-client Architektur Multithreaded Architektur Hybrid Architektur Eignung der Architekturen Problemanalyse der Hybrid Architektur Anforderungen an die Speicherverwaltung Anforderungen an die Verwaltung der Prozesse Zusammenfassung Lösungskonzept bei Oracle9i Interne Speicherarchitektur der Datenbank System Global Area (SGA) Database Buffer Cache Redo Log Buffer Shared Pool Large Pool Java Pool Program Global Area (PGA) Sort Area Software Code Area Hintergrundprozesse in der Datenbank Database Writer Log Writer Checkpoint System Monitor Process Monitor Archiver Recoverer Lock Queue Monitor Dispatcher , Seite 7

8 Shared Server und Dedicated Server Zusammenfassung der Speicher und Hintergrundprozesse Zusammenfassung und Ausblick Erreichte Ergebnisse Ausblick...27 Quellenverzeichnis EINLEITUNG , Seite 8

9 EINLEITUNG 1 Einleitung 1.1 Motivation Datenbanksysteme sind die wichtigsten Komponenten der Software Industrie. Für grössere Informatikanwendungen ist es nahezu undenkbar ohne diese zu arbeiten. Vor allem für Systeme mit Transaktions- und Informationsbedarf ist das DBMS als Basis der Datenhaltung kaum wegzudenken. Datenbanken werden hauptsächlich eingesetzt in Banken, Warenwirtschaftssystemen, Krankenhäusern, Dokumentensystemen, Informationssystemen oder auch bei grossen Stromlieferanten die mit grossen Mengen von Energie handeln müssen. Sie werden ausserdem in den meisten Programmen eingesetzt, die grosse Mengen von Daten handeln und verarbeiten müssen. Nicht zuletzt spielen Datenbanken in Verbindung mit dem Internet eine unverzichtbar grosse Rolle. Bei einer Datenbankgestützten Internetanwendung kommt es täglich zu mehreren tausenden Benutzerabfragen, die das Datenbanksystem verwalten muss. Diese Menge der Anfragen muss nach bestimmten Verfahren verwaltet werden. 1.2 Problemstellung und -abgrenzung Die vorliegende Arbeit behandelt die Speicherverwaltung und die Hintergrundprozesse von Datenbanksystemen. Diese finden ihren Einsatz in bestimmten Gebieten, in denen sie möglichst aktuelle Auskünfte über deren Sachverhalte und Vorgänge geben sollen. Um diese Auskünfte geben zu können, bedarf es einer sehr hohen Performanz des Systems. Die benötigte Performanz und Geschwindigkeit wird einerseits durch die entsprechende Hardware garantiert, andererseits ist eine möglichst zielbewusste Einteilung der vorhandenen Ressourcen unabdingbar. Zu dieser Ressourceneinteilung gehören die Koordination spezieller Hintergrundprozesse und Speiche r- verwaltungsaufgaben, die so genannte Server Architektur. Um die spezifischen Begriffe und Ausdrücke klar abgrenzen zu können und um die Aktualität der Arbeit sicherzustellen, bezieht sich die Arbeit auf das Datenbanksystem Oracle9i. Die grundsätzlichen Techniken und Verfahren sind allerdings bei allen grossen Datenbanksystemen ähnlich. Allerdings ist der Oracle Server nach der Hybrid Architektur aufgebaut. Weitere Architekturen, wie die Process-per-client Architektur und die Multithreaded Architektur werden in dieser Arbeit ebenfalls erläutert, allerdings nicht im Umfang der Hybrid Architektur. Die Arbeit erklärt somit ausführlich alle Bestandteile der Speicherverwaltung und Prozessverwaltung nach dem Verfahren der Hybrid Architektur. Die anderen Architekturen werden kurz vorgestellt , Seite 9

10 EINLEITUNG 1.3 Ziel der Arbeit Ziel der Arbeit ist es, einen Eindruck über die Speicherverwaltung und die Hintergrundprozesse des Datenbanksystems Oracle9i zu vermitteln, das nach der Hybrid Architektur aufgebaut ist. Ausserdem soll ein kurzer Einblick in die Process-per-client Architektur und die Multithreaded Architektur mit deren Vor- und Nachteilen gegeben werden. Um dieses Ziel zu erreichen werden die verschiedenen Architekturen erläutert und verglichen. Danach sollen die Anforderungen an ein Datenbanksystem mit der Hybrid Architektur ermittelt werden. Im Anschluss kommt es zur detaillierten Beschreibung der verschiedenen Zwischenspeicher und der einzelnen Prozesse die permanent oder teilweise im Hintergrund ablaufen um die Hybrid Architektur zu verwirklichen. Dabei wird auf die Wichtigkeit der einzelnen Komponenten eingegangen. 1.4 Vorgehen Nachdem das Problem abgegrenzt ist und das Ziel feststeht, wird hier das Vorgehen der Arbeit kurz erklärt. Zuerst soll in der Einleitung die Wichtigkeit von Datenbanken in der heutigen Welt gezeigt werden. Im Anschluss kommt es zur Aufzählung und Erklärung von drei Architekturen bei SQL Datenbank Servern. Die aufgezeigten Architekturen sind: - Die Process-per-client Architektur, bei der jeder Benutzer während der kompletten Ve r- bindung mit der Datenbank einen eigenen Serverprozess nutzen kann, - Die Multithreaded Architektur, bei der alle Datenbankbenutzer in einem einzigen Prozess verarbeitet werden - Und die Hybrid Architektur, bei der jeder Datenbankbenutzer nur dann einen Serverprozess beanspruchen kann, wenn er ihn auch wirklich benötigt. Danach wird festgehalten, dass die Hybrid Architektur aufgrund von hoher Sicherheit und hoher Performanz die optimale Architektur ist. Im Anschluss kommt es zu einer Anforderungsanalyse für die Hybrid Architektur. Es wird eingegangen auf die Anforderungen an die Speicherverwaltung und die Prozessverwaltung bei SQL Datenbank Servern. Nachdem die Anforderungen analysiert sind, kommt es zur Umsetzung dieser Anforderungen bei dem Datenbanksystem Oracle9i. Es werden alle Serverprozesse und Speicherbestandteile von Oracle9i aufgelistet und erläutert , Seite 10

11 2 Grundlagen Die Architektur von SQL Datenbankservern ist nicht bei allen Datenbanksystemen die gleiche. Es wird hauptsächlich unterschieden zwischen der Process-per-client Architektur, der Multithreaded Architektur und der Hybrid Architektur. Hier ist allerdings mit Architektur nicht der komplette Aufbau eines Datenbankservers gemeint, sondern vielmehr die Architektur der Benutzerverwaltung, Speicherverwaltung und Ressourcenverwaltung. All die zwischen der Datenbasis und der Client Anfrage befindlichen Schritte sollen betrachtet werden. Während die Hardware Architektur des Servers in dieser Betrachtung keine Rolle spielt, spielt die Hardwareverwaltung schon wieder eine grössere Rolle. Ein heutiges Betriebssystem teilt automatisch die Ressourcen wie Prozessorleistung und Arbeitsspeicherressourcen ein. Da eine Datenbank allerdings nicht bei jedem Schritt das Betriebssystem nach neuen Ressourcen fragen möchte, nimmt es sich direkt beim Start einen grossen Teil der verfügbaren Ressourcen und ve r- teilt diese an die eigenen Abläufe. Dieser Teil der reservierten Ressourcen, der von der Datenbank verwaltet und zugeteilt wird, wird nach bestimmten Verfahren verwaltet. Die Verfahren der Ressourcenverwaltung sind in ve r- schiedenen Architekturen unterschiedlich und werden in der vorliegenden Arbeit genauer betrachtet. Allerdings ist es aufgrund der Komplexität der Architekturen nicht möglich, jede Architektur detailliert zu betrachten. Weiterhin werden die Architekturen bei den verschiedenen Herstellern von Datenbanksoftware unterschiedlich verwirklicht. Im Folgenden werden drei wichtige Architekturen von SQL Datenbank Servern kurz beschrieben, deren Unterschiede erläutert, bevor der Schwerpunkt auf nur eine dieser Architekturen fällt , Seite 11

12 GRUNDLAGEN 2.1 Process-per-client Architektur Abbildung 1: Process-per-client Architektur Die Process-per-client Architektur startet für jeden Client einen einzelnen Prozess. Dieser Prozess greift auf die Datenbank zu. Jeder Benutzer ist getrennt von den anderen Benutzern. Diese Architektur benötigt allerdings sehr viel Prozessorleistung und Arbeitsspeicher, so dass ab einer gewissen Anzahl von Benutzern die Kosten weit ansteigen können. Reale Beispiele für die process-per-client Architektur sind die Datenbankserver DB2, Informix und Oracle Multithreaded Architektur Abbildung 2: Multithreaded Architektur , Seite 12

13 GRUNDLAGEN Bei der Multithreaded Architektur handelt es sich um einen grösseren Prozess, der alle Clientanfragen nicht als extra Prozess startet sondern als Thread. Ein Thread ist ein Teil eines Prozesses. Diese Architektur bietet die beste Performanz dadurch, dass alle Datenbankabfragen in einem einzigen Prozess abgehandelt werden. Der Nachteil daran ist, dass der Prozess durch einen Fehler eines einzelnen Benutzers gestört werden kann und somit schliesslich alle Benutzer von der Datenbank getrennt werden. Beispiele für die Multithreaded Architektur sind die Datenbankserver Sybase oder Microsoft SQL Server. 2.3 Hybrid Architektur Abbildung 3: Hybrid Architektur Die Hybrid Architektur besteht aus drei Komponenten. Die erste Komponente ist der Multithreaded Listener, der die Clientverbindungen an den Dispatcher übergibt. Die Zweite Komponente ist der Dispatcher Prozess, der die Clientanfragen verarbeitet und mittels Warteschlange zuteilt. Die dritte und letzte Komponente vor der Datenbank sind die eigentlichen Prozesse und Speicherbereiche des Datenbankservers. Hier wird die Anfrage verarbeitet und die Antwort zurückgesendet. In dieser Architektur ist eine Umgebung vorhanden, in der mehrere Benutzeranfragen verarbeitet werden können, ohne dass jeder Benutzer einen permanenten Prozess beansprucht. Der einzige Nachteil ist, dass durch die Warteschlange eine hohe Wartezeit entstehen kann, die unter Umständen die Geschwindigkeit von Benutzerabfragen beeinflussen kann. Dieser Sachverhalt war beispielsweise bei Oracle7 ein grosses Problem. Weitere Beispiele für Datenbankserver mit der Hybrid Architektur sind Oracle8 und Oracle Eignung der Architekturen Die Process-per-client Architektur bietet beste Voraussetzungen für Systeme mit geringen Benutzerabfragen und hohem Sicherheitsbedarf. Dadurch, dass jeder Benutzer durch einen eigenen Prozess verwaltet wird, erfolgt eine Trennung der einzelnen Benutzer. Das garantiert eine hohe Sicherheit, überfordert allerdings den Server, wenn eine gewisse Menge von Benutzern gleichzeitig mit der Datenbank verbunden sind , Seite 13

14 GRUNDLAGEN Die Multithreaded Architektur ist geeignet für Systeme bei denen eine grosse Anzahl von Benutzern kleinere Abfragen durchführen. Allerdings werden grosse und komplexe Abfragen nicht so schnell verarbeitet, da die Abfragen nicht durch einen extra Prozess verarbeitet werden. Beim Thema Sicherheit ist diese Architektur nicht besonders geeignet, da jeder Benutzer im gleichen Prozess verarbeitet wird. Die Hybrid Architektur bietet das beste Gleichgewicht zwischen den beiden bereits erläuterten Architekturen. Hier können grosse und komplexe Abfragen durchgeführt werden, da es nur eine geringe Anzahl Clientprozesse gibt. Die Sicherheit ist gegeben, da jeder Benutzer in einem eigenen Prozess verarbeitet wird. Geschwindigkeit wird dadurch erreicht, dass ein Benutzer erst dann einem Serverprozess zugeteilt wird, wenn er diesen auch benötigt. Im Anschluss wird der Prozess wieder freigegeben für den nächsten Benutzer. Da die Hybrid Architektur die besten Voraussetzungen für komplexe Abfragen ohne Geschwindigkeitsverluste bietet, konzentriert sich der Rest der Arbeit auf diese Architektur , Seite 14

15 PROBLEMANALYSE DER HYBRID ARCHITEKTUR 3 Problemanalyse der Hybrid Architektur Die Anforderungen an ein modernes Datenbanksystem sind sehr hoch. Wichtige Punkte in Bezug auf die Architektur des Datenbankservers sind die Speicherverwaltung und die Verteilung der Prozesse auf die vorhandenen Ressourcen. Weiterhin gibt es eine Menge von Anforderungen an den Datenbankserver in Bezug auf die Hintergrundprozesse. Die hier ermittelten Anforderungen beziehen sich auf die Hybrid Architektur des Datenbankservers Oracle 9i. 3.1 Anforderungen an die Speicherverwaltung Die Speicherverwaltung eines Datenbanksystems muss genau an die geforderten Bedürfnisse und an die gegebenen Ressourcen angepasst werden, um die Performanz des Systems sicherzustellen. Da der Speicher oder auch Arbeitsspeicher in heutigen Computersystemen viel schneller ist als der Festplattenspeicher, kann es enorme Vorteile bringen, wenn gewisse oft genutzte Daten direkt im Speicher zur Verfügung stehen. Da der Arbeitsspeicher aber im Verhältnis zum Festplattenspeicher nur eine geringe Kapazität besitzt und auch der Anschaffungspreis bedeutend höher ist, kann nur ein Teil der benötigten Daten im Arbeitsspeicher verfügbar sein. Um zu koordinieren, welche Daten im Arbeitsspeicher bzw. nur auf der Festplatte abgelegt werden, ist eine gezielte Verwaltung des verfügbaren Speichers notwendig. Um die Verfügbarkeit des Speichers einer Datenbank sicherzustellen, ist es notwendig, einen gewissen Teil des Speichers für die Datenbank zu reservieren. Der reservierte Speicher muss nur für die Datenbank freigehalten werden und darf von keiner anderen Software genutzt werden. Um die Geschwindigkeit auf den Zugriff der Daten in der Datenbank zu erhöhen, ist es notwendig, dass ein Teil der Daten, oder die Daten die am meisten abgefragt werden, im Arbeitsspeicher vorhanden sind. Hier können aufgrund der Speicherkapazität nur die Daten zwischengespeichert werden, die oft abgefragt werden oder die erst kurze Zeit vorher abgefragt wurden. Ein anderer Teil des Speichers muss für Wiederherstellungsoperationen verwendet werden. Alle Datenbankbefehle, die ein oder mehrere Datensätze verändern, löschen oder erstellen, sollten zwischengespeichert werden. Das kann sich als grosser Vorteil erweisen im Falle eines Datenbankabsturzes, da alle durchgeführten Datenbankoperationen erneut wiederholt werden können. Um Datenbankabfragen beschleunigen zu können ist jedoch nicht nur die Speicherung der Daten selbst notwendig, wichtig ist auch die Bibliotheken der Abfragesprache und die Metadaten der Datenbank in einem schnellen Speicher bereit zu halten. So kann jeder Befehl schnell interpretiert werden und in die Struktur der Datenbank eingefügt werden, ohne dass dazu die verhältnis , Seite 15

16 PROBLEMANALYSE DER HYBRID ARCHITEKTUR mässig langsame Festplatte genutzt werden muss. Zu den Bibliotheken der Abfragesprachen gehören auch die Bibliotheken anderer Programmiersprachen, die auf die Datenbank zugreifen, wie zum Beispiel Java. Ein weiterer Speicherbereich für nicht alltägliche Abläufe, wie z.b. ein Backup oder eine Wiederherstellung der Datenbank, kann auch die Performanz stark beeinflussen, da sonst in diesem Fall der Datenbankserver zu stark ausgelastet wäre. Neben den reservierten Speicherbereichen, die für alle Datenbankbenutzer gleichermassen genutzt werden können, ist auch ein Speicherbereich von Nutzen, der nur einem einzelnen Prozess zur Verfügung steht. So kann ein einzelner Benutzerprozess einen gewissen Teil des schnellen Speichers nur für sich selbst beanspruchen und diesen nach Beendigung wieder freigeben. Davon wird ein Teil genutzt, der die Daten eines Prozesses sortiert, um diese im Anschluss schneller in die Datenbankdateien auf der Festplatte schreiben zu können. Ein anderer Teil dieses Speichers muss genutzt werden, um den gerade auszuführenden Softwarecode zwischenzuspeichern damit dieser schnell verfügbar ist und auch schnell abgearbeitet wird. 3.2 Anforderungen an die Verwaltung der Prozesse In einem Datenbanksystem sollten mehrere Prozesse gleichzeitig ablaufen können. Durch einen Prozess werden mehrere Aufgaben, die einen gemeinsamen Sinn haben, gleichzeitig erledigt. Da die Datenbank für das Betriebssystem selbst nur ein Prozess ist, kann das Betriebssystem sich nicht um Prozesse der Datenbank kümmern. Es muss der Datenbank also möglich sein, sich selbst um ihre Prozesse zu kümmern. So wird ein Prozess benötigt, der die Daten vom Zwischenspeicher in die Datendateien schreibt. Aufgrund der begrenzten Zwischenspeichergrösse können die Daten nur eine kurze Zeit im schnellen Zwischenspeicher gelagert werden. Danach müssen sie nach bestimmten Vorgehensweisen auf die Festplatte geschrieben werden. Um diese Abläufe genau zu koordinieren, wird dafür ein extra Prozess benötigt. Genauso wie die eigentlichen Datenbankdaten müssen die Wiederherstellungsdaten aus Speicherplatzgründen in regelmässigen Abständen auf die Festplatte geschrieben werden. Um zu koordinieren wann und wie die Wiederherstellungsdaten auf die Festplatte geschrieben werden, sollte wiederum ein extra Prozess verwendet werden. Hier sollte auch markiert werden, welche Wiederherstellungsoperationen und parallel dazu welche der eigentlichen Operationen schon auf die Festplatte geschrieben wurden und welche noch nicht. So könnte im Falle eines Fehlers genau nachvollzogen werden, ab welchem Punkt die Wiederherstellung begonnen werden muss. Auch ein weiterer Prozess, der die Wiederherstellungsdaten an einen weiteren Ort kopiert, um eine dritte Sicherung dieser Daten zu erstellen, kann benötigt werden. So würde die Widerhe r- stellbarkeit der Datenbank weiter erhöht werden. Ein weiterer Prozess wird benötigt, der sich um die Datendateien der Datenbank kümmert. Hier sind Aufgaben vorhanden, wie das Schliessen von Lücken in den Datendateien oder das Löschen von nicht mehr benötigten temporären Daten. Dieser Prozess könnte auch die Daten in einem anderen Speicher zwischenspeichern, wenn die zu benutzende Datendatei defekt ist, um die Daten zu einem späteren Zeitpunkt wieder in die richtige Datendatei zu schreiben. Da das Fehlschlagen eines Prozesses nicht auszuschliessen ist, muss es einen weiteren Prozess geben, der die fehlgeschlagenen Prozesse löscht, deren Aufgaben weiter verteilt und die Re s- sourcen des fehlgeschlagenen Prozesses wieder freigibt. Ohne einen solchen Prozess müsste der , Seite 16

17 PROBLEMANALYSE DER HYBRID ARCHITEKTUR Datenbankserver in regelmässigen Abständen neu gestartet werden, um die Ressourcen von fehlgeschlagenen Prozessen wieder freizugeben. Das würde allerdings die Verfügbarkeit des Servers enorm beeinträchtigen. Auch Fehler in verteilten Datenbankservern müssen von einem Prozess verarbeitet werden. Dort vorkommende Fehler sind hauptsächlich Serverausfälle und Netzwerkprobleme. Des Weiteren sollten durch einen weiteren Prozess gewisse Kommunikationsmittel in verteilten Datenbankserver Umgebungen, wie z.b. Nachrichten bereitgestellt werden. Die Verbindungen zwischen den einzelnen Datenbankservern müssen ausserdem koordiniert werden durch einen weiteren Prozess. Ein letzter aber sehr wichtiger Prozess wird benötigt, um mehrere Verbindungen mit dem Datenbankserver zu managen. Hierzu gehören Aufgaben, wie das Zuteilen der einzelnen Verbindungen auf die verfügbaren Prozesse und Ressourcen. Ohne einen derartigen Prozess ist es nicht möglich, dass sich mehrere Tausende oder gar Millionen von Benutzern ohne enorme Geschwindigkeitsverluste mit der Datenbank verbinden. Bei grossen Internetanbietern ist das der Alltag. 3.3 Zusammenfassung Nach der Analyse der benötigten Speicherelemente und Hintergrundprozesse wird klar, wie komplex ein heutiges Datenbanksystem aufgebaut sein muss. Die Hybrid Architektur eines Datenbankservers ist dabei die Komplizierteste. Sind jedoch alle nötigen Komponenten vorhanden und setzen diese ihre Arbeit ordnungsgemäss um, gelangt man zu einer gut umgesetzten Architektur und somit zur Erreichung des erwünschten Zieles. Der grösste Schwerpunkt der Anforderungen liegt im Bereich der Performanz und Sicherheit , Seite 17

18 4 Lösungskonzept bei Oracle9i Um einen schnellen Zugriff auf Daten in der Datenbank zu gewähren und um die Sicherheit der Daten zu bewahren, werden mehrere Hintergrundprozesse von allen Datenbankbenutzern geteilt. Darüber hinaus existieren interne Speicherstrukturen, um oft genutzte Daten schneller bereit zu stellen. All die verschiedenen Speicherbereiche und Hintergrundprozesse werden im folgenden Kapitel erklärt. Als Grundlage für dieses Lösungskonzept dient der Datenbankserver Oracle9i mit der Hybrid Architektur. 4.1 Interne Speicherarchitektur der Datenbank In diesem Kapitel geht es um die am meisten genutzten Speicherstrukturen. Dazu gehört die System Global Area, der Database Puffer Cache, der Redo Log Puffer, der Shared Pool, der Large Pool, der Java Pool, die Multiple Puffer Pools, die Context Areas und die Program Global Area. Diese Vorgänge werden im folgenden Kapitel erläutert und analysiert System Global Area (SGA) Die System Global Area ist ein gemeinsam genutzter Speicherbereich in dem alle Datenbank Benutzer ihre Informationen ablegen. Bei Oracle Datenbanken wird die SGA in Verbindung mit den Hintergrundprozessen als Instanz bezeichnet. Sobald eine Oracle Instanz gestartet wird, wird der festgelegte Speicher für die SGA reserviert, wenn die Oracle Instanz wieder angehalten wird dann kann auch der Speicher wieder freigegeben werden. Zur SGA gehören: - der Java Pool - der Shared Pool - der Database Buffer Cache - der Redo Log Buffer Cache - der Large Pool Die folgende Grafik verdeutlicht diese Bestandteile noch einmal , Seite 18

19 LÖSUNGSKONZEPT BEI ORACLE9I Abbildung 4: Bestandteile der SGA Database Buffer Cache Der Database Buffer Cache oder Datenbank Puffer Cache ist ein Teil des reservierten Speichers der SGA. Dieser ist verantwortlich um Datenbank Daten zu puffern und um Daten aus der Datenbank zu speichern, die erst vor kurzer Zeit gelesen wurden. Das hat den Vorteil, dass Datensätze die öfters gelesen werden, schneller bereit stehen. Der Database Puffer Cache wird von allen Benutzern, die mit der Datenbank verbunden sind, gleichermassen genutzt. Es gibt 3 Typen von Database Puffer Cache: 1. Dirty Puffer: Er speichert Daten die verändert wurden, aber noch nicht in die Datendateien geschrieben wurden. 2. Free Puffer: Er speichert Daten, die durch die Datenbanksoftware selbst von der Festplatte gelesen werden. 3. Pinned Puffer: Das ist der Speicher auf den gerade zugegriffen wird, um in Zukunft Daten in den Speicher auszulesen Redo Log Buffer Der Redo Log Puffer ist zyklischer Speicher in der SGA. Dieser Speicher speichert Informationen über Änderungen an den Datendateien. Diese Änderungen an den Datendateien sind so genannte Redo Einträge. Es handelt sich um die Speicherung aller einzelnen Änderungen um diese im Falle eines Fehlers nachvollziehen zu können oder auch um Änderungen rückgängig machen zu können. Der Redo Log Puffer merkt sich alle INSERT, UPDATE, DELETE, CREATE, ALTER und DROP Befehle Shared Pool Der Shared Pool Teil der SGA hält Informationen über SQL, PL/SQL, Prozeduren, Data Dictionary, Sicherheitsattribute und so weiter im Speicher bereit. Der Shared Pool besteht aus dem Libary Cache und dem Data Dictionary Cache. Der Libary Cache speichert alle Operationen, die mit SQL in Verbindung stehen. Dazu gehören gemeinsame und private SQL Bereiche, PL/SQL Prozeduren und Packages sowie Kontrollstrukturen , Seite 19

20 LÖSUNGSKONZEPT BEI ORACLE9I Der Data Dictionary Cache speichert Metadaten von der Datenbank. Dazu gehören die Struktur, die Rechte und die Benutzer. Die Datenbank muss diese Daten ständig abfragen, um die SQL Befehle verarbeiten zu können. Für diesen Zweck hält der Data Dictionary Cache die wichtigsten und meistgebrauchten Informationen bereit Large Pool Der Large Pool kann optional verwendet werden. Dieser Pool kann aktiviert werden, um grosse Speichermengen bereit zu halten. Diese Speichermengen werden für ein Backup oder eine Wiederherstellung benötigt. Es handelt sich um einen separaten Speicherpool, um Konflikte mit anderen Applikationen zu vermeiden Java Pool Der Java Pool ist ein reservierter Speicherbereich in der SGA, er wird für Java Operationen bereitgestellt Program Global Area (PGA) Die Program Global Area ist ein Speicherbereich, der die Daten und Prozessinformationen eines einzelnen Prozesses enthä lt. Dieser Bereich wird nicht gemeinsam genutzt, sondern nur von einem einzelnen Prozess bzw. Benutzer. Die Inhalte der PGA sind bedingt durch die Server Konfiguration. Bei einem extra Datenbankserver hält die PGA Session Informationen und Stack Space bereit. Bei gemeinsam genutzten Servern, bei dem Benutzerverbindungen durch einen Dispatcher gesammelt werden, enthält die PGA den Stack Space, die Session Informationen werden in der SGA bereitgestellt. Stack Space ist der Speicher der bereitgestellt wird, um Variablen, Arrays und ähnliche Informationen, die zu einer Session gehören bereit zu stellen. Eine PGA wird für jeden Server Prozess reserviert bzw. wieder freigegeben, wenn der Prozess beendet ist. Nicht wie die SGA, die von allen Prozessen gemeinsam genutzt wird, stellt die PGA Session Informationen, Cursor Informationen, Sortier Platz (Sort Area) und andere Informationen für einen einzelnen Prozess bereit Sort Area Die Sort Area wird genutzt um Daten zu sortieren. Bei einem extra Datenbankserver ist die Sort Area in der PGA angelegt, bei einem gemeinsam genutzten Server ist die Sort Area in der SGA angelegt Software Code Area Die Software Code Area ist der Teil des Speichers, der den auszuführenden Software Code beinhaltet. Software Code Areas haben meist eine feste Grösse und sind abhängig vom Betriebssystem. Diese Bereiche haben nur Lesezugriff und können gemeinsam genutzt werden (abhängig vom Betriebssystem). So werden nicht mehrere Kopien des gleichen Codes im Speicher angelegt , Seite 20

21 LÖSUNGSKONZEPT BEI ORACLE9I 4.2 Hintergrundprozesse in der Datenbank Ein Prozess ist ein Mechanismus des Betriebssystems um mehrere Aufgaben gleichzeitig erledigen zu können. Wenn eine Oracle Instanz gestartet wird, dann startet Oracle mehrere Prozesse gleichzeitig im Hintergrund. Jeder dieser Hintergrundprozesse hat einen bestimmten Zweck. In diesem Kapitel werden alle wichtigen Hintergrundprozesse genannt und beschrieben. All diese Hintergrundprozesse werden in jeder Oracle Instanz benötigt Database Writer Der Database Writer ist dafür verantwortlich, dass die Daten aus den Puffern in die Datendateien geschrieben werden. Normalerweise wird ein Database Writer Prozess gestartet, wenn die Instanz gestartet wird. Für Systeme mit mehreren Benutzern können bis zu neun Database Writer Prozesse gestartet werden, um die Performanz zu steigern. Der Database Writer schreibt die modifizierten Daten aus dem Puffer direkt auf die Festplatte. Dadurch werden mehr Puffereinheiten im Puffer Cache verfügbar. Daten einer Transaktion werden erst nach dem COMMIT auf die Festplatte geschrieben Log Writer Der Log Writer Prozess schreibt die Daten aus dem Redo Log Puffer der SGA in die vorhandenen Redo Log Dateien. Der Redo Log Puffer ist zirkular. Wenn der Log Writer die Daten auf die Festplatte schreibt, können neue Einträge in den Redo Log Puffer geschrieben werden. Der Log Writer muss die Daten so schnell auf die Festplatte schreiben, dass immer genügend freier Speicher im Redo Log Puffer vorhanden ist. Der Log Writer schreibt die Daten unter folgenden Bedingungen auf die Festplatte: - Wird eine Transaktion mit COMMIT abgeschlossen - Wird der Redo Log Buffer zu einem Drittel gefüllt - Schreibt der Database Writer die Pufferdaten auf die Festplatte - Wird ein Megabyte Redo Daten im Redo Log Buffer erreicht - Alle drei Sekunden Ist eine der Redo Log Dateien beschädigt, dann nutzt der Log Writer eine andere dieser Dateien Checkpoint Checkpoints helfen dabei die Zeit für Instanz Wiederherstellungen zu verkürzen. Ein Checkpoint ist ein Event, das die modifizierten Daten des Puffer Cache auf die Festplatte schreibt und die Kontrolldateien und Datendateien auf den neusten Stand bringt. Der Checkpoint Prozess aktualisiert den Kopf der Datendateien und der Kontrolldateien, er schreibt die aktuellen Blöcke in die Dateien. Werden Checkpoints zu oft aufgerufen kann es passieren, dass die Festplatte überlastet ist mit der Aktualisierung der Dateien. Werden Checkpoints zu selten aufgerufen kann es passieren, dass die Zeit zum Wiederherstellen einer fehlerhaften Datenbank sehr lange dauert. Checkpoints wer , Seite 21

22 LÖSUNGSKONZEPT BEI ORACLE9I den automatisch ausgelöst, wenn eine Redo Log Datei gefüllt wird. Ein Log Switch wird ausgelöst, wenn das Schreiben einer Datei beendet ist und das Schreiben einer neuen Datei begonnen wird System Monitor Der System Monitor Prozess beschleunigt die Instanz oder die Absturz Wiederherstellung beim Datenbankstart durch Benutzung der verfügbaren Redo Log Dateien. Der System Monitor wird ausserdem genutzt, um temporäre Segmente in den Tablespaces die nicht mehr genutzt werden, zu löschen. Der System Monitor verschmelzt ausserdem den benachbarten freien Speicherplatz in den Tablespaces. Wurde aufgrund von Lesefehlern oder eines abgeschalteten Tablespaces eine Transaktion nicht abgeschlossen, dann ist der System Monitor verantwortlich, die Änderungen nachträglich durchzuführen Process Monitor Der Prozess Monitor Prozess bereinigt fehlgeschlagene Benutzerprozesse und gibt Ressourcen wieder frei, die durch fehlgeschlagene Prozesse belegt sind. Er aktualisiert den Status der aktiven Transaktionen Tabelle und entfernt die Prozess Kennung von der Liste der aktiven Prozesse. Er gibt alle Ressourcen, die durch den Benutzer belegt sind wieder frei und hebt alle Sperren des Benutzers auf Tabellen und Spalten auf. Der Prozess Monitor startet periodisch, um zu überprüfen, ob er benötigt wird Archiver Wenn die Oracle Datenbank im ARCHIVELOG Modus läuft, werden die Redo Log Dateien an einen anderen Ort kopiert, bevor sie überschrieben werden. Die Archiv Log Dateien werden genutzt, um die Datenbank wieder herzustellen. Der Archiver ist also hauptsächlich mit Wiederhe r- stellungsaufgaben belastet. Oracle 9i kann bis zu 10 Archiver Prozesse gleichzeitig starten. Der Log Writer startet die Archiver, sobald sie benötigt werden Recoverer Der Recoverer Prozess wird benutzt, um mit Hilfe von verteilten Transaktionen Fehler abzuklären. Der Recoverer Prozess ist nur funktionsfähig, wenn die Instanz verteilte Transaktionen erlaubt sowie verteilte Transaktionen aktiviert wurden. Wurden verteilte Transaktionen nicht aktiviert, startet der Recoverer nicht beim Starten der Instanz. Der Recoverer Prozess wird hauptsächlich benötigt bei verteilten Datenbanken. Vorkommende Fehler sind dort hauptsächlich Serverausfälle oder Netzwerkprobleme Lock Der Lock Prozess wird benutzt in einer Real Application Cluster Umgebung für Inter-Instanz Sperren. Die Real Application Cluster Option lässt eine Verbindung der gleichen Datenbank mit mehreren Instanzen zu , Seite 22

23 LÖSUNGSKONZEPT BEI ORACLE9I Queue Monitor Der Queue Monitor Prozess wird genutzt für Oracle s Advanced Queuing, das die Nachrichten Warteschlange widerspiegelt. Es können bis zu zehn Queue Monitor konfiguriert werden. Oracle Advanced Queuing bietet eine Infrastruktur für verteilte Applikationen, um asynchron mit Hilfe von Nachrichten zu kommunizieren. Die Nachrichten werden in Warteschlangen abgelegt, um sie verzögert zu empfangen und vom Oracle Server verarbeitet zu werden. Die Anzahl der Queue Monitor wird manuell festgelegt Dispatcher Der Dispatcher Prozess ist ein Teil der gemeinsam genutzten Hybrid Server Architektur. Er minimalisiert die Ressourcenansprüche durch das Zuteilen mehrerer Verbindungen mit der Datenbank durch die Nutzung einer limitierten Anzahl von Serverprozessen. Es können mehrere Dispatcher Prozesse für eine einzelne Datenbankinstanz erstellt werden, es muss allerdings mindestens ein Dispatcher Prozess für jedes Netzwerkprotokoll, das vom Oracle Server genutzt wird, erstellt werden Shared Server und Dedicated Server Der Shared Server (gemeinsam genutzter Server) Prozess stellt die gleiche Funktionalität zur Verfügung wie der Dedicated Server (Extra Datenbankserver) Prozess. Der Unterschied liegt darin, dass der Shared Server Prozess nicht in Verbindung mit einem spezifischen Benutzer Prozess stehen muss. Shared Server Prozesse werden erstellt, um Verbindungen in einer gemeinsam genutzten Serverumgebung zu koordinieren. Die Anzahl der Shared Server Prozesse können selbst durch die Angabe eines Minimum und eines Maximum festgelegt werden. 4.3 Zusammenfassung der Speicher und Hintergrundprozesse Die Zusammenfassung zeigt noch einmal in tabellarischer Form und mit kurzer Beschreibung alle Speicher und alle Hintergrundprozesse. Anhand des Typs wird klar, ob es sich um einen Hintergrund Prozess oder einen Speicherteil (der SGA oder der PGA) handelt. Name Typ Kurzbeschreibung System Global Area Speicher Enthält Informationen aller Datenbank Benutzer Database Puffer Cache Redo Log Puffer Shared Pool Large Pool Speicher (Teil der SGA) Speicher (Teil der SGA) Speicher (Teil der SGA) Speicher (Teil der SGA) Zur Zwischenspeicherung von Daten Speichert alle SQL Anweisungen, die die Datenbasis verändern zur Wiederherstellung oder zum Rückgängig machen Speichert Metadaten der Datenbank und Informationen, um SQL / PL/SQL Befehle zu verarbeiten Stellt grosse Speichermengen bereit für ein Backup oder eine Wiederherstellung , Seite 23

24 LÖSUNGSKONZEPT BEI ORACLE9I Name Typ Kurzbeschreibung Java Pool Speicher (Teil der SGA) Stellt Java Operationen bereit. Program Global Area Speicher Speichert Informationen für einzelne Benutzerprozesse Sort Area Software Code Area Database Writer Log Writer Checkpoint System Monitor Process Monitor Archiver Recoverer Lock Queue Monitor Dispatcher Shared Server Speicher (Teil der PGA) Speicher (Teil der PGA) Hintergrund Prozess Hintergrund Prozess Hintergrund Prozess Hintergrund Prozess Hintergrund Prozess Hintergrund Prozess Hintergrund Prozess Hintergrund Prozess Hintergrund Prozess Hintergrund Prozess Hintergrund Prozess Wird genutzt um Daten zu sortieren. Speichert auszuführenden Software Code. Schreibt Daten aus dem Puffer (Zwischenspeicher) in die Datendateien. Der Log Writer schreibt die Daten aus dem Redo Log Puffer in die Redo Log Dateien. Schreibt Daten des Puffer Cache auf die Festplatte und modifiziert Kontroll- und Datendateien. Beschleunigt die Instanz und verwaltet die Tablespaces. Verwaltet fehlgeschlagene Prozesse, gibt deren Ressourcen frei und löscht diese. Zur Sicherung der Redo Log Dateien und für Wiederherstellungsaufgaben Klärt Fehler von verteilten Transaktionen ab. Löst Inter Instanz Sperren in Real Application Clustern aus. Stellt eine Nachrichten Warteschlange bei verteilten Anwendungen zur Verfügung zur asynchronen Kommunikation. Teilt der Datenbank mehrere Verbindungen auf beschränkte Serverprozesse zu. Koordiniert Verbindungen in einer gemeinsam genutzten Serverumgebung. Tabelle 1: Zusammenfassung Speicher- und Hintergrundprozesse Oracle9i , Seite 24

25 LÖSUNGSKONZEPT BEI ORACLE9I Wenn all diese Bestandteile gezielt zusammenarbeiten, bietet der Oracle Server 9i eine sehr gute Umsetzung der Hybrid Architektur. Es bekommt jeder Benutzer einen eigenen Prozess, aber nicht während der kompletten Verbindung sondern nur während einer Abfrage oder Manipulation von Daten. Das erhöht die Sicherheit sowie die Geschwindigkeit. Da viele Abfragen oder Datenmanipulationen zu einem grossen Teil im Arbeitsspeicher erfolgen, wird nochmals die Geschwindigkeit erhöht. In der folgenden Grafik wir noch einmal der Zusammenhang von allen Hintergrundprozessen und einem Teil der Speicherbereiche verdeutlicht , Seite 25

26 LÖSUNGSKONZEPT BEI ORACLE9I Abbildung 5: Übersicht der Prozesse und Speicher [TECH03] , Seite 26

27 5 Zusammenfassung und Ausblick 5.1 Erreichte Ergebnisse Das Ziel der Arbeit, einen Überblick über verschiedene Architekturen von SQL Datenbankservern zu geben, wurde erreicht. Im Verlauf der Ausarbeitung hat sich gezeigt, dass die Hybrid Architektur die günstigste aller aufgezeigten Architekturen ist. Es wurde ausserdem gezeigt, wie die Hybrid Architektur bei Oracle9i umgesetzt und verwirklicht wurde. Der Aufbau eines Oracle9i Datenbankservers basiert auf der Hybrid Architektur. Ein grosser Teil der Arbeit hat die einzelnen Bestandteile von Oracle9i in Bezug auf die Speicherarchitektur und die Prozessverwaltung aufgezeigt. Es wurde auch deutlich gemacht, dass der Datenbankserver Oracle9i die Anforderungen an die Hybrid Architektur bestens erfüllt. Weiterhin wurde mehrmals darauf hingewiesen, wie Oracle die Geschwindigkeit und die Sicherheit der Datenbank erhöht. 5.2 Ausblick Datenbanken werden auch in Zukunft eine sehr grosse Rolle in allen Bereichen der Wirtschaft spielen. Die Hybrid Architektur ist derzeit eine der besten Architekturen von SQL Datenbankservern. Allerdings ist die Entwicklung in der Computerwelt heutzutage so schnelllebig, dass es kaum möglich ist, eine Vorhersage für die Zukunft zu machen. Da derzeit die Software- und Hardwarebranche ebenso kurzlebig ist, können neue Entwicklungen im Bereich der Datenbankserver kaum ausgeschlossen werden. In welche Richtung diese Neuerungen gehen, kann kaum vorhergesagt werden , Seite 27

28 Quellenverzeichnis [HÄRA01] [HIGG03] [LOTH00] [ORAC03] [THBR02] Theo Härder und Erhard Rahm: Datenbanksysteme, Konzepte und Techniken der Implementierung. Springer Verlag Abgerufen am Kevin Loney und Marlene Theriault: Oracle8i DBA Handbook, Osborne Verlag abgerufen am Jiju Thomas und Blb Bryla: Oracle9i DBA Fundamentals 1, Study Guide. SYBEX Verlag [TECH03] Dokumentation zu Oracle9i, Abgerufen am , Seite 28