Architektury rozproszonych baz danych


Projektowanie rozproszonej BD
Fragmentacja RBD
Architektura klient-serwer
Logiczna architektura oprogramowania
Architektura rozproszonych obiektów
Struktura logiczna rozproszonych obiektów
Podejścia do projektowania rozproszonych BD: top-down i bottom-up
Od ogółu do szczegółów (top-down): Odgórne zaprojektowanie całej bazy danych, z uwzględnieniem optymalizacji przechowywanych danych, narzuconej przez fakt geograficznego rozproszenia producentów i konsumentów informacji przechowywanej w bazie danych.
Od szczegółów do ogółu (bottom-up): Zintegrowanie już istniejących (spadkowych) lub zaprojektowanych lokalnych baz danych w jedną globalną rozproszoną bazę danych.
Projektowanie: podejście top-down
Analiza systemowa: rozpoznanie wymagań, precyzowanie kontekstu przyszłej bazy danych.
Projektowanie schematu pojęciowego
Projektowanie struktury logicznej
Kryteria rozproszenia są związane z faktem fizycznego rozproszenia źródeł i odbiorców danych oraz autonomii lokalnych baz danych.
Ustalają one decyzje, które fragmenty projektu pojęciowego będą przechowywane w poszczególnych miejscach, a także jak należy zdekomponować schemat logiczny na poszczególne miejsca

graf
pokaż animację

Dalsze fazy postępowania w podejściu top-down
Określenie danych podlegających replikacjom (lokalnych kopii) oraz strategii replikacji.
Zróżnicowanie logicznego schematu danych w zależności od typu SZBD w poszczególnych miejscach.
Określenie lokalnych schematów dla poszczególnych miejsc.
Określenie danych autonomicznych dla poszczególnych miejsc, nie uczestniczących w rozproszonej bazie danych; co prowadzi do określenia schematu pojęciowego i logicznego dla danych widzianych z zewnątrz.
Podział schematu logicznego: Wg różnych reguł związanych na ogół z fizycznym ulokowaniem obiektów rzeczywistych (np. osób zatrudnionych, sprzętu, co pociąga za sobą odpowiedni podział schematu logicznego) lub też z fizycznym ulokowaniem programów aplikacyjnych działających na tych obiektach.
Podstawowe metody fragmentacji schematu
Fragmentacja pionowa oznacza przyporządkowanie poszczególnych klas obiektów do poszczególnych miejsc, lub rozbicie obiektów danej klasy na dwa lub więcej podobiektów, przy czym takie podobiekty są przechowywane w różnych miejscach.
Fragmentacja pionowa może oznaczać konieczność odpowiedniego podziału informacji zawartych w klasach obiektów oraz ustalenia środków podtrzymania jednoznacznej tożsamości obiektów.
Fragmentacja pozioma oznacza rozbicie populacji obiektów danej klasy na dwa lub więcej miejsc geograficznych. Fragmentacja pozioma może być dokonywana na podstawie różnych kryteriów, które często wiązane są z geograficznym ulokowaniem obiektów rzeczywistych, lub też z geograficznym ulokowaniem przetwarzania tych obiektów.
Fragmentacja pionowa relacyjnej bazy danych
fp
Fragmentacja pozioma relacyjnej bazy danych
fpz
Fragmentacja pozioma obiektów Pracownik
fpo
Inne fragmentacje danych w rozproszonej BD
Możliwe są inne, bardziej złożone fragmentacje danych, które łączą fragmentacje pionowe, fragmentacje poziome oraz redundantne dane (replikacje).
Bardziej złożone fragmentacje rodzą trudności z:
zarządzaniem metadanymi: gdzieś muszą być ulokowane informacje odnośnie tego w jaki sposób podzielone dane mają być scalone w kompletne obiekty lub kolekcje w ramach rozproszonej bazy danych. Jest to rola metadanych oraz mechanizmu właściwej dystrybucji metadanych pomiędzy uczestników rozproszonej bazy danych.
przetwarzaniem zapytań: dekompozycja zapytania na pod-zapytania adresowane do poszczególnych miejsc staje się znacznie bardziej kłopotliwa. Przesyłanie fragmentów obiektów celem ich zmaterializowania po stronie klienta może być zbyt kosztowne.
Bardziej złożone fragmentacje mogą być nie do uniknięcia w rozproszonej bazie danych integrującej istniejące bazy danych (podejście bottom-up). Ma to konsekwencje dla zarządzania metadanymi.
Projektowanie: podejście bottom-up
Podejście ad hoc: Budowa uniwersalnych lub specyficznych dla danego zastosowania pomostów (gateways) umożliwiających dostęp z danego systemu bazy danych do innych baz danych. Pomost może (nie musi) zapewniać przezroczystość rozproszenia.
Podejście oparte o globalny schemat: Wszystkie składniki rozproszonej BD są objęte jednym globalnym schematem, jednakowym dla każdego miejsca i zapewniającym przezroczystość rozproszenia. Istotną wadą podejścia opartego na globalnym schemacie jest brak możliwości sterowania zakresem autonomii każdego lokalnego systemu.
Federacyjna baza danych: Każda lokalna baza danych zachowuje swoją autonomię, udostępniając tylko część danych dla innych miejsc w RBD. Podejście federacyjne zakłada, że każda lokalna baza danych jest widziana poprzez pewną perspektywę (view), ukrywającą niektóre dane dla rozproszonych aplikacji.
Federacyjna BD tworzona metodą bottom-up
bu
Podejście federacyjne okazało się skuteczne ze względu na zapewnienie autonomii, bezpieczeństwa i efektywności. Rodzi jednak dużo problemów, m.in. z zapewnieniem jednolitej ontologii biznesowej, uniwersalnością aplikacji, wydajnością, itd.
Architektura klient-serwer
pp
Reguły architektury klient-serwer (1)
Zachowanie autonomii serwera. Klienci powinni zachowywać reguły wykorzystania serwera, nie powinni powodować jego niedostępność (np. zamykać duże ilości danych), nie powinni łamać ograniczeń integralności.
Zachowanie autonomii klienta. Klienci nie powinni zachowywać się różnie w zależności od tego, czy serwer jest lokalny czy odległy. Powinni być odizolowani od kwestii fizycznego ulokowania danych.
Wspomaganie dla aplikacji niezależnych od serwera.
Dostęp do własności (danych, usług) serwera. Klienci mogą żądać od serwera wykonanie przewidzianych dla niego funkcji.
Wspomaganie dla bieżącego dostępu do danych. Dostęp ten powinien być bezpośredni, bez pośrednictwa plików przekazywanych do/od klienta.
Minimalny wpływ architektury K/S na wymagania dla klienta. Oprogramowanie klienta w architekturze K/S nie powinno wykazywać znacznego zwiększenia zapotrzebowania na RAM lub objętość dysku.
Reguły architektury klient-serwer (2)
Kompletność opcji niezbędnych do połączenia. Oprogramowanie klienta nie powinno zawierać kodu realizującego połączenie z serwerem.Powinien to zapewniać serwer komunikacyjny.
Możliwość budowy lokalnych prototypów. Programista powinien mieć możliwość budowy i testowania aplikacji K/S wyłącznie na stacji klienta.
Kompletność narzędzi użytkownika końcowego. Projektowanie ekranów, generacja zapytań, itd. powinny być częścią środowiska.
Kompletność środowiska budowy aplikacji. Powinno przewidywać możliwość łączenia się w sieci, dostęp do usług globalnych w zakresie nazw, lokacji danych, itd.
Otwarte środowisko języka-gospodarza. Powinno zapewniać możliwość użycia uniwersalnego języka programowania do budowy aplikacji.
Szczególna troska o standardy. Im bardziej będą one przestrzegane, tym mniej będzie późniejszych kłopotów ze współdziałaniem.
Przykład architektury SZBD typu klient-serwer
szbd
Architektura klient-(multi) serwer (1)
Połączenia bezpośrednie:
ms1
Architektura klient-(multi) serwer (2)
Połączenia poprzez sieć: nie ma bezpośrednich połączeń, zarówno serwery jak i klienci są przyłączani w jednakowy sposób do wspólnej sieci komputerowej.
ms2
Architektura trzywarstwowa i wielowarstowa
Architektura klient-serwer podzielona na trzy warstwy:
interfejs użytkownika,
logikę przetwarzania (reguły biznesu, logikę biznesu)
serwer (serwery) bazy danych.
Warstwy są zaprojektowane i istnieją niezależnie, co ma duże znaczenie dla pielęgnacyjności systemu ze względu na możliwość zmian w dowolnej warstwie bez konieczności zmian w pozostałych warstwach.
Często warstwy są zrealizowane na odrębnych platformach: interfejs na MS Windows, logika przetwarzania na serwerze aplikacji i baza danych na serwerze bazy danych.
Środkowa warstwa może składać się z wielu warstw, co jest określane jako architektura wielowarstwowa.
3w
Logiczna architektura oprogramowania
Architektura klient-serwer powinna odzwierciedlać logiczny podział oprogramowania na części. Nie jest to tak istotne w systemie scentralizowanym.
3wa
Cienki i gruby klient
Terminy cienki klient (thin client) oraz gruby klient (fat client) odnoszą się do mocy i jakości przetwarzania po stronie klienta w architekturze klient-serwer.
Model cienkiego klienta: klient posiada niezbyt wielką moc przetwarzania, ograniczoną do prezentacji danych na ekranie. Przykładem jest klient w postaci przeglądarki WWW.
Model grubego klienta: klient posiada znacznie bogatsze możliwości przetwarzania, w szczególności może zajmować się nie tylko warstwą prezentacji, lecz także warstwą przetwarzania aplikacyjnego (logiki biznesu).
Powyższy podział posiada oczywiście pewną gradację.
Model cienkiego klienta jest najczęstszym rozwiązaniem w sytuacji, kiedy system scentralizowany jest zamieniany na architekturę klient-serwer. Wadą jest duże obciążenie serwera i linii komunikacyjnych.
Model grubego klienta używa większej mocy komputera klienta do przetwarzania zarówno prezentacji jak i logiki biznesu. Serwer zajmuje się tylko obsługą transakcji bazy danych. Popularnym przykładem grubego klienta jest bankomat. Zarządzanie w modelu grubego klienta jest bardziej złożone.
Architektury dwuwarstwowe
Uproszczone architektury trójwarstwowe z cienkim lub grubym klientem
2wa
Przykład architektury K/S - sieć bankomatów
sb
Przykład architektury K/S - portal WWW
www
3-warstwowa architektura aplikacji Web
aw
2-warstwowa architektura aplikacji Web
Wiele warstw pośredniczących powoduje dodatkowe obciążenie.
2aw
Zastosowanie różnych architektur K/S
Dwuwarstwowa architektura K/S z cienkim klientem
Systemy spadkowe (legacy), gdzie oddzielenie przetwarzania i zarządzania danymi jest niepraktyczne.
Aplikacje zorientowane na obliczenia, np. kompilatory, gdzie nie występuje lub jest bardzo mała interakcja z bazą danych.
Aplikacje zorientowane na dane (przeglądanie i zadawanie pytań) gdzie nie występuje lub jest bardzo małe przetwarzanie.
Dwuwarstwowa architektura K/S z grubym klientem
Aplikacje w których przetwarzanie jest zapewnione przez wyspecjalizowane oprogramowanie klienta, np. MS Excel.
Aplikacje ze złożonym przetwarzaniem (np. wizualizacją danych, przetwarzaniem multimediów).
Aplikacje ze stabilną funkcjonalnością dla użytkownika, użyte w środowisku z dobrze określonym zarządzaniem.
Trzywarstwowa lub wielowarstwowa archiktektura K/S
Aplikacje o dużej skali z setkami lub tysiącami klientów.
Aplikacje gdzie zarówno dane jak i aplikacje są ulotne (zmienne).
Aplikacje integrujące dane z wielu rozproszonych źródeł.
Architektura rozproszonych obiektów (1)
W architekturze klient-serwer istnieje wyraźna asymetria pomiędzy klientem i serwerem; w szczególności, nie występuje tam komunikacja bezpośrednio pomiędzy klientami. Model taki dla wielu zastosowań jest mało elastyczny i zapewnia zbyt małą skalowalność.
Architektura rozproszonych obiektów znosi podział na klientów i serwery. Każde miejsce w rozproszonym systemie jest jednocześnie klientem i serwerem.
Konieczne jest sprowadzenie wszystkich danych i usług do jednego standardu.
Taki standard obejmuje:
Model (pojęciowy i logiczny) danych i usług, który jest w stanie "przykryć" wszystkie możliwe dane i usługi, które mogą kiedykolwiek pojawić się w systemie rozproszonym;
Specjalne oprogramowanie zwane pośrednikiem (broker), które akceptuje wspólny model danych i usług umożliwiając ich udostępnienie dla dowolnych miejsc w systemie rozproszonym.
Specjalne oprogramowanie, zwane osłoną, adapterem lub mediatorem, które przystosowuje konkretne miejsce do modelu przyjętego przez pośrednika.
Architektura rozproszonych obiektów (2)
ro
Struktura logiczna rozproszonych obiektów
sl
Szyna oprogramowania tworzy jedną przestrzeń obiektów. Obiekty te są dostępne dla dowolnego miejsca poprzez operacje (zgrupowane w klasach). Miejsca i sposoby implementacji obiektów są niewidoczne. Aplikacje korzystają z całej puli obiektów.
Architektura serwera stron
as
Architektura serwera obiektów
ao