Основы сетевых информационных технологий

 

Распределенная база данных- база данных, части которой  размещены на отдельных ЭВМ, входящих в сеть. При этом некоторые данные могут дублироваться.

 

При проектировании РБД  осуществляется разбиение объекта  на несколько частей (фрагментов) и  размещение каждого фрагмента на один или несколько компьютеров. Размещение фрагментов может бытьизбыточным или безызбыточным. При избыточном размещении необходимо определить степень дублирования фрагментов. Выгоды, получаемые от дублирования, пропорциональны соотношению объемов выборки данных и их обновления. Для поддержания целостности базы данных требуется корректировка всех копий. Преимущества дублирования уменьшаются с увеличением стоимости хранения фрагментов и, увеличиваются, так как повышается устойчивость системы против отказов. Эффективность работы пользователей с РБД зависит от обеспеченности их информацией о содержащихся в РБД данных, их структуре и размещении. Эту задачу решает сетевой словарь-справочник данных, находящийся в одной ЭВМ сети или дублирующийся на нескольких ЭВМ. При этом, словарь-справочник может иметь распределенную структуру, т. е. когда его отдельные фрагменты распределены по рабочим станциям сети.

 

К организации баз  данных предъявляются такие общие  требования как, обеспечение высокой  скоростью обработки запросов, секретности, независимости (физической и логической) данных, безопасности и т. д. Кроме  перечисленных требований, к РБД выдвигаются требования "прозрачности": распределенной структуры БД; совместного доступа к данным; распределенной обработки.

 

Распределенная структура  БД предполагает независимость конечных пользователей и программ от способа  размещения информации на рабочих станциях сети, т. е. формулирование запросов к РБД производится аналогично запросам к централизованной БД.

 

Совместный доступ к  данным подразумевает модификацию  одних и тех же данных несколькими  пользователями не нарушая целостности РБД.

 

"Прозрачность" распределенной  обработки означает независимость  пользователей и программ от  типа локальной вычислительной  сети и применяемого сетевого  программного обеспечения. Обработка  запроса пользователя может производиться  на нескольких ЭВМ.

 

Доступ пользователей  к РБД и администрирование  осуществляется с помощью системы  управления распределенной базой данных (СУРБД), которая обеспечивает выполнение следующих функций:

 

- автоматическое определение  ЭВМ, хранящей требуемые в запросе  данные; - декомпозицию распределенных запросов на частные подзапросы к БД отдельных ЭВМ;

 

    - планирование  обработки запросов;

 

- передачу частных  подзапросов и их исполнение  на удаленных ЭВМ; - прием результатов  выполнения частных подзапросов;

 

- поддержание в согласованном состоянии копий дублированных данных на различных ЭВМ сети;

 

    - управление  параллельным доступом пользователей  к РБД;

    обеспечение  целостности РБД.

    4. 5. Базовые  технологии обработки запросов  в архитектурах

    файл-сервера  и клиент-сервера

 

Прикладные программы  управления данными представляют собой  необходимый инструмент для распределенной обработки.

 

Архитектура клиент-сервера  сети позволяет различным прикладным программам одновременно использовать общую базу данных. Совершенно очевидно, что перенос программ управления данными с рабочих станций на сервер способствует высвобождению ресурсов рабочих станций, предоставляет возможность увеличить число частных, локально решаемых задач. Данная архитектура позволяет также централизовать ряд самых важных функций управления данными, такие, как защита информации баз данных, обеспечение целостности данных, управление совместным использованием ресурсов.

 

Одним из важных преимуществ  архитектуры клиент-сервера в  сетевой обработке данных является возможность сокращения времени реализации запроса. В подтверждение этому рассмотрим двебазовыетехнологии обработки информации в архитектуре клиент-сервера сети и технологии использования традиционного файлового сервера.

 

Допустим, что прикладная программа базы данных загружена на рабочую станцию и пользователю необходимо получить все записи, удовлетворяющие некоторым поисковым условиям. В среде традиционногофайлового серверапрограмма управления данными, которая выполняется на рабочей станции, должна осуществить запрос к серверу каждой записи базы данных (рис. 4. 11, а). Программа управления данными на рабочей станции может определить, удовлетворяет ли запись поисковым условиям, лишь после того, как она будет передана на рабочую станцию.

 

Очевидно, что данный технологический вариант обработки информации имеет наибольшее суммарное время передачи данных по каналам сети. В среде клиент-сервера, напротив, рабочая станция посылает запрос высокого уровня серверу базы данных. Сервер базы данных осуществляет поиск записей на диске и анализирует их. Записи, удовлетворяющие условиям, могут быть накоплены на сервере. После того, как запрос целиком обработан, пользователю на рабочую станцию передаются все записи, которые удовлетворяют поисковым условиям (рис. 4. 11, б). Данная технология позволяет снизить сетевой трафик и повысить пропускную способность сети. Более того, за счет выполнения операции доступа к диску и обработки данных в одной системе сервер может осуществить поиск и обрабатывать запросы быстрее, чем если бы эти запросы обрабатывались на рабочей станции. Прикладные программы баз данных клиент-сервера поддерживаются программными продуктами:

 

- NetWare Btrieve- программой  управления записями с индексацией  по ключу (выполняется на сервере);

 

- NetWare SQL - ядром реляционных баз данных, предназначенным для обеспечения системы защиты и целостности данных.

 

Службы баз данных NetWare Btrieve и NetWare SQL фирмы Novell позволяют  разработчикам создавать надежные прикладные программы баз данных без необходимости написания  собственных программ управления записями, что обеспечивает удобный перенос прикладных программ в среду клиент-сервера. В настоящее время разработаны десятки тысяч прикладных автономных и многозадачных программ, ориентированных на клиента версий NetWare Btrieve, NetWare SQL, которые могут быть использованы организациями, создающими или имеющими сеть ЭВМ. Более того, версии NetWare Btrieve и NetWare SQL фирмы Novell для клиентов имеют согласованные API, что упрощает перенос программ из среды одного клиента в среду другого.

 

    Файл-сервер

    Рабочая станция

    Типовая среда  обработки запросов в сетях  ЭВМ.

    б) Распределенная  среда обработки запросов в  сетях ЭВМ.

 

Рис. 4. 11. (а, б). Технологии обработки запросов по базовым вариантам

 

По степени изменчивости все базы данных (БД) можно разделить на два класса: А - условно-постоянные (в основном для справочных систем);

 

Б - сильно динамичные (для  банковских, биржевых систем и т. п. ). Для ведения баз данных первого  и второго классов используются системы управления базами данных (СУБД), которые в значительной степени отличаются друг от друга как по функциональным возможностям, так и по эксплуатационным характеристикам.

 

    Например,

 

- для условно-постоянных  БД наиболее важными показателями  являются показатели скорости отработки запросов и скорости формирования выходных отчетов по БД, а такие показатели, как скорость отработки транзакций и контроль целостности БД при отработке транзакций не столь критичны;

 

- для сильно -динамичных  БД, на первый план выходят  такие показатели, как скорость отработки транзакций, возможность контроля целостности, скорость формирования отчетов, согласованность по чтению и транзакциям. Менее критичны здесь скорости отработки запросов.

 

Поэтому любая СУБД не может одинаково успешно применяться при работе с БД разных классов. Такие системы, как CLIPPER, FOXPRO ориентированы на первый класс БД-(А), и здесь имеются неплохие результаты, а такие СУБД , как Informix, Ingres, SyBase создавались для второго класса-(Б).

 

Исходя из вышесказанного напрашивается вывод: найти "золотую середину", которая удовлетворяла бы требованиям обоих классов (А) и (Б). Решением этой противоречивой задачи является использование дифференциальной организации файлов базы данных, илидифференциальных файлов (ДФ).

 

В последнее время разработчики СУБД ведущих фирм подошли к использованию идеи ДФ. Причинами явились следующие факты:

 

- значительно расширился  класс решаемых на IBM PC задач, так,  что термин "персональный компьютер"  уже не соответствует действительности; - широкое распространение локальных вычислительных систем (ЛВС); - разработка многопользовательских и многозадачных систем;

 

- стремительное развитие  технической базы ЭВМ (в большей  степени дисковой памяти).

 

Остановимся на сути ДФ применительно  к БД в ЛВС. Реализация идеи ЛВС в различных СУБД значительно отличается.

 

    Идея ДФ  включает три положения:

 

- основной файл БД  остается неизменным при любых  обновлениях базы данных, т. е. ,любые изменения БД последовательно  накапливаются в специальном  файле изменений (не путать с журналом транзакций) - ДФ; - никакие индексы для него не создаются и не поддерживаются. Когда ДФ достигнет значительных размеров (примерно 25-40% от размеров БД), администратор вносит все изменения в основной файл БД в удобный момент времени в пакетном режиме.

 

В качестве примера возьмем  сравнение книги, где наблюдаются  опечатки в страницах и, базы данных с ДФ. Нет необходимости переиздания  книги из-за нескольких опечаток или  незначительных изменений. Если это  количество имеет тенденцию к  значительному росту и достигло предельного значения, то становятся оправданными затраты на переиздание книги, куда должны быть включены все накопленные изменения.

 

Достоинства ДФ относятся  к обеспечению высокой надежности, целостности БД и скорости отработки  транзакций.

 

Вопрос, какие скорости отработки транзакций можно обеспечить при использовании ДФ, является довольно важным. Очевидно, что скорость отработки  транзакций при такой организации  БД возрастет в десятки раз. При  этом сервер базы данных практически  напоминает обычный файл-сервер.

 

Что касается индексов, то проблемы их поддержания не существует (скорости добавления, удаления и модификации  записей БД находятся на самом  высоком уровне). Внесение добавлений в БД не отличается от добавлений в  обычный последовательный файл. Время обновления записей БД не зависит ни от размеров БД, ни от длины ключей, ни от их числа. Временные затраты на блокировку (как одно из узких мест для БД и ЛВС) сведены к минимуму.

 

Для того, чтобы обеспечить согласованность данных по чтению нет необходимости блокировать целиком таблицу, что имеет место в ряде СУБД, т. е. , когда запрос (или формируемый отчет) начинает выполняться, СУБД "запоминает" старший адрес в ДФ (моментальный снимок). При этом пользователь, инициализирующий свой запрос, не обязан ждать "своего момента". Он "не видит" никого из пользователей и получает снимок БД именно в этот момент времени. Далее, по мере выполнения запроса (даже очень быстрого) часть записей-целей могла быть или изменена или удалена. Это отразится только на старших адресах ДФ, а поэтому СУБД просто проигнорирует любые изменения данных, случившиеся после начала выполнения запроса. Гарантируется корректировка сложных и длительных запросов к БД, т. е. обеспечение согласованности по чтению и транзакциям.

 

Становится интересным вопрос, как в этом случае ведется  поиск в БД. В этом случае по ассоциатору  находится множество записей-целей: число и список их адресов в  основной БД, после чего производится считывание "ассоциатора" ДФ и  производится корректировка этого списка. За счет этой корректировки время поиска увеличивается, причем величина этого увеличения зависит от размеров ДФ. Своевременность обновления БД должна быть в компетенции администратора БД. Чтобы исключить существенные издержки, связанные с ДФ, можно накапливать изменения БД для их пакетной обработки и при поиске ДФ не учитывать. В ряде систем, таких как банковские, допускается потеря некоторой точности в период между циклами обновления - "контролируемое запаздывание".

 

    Помимо всего  прочего использование ДФ обеспечивает:

 

- возможность администратору  восстанавливать случайно удаленные  записи; - возможность (при необходимости)  хранить индексные файлы на  самих рабочих станциях;

 

    - возможность  создания распределенных БД;

    - одновременное  выполнение транзакций.

 

Непротиворечивость данных может обеспечиваться механизмом захвата  на уровне записи - откат транзакций любой доступной вложенности.