Κατανεμημένες Βάσεις Δεδομένων

Έννοιες των κατανεμημένων βάσεων δεδομένων

Οι κατανεμημένες βάσεις δεδοµένων συνδυάζουν τα πλεονεκτήµατα των κατανεµηµένων συστηµάτων µε την περιοχή της διαχείρισης βάσεων δεδοµένων. Ένα κατανεμημένο υπολογιστικό σύστημα αποτελείται από ένα πλήθος υπολογιστικών στοιχείων, όχι απαραίτητα οµογενών, που διασυνδέονται µε ένα υπολογιστικό δίκτυο και που συνεργάζονται στην εκτέλεση µιας εργασίας. Σαν γενικό στόχο, τα κατανεµηµένα συστήµατα διασπούν ένα µεγάλο, δύσκολα διαχειριζόµενο πρόβλημα σε µικρότερα τµήµατα και το λύνουν αποδοτικά µε ένα συντονισμένο τρόπο. Η οικονοµική βιωσιµότητα αυτής της προσέγγισης απορρέει από δύο λόγους: (1) διατίθεται περισσότερη υπολογιστική ισχύς για τη λύση µιας πολύπλοκης εργασίας, και (2) η διαχείριση για κάθε αυτόνομο υπολογιστικό στοιχείο µπορεί να γίνει ανεξάρτητα και καθένα να αναπτύξει τις δικές του εφαρμογές.
Μπορούμε να ορίσουµε µια κατανεμημένη βάση δεδοµένων (ΚΒΔ) σαν συλλογή πολλαπλών λογικά συσχετισµένων βάσεων δεδοµένων διαµοιρασµένων σε ένα υπολογιστικό δίκτυο, και ένα κατανεµηµένο σύστηµα διαχείρισης βάσεων δεδοµένων (ΚΣΔΒΔ) σαν σύστηµα λογισμικού που διαχειρίζεται µια κατανεμημένη βάση δεδοµένων ενώ η κατανομή είναι διαφανής στο χρήστη. Μια συλλογή από αρχεία σε διαφορετικούς κόµβους ενός δικτύου και η διατήρηση των µεταξύ τους συσχετίσεων µέσω υπερσυνδέσµων αποτελεί τη συνηθισµένη οργάνωση στο διαδίκτυο, µε αρχεία Web σελίδων. Στο σενάριο αυτό δεν εφαρµόζονται ακόµη οι συνθηισμένες λειτουργίες διαχείρισης βάσεων δεδοµένων, που συµπεριλαµβάνουν οµοιόµορφη επεξεργασία επερωτήσεων και επεξεργασία δοσοληψιών. Ωστόσο, η τεχνολογία προχωράει στην κατεύθυνση όπου οι βάσεις; δεδοµένων στο World Wide Web (WWW) θα αποτελούν πραγµατικότητα στο εγγύς µέλλον.

Παράλληλη έναντι κατανεμημένης τεχνολογίας

Στρέφοντας την προσοχή µας στις αρχιτεκτονικές συστηµάτων, υπάρχουν δύο βασικοί τύποι αρχιτεκτονικών συστηµάτων πολυεπεξεργαστών που συνηθίζονται:
Αρχιτεκτονική κοινής µνήµης (στενά συνδεδεµένοι): Πολλοί επεξεργαστές µοιράζονται την ίδια δευτερεύουσα (δίσκος) αποθήκευση και µοιράζονται και την ίδια κύρια µνήµη. Αρχιτεκτονική κοινού δίσκου (χαλαρά συνδεδεµένοι): Πολλοί επεξεργαστές µοιράζονται την δευτερεύουσα αποθήκευση (δίσκος) αλλά έχει ο καθένας τη δική του κύρια µνήµη.
Οι αρχιτεκτονικές αυτές επιτρέπουν στους επεξεργαστές να επικοινωνούν χωρίς τον επιπλέον φόρτο της ανταλλαγής μηνυμάτων στο δίκτυο. Τα συστήματα διαχείρισης βάσεων δεδομένων που αναπτύχθηκαν με χρήση των παραπάνω τύπων αοχιτεκτονικών ονομάζονται παράλληλα συστήματα διαχείρισης βάσεων δεδομένων και όχι ΚΣΔΒΔ, αφού χρησιμοποιούν την τεχνολογία παράλληλων επεξεργαστών, Ένας άλλος τύπος αρχιτεκτονικής πολλών επεξεργαστών ονομάζεται αρχιτεκτονική χωρίς οτιδήποτε κοινό (shared nothing). Στην αρχιτεκτονική αυτή, κάθε επεξεργαστής έχει τη δική του κύρια και δευτερεύουσα (δίσκος) μνήμη, δεν υπάρχει κοινή μνήμη, και οι επεξεργαστές επικοινωνούν με ένα υψηλής ταχύτητας δίκτυο διασύνδεσης. Αν αυτή η αρχιτεκτονική προσομοιάζει το υπολογιστικό περιβάλλον των κατανεμημένων βάσεων δεδομένων, υπάρχουν σημαντικές διαφορές στον τρόπο λειτουργίας. Στα συστήματα χωρίς οτιδήποτε κοινό, υπάρχει συμμετρία και ομοιογένεια των κόμβων, κάτι που δεν αληθεύει για το περιβάλλον κατανεμημένων βάσεων δεδομένων όπου συνηθίζεται η ετερογένεια του υλικού και των λειτουργικών συστημάτων σε κάθε κόμβο. Οι διαμοιρασμένες αρχιτεκτονικές θεωρούνται επίσης σαν περιβάλλον για παράλληλες βάσεις δεδομένων.

Επιπλέον λειτουργίες των κατανεμημένων βάσεων δεδομένων

Η κατανομή οδηγεί σε αυξημένη πολυπλοκότητα στο σχεδιασμό και την υλοποίηση του συστήματος. Για να επιτευχθούν τα δυνητικά πλεονεκτήματα που αναφέρθηκαν προηγουμένως, πρέπει το λογισμικό του ΚΣΔΒΔ να έχει τη δυνατότητα να παρέχει τις ακόλουθες πρόσθετες λειτουργίες, σε σχέση με αυτές ενός κεντρικού συστήματος: Καταγραφή των δεδομένων: η δυνατότητα καταγραφής της κατανομής και της ομοιοτυπίας των δεδομένων στον κατάλογο του ΚΣΔΒΔ. Κατανεμημένη επεξεργασία επερωτήσεων: η δυνατότητα προσπέλασης σε απομακρυσμένες εγκαταστάσεις και η διακίνηση επερωτήσεων και δεδομένων μεταξύ διαφορετικών εγκαταστάσεων, μέσω ενός επικοινωνιακού δικτύου. Κατανεμημένη διαχείριση δοσοληψιών: η δυνατότητα διαμόρφωσης στρατηγικών εκτέλεσης για επερωτήσεις και δοσοληψίες που προσπελαύνουν δεδομένα σε περισσότερες από μία εγκαταστάσεις. Διαχείριση δεδομένων ομοιοτυπίας: η δυνατότητα να αποφασίζει ποιο αντίγραφο ενός δεδομένου για το οποίο χρησιμοποιείται ομοιοτυπία θα προσπελασθεί και η δυνατότητα διατήρησης της συνέπειας μεταξύ των αντιγράφων ενός δεδομένου που επαναλαμβάνεται. Ανάκαμψη κατανεμημένων βάσεων δεδομένων: η δυνατότητα ανάκαμψης από αποτυχίες στις επιμέρους εγκαταστάσεις και από νέους τύπους αποτυχιών, όπως η αποτυχία μιας επικοινωνιακής σύνδεσης. Ασφάλεια: Οι κατανεμημένες δοσοληψίες πρέπει να εκτελούνται με την κατάλληλη διαχείριση της ασφάλειας των δεδομένων και τα προνόμια δικαιοδοσίας και προσπέλασης των χρηστών. Διαχείριση κατανεμημένου ευρετηρίου (καταλόγου): Ένα ευρετήριο περιέχει πληροφορίες (μεταδεδομένα) για τα δεδομένα στη βάση δεδομένων. Το ευρετήριο μπορεί να είναι καθολικό για όλη την ΚΒΔ, ή τοπικό για κάθε εγκατάσταση. Η τοποθέτηση και η κατανομή του ευρετηρίου αποτελούν θέμα σχεδιασμού και πολιτικής.
Οι λειτουργίες αυτές αυξάνουν την πολυπλοκότητα ενός ΚΣΔΒΔ σε σχέση με ένα κεντρικό ΣΔΒΔ. Πριν μπορέσουμε να επωφεληθούμε πλήρως από τα πλεονεκτήματα της κατανομής, πρέπει να βρούμε ικανοποιητικές λύσεις σε αυτά τα σχεδιαστικά θέματα και προβλήματα. Ο στόχος να συμπεριληφθεί όλη αυτή η λειτουργικότητα στο ΚΣΔΒΔ είναι δύσκολο να επιτευχθεί και η εύρεση βέλτιστων λύσεων είναι ακόμη μακριά.
Στο επίπεδο του φυσικού υλικού οι ακόλουθοι βασικοί παράγοντες διαχωρίζουν ένα ΚΣΔΒΔ από ένα συγκεντρωτικό σύστημα:
Υπάρχουν πολλοί υπολογιστές που ονομάζονται εγκαταστάσεις ή κόμβοι. Οι κόμβοι αυτοί πρέπει να συνδέονται με κάποιον τύπο επικοινωνιακού δικτύου για τη μεταφορά δεδομένων και εντολών μεταξύ των κόμβων.
Οι κόμβοι μπορεί να βρίσκονται φυσικά κοντά, για παράδειγμα στο ίδιο κτίριο ή ομάδα γειτονικών κτιρίων και να συνδέονται με ένα τοπικό δίκτυο, ή μπορεί να είναι γεωγραφικά κατανεμημένοι σε μεγάλες αποστάσεις και να συνδέονται μέσω δικτύου ευρείας ζώνης. Τυπικά. τα τοπικά δίκτυα χρησιμοποιούν καλώδια ενώ τα δίκτυα ευρείας ζώνης χρησιμοποιούν τηλεφωνικές γραμμές ή δορυφόρους. Είναι επίσης δυνατόν να χρησιμοποιηθεί συνδυασμός των δύο τύπων δικτύων.
Τα δίκτυα μπορεί να έχουν διαφορετικές τοπολογίες, οι οποίες ορίζουν τις διαδρομές άμεσης επικοινωνίας μεταξύ των κόμβων. Ο τύπος και η τοπολογία του δικτύου που χρησιμοποιείται μπορεί να έχει σημαντική επίδραση στην απόδοση και επομένως στις στρατηγικές για κατανεμημένη επεξεργασία επερωτήσεων και στο σχεδιασμό της κατανεμημένης βάσης δεδομένων. Ωστόσο, για θέματα αρχιτεκτονικής υψηλού επιπέδου δεν έχει σημασία ο τύπος του δικτύου που χρησιμοποιείται. Το μόνο που έχει σημασία είναι κάθε κόμβος να επικοινωνεί άμεσα ή έμμεσα με κάθε άλλο κόμβο.
Οι κόμβοι μπορεί να βρίσκονται φυσικά κοντά, για παράδειγμα στο ίδιο κτίριο ή ομάδα γειτονικών κτιρίων και να συνδέονται με ένα τοπικό δίκτυο, ή μπορεί να είναι γεωγραφικά κατανεμημένοι σε μεγάλες αποστάσεις και να συνδέονται μέσω δικτύου ευρείας ζώνης. Τυπικά. τα τοπικά δίκτυα χρησιμοποιούν καλώδια ενώ τα δίκτυα ευρείας ζώνης χρησιμοποιούν τηλεφωνικές γραμμές ή δορυφόρους. Είναι επίσης δυνατόν να χρησιμοποιηθεί συνδυασμός των δύο τύπων δικτύων.
Τα δίκτυα μπορεί να έχουν διαφορετικές τοπολογίες, οι οποίες ορίζουν τις διαδρομές άμεσης επικοινωνίας μεταξύ των κόμβων. Ο τύπος και η τοπολογία του δικτύου που χρησιμοποιείται μπορεί να έχει σημαντική επίδραση στην απόδοση και επομένως στις στρατηγικές για κατανεμημένη επεξεργασία επερωτήσεων και στο σχεδιασμό της κατανεμημένης βάσης δεδομένων. Ωστόσο, για θέματα αρχιτεκτονικής υψηλού επιπέδου δεν έχει σημασία ο τύπος του δικτύου που χρησιμοποιείται. Το μόνο που έχει σημασία είναι κάθε κόμβος να επικοινωνεί άμεσα ή έμμεσα με κάθε άλλο κόμβο.

Τα δεδομένα που αναπαράγονται

Αναπαραχθέντα δεδομένα σημαίνει ότι αντίγραφα από τα ίδια δεδομένα διατηρούνται σε περισσότερες από μία τοποθεσίες. Τα δεδομένα μπορούν να αναπαραχθούν σε πολλαπλές μηχανές ώστε να αποφευχθεί η μετάδοση δεδομένων μεταξύ συστημάτων. Τα αντίγραφα μπορεί να είναι μόνο για ανάγνωση ή για εγγράψιμα. Τα αντίγραφα μόνο ανάγνωσης έχουν υποστεί αλλαγές στο πρωτότυπο πριν διαδοθούν. Τα εγγράψιμα αντίγραφα διαδίδουν τις αλλαγές στο πρωτότυπο είτε με στρατηγική "write through" ειτε "write back".Το write through συνεπάγεται μια σύγχρονη σύνδεση και ενημέρωση σε πραγματικό χρόνο στο πρωτότυπο. Το write back επιτρέπει τη διάδοση αλλαγών όταν είναι πλέον κατάλληλα.

Οριζόντια κατακερματισμένα δεδομένα

Οριζόντια κατακερματισμένα δεδομένα σημαίνει ότι τα δεδομένα είναι κατανεμημένα σε διαφορετικούς τόπους που βασίζονται σε ένα η περισσότερα πρωτεύοντα κλειδιά.

Κάθετα κατακερματισμένα δεδομένα

Κάθετα κατακερματισμένα δεδομένα είναι τα δεδομένα που έχουν διαχωριστεί από στήλες σε πολλαπλά συστήματα.Το πρωτεύον κλειδί αναπαράγεται σε κάθε χώρο.

Αναδιοργάνωση δεδομένων

Αναδιοργάνωση δεδομένων είναι η διαδικασία που ασχολείται με τα δεδομένα που έχουν προκύψει, συνοψίζονται, ή χειραγωγούνται με κάποιο τρόπο.Αυτό το είδος των δεδομένων είναι συνηθισμένα όταν πραγματοποιείται επεξεργασία στήριξης αποφάσεων.Μπορεί να υπάρχουν ορισμένες περιπτώσεις όπου η online επεξεργασία συναλλαγών, καθώς και η λήψη υποστήριξης των συστημάτων διαχείρισης βάσεων δεδομένων είναι διαφορετικά.

Χωριστό σχήμα δεδομένων

Το Χωριστό σχήμα δεδομένων διατηρεί χωριστές βάσεις δεδομένων και προγράμματα εφαρμογής για τα διαφορετικά συστήματα.