Terminologie. Kapitel 15 Verteilte Datenbanken. Verteiltes Datenbanksystem. Kommunikationsmedien

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1 Kapitel Verteilte Datenbanken Terminologie Motivation: geographisch verteilte Organisationsform einer Bank mit ihren Filialen Filialen sollen Daten lokaler Kunden bearbeiten können Zentrale soll Zugriff auf alle Daten haben (z.b. für Kontogutheissungen) Sammlung von Informationseinheiten, verteilt auf mehreren echnern, verbunden mittels Kommunikationsnetz nach Ceri & Pelagatti (984) Kooperation zwischen autonom arbeitenden Stationen, zur Durchführung einer globalen Aufgabe Kommunikationsmedien Verteiltes Datenbanksystem LAN: local area network, z.b. Ethernet, Token-ing oder FDDI-Netz Station S WAN: wide area network, z.b. das Internet Telefonverbindungen, z.b. ISDN oder einfache Modem- Verbindungen Kommunikationsnetz Station S Station S 4

2 Client-Server-Architektur Aufbau und Entwurf eines verteilten Datenbanksystems globales Schema Client C Fragmentierungsschema Zuordnungsschema Client C Kommunikationsnetz Server lokales Schema lokales DBMS lokales Schema lokales DBMS lokale DB Station S lokale DB Station S n 6 Fragmentierung und Allokation einer elation Fragmentierung Allokation (Zuordnung) Fragmentierung: Fragmente enthalten Daten mit gleichem Zugriffsverhalten Allokation: Fragmente werden den Stationen zugeordnet - mit eplikation - ohne eplikation (redundanzfrei) Station S Station S Station S 7 8

3 Fragmentierung Korrektheits-Anforderungen horizontale Fragmentierung: Zerlegung der elation in disjunkte Tupelmengen vertikale Fragmentierung: Zusammenfassung von Attributen mit gleichem Zugriffsmuster kombinierte Fragmentierung: Anwendung horizontaler und vertikaler Fragmentierung auf dieselbe elation ekonstruierbarkeit Vollständigkeit Disjunktheit 9 0 Beispielrelation Professoren Horizontale Fragmentierung abstrakte Darstellung: Professoren PersNr Name ang aum Fakultät Gehalt Steuerklasse 6 Sokrates ussel C4 C4 6 Philosophie Philosophie Kopernikus Popper Augustinus Curie Kant C C C C4 C Physik Philosophie Theologie Physik Philosophie Für Prädikate p und p ergeben sich 4 Zerlegungen: := σ p p () := σ p p () := σ p p () 4 := σ p p () n Zerlegungsprädikate p,...,p n ergeben n Fragmente

4 sinnvolle Gruppierung der Professoren nach Fakultätszugehörigkeit: Zerlegungsprädikate: p Fakultät = Theologie p Fakultät = Physik p Fakultät = Philosophie Vertikale Fragmentierung abstrakte Darstellung: TheolProfs := σ p p p (Professoren) = σ p (Professoren) PhysikProfs := σ p p p (Professoren) = σ p (Professoren) PhiloProfs := σ p p p (Professoren) = σ p (Professoren) AndereProfs := σ p p p (Professoren) κ 4 Vertikale Fragmentierung Vertikale Fragmentierung (Beispiel) Beliebige vertikale Fragmentierung gewährleistet keine ekonstruierbarkeit mögliche Ansätze, um ekonstruierbarkeit zu garantieren: jedes Fragment enthält den Primärschlüssel der Originalrelation. Aber: Verletzung der Disjunktheit jedem Tupel der Originalrelation wird ein eindeutiges Surrogat (= künstlich erzeugter Objektindikator) zugeordnet, welches in jedes vertikale Fragment des Tupels mit aufgenommen wird für die Universitätsverwaltung sind PersNr, Name, Gehalt und Steuerklasse interessant: ProfVerw := Π PersNr, Name, Gehalt, Steuerklasse (Professoren) für Lehre und Forschung sind dagegen PersNr, Name, ang, aum und Fakultät von Bedeutung: Profs := Π PersNr, Name, ang, aum, Fakultät (Professoren) ekonstruktion der Originalrelation Professoren: Professoren = ProfVerw A ProfVerw.PersNr = Profs.PersNr Profs 6 4

5 Möglich: Kombinierte Fragmentierung a) horizontale Fragmentierung nach vertikaler Fragmentierung Allokation Dasselbe Fragment kann mehreren Stationen zugeordnet werden Allokation für unser Beispiel ohne eplikationen redundanzfreie Zuordnung b) vertikale Fragmentierung nach horizontaler Fragmentierung Station S Verw S Physik S Philo S Theol Bemerkung Verwaltungsrechner Dekanat Physik Dekanat Philosophie Dekanat Theologie zugeordnete Fragemente {ProfVerw} {PhysikVorls, PhysikProfs} {PhiloVorls, PhiloProfs} {TheolVorls, TheolProfs} 7 8 Transparenz in verteilten Datenbanken Fragmentierungstranparenz Beispielanfrage, die Fragmentierungstransparenz voraussetzt: Grad der Unabhängigkeit den ein VDBMS dem Benutzer beim Zugriff auf verteilte Daten vermittelt verschiedene Stufen der Transparenz: Fragmentierungstransparenz Allokationstransparenz Lokale Schema-Transparenz select Titel, Name from Vorlesungen, Professoren where gelesenvon = PersNr; Beispiel für eine Änderungsoperation, die Fragmentierungstransparenz voraussetzt: update Professoren set Fakultät = Theologie where Name = Sokrates ; 9 0

6 Fortsetzung Beispiel Allokationstransparenz Ändern des Attributwertes von Fakultät Transferieren des Sokrates-Tupels aus Fragment PhiloProfs in das Fragment TheolProfs (= Löschen aus PhiloProfs, Einfügen in TheolProfs) Ändern der abgeleiteten Fragmentierung von Vorlesungen (= Einfügen der von Sokrates gehaltenen Vorlesungen in TheolVorls, Löschen der von ihm gehaltenen Vorlesungen aus PhiloVorls) Benutzer müssen Fragmentierung kennen, aber nicht den Aufenthaltsort eines Fragments Beispielanfrage: select Gehalt from ProfVerw where Name = Sokrates ; Allokationstransparenz (Forts.) Lokale Schema-Transparenz unter Umständen muss Originalrelation rekonstruiert werden Beispiel: Verwaltung möchte wissen, wieviel die C4-Professoren der Theologie insgesamt verdienen da Fragmentierungstransparenz fehlt muss die Anfrage folgendermaßen formuliert werden: select sum (Gehalt) from ProfVerw, TheolProfs where ProfVerw.PersNr = TheolProfs.PersNr and ang = C4 ; Der Benutzer muss auch noch den echner kennen, auf dem ein Fragment liegt. Beispielanfrage: select Name from TheolProfs at S Theol where ang = C ; 4 6

7 Lokale Schema-Transparenz (Forts.) Ist überhaupt Transparenz gegeben? Lokale Schema-Transparenz setzt voraus, dass alle echner dasselbe Datenmodell und dieselbe Anfragesprache verwenden. vorherige Anfrage kann somit analog auch an Station S Philo ausgeführt werden Dies ist nicht möglich bei Kopplung unterschiedlicher DBMS. Verwendung grundsätzlich verschiedener Datenmodelle auf lokalen DBMS nennt man Multi-Database-Systems (oft unumgänglich in realer Welt). Anfrageübersetzung und Anfrageoptimierung Voraussetzung: Fragmentierungstransparenz Aufgabe des Anfrageübersetzers: Generierung eines Anfrageauswertungsplans auf den Fragmenten Aufgabe des Anfrageoptimierers: Generierung eines möglichst effizienten Auswertungsplanes abhängig von der Allokation der Fragmente auf den verschiedenen Stationen des echnernetzes Nicht behandelt. Optimierung auf zentralem Server: wichtig! 6 Transaktionskontrolle in VDBMS -Phase-Commit-Protokoll: behandelt Semesterwoche 8 Strenge Synchronisation bei replizierten Daten Problem: Zu einem Datum A gibt es mehrere Kopien A, A,..., An, die auf unterschiedlichen Stationen liegen. Eine Lesetransaktion erfordert nur eine Kopie, bei Änderungstransaktionen müssen aber alle bestehenden Kopien geändert werden. hohe Laufzeit und Verfügbarkeitsprobleme 7 8 7

8 Quorum-Consensus Verfahren Ausgleich der Leistungsfähigkeit zwischen Lese- und Änderungstransaktionen teilweise Verlagerung des Overheads von den Änderungs- zu den Lesetransaktionen indem den Kopien A i eines replizierten Datums A individuelle Gewichte zugeordnet werden Lesequorum Q r (A) Schreibquorum Q w (A) Folgende Bedingungen müssen gelten:. Q w (A) + Q w (A) > W(A). Q r (A) + Q w (A) > W(A) Beispiel Station (S i ) Kopie (A i ) Gewicht (w i ) S A S A S A S 4 A 4 W ( A) = w i(a) = Q (A) r Q (A) = w = 4 i= Zustände a) vor dem Schreiben eines Schreibquorums Station Kopie Gewicht Wert Versions# S A 000 S A 000 S A 000 S A 4 b) nach dem Schreiben eines Schreibquorums Station Kopie Gewicht Wert Versions# S A 00 S A 000 S A 00 S A 4 eplikationsarten nicht streng synchronisiert Snapshot: gesamte DB wird gelegentlich kopiert Master -> Slaves Transactional: Transaktionen werden kopiert (vom Publisher zum Abonnenten, uni-direktional) Merge: Änderungen werden ausgetauscht (bidirektional, Konflikte werden möglich) 8