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  • Banco de Dados III 02/01/2001 Vandor Roberto Vilardi Rissoli
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549891 549891 Presentation Transcript

  • Banco de DadosDistribuídoProfa. Danielle Filgueiras
  • Banco de Dados Distribuído Um sistema de Banco de Dados Distribuído (BDD) consiste em uma coleção de nós, cada qual podendo participar na execução de transações que acessam dados em um ou mais nós. Em um sistema de banco de dados distribuído, o banco de dados é armazenado em diversos computadores (nós). Os computadores, em um sistema distribuído, comunicam-se uns com os outros por intermédio de vários meios de comunicação, tais como redes de alta velocidade ou linhas de telefone. Eles não compartilham a memória principal e o relógio. Profa. Danielle Filgueiras 2
  • Banco de Dados Distribuído Os processadores em um sistema distribuído podem variar em tamanho e função, podendo incluir microcomputadores, estações de trabalho, minicomputadores e sistemas de computadores de uso em geral. Estes processadores são geralmente chamados de nós, dependendo do contexto no qual eles estejam mencionados. Usa-se principalmente o termo nó (lugar, posição), a fim de enfatizar a distribuição física destes sistemas. Profa. Danielle Filgueiras 3
  • Banco de Dados Distribuído A diferença principal entre sistemas de bancos de dados centralizados e distribuídos é que no primeiro os dados estão localizados em um único lugar, enquanto que no último os dados residem em diversos locais. Esta distribuição de dados é o motivo de muitas preocupações e dificuldades. Profa. Danielle Filgueiras 4
  • Banco de Dados Distribuído Objetivo:  Fornecer a transparência de localização. Esta transparência significa que os usuários e suas aplicações não precisam saber qual a localização de qualquer item particular de dados. Ao invés disso, todas essas informações de localização devem ser mantidas pelo próprio sistema como parte de seu catálogo, e todas as solicitações de dados, por usuários, deveriam ser interpretadas pelo sistema de acordo com estas informações contidas nele. Profa. Danielle Filgueiras 5
  • Banco de Dados Distribuído Uma solicitação para operar uma peça de dados não-local poderá fazer com que:  esses dados sejam deslocados para o nodo local, para processamento local  O processamento deve ocorrer no nodo remoto e os resultados movimentados para o local  a combinação de 1 e 2, mais comumente usadosAs vantagens de tal transparência são óbvias: simplifica a lógicados programas de aplicação, e permite que os dados sejam deslocadosde um nodo para outro à medida que os padrões de utilização mudarem,sem necessitar de qualquer reprogramação. Profa. Danielle Filgueiras 6
  • Evolução SGBD Computador A Banco de dados de vendas Brasília Rede de Comunicação Computador C SGBD SGBD Computador B Banco de Banco de dados de dados de vendas vendas São Paulo Fortaleza Os avanços tecnológicos contribuem muito com a evolução dos sistemasdistribuídos, fazendo com que esta seja uma das áreas de maior futuro,principalmente, por ser uma área de influência no desenvolvimento dossistemas de informação. Profa. Danielle Filgueiras 7
  • Definições Um sistema de BDD existe quando um banco de dados, logicamente integrado, é fisicamente distribuído sobre diferentes nós de computação interligados por rede. Define-se um nó de computação como um computador (mini, micro, etc.) localizado numa área de organização com certas facilidades de processamento. Em cada um dos nós o software do SGBDD consiste minimamente do que se segue:  Sistema operacional em cada nó  Gerenciador de comunicação para programas remotos  SGBD para gerenciamento local do banco de dados Profa. Danielle Filgueiras 8
  • Definições O subconjunto do BD distribuído armazenando num nó é chamado de BD local. Assim, cada BD local tem um SGBD local, e o sistema de gerência do BDD é a união de todos os SGBD locais. Se os SGBD locais são idênticos, então se diz que o sistema é homogêneo, caso não sejam, ele é heterogêneo. O SGBDD é responsável pelo fornecimento de dados e tradução de exigências aos processos num ambiente distribuído heterogêneo. Um elemento importante num ambiente distribuído é o diretório de dados ou catálogo global, que é o meio pelo qual o SGBDD determina que nós precisam ser acessados com a finalidade de atender uma consulta particular. Sua localização física (centralizado e/ou distribuído) é importante na performance do sistema. Profa. Danielle Filgueiras 9
  • Estrutura de Controle  É responsável por:  Transparência de localização  Fornecimento de respostas eficientes aos requerimentos dos usuários  Preservação da consistência dos dados  Conservação da integridade do sistema.Um fator crítico deste componente é efetuar o controle de forma centralizada(isto é, só um determinado nó é responsável pelo controle) ou distribuída (isto é,todos os nós, no mesmo nível lógico, cooperam para executar um conjunto de tarefas). Profa. Danielle Filgueiras 10
  • A principal diferença entre um sistema degerenciamento de banco de dados distribuídos(SGBDD) e sistema de gerenciamento de bancode dados paralelos (SGBDP) é a distribuição física SGBDD SGBDP BD BD BD BD Profa. Danielle Filgueiras 11
  • Características do SGBDD Os sites estão disponíveis entre si S.O. próprio Compartilham um esquema global comum Memória própria Cada site tem transações locais e globais Disco próprio SGBD local em cada site, preferivelmente sendo o mesmo (homog.) Profa. Danielle Filgueiras 12
  • Vantagens Gerenciamento de dados distribuídos com níveis diferentes de transparência  Transparência de distribuição ou de rede  Transparência de replicação  Transparência de fragmentação Melhoria da confiabilidade e na disponibilidade Melhoria de desempenho Expansão mais fácil Profa. Danielle Filgueiras 13
  • Características do SGBDD Site A Site B Rede Comunicação via rede Site C Se o SGBD for diferente em cada site , o SGBDD é classificado como heterogêneo Profa. Danielle Filgueiras 14
  • Funções adicionais Rastreamento de dados Processamento de consultas distribuídas Gerenciamento de transações distribuídas Gerenciamento de dados replicados Recuperação de banco de dados distribuído Segurança Gerenciamento do diretório distribuído Profa. Danielle Filgueiras 15
  • Armazenamento Distribuído dosDados Uma relação r (ou tabela) possui diversos enfoques para o armazenamento em um banco de dados distribuído (BDD):  Replicação: o sistema mantém réplicas idênticas da relação, onde cada réplica é armazenada em sites diferentes, resultando na replicação dos dados  Fragmentação: a relação é particionada em vários fragmentos, onde cada fragmento é armazenado em um site diferente  Replicação e fragmentação: a relação é particionada em vários segmentos, e o sistema mantém diversas réplicas de cada fragmento Profa. Danielle Filgueiras 16
  • Replicação de Dados A replicação de dados significa que um determinado objeto de dados lógicos pode possuir diversos representantes armazenados, em nodos. O grau de suporte para a replicação é um pré- requisito para atingir o verdadeiro potencial de um sistema distribuído. Profa. Danielle Filgueiras 17
  • Replicação de Dados Disponibilidade: com a falha de um site que contém a relação r, outro site com r é encontrado e atende a solicitação, a despeito da falha de um site Aumento de paralelismo: os acessos de leitura á relação r, outros sites podem processar as consultas em paralelo. Com mais replicação, aumentam as chances do site que esta realizando a transação possuir a relação r, contribuindo assim com a minimização do movimento dos dados entre os sites. Profa. Danielle Filgueiras 18
  • Replicação de Dados Aumento do overhead para atualização: o sistema deverá assegurar que todas as réplicas da relação r sejam consistentes, propagando a atualização a todas as réplicas. Sempre que houver atualização, ela deve ser propagada a todos os sites que contenham réplicas, evitando a inconsistência. Por exemplo: o saldo de uma conta bancária com um valor, possuindo um outro valor em uma consulta feita por outra agência, sendo ambas de um mesmo banco. Profa. Danielle Filgueiras 19
  • Fragmentação de Dados Uma relação é dividida em fragmentos, onde cada fragmento contêm informação suficiente para permitir a reconstrução da relação original. A fragmentação pode ser feita de duas formas:  Fragmentação horizontal - divide a relação separando as tuplas de r em dois ou mais fragmentos  Fragmentação vertical - divide a relação pela decomposição do esquema R da relação r Profa. Danielle Filgueiras 20
  • Fragmentação de Dados A relação r é particionada em um número de subconjunto r1, r2, ...,rn Cada tupla da relação r deve pertencer a pelo menos um fragmento A relação r é a união de todos os fragmentos, isto é:  R = r1 U r2 U ...U rn Profa. Danielle Filgueiras 21
  • Fragmentação Horizontal (ex.) AGÊNCIA CONTA SALDOCONTA Brasília A-110 1000 Brasília A-120 500 São Paulo A-500 500 São Paulo A-200 300 Brasília A-150 250 Brasília A-180 2000 Profa. Danielle Filgueiras 22
  • Fragmentação Horizontal (ex.) AGÊNCIA CONTA SALDO Brasília A-110 1000 CONTA Brasília A-120 500 Brasília A-150 250 Brasília A-180 2000 AGÊNCIA CONTA SALDO São Paulo A-500 500 São Paulo A-200 300 Profa. Danielle Filgueiras 23
  • Explicações O fragmento da agência ‘São Paulo’ será armazenado no site São Paulo, enquanto que o fragmento ‘Brasília’ estará no site Brasília. Neste exemplo os fragmentos estão excludentes, mas podem ser elaborados de forma que uma tupla pertença a mais fragmentos. Profa. Danielle Filgueiras 24
  • Fragmentação Vertical É uma decomposição Vários subconjuntos de atributos R1, R2,...,Rn, tal que :  R = r1 U r2 U... U rn A relação é reconstituída a partir dos fragmentos por uma junção natural:  R = r1∆ r2∆ ... ∆rn Profa. Danielle Filgueiras 25
  • Fragmentação Vertical (ex.) AGÊNCIA CONTA CLIENTE SALDO Brasília A-110 MARIA 1000 CONTA Brasília A-120 PEDRO 500 São Paulo A-500 JOÃO 500 São Paulo A-200 RICARDO 300 Brasília A-150 MARCELO 250 Brasília A-180 CARLA 2000 AGÊNCIA CONTA CLIENTE SALDO TUPLA_ID Brasília A-110 MARIA 1000 1 Brasília A-120 PEDRO 500 2 São Paulo A-500 JOÃO 500 3 São Paulo A-200 RICARDO 300 4 Brasília A-150 MARCELO 250 5 Brasília A-180 CARLA 2000 6 Profa. Danielle Filgueiras 26
  • junção dos fragmentos verticaisAGÊNCIA CONTA TUPLA_ID CLIENTE SALDO TUPLA_IDBrasília A-110 1 MARIA 1000 1Brasília A-120 2 PEDRO 500 2São Paulo A-500 3 JOÃO 500 3São Paulo A-200 4 RICARDO 300 4Brasília A-150 5 MARCELO 250 5Brasília A-180 6 CARLA 2000 6 Por possuir um identificador único, a reconstrução da relação pode ser conseguida por meio de uma junção natural, onde o atributo de junção é a tupla_id. Profa. Danielle Filgueiras 27
  • Fragmentação Mista A relação r é particionada em um número de fragmentos r1, r2, ...,rn Cada um dos fragmentos é resultado da fragmentação horizontal ou vertical, ou ainda sobre um fragmento de r obtido anteriormente Profa. Danielle Filgueiras 28
  • Fragmentação Mista (ex.)AGÊNCIA CONTA TUPLA_ID fragmentação verticalBrasília A-110 1 CLIENTE SALDO TUPLA_IDBrasília A-120 2 MARIA 1000 1 PEDRO 500 2Brasília A-150 5 JOÃO 500 3Brasília A-180 6 RICARDO 300 4 MARCELO 250 5 fragmentação horizontal CARLA 2000 6 AGÊNCIA CONTA TUPLA_ID São Paulo A-500 3 São Paulo A-200 4 Profa. Danielle Filgueiras 29
  • Fragmentação e Replicação deDados As técnicas de fragmentação e replicação podem ser aplicadas sucessivamente a uma mesma relação Um fragmento pode ser replicado, e as réplicas podem ser fragmentadas novamente e assim por diante Profa. Danielle Filgueiras 30
  • Transparência de Localização (deRede) A preocupação com a transparência possui os seguintes objetivos, relacionados aos pontos de vista de: Nível de Transparência ↓ Grau de desconhecimento sobre as relações no sistema distribuído Profa. Danielle Filgueiras 31
  • Transparência de Localização (deRede) Denominação dos dados  Replicaçãodos itens de dados  Fragmentação dos itens de dados  Locação das réplicas ou fragmentos Profa. Danielle Filgueiras 32
  • Processamento de ConsultasDistribuídas Contexto A transparência para leitura é mais fácil de se conseguir e manter do que a transparência para atualização.  O maior problema para a atualização é garantir que todas as réplicas e fragmentos sejam atualizados, após uma atualização em uma das réplicas ou fragmentos. A atualização deve ser prolongada para todas as cópias (réplicas e fragmentos) existentes no sistema. Profa. Danielle Filgueiras 33
  • Processamento de ConsultasDistribuídas As consultas em um BDD devem se preocupar em minimizar o tempo total para a apresentação do resultado alcançado. Profa. Danielle Filgueiras 34
  • Processamento de ConsultasDistribuídas Um dos fatores mais importantes no desempenho de uma consulta, em uma base centralizada, é a quantidade de acesso a disco necessária para atingir o resultado. Em um banco distribuído os problemas aumentam, pois existe também a preocupação com a transmissão de dados na rede. Um fator interessante para a consulta realizada em uma base distribuída é que para os diversos sites podem processar partes da consulta em paralelo. Na realização de uma consulta simples (trivial), como consultar todas as tuplas da relação CONTA, pode caracterizar um processamento não tão trivial, pois CONTA pode estar fragmentada, replicada ou ambas. Profa. Danielle Filgueiras 35
  • Processamento de ConsultasDistribuídas Além disto, a consulta pode precisar de diversas junções e uniões para a reconstrução da relação toda (CONTA). O processamento de consultas tem como aspecto mais importante a escolha da forma de junção a ser realizada. Considere a junção CONTA X DEPOSITANTE X AGÊNCIA dos esquemas. Considere também que nenhuma das três relações foi replicada ou fragmentada, mas CONTA esta no Site 1, DEPOSITANTE no Site 2 e AGÊNCIA no Site 3. A origem da consulta é no Site 1, onde será produzido o resultado da mesma. Profa. Danielle Filgueiras 36
  • Estratégias de Consultas Enviar cópia das três relações para o Site 1, onde será aplicada a melhor estratégia de consulta local Enviar cópia de CONTA para o Site 2, e lá obter temp1=(CONTA X DEPOSITANTE); em seguida enviar temp1do Site 2 para o Site 3 obtendo lá o temp2=(temp1 X AGÊNCIA); por fim enviar o resultado (temp2) para o Site 1 Aplicar estratégia similar à anterior, alterando as regras entre os Sites 1, 2 e 3 Profa. Danielle Filgueiras 37
  • Estratégias de Consultas Na primeira estratégia ainda existe o re-processamento dos índices da relação transportada, configurando um processamento extra. Na segunda estratégia ocorre a transmissão de uma relação potencialmente maior. Necessariamente, não existe a melhor estratégia, mas deve-se considerar:  volume de dados a ser transportado  custo de transmissão de um Site para outro  velocidade relativa de processamento em cada Site Profa. Danielle Filgueiras 38
  • Transações O acesso a diversos itens de dados em um sistema distribuído é normalmente acompanhado de transações que têm de preservar as propriedades ACID. A : Atomicidade  C : Consistência  I : Isolamento  D : Durabilidade Profa. Danielle Filgueiras 39
  • Características ACID Atomicidade:Todas as operações da transação são refletidas corretamente no BD ou nenhuma será Consistência: A execução de uma transação isolada preserva a consistência do banco de dados Isolamento: Cada transação não toma conhecimento de outras transações concorrentes Durabilidade: Depois da transação completar-se com sucesso, as mudanças que ela faz no banco de dados persistem Profa. Danielle Filgueiras 40
  • Tipos de transações Locais  mantém acesso e atualizam somente a base de dados local Globais  mantém acesso e atualizam diversas bases de dados locais Profa. Danielle Filgueiras 41
  • Estruturas de Sistemas Em cada Site existe o seu próprio gerenciador de transações local, cuja função é garantir as propriedades ACID das transações executadas localmente. Os diversos gerenciadores cooperam para executar as transações globais. Com o intuito de compreender melhor como esses gerenciadores podem ser implementados, pode-se definir um modelo abstrato para o sistema de transações. Nesta definição cada Site possui dois subsistema:  Gerenciador de transações  Coordenador de transações Profa. Danielle Filgueiras 42
  • Estruturas de Sistemas O gerenciador administra a execução daquelas transações que mantém acesso aos dados locais. Cada uma dessas transações pode ser uma transação local ou parte de uma transação global. O coordenador coordena a execução de várias transações (locais ou globais) iniciadas naquele Site. Computador 1 Computador n TCn Coordenador TC1 de transação . . . Gerenciador de TMn TM1 transação Profa. Danielle Filgueiras 43
  • Gerenciador de Transações Manutenção de um log para propósito de recuperação Participação em um esquema de controle de concorrência adequado para coordenação da execução de transações concorrentes em um mesmo site Profa. Danielle Filgueiras 44
  • Coordenador de Transações Iniciar a execução da transação  Quebrar uma transação em um número determinado de sub-transações e distribuí- las pelos Sites apropriados para a execução  Coordenar o término das transações, que podem resultar em efetivações em todos os Sites ou em interrupção em todos os Sites. Profa. Danielle Filgueiras 45
  • Falhas Um sistema distribuído pode sofrer os mesmos tipos de falhas que ocorrem em um sistema centralizado, porém existem falhas adicionais que podem ocorrer em um BDD, tais como: falha em um site, falha na comunicação entre eles, perda de mensagens e o particionamento da rede. Cada um desses problemas devem ser considerados no projeto de recuperação de um BDD. Para um sistema ser robusto, ele precisa detectar qualquer uma dessas falhas, reconfigurar-se de modo a manter o processamento e recuperar-se enquanto a falha é recuperada. Profa. Danielle Filgueiras 46
  • Preocupações Protocolo de efetivação (garantir a atomicidade)  duas fases (obstrução) – 2PC  três fases – 3PC Controle de concorrência  Algumas alterações no modo de funcionamento e de controle do sistema centralizado podem permitir a funcionalidade deles em um sistema distribuído. Profa. Danielle Filgueiras 47
  • Sistemas de Banco de DadosMúltiplos Nos últimos anos desenvolveram-se novas aplicações usando diversos BD preexistentes, localizados em ambientes heterogêneos de hardware e software. Para isso, foi necessária uma camada de software adicional em um nível superior ao BD, onde ela tratava as informações localizadas em um BD heterogêneo. Esta camada é chamada de Sistema de Banco de Dados Múltiplo. Os sistemas de BD locais podem empregar modelos lógicos diferentes e diferentes linguagens de definição e manipulação de dados. Podem também diferir dos seus mecanismos de controle de concorrência e gerenciamento de transações. Profa. Danielle Filgueiras 48
  • Sistemas de Banco de DadosMúltiplos Um sistema de BD Múltiplo cria a ilusão de integração lógica do BD, sem exigir uma integração física correspondente. A integração formando um BDD homogêneo é muito difícil, em uma grande maioria dos casos, é impossível principalmente por:  Dificuldades Técnicas – os investimentos nos BD existentes podem ser imensos e o custo da conversão das aplicações pode ser proibitivo  Dificuldades Organizacionais – mesmo para integrações tecnicamente viáveis, pode ocorrer a impossibilidade por motivos políticos, principalmente, quando os sistemas de BD pertencem a diferentes organizações. Profa. Danielle Filgueiras 49
  • Bibliografia Korth, H. F. e Silberschatz, A. Sistemas de Banco de Dados, São Paulo, McGraw- Hill, 3 edição, Capítulo 18 - 589-634 p., 1999. Frigeri, S. R., Banco de Dados Distribuídos, Caxias do Sul, Universidade Federal do Rio Grande do Sul - site www.ufrgs.br, 1996. Profa. Danielle Filgueiras 50