🗊Презентация Організація баз даних та знань 1. Тема 4. Розподілені та паралельні бази даних. Лекція 4/1. Архітектура розподілених баз даних

Режими роботи з базою даних Якщо з БД працюють одночасно декілька користувачів, то в цьому випадку СУБД повинна забезпечувати коректну паралельну роботу всіх користувачів над одними і тими ж даними. Розрізняють розподілену обробку і розподілені БД.

Основні поняття і визначення Розподілена обробка − це обробка з використанням централізованої бази даних, доступ до якої може виконуватись з різних комп'ютерів мережі. Ця топологія часто називається "клієнт-сервер". В цій системі одні вузли − клієнти, а інші − сервери. Сервер − комп'ютер, який надає деякі послуги іншим комп'ютерам, обмін повідомленнями з якими здійснюється за допомогою мережі, що їх з'єднує. Послуги полягають у наданні комп'ютеру, який звертається, ресурсів сервера (файлів, обчислювальних ресурсів і т.ін.) шляхом виконання вказаної програми і видачі результатів її роботи. Клієнт − це процес, який посилає запит на обслуговування. Розподілена база даних − це набір логічно зв'язаних між собою роздільних даних і їх описів, які фізично розподілені в деякій комп'ютерній мережі. Розподілена СУБД – це програмна система, яка призначена для управління розподіленими базами даних і яка забезпечує прозорий доступ користувачів до розподіленої інформації. Розподілена СУБД, в якій управління кожним із вузлів виконується зовсім автономно називається мультибазовою системою.

Структура інформаційної системи а − розподілена обробка. б − розподілена база даних.

Розподілена система Якщо всі вузли розподіленої системи використовують той самий тип СУБД, то така система називається гомогенною. Якщо вузли розподіленої системи використовують різні типи СУБД, які обробляють різні моделі даних, то така система називається гетерогенною.

Управління паралельною обробкою В багатокористувацьких системах з БД одночасно можуть працювати декілька користувачів або прикладних програм. Для збереження цілісності даних і забезпечення безпеки БД в цих умовах застосовуються транзакції, які забезпечують роботу кожного користувача з узгодженим станом БД. Транзакція − неподільна з точки зору впливу на БД послідовність операторів маніпулювання даними, яка розглядається СУБД як єдине ціле. Або транзакція успішно виконується, і СУБД фіксує зміни БД, які були зроблені цією транзакцією, у зовнішній пам'яті, або, у разі невдачі, жодна зміна не відображається на стані БД. Транзакція розглядається як логічна одиниця роботи з БД. Для того, щоби використання механізмів обробки транзакцій дозволило забезпечити цілісність даних й ізольованість користувачів, транзакція повинна мати такі властивості: атомарність (Atomicity), узгодженість (Cosistency), ізольованість (Isolation), довготерміновість (Durability). Транзакції, які мають ці властивості називаються ACID-транзакціями.

Транзакція Властивості транзакції означають таке: − атомарність означає, що транзакція виконується, як єдина операція доступу до БД і виконується або повністю або не виконується зовсім; − узгодженість гарантує взаємну цілісність даних, тобто виконання обмежень цілісності БД після завершення роботи транзакції; − ізольованість означає, що транзакції, які конкурують за доступ до БД, фізично обробляються послідовно, ізольовано одна від одної, але для користувачів це виглядає так, ніби вони виконуються паралельно; − довготерміновість означає, що коли транзакція виконана успішно, то всі зміни, які вона зробила в даних, не будуть втрачені ні за яких обставин.

Керування паралелізмом Наступні конфліктні ситуації, які можуть призвести до одержання неправильного результату через взаємні перешкоди між деякими транзакціями, можливі при відсутності відповідного керування (слід зазначити, що транзакція, яка вносить перешкоду, сама по собі може бути правильної): - проблема втрати результатів відновлення; - проблема незафіксованої залежності; - проблема несумісного аналізу.

Проблема втрати результатів відновлення

Проблема незафіксованої залежності

Проблема незафіксованої залежності У прикладі транзакція А в момент часу t2 зустрічається з невиконаним відновленням. Потім це відновлення відміняється в момент часу t3. Таким чином, транзакція А виконується на основі фальшивого припущення, що кортеж р має деяке значення в момент – часу t2, тоді як насправді він має деяке значення, що існувало ще в момент часу t1. У підсумку після виконання транзакції А буде полікований невірний результат. Слід звернути увагу на те, що скасування виконання транзакції В може відбутися не по її провині, а, наприклад, у результаті краху системи. До цього часу виконання транзакції А може бути вже завершене, а тому катастрофа системи не приведе до скасування виконання транзакції А.

Проблема несумісного аналізу

Проблема несумісного аналізу Показані транзакції А и В, які виконуються для кортежів з рахунками (РАХУНОК). При цьому транзакція А підсумує баланси, транзакція В робить переклад суми 10 з рахунку 3 на рахунок 1. Отриманий у підсумку транзакції результат 110, мабуть, невірний, і якщо він буде записаний у базі, то в ній може виникнути проблема несумісності. У цьому випадку говорять, що був виконаний несумісний аналіз. Слід звернути увагу на те, що в цьому випадку не ідеться про залежність транзакції А від транзакції В, тому що транзакція В виконала всі відновлення до того, як транзакція А витягла рахунок 3.

Обробка паралельних транзакцій Для обробки паралельних транзакцій застосовується метод тимчасових міток і серіалізація транзакцій. Блокування передбачає встановлення режиму доступу (монопольного або сумісного) до деякого ресурсу даних, що дозволяє виключити доступ до нього одночасно з даною транзакцією інших транзакцій, в результаті якого може бути порушена логічна цілісність даних БД. Об'єктом блокування може бути вся БД, окремі таблиці, сторінки, рядки. Серіалізація транзакцій − процедура, яка забезпечує підтримку незалежного виконання транзакцій. Це означає, що дія двох паралельно діючих транзакцій буде така сама, як і їх послідовна дія: спочатку перша, а потім друга, або навпаки − спочатку друга, а потім перша. У ході виконання транзакції користувач бачить тільки узгоджені дані і не бачить неузгоджених проміжних даних. Для підтримки паралельної роботи складається спеціальний план. Для реалізації серіалізації транзакцій застосовується механізм блокувань.

Види блокування − нежорстке блокування або роздільне блокування (Shared − S-блокування); об'єкт блокується для виконання операції читання; об'єкти в цьому випадку не змінюються у ході виконання транзакції і доступні іншим транзакціям також, але тільки в режимі читання; − жорстке блокування або монопольне (eXclusive − X-блокування); об'єкт блокується для виконання операції запису, модифікації або вилучення. В цьому випадку виконується монопольне блокування об'єкта і об'єкт залишається недоступним іншим транзакціям до моменту завершення роботи даної транзакції.

Взаємне блокування транзакцій Застосування різних типів блокувань призводить до тупиків. Тупикова ситуація виникає тоді, коли дві і більш транзакції одночасно знаходяться у стані очікування, причому для продовження роботи кожна з транзакцій очікує завершення роботи іншої транзакції.

Блокування Основою визначення тупикових ситуацій є побудова графа очікування транзакцій. Алгоритм виходу із тупика передбачає визначення транзакції-жертви. Після вибору такої транзакції виконується її відкат. Для серіалізації транзакцій також застосовується двофазне блокування, яке полягає у такому: − перед виконанням операцій з будь-яким об'єктом транзакція блокує цей об'єкт (накопичення захватів); − після зняття блокування транзакція не повинна накладувати ніяких інших блокувань (вивільнення захватів).

Сумісность для Х- і S-Блокування 1. Припустимо, що в системі підтримується два типи блокувань: блокування без взаємного доступу (монопольне блокування), називана Х-Блокуванням, і блокування із взаємним доступом, називана S-Блокуванням. Іноді ці блокування називають блокуваннями запису й читання відповідно. 2. Якщо транзакція А блокує кортеж р без можливості взаємного доступу, то запит іншої транзакції В с блокуванням цього кортежу р буде відмінний. 3. Якщо транзакція А блокує кортеж р з можливістю взаємного доступу, то – запит з боку деякої транзакції В на Х-Блокування кортежу буде відкинутий; - запит з боку деякої транзакції В на S-Блокування кортежу р буде прийнятий ( тобто транзакція В також буде блокувати кортеж р за допомогою S-Блокування.

Протокол доступу до даних 1. Транзакція, призначена для добування кортежу, насамперед, повинна накласти S-Блокування на цей кортеж. 2. Транзакція, призначена для відновлення кортежу, насамперед повинна накласти Х-Блокування на цей кортеж. 3. Якщо запитуване блокування з боку транзакції У відкидається через конфлікт із деяким іншим блокуванням з боку транзакції А, то транзакція В переходить у стан очікування. При цьому транзакція В буде перебувати в стані очікування доти, поки не буде знято блокування, задана транзакцією А. 4. Х-Блокування зберігаються аж до кінця виконання транзакції ( до операції «завершення виконання» або «скасування виконання»).

Серіалізація транзакцій З керуванням транзакціями в багатокористувацькій СУБД зв'язані важливі поняття сериализации (здатності до впорядкування) транзакцій і сериального плану виконання суміші транзакцій. Під сериализаций транзакцій, що паралельно виконуються, розуміється такий порядок планування їх роботи, при якім сумарний ефект суміші транзакцій еквівалентний ефекту їх деякого послідовного виконання. Сериальный план виконання суміші транзакцій - це такий план, який приводить до сериализации транзакцій. Зрозуміло, що якщо вдається добитися дійсно сериального виконання суміші транзакцій, то для кожного користувача, з ініціативи якого утворена транзакція, присутність інших транзакцій буде непомітно (якщо не вважати деякої затримки роботи з порівняння з однокористувацьким режимом). Така здатність до впорядкування є загальновизнаним критерієм правильності керування паралельною обробкою кортежів. Точніше кажучи виконання, що чергується, заданого безлічі транзакцій буде вірним, якщо воно впорядковане. Обґрунтованість цього твердження випливає з наступних зауважень. 1. Окремі транзакції вважаються вірними, якщо при їхньому виконанні БД переходить із одного несуперечливого стану в інший несуперечливий стан. 2. Отже, виконання транзакцій одна за іншою в будь-якому послідовному порядку (використовуються незалежні друг від друга транзакції) також є вірним. 3. виконання, що чергується, транзакцій, отже, є вірним, якщо воно еквівалентно деякому послідовному виконанню, тобто якщо воно підлягає упорядочиванию. Для заданого набору транзакцій будь-який порядок їх виконання називається графіком запуску. Два графіка називаються еквівалентними, якщо при їхньому виконанні буде отриманий однаковий результат.