31. Технологии удалённого доступа и системы БД, тиражирование и синхронизация в распределённых системах БД.

В технологиях распределенных информационных систем в настоящее время существуют следующие направления:

- технологии «Клиент-сервер»;

- технологии реплицирования (тиражирования);

- технологии объектного связывания.

Распределенные информационные системы, как правило, построены на основе сочетания всех трех технологий.

Технологии и модели «Клиент-сервер».

В основе клиент-серверных технологий лежат две основные идеи:

- общие для всех пользователей данные на одном или нескольких серверах;

- много пользователей (клиентов) на различных вычислительных установках, совместно (параллельно и одновременно) обрабатывающих общие данные.

Под сервером в широком смысле понимается любая система, процесс, компьютер, владеющие каким-либо вычислительным ресурсом (памятью, временем, производительностью процессора и т.д.).

Клиентом называется также любая система, процесс, компьютер, пользователь, запрашивающие у сервера какой-либо ресурс, пользующиеся каким-либо ресурсом или обслуживаемые сервером иным способом.

В структуре СУБД выделяют три компонента:

- компонент представления, реализующий функции ввода и отображения данных;

- прикладной компонент, включающий набор запросов, событий, правил, процедур и др. вычислительных функций;

- компонент доступа к данным, реализующий функции хранения, извлечения, физического обновления и изменения данных.

Исходя из особенностей реализации и распределения в системе этих компонентов, различают четыре модели технологий «Клиент-сервер»:

- модель файлового сервера (FS);

- модель удаленного доступа к данным (RDA);

- модель сервера базы данных (DBS);

- модель сервера приложений (AS).

Модель файлового сервера.

Один из компьютеров сети определяется файловым сервером (общим хранилищем данных), а все основные компоненты СУБД размещаются на клиентских установках. При обращении к данным ядро СУБД обращается с запросами на ввод-вывод данных к файловой системе. В оперативную память клиентской установки на время сеанса работы полностью или частично копируется файл базы данных. Достоинства модели: простота и отсутствие высоких требований к производительности сервера. Недостатки: высокий сетевой трафик, отсутствие специальных механизмов СУБД по обеспечению безопасности данных.

Модель удаленного доступа к данным.

Эта модель основана на учете специфики хранения и физической обработки данных во внешней памяти для реляционных СУБД. В данной модели компонент доступа к данным реализуется в виде самостоятельной программной части СУБД, называемой SQL-сервером, и размещается на сервере. SQL-сервер выполняет низкоуровневые операции по организации, размещению, хранению и манипулированию данными. На сервере размещаются также файлы БД и системный каталог БД. На клиентских установках размещаются программы, реализующие интерфейсные и прикладные функции СУБД. Прикладной компонент клиента формирует необходимые SQL-инструкции и направляет их SQL-серверу, который принимает, интерпретирует, выполняет, проверяет эти инструкции, обеспечивает выполнение ограничений целостности и безопасности данных и направляет клиентам результаты обработки SQL-инструкций (наборы данных).

Достоинства. В результате реализации такого подхода резко уменьшается загрузка сети. RDA-модель позволяет также унифицировать интерфейс взаимодействия прикладных компонентов СУБД с общими данными. Такое взаимодействие стандартизовано в рамках языка SQL специальным протоколом ODBC, играющим важную роль в обеспечении независимости от типа СУБД на клиентских установках. Это позволяет интегрировать уже существующие локальные БД в создаваемые распределенные информационные системы независимо от типов СУБД клиентов и сервера. Недостатки. Высокие требования к клиентским вычислительным установкам, так как на них выполняются прикладные программы обработки данных. Значительный трафик сети, поскольку с сервера направляются клиентам наборы данных, которые могут иметь существенный объем.

Модель сервера базы данных.

На клиентских установках в DBS-модели размещается только интерфейсный компонент, а все остальные компоненты СУБД размещаются на сервере. От клиентов на сервер направляются только вызовы необходимых процедур, запросов и других функций по обработке данных. Все операции по обработке данных выполняются на сервере, а пользователю направляются лишь результаты обработки (а не наборы данных, как в RDA-модели).

Достоинства. Разгрузка сети. Активная роль сервера, что позволяет более эффективно настраивать информационную систему на особенности предметной области, а также более надежно обеспечивать согласованность состояния и изменения данных, что повышает надежность хранения и обработки данных.

Модель сервера приложений.

Чтобы разнести требования к вычислительным ресурсам сервера в отношении быстродействия и памяти по разным вычислительным установкам, используется модель сервера приложений. Суть данной модели состоит в переносе прикладного компонента СУБД на специализированный в отношении повышенных по быстродействию ресурсов дополнительный сервер системы – сервер приложений. На клиентских установках располагается интерфейсная часть СУБД, откуда вызовы функций обработки данных направляются на сервер приложений. За выполнением низкоуровневых операций по доступу к данным сервер приложений обращается к SQL-серверу, направляя ему вызовы SQL-процедур и получая от него наборы данных. Таким образом, сервер приложений управляет формированием транзакций, которые выполняет SQL-сервер. Поэтому прикладной компонент СУБД, расположенный на сервере приложений, называют монитором транзакций. AS-модель, сохраняя достоинства DBS-модели, позволяет более оптимально построить вычислительную схему информационной системы, однако при этом увеличивается трафик сети.

RDA- и DBS-модели называют двухзвенными (двухуровневыми), AS-модель - трехзвенной (трехуровневой).

На практике используются смешанные модели, когда простые прикладные функции и обеспечение ограничений целостности данных поддерживаются процедурами, хранимыми на сервере, а более сложные функции – бизнес-правила – реализуются программами, расположенными на клиентских установках или на сервере приложений.

Мониторы транзакций.

Под транзакцией понимается неделимая с точки зрения воздействия на БД последовательность операций манипулирования данными (чтения, удаления, вставки, модификации) такая, что, либо результаты всех операций, входящих в транзакцию, отображаются в БД, либо воздействие всех этих операций полностью отсутствует.

Механизм обработки транзакций играет важную роль в обеспечении ограничений целостности БД. Ограничения целостности непосредственно проверяются по завершению очередной транзакции. Если условия ограничений целостности данных не выполняются, то происходит «откат» транзакции, в противном случае транзакция фиксируется.

Кроме этого, механизм обработки транзакций обеспечивает практическую реализацию одного из основополагающих принципов распределенных информационных систем – принципа изолированности пользователей. Единичные действия пользователей с базой данных ассоциированы с транзакциями. В том случае, когда от разных пользователей поступают транзакции, время выполнения которых перекрывается, монитор транзакций реализует технологию взаимного выполнения и изоляции транзакций с целью избежать нарушения согласованного состояния данных и таких издержек совместной обработки, как потерянные изменения, «грязные данные», неповторяющиеся чтения.

Потерянные изменения могут возникать, когда две транзакции одновременно изменяют один и тот же объект БД. Если в некоторый момент времени происходит откат одной из транзакций, то отменяются все изменения, выполненные не только этой транзакцией, но и другой. В результате чего другая не завершившаяся транзакция при повторном чтении объекта не находит своих ранее выполненных изменений. Для преодоления подобных ситуаций накладывается запрет на изменение данных любой другой транзакцией до момента завершения первой транзакции. Такой механизм называется блокировкой объекта.

«Грязные» данные возникают, когда одна транзакция изменяет какой-либо объект данных, а другая транзакция в это же время читает данные из этого объекта. Так как первая транзакция еще не завершена, то согласованность данных еще не проверена. Поэтому вторая транзакция может «видеть» несогласованные («грязные») данные. Способом предотвращения таких ситуаций является запрет на чтение объекта любой другой транзакцией, пока не завершена транзакция, изменяющая данный объект.

В случае, когда одна транзакция читает какой либо объект БД, а другая транзакция в это же время его изменяет и успешно фиксируется, возникают неповторяющиеся чтения, то есть при повторном чтении объекта незавершенной транзакцией она «видит» его в другом состоянии (чтение не повторяется). По этой причине устанавливается запрет на изменение объекта любой другой транзакцией, пока не завершена первая транзакция на чтение.

Механизм изоляции транзакций и преодоления ситуаций несогласованной обработки данных основывается на технике сериализации транзакций.

Сериализацией транзакций называется их выполнение по некоторому сериальному плану.

Сериальный план выполнения совокупности транзакций – это такой способ их выполнения, когда результат совместного выполнения транзакций эквивалентен результату некоторого последовательного их выполнения.

Методы сериализации транзакций:

- синхронизационные захваты (блокировки) объектов БД;

- временные метки объектов БД.

Выделяют два основных режима синхронизационных захватов – совместный (захват по чтению) и монопольный (захват по записи) режимы. При совместном режиме осуществляется разделяемый захват, требующий только операций чтения. При монопольном режиме осуществляется неразделяемый захват, требующий операций обновления данных. Наиболее распространенным вариантом реализации синхронизационных захватов является двухфазный протокол блокировок 2PL, в соответствии с которым выполнение транзакции происходит в два этапа. На первом этапе перед выполнением любой операции транзакция запрашивает и накапливает захваты необходимых объектов в соответствующем режиме. После получения и накопления необходимых захватов выполняется вторая фаза – фиксация изменений или откат по соображениям целостности данных, а также последующее освобождение захватов. При построении сериальных планов допускается совмещение только захватов по чтению. Более эффективные планы сериализации транзакций позволяет строить применение «гранулирования» синхронизационных блокировок. В этом случае «гранулируются» объекты захвата (файлы, таблицы, страницы файла, записи), что позволяет расширить номенклатуру синхронизационных режимов захватов (напр., совместный режим захвата файла с возможностью монопольного захвата отдельных его объектов – таблиц, страниц, записей). Недостаток синхронизационных захватов - возможность возникновения тупиков. Распознавание (автоматическое обнаружение) тупиков основывается на построении и анализе графа ожидания транзакций, состоящего из вершин-транзакций и вершин-объектов захвата. Требуемым захватам соответствуют дуги, исходящие из вершин-транзакций к вершинам-объектам; противоположное направление дуг соответствует полученным захватам. Циклы (петли) на графе соответствуют тупиковым ситуациям. Для обнаружения циклов применяется алгоритм редукции графа, который требует постоянного обновления графа ожидания транзакций, что снижает эффективность обработки данных. Для разрешения (разрушения) тупиков используются различные алгоритмы разрушения тупиков. Такие алгоритмы основываются на выборе транзакции-жертвы, которая временно откатывается для предоставления возможности завершения операций другим транзакциям. В качестве такой транзакции выбирается транзакция с наименьшим приоритетом, либо та транзакция, которая требует меньше всего затрат на выполнение.

Другой, более простой, метод сериализации транзакций – метод временных меток, в соответствии с которым каждой транзакции приписывается временная метка, соответствующая моменту начала выполнения транзакции. При выполнении операции над объектом транзакция «помечает» его своей меткой и типом операции (чтение или изменение). Если при этом другой транзакции требуется операция над уже помеченным объектом, то выполняется ряд действий по разрешению возникшей ситуации. Применение метода временных меток вызывает более частые откаты назад транзакций, чем при синхронизационных блокировках. Однако достоинством метода временных меток является отсутствие тупиков, а, следовательно, и отсутствие накладных расходов на их распознавание и разрушение.

Технологии тиражирования (реплицирования) данных.

Основная идея тиражирования: пользователи работают автономно с одинаковыми (общими) данными, растиражированными по локальным базам данных, что обеспечивает в силу отсутствия необходимости передачи  растиражированных данных максимальную производительность используемой вычислительной системы.

Реплика – тиражируемая копия данных, предназначенных для общего пользования.

При реализации технологии тиражирования данных возникает проблема обеспечения согласованного состояния данных, т.е. согласованного состояния во всех репликах количества и значений общих данных, а также структуры данных.

Решение проблемы обеспечения согласованного состояния количества и значений общих данных основывается на реализации одного из двух принципов:

- принципа непрерывного размножения обновлений (любое обновление данных в любой реплике должно быть немедленно размножено). Данный принцип реализуется при построении систем реального времени. Реализация этого принципа заключается в том, что любая транзакция считается успешно завершенной, если она успешно завершена во всех репликах. На практике реализации данного принципа препятствует возникновение тупиков. Для обнаружения и распознавания тупиков в реплицированных системах применяются те же алгоритмы, что и в мониторах транзакций централизованных систем типа «клиент-сервер».

- принципа отложенных обновлений (обновления реплик могут откладываться до специальной команды или ситуации). Накопленные в реплике изменения данных специальной командой пользователя направляются для обновления всех остальных реплик системы. Такая операция называется синхронизацией реплик. В данном случае существенно снижается возможность конфликтов и тупиков. Для реализации процесса синхронизации реплик в системном каталоге БД создаются специальные таблицы текущих изменений и организуется система глобальной идентификации (именования) всех объектов распределенной системы, включая раздельное поименование одинаковых объектов в разных репликах (вплоть до записей таблиц). Такой подход несколько увеличивает объем БД, но позволяет значительно сократить транспортные расходы на синхронизацию реплик.

Решение проблемы обеспечения согласованности структуры данных основывается на технике главной реплики, суть которой заключается в следующем. Одна из реплик БД системы объявляется главной, причем изменять структуру данных можно только в этой главной реплике. Изменения в структуре данных в главной реплике тиражируются по принципу отложенных обновлений, т.е. с помощью синхронизации реплик. Выход из строя главной реплики не влечет за собой гибель всей распределенной информационной системы, так как остальные реплики продолжают функционировать автономно, что позволяет администратору системы преобразовать любую реплику в главную и тем самым восстановить работоспособность всей системы.

Наряду с техникой главной реплики существует возможность создания частичных реплик. Частичной репликой называется база данных, содержащая ограниченное подмножество записей главной (полной) реплики. Распространенным способом создания частичных реплик является использование фильтров, устанавливаемых для таблиц главной реплики. Такой подход позволяет решать некоторые проблемы по разграничению доступа к данным, повысить производительность обработки данных и снизить затраты на синхронизацию реплик за счет ограничения количества передаваемых по сети изменений данных.

Существует также возможность включения в реплики кроме тиражируемых и нетиражируемые объекты БД, что позволяет более гибко настраивать схему БД и другие объекты (запросы, формы, отчеты) на специфику предметной области, особенности ввода данных и решаемые информационные задачи по конкретному элементу распределенной системы.

Технологии тиражирования данных в тех случаях, когда не требуется обеспечивать большие потоки и интенсивность обновляемых в информационной сети данных, являются более экономичным решением проблемы создания распределенных информационных систем с элементами централизации по сравнению с использованием дорогостоящих «клиент-серверных» систем.

На практике для совместной коллективной обработки данных применяются смешанные технологии, включающие элементы клиент-серверных решений, тиражирования и элементы объектного связывания данных. При этом усложняется процесс проектирования распределенной информационной системы: добавляется этап транспортно-технологического проектирования информационных потоков, разграничения доступа и т.д.