Kapitel 2: Referenzarchitektur für Datenbanksysteme. Kapitel 2: Referenzarchitektur für Datenbanksysteme. Was ist ein Dienst?

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1 Kapitel 2: Referenzarchitektur für Datenbanksysteme Kapitel 2: Referenzarchitektur für Datenbanksysteme Methodischer Architekturentwurf Architekturentwurf für Datenbanksysteme Referenzarchitektur Methodischer Architekturentwurf Architekturentwurf für Datenbanksysteme Referenzarchitektur SS 2004 B. König-Ries: Datenbanksysteme 2-1 SS 2004 B. König-Ries: Datenbanksysteme 2-2 Was ist ein? Entwurfsthese (1): hierarchien Grundlage: Teile-und-herrsche nehmer Prozessschritt Anforderungen Prozessschritt Ressourcen- Verwalter leistungsvereinbarung höherwertige Verantwortlichkeit Funktionalität Merkmale = Verpflichtung entwurf: Ermittle die Kompetenzen für einen breiten Abnehmerkreis Lege fest, welche Verpflichtungen (Verantwortlichkeiten) übernommen werden sollen Prozessschritt Kompetenz geber Prozessschritt SS 2004 B. König-Ries: Datenbanksysteme 2-3 Funktionalität Merkmale Funktionalität Merkmale Funktionalität Merkmale niederwertige Verantwortlichkeiten SS 2004 B. König-Ries: Datenbanksysteme 2-4 1

2 Entwurfsthese (2): hierarchien Entwurfsthese (3): Systemschichtung Funktionale Zerlegung Zerlegung: teile höherwertige Verantwortlichkeit auf höherwertige Verantwortlichkeit Funktionalität Merkmale Komposition: verbinde zu höherwertiger Verantwortlichkeit Schrittweise Verfeinerung Zerlegung einer Schicht in Bausteine, die gemeinsam unter Nutzung der e der darunterliegenden Schicht den der oberen Schicht schaffen Schicht n Schicht n-1 Schicht n-2 Schnittstelle n (Nutzerschnittstelle) Schnittstelle n-1 Schnittstelle n-2 Funktionalität? Merkmale Funktionalität? Merkmale Funktionalität? Merkmale niederwertige Verantwortlichkeiten SS 2004 B. König-Ries: Datenbanksysteme 2-5 Schnittstelle 0 () SS 2004 B. König-Ries: Datenbanksysteme 2-6 Entwurfsthese (3): Systemschichtung Korrektheit von Schichtenarchitekturen (1) Schicht n Schicht n-1 Schnittstelle n (Nutzerschnittstelle) Schnittstelle n-1 Grundsatz: Sei D i von Schicht i. D i-1 bildet die vollständige und alleinige Grundlage für die Realisierung von D i. Begründung : Schrittweise Vergröberung Zusammenfassung von funktionen einer unteren Schicht in Bausteine, die gemeinsam den der oberen Schicht schaffen Schicht n-2 Schnittstelle n-2 Keine unkontrollierte Fortpflanzung der Änderungen in einer Schicht nach oben. Beweis der Korrektheit der Realisierung der e D i eines Verwalters M i lokal führbar, weil man die Korrektheit von D i-1 unterstellen kann. Schnittstelle 0 () SS 2004 B. König-Ries: Datenbanksysteme 2-7 SS 2004 B. König-Ries: Datenbanksysteme 2-8 2

3 Ausgangspunkt der Schichtung Kapitel 2: Referenzarchitektur für Datenbanksysteme Methodischer Architekturentwurf Architekturentwurf für Datenbanksysteme Referenzarchitektur Nachrangige Merkmale: Lassen sie sich orthogonal hinzufügen? funktionalität Algorithmen und Datenstrukturen Erfordert nichtflüchtiges Speichermedium: Langsamer Plattenspeicher als physischer Engpass merkmale Bedeutungstreue Konsistenz Dauerhaftigkeit Leistung Performanz Skalierbarkeit Robustheit Persistenz/Resistenz Behauptung 2: Erfordert Kooperation Behauptung 1: Wichtigstes Merkmal SS 2004 B. König-Ries: Datenbanksysteme 2-9 SS 2004 B. König-Ries: Datenbanksysteme 2-10 Entwurf von DBMS (1) Entwurf von DBMS (2) Schicht n Schicht n Schrittweise Verfeinerung Zerlegung einer Schicht in Bausteine, die gemeinsam unter Nutzung der e der darunterliegenden Schicht den der oberen Schicht schaffen Schicht n-1 Schicht n-2 Schrittweise Vergröberung Zusammenfassung von funktionen einer unteren Schicht Performanz in Bausteine, die gemeinsam den der oberen Schicht schaffen Performanz Schicht n-1 Schicht n-2 Konsistenz Persistenz Resistenz Dauerhaftigkeit SS 2004 B. König-Ries: Datenbanksysteme 2-11 SS 2004 B. König-Ries: Datenbanksysteme

4 Entwurf einer Schicht mächtigeres abbildung ausdrucksschwächeres Schnittstelle D i () Schicht i Schnittstelle D i-1 Kontextwissen verbessertes Zugriffsprofil geringeres Kontextwissen Performanz Kapitel 12: Referenzarchitektur für Datenbanksysteme Methodischer Architekturentwurf Architekturentwurf für Datenbanksysteme Referenzarchitektur SS 2004 B. König-Ries: Datenbanksysteme 2-13 SS 2004 B. König-Ries: Datenbanksysteme 2-14 Datenbasis-Verwalter (1) Datenbasis-Verwalter (2) Satzmengen Operatoren auf Mengen Externes Logische Datenstruktur Satzmengen Operatoren auf Mengen Externes Logische Datenstruktur Sätze und Satzmengen Operatoren auf Sätzen Internes Statische Struktur Sätze und Satzmengen Operatoren auf Sätzen Internes Statische Struktur Abbildung von externen auf interne Satzmengen gemäß Zugriffsdichte Übersetzung von Anfragen auf Mengen in Folgen von Satz-Operationen Optimierung dieser Operationsfolgen Durchsetzung von Konsistenzbedingungen gemäß statischer Datenstruktur Listen, Suchbäume, Hashtabellen,... Listen: seq. Durchlauf Bäume: seq. Durchlauf, gez. Suche Hashtabellen: gezielte Suche Dynamische Struktur Abbildung von Satzmengen auf physische Datenstrukturen (Bäume, Hashtabellen,...) gemäß Zugriffsmuster Abbildung von Satz- u. Satzmengenoperatoren auf Operatoren der unterliegenden Datenstruktur SS 2004 B. König-Ries: Datenbanksysteme 2-15 SS 2004 B. König-Ries: Datenbanksysteme

5 Datenbasis-Verwalter (2) Datenbasis-Verwalter (3) Satzmengen Operatoren auf Mengen Externes Logische Datenstruktur Sätze und Satzmengen Operatoren auf Sätzen Listen, Suchbäume, Hashtabellen,... Listen: seq. Durchlauf Bäume: seq. Durchlauf, gez. Suche Hashtabellen: gezielte Suche Internes Statische Struktur Dynamische Struktur Bereitstellung eines Namensraums für Platzierung von logischen Blöcken auf dem Speichermedium gemäß Geräteprofil Freispeicherverwaltung auf dem Speichermedium Prüfung von Lese- u. Schreiboperationen Bedienung der anlegen/öffnen/schließen SS 2004 B. König-Ries: Datenbanksysteme 2-17 SS 2004 B. König-Ries: Datenbanksysteme 2-18 Datenbasis-Verwalter (4) Datenbasis-Verwalter (4) Zuordnung von Segmenten zu Zuordnung von Seiten zu Dateiblöcken Anstoß und Überwachung von Seiten-Transfers zwischen Haupt- u. Hintergrundspeicher Minimierung von Transfer-Wartezeiten durch geeignete Pufferungs-Strategien gemäß Zugriffsmuster Seite = feste Anzahl von Bytes Segment = var. Anzahl von Seiten Anforderung/Freigabe von Seiten Segmente anlegen/öffnen/schließen anlegen/öffnen/schließen Bevorratung von Daten im Hauptspeicher Keine sichtbare Abweichung zwischen Haupt- und Hintergrundspeicherinhalt Seite = feste Anzahl von Bytes Segment = var. Anzahl von Seiten Anforderung/Freigabe von Seiten Segmente anlegen/öffnen/schließen anlegen/öffnen/schließen Bevorratung von Daten im Hauptspeicher Keine sichtbare Abweichung zwischen Haupt- und Hintergrundspeicherinhalt SS 2004 B. König-Ries: Datenbanksysteme 2-19 SS 2004 B. König-Ries: Datenbanksysteme

6 Datenbasis-Verwalter (5) Satzmengen Operatoren auf Mengen Sätze und Satzmengen Operatoren auf Sätzen Listen, Suchbäume, Hashtabellen,... Listen: seq. Durchlauf Bäume: seq. Durchlauf, gez. Suche Hashtabellen: gezielte Suche Seite = feste Anzahl von Bytes Segment = var. Anzahl von Seiten Anforderung/Freigabe von Seiten Segmente anlegen/öffnen/schließen anlegen/öffnen/schließen Externes Implementierung der physischen Datenstrukturen in Internes einem virtuellen Adressraum Statische Struktur Abbildung von Datensätzen auf Seiten Gruppierung von Datenelementen (Clustering) gemäß Nachbarschaftsprofil zur Minimierung von Plattenzugriffen Dynamische Struktur Logische Datenstruktur Bevorratung von Daten im Hauptspeicher Keine sichtbare Abweichung zwischen Haupt- und Hintergrundspeicherinhalt SS 2004 B. König-Ries: Datenbanksysteme 2-21 Datenbasis-Verwalter (5) Satzmengen Operatoren auf Mengen Sätze und Satzmengen Operatoren auf Sätzen Listen, Suchbäume, Hashtabellen,... Listen: seq. Durchlauf Bäume: seq. Durchlauf, gez. Suche Hashtabellen: gezielte Suche Seite = feste Anzahl von Bytes Segment = var. Anzahl von Seiten Anforderung/Freigabe von Seiten Segmente anlegen/öffnen/schließen Externes Internes Statische Datenstruktur Statische Struktur Dynamische Struktur Bevorratung von Daten im Hauptspeicher Keine sichtbare Abweichung zwischen Haupt- und Hintergrundspeicherinhalt anlegen/öffnen/schließen SS 2004 B. König-Ries: Datenbanksysteme 2-22 Schemakonsistenz (1) Schemakonsistenz (2) Verallgemeinerung auf alle semantiktragenden Schichten ausdrucksstärkeres Metadaten abbildung ausdrucksschwächeres Schnittstelle D i () Schicht i Schnittstelle D i-1 verbessertes Kontextwissen Zugriffsprofil geringeres Kontextwissen Metadaten Schemaabbildung Metadaten höherwertiges Strukturabbildung Anfrage- oder Operatorimplementierung niederwertiges Strukturabbildung Anfrage- oder Operatorimplementierung Performanz Polymorphe Operatoren interpretieren Metadaten. In der obersten Schicht: Schema sind die Metadaten. SS 2004 B. König-Ries: Datenbanksysteme 2-23 SS 2004 B. König-Ries: Datenbanksysteme

7 Schemakonsistenz (3) Metadaten Externes Internes Konsistenz, Persistenz, Resistenz (1) Konsistenz: Transaktion als Ausführung einer Transaktionsprozedur Persistenz: Herstellen der Dauerhaftigkeit erst bei erfolgreichem Transaktionsabschluss Fehler-Resistenz: Üblich: Zurücksetzen auf den Transaktionsanfang. Konflikt-Resistenz: Isolation der Transaktionen untereinander. Datenwörterbuch Recovery- Verwalter Scheduler Primärdaten SS 2004 B. König-Ries: Datenbanksysteme 2-25 SS 2004 B. König-Ries: Datenbanksysteme 2-26 Konsistenz, Persistenz, Resistenz (2) Konsistenz, Persistenz, Resistenz (3) Platzierung von Scheduler und Recovery-Verwalter: Recovery-Verwalter benötigt Wissen um Transporte zwischen Hauptund Hintergrundspeicher Konsequenz: Integration mit Segmentverwaltung Scheduler sollte mit denselben Einheiten wie der Recovery-Verwalter umgehen, daher Ansiedlung dort Transaktions-Koordinator: Entgegennahme von Start-, Ende- und Abbruch-Anforderungen Vergabe von Transaktionskennungen Buchführung über Stand der Transaktion Weiterreichen von Operationen mit Kennungen an Scheduler Externes Internes Scheduler Recovery-Verwalter SS 2004 B. König-Ries: Datenbanksysteme 2-27 SS 2004 B. König-Ries: Datenbanksysteme

8 Konsistenz, Persistenz, Resistenz (4) Konsistenz, Persistenz, Resistenz (5) Platzierung des Transaktions-Koordinators: Variante 1: DBMS-intern Integration mit Scheduler und Recovery-Manager Transaktions-Beginn, -Ende und -Abbruch werden von Anfrageschicht durchgereicht Nur Bearbeitung lokaler Datenbasis-Transaktionen möglich Variante 2: Externes System (sog. Transaktions-Monitor): Völlig eigenständiges System, vorgelagert zu DBMS Kommunikation mit Recovery-Manager des DBMS über standardisierte Schnittstellen (X/OPEN DTP-Standard) Bearbeitung von Anwendungs-Transaktionen möglich Sinnvoll bei verteilten Informationssystemen DBMS 1 DB 1 Transaktions-Monitor DBMS 2 DB 2 Nutzer DBMS n DB 3 SS 2004 B. König-Ries: Datenbanksysteme 2-29 SS 2004 B. König-Ries: Datenbanksysteme 2-30 Dauerhaftigkeit Hauptkomponenten eines DBMS Sichern der Persistenz nach Abschluss der Transaktion: Kann offenkundig nicht Angelegenheit der Transaktionsverwaltung sein. Darf normalen Betrieb nicht behindern. Daher eigene Komponente: Archiv-Verwaltung Query engine Externes Internes Datenwörterbuch Metadaten-Verwaltung Transaktionsverwaltung Storage engine Scheduler Recovery-Verwalter Archiv-Verwaltung Backup Endlosspeicherung OS SS 2004 B. König-Ries: Datenbanksysteme 2-31 SS 2004 B. König-Ries: Datenbanksysteme