Аспекты сетевого взаимодействия

Традиционной и наиболее популярной является модель доступа к удаленным данным (RDA-модель). Рассмотрим ее более подробно. Имеется компьютер-клиент, на котором запускаются программы переднего плана (в которых реализованы как функции интерфейса с пользователем, так и прикладные функции). Этот компьютер, называемый локальным узлом (local node) соединен в сети с компьютером, на котором выполняется сервер БД, и находится сама БД (обычно его называют удаленным узлом – remote node). Все проблемы, возникающие при взаимодействии клиента и сервера, должен решать специальный компонент СУБД, называемый коммуникационным сервером (Communication Server, DBMS Server Net). Для поддержки взаимодействия клиента и сервера он должен функционировать на удаленном узле; в то время на локальном узле должна выполняться программа связи, взаимодействующая с коммуникационным сервером (DBMS Client Net).

В основу взаимодействия клиентов и сервера БД положены 12 принципов, сформулированных К. Дейтом и определяющих функциональные возможности современных СУБД и требования к ним при сетевом взаимодействии и распределенной обработки данных:

1 Локальная автономия (local autonomy). Это качество означает, что управление данными на каждом из узлов распределенной системы выполняется локально. БД, расположенная на одном из узлов, является неотъемлемым компонентом распределенной системы. Будучи фрагментом общего пространства данных, она, в то же время функционирует как полноценная локальная база данных; управление ею выполняется локально и независимо от других узлов системы

1. Независимость узлов (no reliance on central site). В идеальной системе все узлы равноправны и независимы, а расположенные на них базы являются равноправными поставщиками данных в общее пространство данных. БД на каждом из узлов самодостаточна - она включает полный собственный словарь данных и полностью защищена от несанкционированного доступа

3. Непрерывные операции (continuous operation). Это качество можно трактовать как возможность непрерывного доступа к данным (известное «24 часа в сутки, семь дней в неделю») в рамках DDB вне зависимости от их расположения и вне зависимости от операций, выполняемых на локальных узлах. Это качество можно выразить лозунгом «данные доступны всегда, а операции над ними выполняются непрерывно».

4 Прозрачность расположения (location independence). Это свойство означает полную прозрачность расположения данных. Пользователь, обращающийся к DDB, ничего не должен знать о реальном, физическом размещении данных в узлах информационной системы. Все операции над данными выполняются без учета их местонахождения. Транспортировка запросов к базам данных осуществляется встроенными системными средствами.

5. Прозрачная фрагментация (fragmentation independence). Это свойство трактуется как возможность распределенного (то есть на различных узлах) размещения данных, логически представляющих собой единое целое. Существует фрагментация двух типов: горизонтальная и вертикальная. Первая означает хранение строк одной таблицы на различных узлах (фактически, хранение строк одной логической таблицы в нескольких идентичных физических таблицах на различных узлах). Вторая означает распределение столбцов логической таблицы по нескольким узлам.

 

6. Прозрачное тиражирование (replication independence). Тиражирование данных - это асинхронный (в общем случае) процесс переноса изменений объектов исходной базы данных в базы, расположенные на других узлах распределенной системы. В данном контексте прозрачность тиражирования означает возможность переноса изменений между базами данных средствами, невидимыми пользователю распределенной системы. Данное свойство означает, что тиражирование возможно и достигается внутрисистемными средствами.

7. Обработка распределенных запросов (distributed query processing). Это свойство DDB трактуется как возможность выполнения операций выборки над распределенной базой данных, сформулированных в рамках обычного запроса на языке SQL. То есть операцию выборки из DDB можно сформулировать с помощью тех же языковых средств, что и операцию над локальной базой данных.

Пример 7.2 SELECT customer.name, customer.address, order.number, order.date FROM customer@london, order@paris WHERE customer.cust_number = order.cust_number

8. Обработка распределенных транзакций (distributed transaction processing). Это качество DDB можно трактовать как возможность выполнения операций обновления распределенной БД (INSERT, UPDATE, DELETE), не разрушающих целостность и согласованность данных. Эта цель достигается применением двухфазового или двухфазного протокола фиксации транзакций (two-phase commit protocol), ставшего фактическим стандартом обработки распределенных транзакций. Его применение гарантирует согласованное изменение данных на нескольких узлах в рамках распределенной (или, как ее еще называют, глобальной) транзакции.

9. Независимость от оборудования ( hardware independence). Это свойство означает, что в качестве узлов распределенной системы могут выступать компьютеры любых моделей и производителей - от мэйнфреймов до ПК.

10. Независимость от операционных систем (operationg system independence). Это качество вытекает из предыдущего и означает многообразие операционных систем, управляющих узлами распределенной системы.

11. Прозрачность сети (network independence). Доступ к любым БД может осуществляться по сети. Спектр поддерживаемых конкретной СУБД сетевых протоколов не должен быть ограничением системы с распределенными базами данных. Данное качество формулируется максимально широко - в распределенной системе возможны любые сетевые протоколы.

12. Независимость от СУБД (DBMS independence). Это качество означает, что в распределенной системе могут мирно сосуществовать СУБД различных производителей, и возможны операции поиска и обновления в базах данных различных моделей и форматов.
Исходя из определения Дэйта, можно рассматривать DDB как слабосвязанную сетевую структуру, узлы которой представляют собой локальные базы данных. Локальные базы данных автономны, независимы и самоопределены; доступ к ним обеспечиваются СУБД, в общем случае от различных поставщиков. Связи между узлами - это потоки тиражируемых данных. Топология DDB варьируется в широком диапазоне - возможны варианты иерархии, структур типа "звезда" и т.д. В целом топология DDB определяется географией информационной системы и направленностью потоков тиражирования данных.
Посмотрим, во что выливается некоторые наиболее важные свойства DDB, если рассматривать их практически

В DDB поддержка целостности и согласованности данных, ввиду свойств 1-2, представляет собой сложную проблему. Ее решение - синхронное и согласованное изменение данных в нескольких локальных базах данных, составляющих DDB - достигается применением протокола двухфазной фиксации транзакций. Если DDB однородна - то есть на всех узлах данные хранятся в формате одной базы и на всех узлах функционирует одна и та же СУБД, то используется механизм двухфазной фиксации транзакций данной СУБД. В случае же неоднородности DDB для обеспечения согласованных изменений в нескольких базах данных используют менеджеры распределенных транзакций. Если в DDB предусмотрено тиражирование данных, то это сразу предъявляет дополнительные жесткие требования к дисциплине поддержки целостности данных на узлах, куда направлены потоки тиражируемых данных. Проблема в том, что изменения в данных инициируются как локально - на данном узле - так и извне, посредством тиражирования. Неизбежно возникают конфликты по изменениям, которые необходимо отслеживать и разрешать.

Прозрачность расположения в реальных продуктах должна поддерживаться соответствующими механизмами. Разработчики СУБД придерживаются различных подходов.

Пример 7.3 Рассмотрим пример из Oracle. Допустим, что DDB включает локальную базу данных, которая размещена на узле в Лондоне. Создадим вначале ссылку (database link), связав ее с символическим именем (london_unix), транслируемым в IP-адрес узла в Лондоне.

CREATE PUBLIC DATABASE LINK london.com CONNECT TO london_unix USING oracle_user_ID;

Теперь мы можем явно обращаться к базе данных на этом узле, запрашивая, например, в операторе SELECT таблицу, хранящуюся в этой базе:

SELECT customer.cust_name, order.order_date FROM customer@london.com, order WHERE customer.cust_number = order.cust_number;

Очевидно, однако, что мы написали запрос, зависящий от расположения базы данных, поскольку явно использовали в нем ссылку. Определим customer и customer@london.com как синонимы:

CREATE SYNONYM customer FOR customer@london.com;

и в результате можем написать полностью независимый от расположения базы данных запрос:

SELECT customer.cust_name, order.order_date FROM customer, order WHERE customer.cust_number = order.cust_number

Задача решается с помощью оператора SQL CREATE SYNONYM, который позволяет создавать новые имена для существующих таблиц. При этом оказывается возможным обращаться к другим базам данных и к другим компьютерам..
Во многих СУБД задача управления именами объектов DDB решается путем использования глобального словаря данных, хранящего информацию о DDB: расположение данных, возможности других СУБД (если используются шлюзы), сведения о скорости передачи по сети с различной топологией и т.д.

Обработка распределенных запросов (Distributed Query -DQ) - задача, более сложная, нежели обработка локальных и она требует интеллектуального решения с помощью особого компонента - оптимизатора DQ.

Пример 7.4 Обратимся к базе данных, распределенной по двум узлам сети. Таблица Деталь хранится на одном узле, таблица Поставщик - на другом. Размер первой таблицы - 10000 строк, размер второй - 100 строк (множество деталей поставляется небольшим числом поставщиков). Допустим, что выполняется запрос:

SELECT Деталь _имя, Поставщик _имя, Поставщик _адрес

FROM Деталь, Поставщик

WHERE Деталь. Поставщик _номер = Поставщик. Поставщик _номер;

Результирующая таблица представляет собой соединение таблиц Деталь и Поставщик, выполненное по столбцу Деталь.Поставщик.номер (внешний ключ) и Поставщик. Поставщик.номер (первичный ключ).
Данный запрос - распределенный, так как затрагивает таблицы, принадлежащие различным локальным базам данных. Для его нормального выполнения необходимо иметь обе исходные таблицы на одном узле. Следовательно, одна из таблиц должна быть передана по сети. Очевидно, что это должна быть таблица меньшего размера, то есть таблица Поставщик. Следовательно, оптимизатор DQ запросов должен учитывать:

· размер таблиц;

· статистику распределения данных по узлам;

· объем данных, передаваемых между узлами;

· скорость коммуникационных линий;

· структуры хранения данных;

· соотношение производительности процессоров на разных узлах и т.д.

От интеллекта оптимизатора DQ впрямую зависит скорость выполнения распределенных запросов.

Важным качеством для DDB является межоперабельность, означающая две вещи. Во-первых, - это качество, позволяющее обмениваться данными между БД различных поставщиков. Как, например, тиражировать данные из базы данных Informix в Oracle и наоборот? Известно, что штатные средства тиражирования в составе данной конкретной СУБД позволяют переносить данные в однородную базу. Так, средствами CA-Ingres/Replicator можно тиражировать данные только из Ingres в Ingres. Как быть в неоднородной DDB? Ответом стало появление продуктов, выполняющих тиражирование между разнородными базами данных.
Во-вторых, это возможность некоторого унифицированного доступа к данным в DDB из приложения. Возможны как универсальные решения (стандарт ODBC), так и специализированные подходы. Очевидный недостаток ODBC - недоступность для приложения многих полезных механизмов каждой конкретной СУБД, поскольку они могут быть использованы в большинстве случаев только через расширения SQL в диалекте языка данной СУБД, но в стандарте ODBC эти расширения не поддерживаются.
Специальные подходы - это, например, использование шлюзов, позволяющее приложениям оперировать над базами данных в «чужом» формате так, как будто это собственные базы данных. Вообще, цель шлюза - организация доступа к унаследованным (legacy) БД и служит для решения задач согласования форматов баз данных при переходе к какой-либо одной СУБД. Так, если компания долгое время работала на СУБД IMS и затем решила перейти на Oracle, то ей очевидно потребуется шлюз в IMS. Следовательно, шлюзы можно рассматривать как средство, облегчающее миграцию, но не как универсальное средство межоперабельности в распределенной системе.