• Основні означення
• 9.2 Властивості розподілених баз даних
• 9.3 Логічна архітектура розподілених баз даних
• 9.4 Архітектура програмно-технічних засобів розподілених СКБД
  • 9.4.1. Властивості архітектури
  • 9.3.2. Різновиди архітектури
• 9.4 Розподілене зберігання даних
  • 9.4.1. Фрагментація
  • 9.4.2. Реплікація
• 9.5 Обробка розподілених транзакцій

Основні означення

Розподілена база даних (РБД) ‒ це множина логічно взаємозалежних баз даних, розподілених у комп’ютерній мережі.

Розподілена система керування базами даних (РСКБД) ‒ це програмне забезпечення, яке керує РБД і надає такі механізми доступу до них, що їх застосування дає користувачу можливість працювати з РБД як з однією цілісною базою даних.

Розподілена система баз даних (РСБД) ‒ це РБД разом із РСКБД.

Архітектура розподіленої СКБД наведена на рис. 9.1. Кожний з вузлів мережі містить свою базу даних, однак вони розглядаються як логічно єдина база, а не як сукупність розкиданих у мережі файлів. Усі дані є логічно взаємозалежними. Розподілена СКБД — це повноцінна СКБД, що виконує всі необхідні функції з керування даними.

Рисунок 9.1 - Розподілена база даних

Залежно від типу програмного забезпечення розрізняють два типи РСКБД.

В однорідних РСКБД передбачається, як мінімум, що на всіх вузлах використовуються однотипні СКБД (наприклад, реляційні), які мають схожі функціональні можливості. Як максимум, припускається, що на всіх вузлах використовуються однакові технічні засоби, тобто однакові типи комп’ютерів і програмного забезпечення. Це стосується операційних систем, програмного забезпечення СКБД та моделей даних, що підтримуються.

У неоднорідних РСКБД вузли базуються на різних програмно-технічних платформах, які можуть містити різні типи СКБД. Окрім того, такі СКБД можуть підтримувати різні моделі даних. У цьому випадку ускладнюється вирішення проблеми їхньої взаємодії.

Однією з важливих проблем РСКБД є досягнення логічної незалежності даних від місця зберігання, тобто прозорість доступу до даних. Це означає, що користувач повинен мати можливість сприймати всі необхідні йому дані як єдине ціле, не зважаючи на те, в який спосіб вони розподілені у мережі.

9.2 Властивості розподілених баз даних

Вперше завдання про дослідження основ і принципів створення і функціонування розподілених інформаційних систем було поставлене відомим фахівцем в області баз даних Д. Дейтом. Серед властивостей розподілених баз даних виділяють такі:

Локальна автономія - управління даними на кожному з вузлів розподіленої системи виконується локально.

Незалежність вузлів - всі вузли рівноправні і незалежні, а розташовані на них БД є рівноправними постачальниками даних в загальний простір даних. 

Безперервні операції - можливість безперервного доступу до даних в рамках розподіленої БД незалежно від їх розташування і незалежно від операцій, що виконуються на локальних вузлах.

Прозорість розташування - користувач, що звертається до БД, нічого не повинен знати про реальне, фізичне розміщення даних у вузлах інформаційної системи.

Прозора фрагментація  - можливість розподіленого (тобто на різних вузлах) розміщення даних, логічно поєднаних в єдине ціле. Існує фрагментація двох типів: горизонтальна і вертикальна.

Прозоре тиражування - тиражування даних - це асинхронний процес перенесення змін об'єктів вихідної бази даних в бази, розташовані на інших вузлах розподіленої системи

Обробка розподілених запитів - можливість виконання операцій вибірки даних з розподіленої БД, за допомогою запитів, сформульованих на мові SQL

Обробка розподілених транзакцій - можливість виконання операцій оновлення розподіленої бази даних, які не порушують цілісність і узгодженість даних. 

Незалежність від устаткування - як вузли розподіленої системи можуть виступати ПК будь-яких моделей і виробників

Незалежність від операційних систем - різноманіття операційних систем, керуючих вузлами розподіленої системи

Прозорість мережі - спектр підтримуваних конкретною СУБД мережевих протоколів не має бути обмеженням системи, заснованої на розподіленій БД

Незалежність від баз даних - в розподіленій системі можуть працювати СУБД різних виробників, і можливі операції пошуку і оновлення в базах даних різних моделей і форматів.

9.3 Логічна архітектура розподілених баз даних

Логічна архітектура розподілених баз даних ‒ це архітектура логічно взаємозалежних даних. Графічне зображення логічної архітектури розподілених баз даних наведене на рис. 9.2. Особливість архітектури РБД полягає в тому, що виникає ще один рівень, глобальний концептуальний, завданням якого (як і в моделі ANSI/SPARC) є зображення концептуальної моделі предметної області в цілому. На цьому рівні описується характер розподілу даних.

Рисунок 9.2 ‒ Логічна архітектура розподіленої СКБД

 

На локальному концептуальному рівні здійснюється локальний опис ПО. Тобто схема цього рівня містить опис тільки тієї частини предметної області, що є специфічною для конкретного вузла розподіленої ПО; дані інших вузлів розподіленої ПО в схемі не вказуються. Відображення «глобальний-концептуальний/локальний-концептуальний» дають змогу зобразити глобальну концептуальну схему у вигляді сукупності локальних концептуальних схем, і навпаки.

Глобальна зовнішня схема зображує дані, необхідні користувачам і додаткам, у бажаному для них вигляді, незалежно від способу розподілу даних за вузлами. Це завдання вирішується завдяки тому, що глобальні зовнішні схеми базуються на глобальній концептуальній схемі.

Локальні зовнішні схеми базуються на локальних концептуальних схемах, відтак вони можуть посилатися лише на ті дані, що розташовані на відповідному вузлі розподіленої ПО.

Локальні внутрішні схеми ‒ це схеми зберігання даних на конкретних вузлах розподіленої ПО. Вони пов’язані з відповідними локальними концептуальними схемами.

 

9.4 Архітектура програмно-технічних засобів розподілених СКБД

 

9.4.1. Властивості архітектури

Архітектура програмно-технічного комплексу розподілених СКБД має три головні характеристики.

Розподіленість. Спосіб розподілу компонентів системи баз даних за комп’ютерами мережі визначається тим, чи є в мережі єдиний комп’ютер з повноваженнями розподіленої СКБД, або ж їх кілька. 

Неоднорідність. Важливою характеристикою є міра однорідності програмно-технічних засобів СКБД. 

Автономність. Характеризує, наскільки самостійно компоненти СКБД можуть виконувати свої функції. До питань автономності належать:

• автономність проектних рішень;
• автономність обчислень.

 

9.3.2. Різновиди архітектури

Основними різновидами архітектури програмно-технічних засобів розподіленої СКБД є:

Клієнт-серверна архітектура. Така архітектура передбачає наявність єдиного комп’ютера-сервера і багатьох комп’ютерів-клієнтів, що взаємодіють між собою через канали зв’язку. На сервері розташована СКБД та інтегрована (централізована) база даних. Ніякого розподілу баз даних за вузлами мережі немає. На клієнтських комп’ютерах виконуються додатки, які працюють із серверною базою даних, а також розміщене програмне забезпечення для зв’язку з віддаленою СКБД. Як клієнти, так і сервер оснащені комунікаційним програмним забезпеченням.

Архітектура з багатьма незалежними серверами. Ця архітектура передбачає існування багатьох серверів, що мають доступ до своїх локальних баз даних. У такому випадку на комп’ютерах клієнтів має зберігатись інформація стосовно того, які дані на яких серверах розташовані, а також має бути розміщене програмне забезпечення, що дає змогу декомпозувати запити для їхнього виконання на різних серверах і потім об’єднати результати.

Архітектура із взаємодіючими серверами. У цьому випадку передбачається, що кожний із серверів містить повну інформацію стосовно того, які дані на яких серверах зберігаються, а також здатний обробляти розподілені запити. У разі потреби один сервер може звернутися до іншого для одержання необхідних даних. Кожен клієнт має свій сервер, до якого звертається для виконання операцій над розподіленою базою даних.

Архітектура однорангової мережі. Усі комп’ютери мережі є серверами. На кожному комп’ютері розміщено розподілену СКБД і базу даних, з кожного комп’ютера можна надіслати до іншого запит на отримання необхідних даних.

 

9.4 Розподілене зберігання даних

9.4.1. Фрагментація

Суть фрагментації полягає в тому, щоб поділити логічну базу даних на фрагменти з метою зберігання кожного фрагмента на певному вузлі мережі. Одиницями фрагментації можуть бути відношення та складені відношення. У випадку, коли одиницею фрагментації є відношення, вирішується проблема, яке відношення в якій базі даних має зберігатися. За іншого підходу допускається, що будь-яке відношення може бути зображене у вигляді сукупності фрагментів, що розподіляються за різними базами даних.

Фрагментацію, що здійснюється розподілом відношень за базами даних, теоретично здійснити нескладно, тому розглянемо проблему фрагментації власне відношень.

Фрагментація відношень. Завдання фрагментації відношень формулюється в такий спосіб. Нехай задане відношення R. Його потрібно зобразити у вигляді сукупності відношень R₁, ..., R_n так, щоб ця сукупність відповідала критеріям ефективності (за часом доступу, пам’яттю, завантаженістю комп’ютерів тощо).

Фрагментація є коректною, якщо вона повна, не містить перетинів і може бути реконструйована. Пояснимо ці терміни.

Декомпозиція відношення R на фрагменти R₁, R₂, … R_n є повною тоді й лише тоді, коли кожен елемент даних з R належить якомусь із відношень R_i.

Декомпозиція відношення R на фрагменти R₁, R₂, … R_n може бути реконструйована, якщо існує такий реляційний вираз φ(R₁, R₂, … R_n), що R=φ(R₁, R₂, … R_n).

Декомпозиція відношення R на фрагменти R₁, R₂, … R_n не містіть перетинів, якщо будь-який елемент даних з R міститься не більш ніж в одному фрагменті.

Є три типи фрагментації відношень:

• горизонтальна;
• вертикальна;
• змішана

Горизонтальна фрагментація

Горизонтальна фрагментація полягає в розподілі кортежів відношення за фрагментами. Формально горизонтальну фрагментацію можна визначити в такий спосіб. Нехай задане відношення R і на ньому визначений предикат F_i. Тоді горизонтальний фрагмент Rі відношення визначається так:

[TEX]R_{i} =\sigma _{F_{i} }(R)[/TEX]

Тобто горизонтальний фрагмент Rі - це множина кортежів R, що задовольняють умову F_i.

Вертикальна фрагментація

Суть вертикальної фрагментації полягає в тому, що відношення поділяється на дві чи більше проекцій, тобто схема відношення поділяється на певну множину підсхем.

Для відновлення вихідного відношення з фрагментів необхідно, щоб усі підсхеми містили первинний ключ. Існує інший підхід, коли під час поділу схеми до кожного фрагмента автоматично додається поле з ідентифікатором кортежу. Значення цього ідентифікатора зазвичай встановлюються системою автоматично.

Змішана фрагментація. Змішана фрагментація передбачає послідовне застосування вертикальної і горизонтальної фрагментацій. 

Розподіл даних за вузлами мережі

Після отримання усіх необхідних фрагментів відношень постає проблема розподілу цих фрагментів за вузлами мережі. Єдиних рекомендацій стосовно того, як це робити, немає. Потрібно знайти оптимальний розподіл фрагментів F за вузлами мережі S за умови, що відомий розподіл додатків Q за вузлами мережі.

 

9.4.2. Реплікація

Реплікація — це механізм розподілу даних за вузлами, що дозволяє зберігати копії тих самих даних на різних вузлах мережі з метою прискорення пошуку і підвищення стійкості до відмов. Відношення чи фрагмент є реплікованим, якщо його копії зберігаються на двох або більше вузлах (копії ще називають репліками). За повної реплікації відношення його копії зберігаються на всіх вузлах мережі. Допускається ситуація, коли вся база даних зберігається на всіх вузлах мережі — це називається поєною реплікацією бази даних.

Механізми реплікації

Видавцем називають сервер, що надає розміщені на ньому дані для копіювання на інші сервери. 

Дистриб’ютором називається сервер, що підтримує розподілену базу даних. 

Передплатником називається сервер, що отримує копії даних, надані видавцем. 

Є два методи відновлення даних передплатників:

• Реплікація за запитом. Передплатник періодично звертається до дистриб’ютора із запитом про зміни, що відбулися з моменту останнього з’єднання.
• Примусова реплікація. Дистриб’ютор сам встановлює з’єднання з передплатником і пересилає йому необхідні дані.

Залежно від методу реплікації, передплатники можуть чи не можуть вносити зміни в репліковані дані. У найпростішому випадку змінювати дані може тільки видавець, у складніших моделях реплікації - передплатники і видавці. Змінені дані, отримані від усіх передплатників, синхронізуються і поєднуються з даними видавця, а потім розсилаються передплатникам.

Моделі реплікації

Є такі моделі реплікації:

• реплікація моментальних знімків;
• реплікація транзакцій.

Топологія реплікацій

Топологія реплікацій описує характер взаємозв’язків між учасниками реплікації:

• реплікація «один-до-багатьох» передбачає наявність одного видавця і кількох передплатників;
• реплікація «багато-до-одного» має місце, коли дані від кількох видавців пересилаються одному передплатнику;
• реплікація «багато-до-багатьох» означає, що дані від кількох видавців пересилаються кільком передплатникам.

 

9.5 Обробка розподілених транзакцій

Транзакція — набір команд, що виконується як єдине ціле. У транзакції або всі команди будуть виконані, або жодна з них не виконається. Якщо хоча б одна з команд транзакції не може бути виконана, здійснюється відкочування (відновлюється стан системи, в якому вона перебувала до початку виконання транзакції).

Транзакції мають задовольняти вимоги ACID (Atomicity, Consistency, Isolation, Durability — атомарність, несуперечність, ізольованість, довговічність), що гарантують правильність і надійність роботи системи.

Атомарність передбачає таке:

• виконуються всі операції транзакції або жодна з них не виконується;
• якщо виконання транзакції було перерване, то всі зроблені транзакцією зміни мають бути скасовані

Несуперечність означає, що транзакція, яка працює з несуперечною базою даних, після завершення роботи залишає її також у несуперечному стані. Транзакція не повинна порушувати цілісності бази даних

Для вирішення проблем одночасного доступу інститут ANSI розробив спеціальний стандарт, який визначає чотири рівні блокування (кожний вищий рівень передбачає виконання умов усіх нижчих рівнів)

• Рівень 0. Заборона «забруднення» даних. 
• Рівень 1. Заборона некоректного зчитування. 
• Рівень 2. Заборона неповторюваного зчитування. 
• Рівень 3. Заборона «фантомів». 

Властивість ізольованості означає, що на роботу транзакції не мають впливати інші транзакції. Транзакція «бачить» дані в тому стані, в якому вони перебували до початку роботи іншої транзакції, або в тому стані, в якому вони перебувають після її завершення. 

Після того, як було підтверджено успішне завершення роботи транзакції (Commit), система має гарантувати, що її результати не будуть втрачені, незважаючи на можливі перебої. Це й називається довговічністю.