Principles of Distributed Database

Systems

ausgearbeitet von

Rainer Steinlesberger 0026446

EinleitungDDBS = Netzwerk von Computern (Sites) + Datenbank

DDBS = Verteilung + Integration

+

=

Netzwerk Datenbank

DDBS

Übersicht1. Einleitung2. Was ist ein DDBS?3. Überblick über relationale DBMS4. Computer Netzwerke5. Architektur von DBMS6. Design einer verteilten

Datenbank

Geschichtlicher RückblickEnde der 60er Anfang der 70er ging man zunehmend dazu über Datenbanksysteme zu benutzen, um

•die Datenunabhängigkeit der Anwendungsprogramme zu erhöhen,•transaktionsorientierte Verarbeitung zu ermöglichen,•Mehrbenutzerbetrieb zu realisieren,•sowie die Recovery-Funktionen zu verbessern.

Entstehen von Rechenzentren, wodurch die Betriebsorganisation zentralisiert wurde!

Die Datenmenge wuchsen immer weiter an zusammengehörende Datenbestände wurden auf verschiedene Datenbanken verteilt.

Dadurch entstanden Probleme mit der Konsistenthaltung der Daten.

In den 80iger und 90iger Jahren konnten durch Onlineanwendungen bislang getrennteAnwendungen und Datenbestände zusammengeführt werden.

Desshalb

wurden integrierte verteilte Informationssysteme realisiert.

Definition„A distributed database is a collection of multiple, logically interrelated databases distributed over a computer network. A distributed database management system is the software that permits the management of the DDBS and makes the distribution transparent to the users.“

Zentrale Datenbankin einem Netzwerk

CommunicationNetwork

Boston

ParisSan

Francisco

Edmonton

Verteilte Datenbankstruktur

CommunicationNetwork

Boston

ParisSan

Francisco

Edmonton

•Boston Angestellte

•Paris Angestellte

•Boston Projekte

•Paris Angestellte

•Paris Projekte

•Boston Angestellte

•Boston Projekte

•Edmonton Angestellte

•Paris Projekte

•Edmont Projekte

•San Francisco Angestellte

•San Francisco Projekte

Transparentes Management

• Datenunabhängigkeit• Netzwerk Transparenz• Replizierungs- bzw. Kopiertransparenz• Fragmentierungstransparenz

Verbesserte Leistung• Ein DBMS teilt die Datenbank und erlaubt es den Daten

somit sehr sehr nahe ihrem Ort, wo sie gebraucht werden, gespeichert zu werden.dies hat 2 Vorteile:

1. Seit jeder Knoten einen Teil der Daten bewältigt, ist der Kampf um Ressourcen wie CPU nicht mehr so wichtig wie in zentralisierten Datenbanken

2. Lokalisierung vermindert die Verzögerung bei entfernten Aufrufen

Probleme• Verteiltes Datenbank-Design• Verteilte Suchprozesse• Verteiltes Verzeichnis-Management• Verteilte Konkurrenzkontrolle• Verteiltes Deadlock Management• Betriebssystem-Unterstützung• Heterogene Datenbanken

3. Relationale DBMS

Relationen• Def.: in Beziehung stehend....• Relationen sind 2dimensonale Tabellen von

Werten

1. NormalformO------------------------------------------------------------------------------------------------O| Vorlesungen | Verantwortliche | Hörer | Bewert. |

O------------------------------------------------------------------------------------------------O| Vorl.Nr. | Vorl.Name | Hörs. | Vorn. | Nachn. | Nr. | Vorn. | Nachn. | Matr.Nr. |Note

|O------------------------------------------------------------------------------------------------O|

|| 3721 | Informatik | HS1 | 130 | Alan | Kurow | 102 | Fritz | Maier | 8610826 | 2 || 3721 | Informatik | HS1 | 130 | Alan | Kurow | 102 | Fritz | Müller | 8510721 | 5 || 3721 | Informatik | HS1 | 130 | Franz | Girke | 108 | Fritz | Maier | 8610826 | 3 || 3721 | Informatik | HS1 | 130 | Franz | Girke | 108 | Fritz | Müller | 8510721 | 4 || 3721 | Informatik | HS1 | 130 | Franz | Girke | 108 | Hans | Schuh | 8610933 | 1

O----------------------------------------------------------------------------------------------------O| Vorlesungen | Verantwortliche | Hörer | Bewert.

|O----------------------------------------------------------------------------------------------------O|

Vorl.Nr. | Vorl.Name | HS | HS-Gr. | Vorn. | Nachn. | Nr. | Vorn. | Nachn. | Matr.-Nr. | Note

|O----------------------------------------------------------------------------------------------------O|

3721 | Informatik | HS1 | 130 | Alan | Kurow | 102 | Fritz | Maier | 8610826 | 2 3721 | Informatik | HS1 | 130 | Alan | Kurow | 102 | Fritz | Müller | 8510721 | 5 3721 | Informatik | HS1 | 130 | Franz | Girke | 108 | Fritz | Maier | 8610826 | 3 3721 | Informatik | HS1 | 130 | Franz | Girke | 108 | Fritz | Müller | 8510721 | 4 3721 | Informatik | HS1 | 130 | Franz | Girke | 108 | Hans | Schuh | 8610933 | 1

2. NormalformDie 2. Normalform vermeidet partielle funktionale Abhängigkeiten (diese

bewirken Redundanzen). Eine partielle funktionale Abhängigkeit besteht, wenn Attribute (die nicht Schlüsselkandidaten sind) funktional schon von einem Teil des Schlüssels abhängen. Die zweite Normalform kann durch Elimination der abhängigen Attribute und Auslagerung in eine eigene Relation erreicht werden.

Der Primärschlüssel besteht aus dem Attributetupel (Vorlesungsnummer, Verantwortlichennummer, Matrikelnummer)

Wir zerlegen nun die Relation in vier Relationen, die dann in 2. Normalform sind.

2. NormalformO-------------------------------------------O| V.-Nr. | Ver.-Nr. | Matr.-Nr. | Bewertung |O-------------------------------------------O||| 3721 | 102 | 8610826 | 2|| 3721 | 102 | 8610721 | 5 || 3721 | 108 | 8610826 | 3 || 3721 | 108 | 8610721 | 4 || 3721 | 108 | 8610933 | 1

O------------------------------------O|

Hörsaal

V.-Nr. | V.-Name | Bez. | Größe |

O------------------------------------O|

3721 | Informatik | HS1 | 130 |

3722 | Informatik | HS4 | 140 |

O-------------------------------O

| Ver.-Nr. | Vorname | Nachname

|O------------------------------O

102 | Alan | Kurow |

108 | Franz | Girke |

O----------------------------------O|

Matr.-Nr. | H.-Vorn. | H.-Nachn. |

O----------------------------------O|

8610826 | Fritz | Maier |

8610721 | Fritz | Müller |

8610933 | Hans | Schuh |

3. Normalform

O-------------------------------------------O|V.-Nr. | V.-Name | Hörsaal-Bezeichnung |O-------------------------------------------O|3721 | Informatik | HS13722 | Informatik | HS4 || : | : | : |

O-------------------------------------O|Hörsaal-Bezeichnung | Hörsaal-Größe |O-------------------------------------O|HS1 | 130 HS4 | 140 || : | : |

Eine Relation ist in dritter Normalform, wenn sie in 2. Normalform ist und es kein Attribut, welches nicht Teil des Schlüssels ist, gibt, welches transitiv vom Schlüssel abhängt.

O------------------------------------O|

Hörsaal

V.-Nr. | V.-Name | Bez. | Größe |

O------------------------------------O|

3721 | Informatik | HS1 | 130 |

3722 | Informatik | HS4 | 140 |

Relationale Daten Sprache

• Relationale AlgebraVerknüpft konstruktiv die vorhandenen Relationen durch

Operatoren wie ∩,∪,...• Relationaler Kalkulus

Beschreibt Eigenschaften des gewünschten Ergebnisses mit Hilfe einer Formel der Prädikatenlogik 1. Stufe unter Verwendung von ∀,∃,∨,∧,¬,...

Relationale Algebra• Selection• Projection• Union• Set Difference• Cartesian Product• Intersection• ..........

Einige Beispiele...

• Selection Semester>10(Studenten)

• ∏Name(Studenten) ...... Projektion

• ∏Name (Studenten) ∪ ∏Name(Professoren) (2 Relationen mit gleichem Schema)

• ∏Name (Studenten) - ∏Name(Geprüft) (2 Relationen mit gleichem Schema)

Relationaler Kalkulus• Tupelkalkül

{t | F(t)} {p|p ∈ Professoren ٨ p.Alter =

‚35’}

• Bereichskalkül{[v1, v2,..., vn] | P(v1, v2,..., vn)}

4. Netzwerk

4. Netzwerk

Topologien im Überblick...

OSI-Referenzmodell

5. Architektur von DBMS

5. Architektur von DBMS

Die Idee hinter dem ANSI/SPARC Modell ist die Datenunabhängigkeit der Daten gegenüber Veränderungen der Speicherstrukturen.

Das DBMS ist eine Schnittstelle zu den Daten.

Architekturmodell

Architektur von DBMS

•Client - Server Architektur

•Verteilte Datenbank Architektur

•Multi Datenbank Architektur

Client/Server Architektur

Hier gibt es typischerweise einen zentralen Datenbank-Server und eine größere Anzahl vernetzter Arbeitsplatzrechner, die keine relevanten Daten speichern. Der Benutzer am Arbeitsplatzrechner sieht die volle Funktionalität des DBMS. Das System verhält sich wie ein zentrales Datenbanksystem, die Kommunikation ist für den Benutzer transparent

Verteiltes Datenbanksystem

• Hier gibt es mehrere Datenbankserver, wobei bestimmte Daten auf nur einem Rechner oder auch auf mehreren (replizit) gespeichert sein können.

• Eine virtuelle Datenbank, deren Komponenten physisch in einer Anzahl unterschiedlicher, real existierender DBMS abgebildet werden.

• Transaktionen können in diesem Fall über mehrere DBMS laufen.• Sammlung von Daten, die

– Aufgrund gemeinsamer, verknüpfender Eigenschaften dem gleichen System angehören

– Auf versch. Rechnern im Netzwerk verteilt sind– Wobei jeder Rechner seine eigene Datenbank besitzt– Autonom lokal Aufgaben abwickeln kann

Verteiltes Datenbanksystem

- gleichzeitige Benutzung der Rechenleistung mehrerer Rechner

- Engpaß in zentralen Datenbanksystemen bei Zugriff auf die Daten wird vermieden, da die Daten verteilt sind (ggf. repliziert)

- Daten werden von einem Datenbanksystem verwaltet- Verteilungstransparenz- Grundlage: 4-Ebenen-Schema-Architektur

Verteiltes Datenbanksystem

4 - Ebenen - Schema - Architektur

externes Schema 1 externes Schema N

konzeptionelles Schema

lokales konzept. Schema

lokales konzept. Schema

lokales konzept. Schema

lokales internes Schema

lokales internes Schema

lokales internes Schema

. . .

. . .

. . .

Multidatenbanksystem- Ein MDBS ist ein Verbund von mehreren

Datenbanksystemen.- Das Konzeptionelle Schema repräsentiert nur den

Teil von Daten, den die lokalen DBMS teilen wollen.

- Auf jedes DBS können lokale Anwendungen zugreifen.

- Jedes DBS kann Daten enthalten, welche keine Beziehung zu Daten anderer DBS haben.

Multidatenbanksystem

Modell mit globalem konzeptionellem Schema

LES LES LES LES LES LES

GES GES GES

GKS

LKS 1 LKS n

LIS 1 LIS n

...

...

Multidatenbanksystem

Modell ohne globales konzeptionelles Schema

ES 1 ES 2 ES 3

LKS 1 LKS 3

LIS 1 LIS 3

LKS 2

LIS 2

MDB-Schicht

Lokale System -Schicht

6. Design

6. DesignEntwurfsmethodik• top-down: von den Anforderungen zum Systementwurf;

geeignet für Neuentwicklungen.• bottom-up: Integration bestehender Datenbanken zu einer

verteilten; typisch bei heterogenen Datenbanken.Datenverteilung• Fragmentierung der Daten zur Bildung logischer Einheiten,• Verteilung der Fragmente auf den Sites: Allokation aller Fragmente

an jeder Site (volle Replikation) oder jedes Fragment an mehr als einer Site (partielle Replikation) oder jedes Fragment an genau einer Site (Partitionierung).

Die Trennung von Fragmentierung und Allokation dient der Vereinfachung des Entwurf.

• Globales Schema: Definition der Relationen eines vDBS ohne Berücksichtigung der Verteilung,

• Fragmentierungsschema: Definition der Abbildung zwischen globalen Relationen und Fragmenten,

• Allokationsschema: Definition der Abbildung zwischen Fragmenten und Sites.

Der Zugriff zu den Daten soll hinsichtlich Fragmentierung, Lokation, und Replikation transparent sein.

R1

R2

R3

R4

R1,1

R2,1

R1,2

R2,2

R3,3R4,3

Globale Relation

Fragmente

Allokation an den Sites

S1

S2

S3

Fragmente und ihre Allokation

R

Beispiel: JNO JNAME BUDGET LOC

J1 Instrumentation 150000 Montreal

J2 DatabaseDevelop. 135000 New York

J3 CAD/CAM 250000 New York

J4 Maintenance 310000 Paris

JNO JNAME BUDGET LOC

J1 Instrumentation 150000 Montreal

J2 DatabaseDevelop. 135000 New York

JNO JNAME BUDGET LOC

J3 CAD/CAM 250000 New York

J4 Maintenance 310000 Paris

horizontale Fragmentierung

Beispiel: JNO JNAME BUDGET LOCJ1 Instrumentation 150000 Montreal

J2 DatabaseDevelop. 135000 New York

J3 CAD/CAM 250000 New York

J4 Maintenance 310000 Paris

JNO JNAME BUDGET LOCJ1 Instrumentation 150000 MontrealJ3 CAD/CAM 250000 New York

JNO JNAME BUDGET LOC

J2 DatabaseDevelop. 135000 New York

J4 Maintenance 310000 Paris

JNO ImportanceJ1 low

J2 high

J3 low

J4 high abgeleitete horizontale Fragmentierung

Beispiel: JNO JNAME BUDGET LOC

J1 Instrumentation 150000 Montreal

J2 DatabaseDevelop. 135000 New York

J3 CAD/CAM 250000 New York

J4 Maintenance 310000 Paris

vertikale Fragmentierung

JNO BUDGET

J1 150000

J2 135000

J3 250000

J4 310000JNO JNAME LOC

J1 Instrumentation Montreal

J2 DatabaseDevelop. New York

J3 CAD/CAM New York

J4 Maintenance Paris

Sei F = {F1, ..., Fn} eine Menge von Fragmenten, S = {S1, ..., Sm} ein Netzwerk gegeben durch die Menge seiner Sites, und Q = {Q1, ..., Qp} die Menge der relevanten Anwendungen.

Allokationsproblem: Was ist die „optimale“ Zuordnung von F zu S bzgl. Q?

Optimaltätskriterium:•Minimalität der Kosten gegeben durch die Speicherkosten der Fi an den Sites Sj, der Anfragekosten für Fi an Site Sj, der Änderungskosten der Fi an allen Sites an den sie gespeichert sind, und die Kosten der Datenkommunikation.•Performanz im Sinne von Antwortzeiten oder Systemdurchsatz.

Allokation