Информационные технологии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

1. Понятие распределенной базы данных 2

2. Архитектура и принципы распределенной БД 10

Список литературы 20



1. Понятие распределенной базы данных

Основной предпосылкой разработки систем, использующих базы данных, является стремление объединить все обрабатываемые в организации данные в единое целое и обеспечить к ним контролируемый доступ. Хотя интеграция и предоставление контролируемого доступа могут способствовать централизации, последняя не является самоцелью. На практике создание компьютерных сетей приводит к децентрализации обработки данных. Децентрализованный подход, по сути, отражает организационную структуру многих компаний, логически состоящих из отдельных подразделений, отделов, проектных групп и т.п., которые физически распределены по разным офисам, отделениям, предприятиям или филиалам, причем каждая отдельная производственная единица имеет дело с собственным набором обрабатываемых данных. Разработка распределенных баз данных, отражающих организационные структуры предприятий, позволяет сделать общедоступными данные, поддерживаемые каждым из существующих подразделений, обеспечив при этом их хранение именно в тех местах, где они чаще всего используются. Подобный подход расширяет возможности совместного использования информации, одновременно повышая эффективность доступа к ней.

Распределенные системы призваны решить проблему информационных островов. Если на предприятии имеется несколько баз данных, их иногда рассматривают как некие разрозненные территории, представляющие собой отдельные и труднодоступные для многих места, подобные удаленным друг от друга островам. Данное положение может являться следствием географической разобщенности, несовместимости используемой компьютерной архитектуры, несовместимости используемых протоколов связи и т.д. Подобное положение дел способна изменить интеграция отдельных баз данных в одно логическое целое.

Появление вычислительных систем с базами данных привело к смене прежних способов обработки данных, в которых для каждого приложения определялись и поддерживались собственные наборы данных, новыми, в которых все данные определялись и поддерживались централизованно. А в последнее время происходит быстрое развитие технологий сетевой связи и обмена данными, вызванное созданием Internet, появлением мобильных и беспроводных вычислительных средств, а также "интеллектуальных" устройств. Теперь под влиянием этих двух противоположных тенденций технология распределенных баз данных способствует обратному переходу от централизованной обработки данных к децентрализованной. Создание технологии систем управления распределенными базами данных является одним из самых больших достижений в области баз данных.

В основном мы рассматривали централизованные системы баз данных, т.е. системы, в которых единственная логическая база данных размещалась в пределах одного узла и находилась под управлением одной СУБД. Теперь обсудим принципы и проблемы, связанные с распределенными СУБД, позволяющими конечным пользователям иметь доступ не только к данным, сохраняемым на их собственном узле, но и к данным, размещенным на различных удаленных узлах. В прессе уже неоднократно делались заявления о том, что в связи с нарастающим процессом перехода организаций к технологии распределенных баз данных централизованные базы данных буквально через несколько лет превратятся в антикварную редкость.

Чтобы начать обсуждение проблем, связанных с распределенными СУБД, прежде всего необходимо уяснить, что же такое распределенная база данных. Распределенная база данных: Набор логически связанных между собой совокупностей разделяемых данных (и их описаний), которые физически распределены в некоторой компьютерной сети. Из этого вытекает следующее определение распределенной СУБД: [3; c. 74]

Распределенная СУБД: Программный комплекс, предназначенный для управления распределенными базами данных и обеспечивающий прозрачный доступ пользователей к распределенной информации.

Распределенная система управления базой данных (распределенная СУБД) состоит из единой логической базы данных, разделенной на некоторое количество фрагментов. Каждый фрагмент базы данных сохраняется на одном или нескольких компьютерах, работающих под управлением отдельных СУБД и соединенных между собой сетью связи. Любой узел способен независимо обрабатывать запросы пользователей, требующие доступа к локально сохраняемым данным (т.е. каждый узел обладает определенной степенью автономности), а также способен обрабатывать данные, сохраняемые на других компьютерах сети.

Пользователи взаимодействуют с распределенной базой данных через приложения. Приложения могут подразделяться на не требующие доступа к данным на других узлах (локальные приложения) и требующие подобного доступа (глобальные приложения). В распределенной СУБД должно существовать хотя бы одно глобальное приложение, поэтому любая такая СУБД должна иметь следующие характеристики: [2; c. 105]

Имеется набор логически связанных разделяемых данных.

Сохраняемые данные разбиты на некоторое количество фрагментов.

Может быть предусмотрена репликация фрагментов данных.

Фрагменты и их копии распределяются по разным узлам.

Узлы связаны между собой сетевыми соединениями.

Доступ к данным на каждом узле происходит под управлением СУБД.

СУБД на каждом узле способна поддерживать автономную работу локальных приложений.

СУБД каждого узла поддерживает хотя бы одно глобальное приложение.

Но нет необходимости в том, чтобы на каждом из узлов системы существовала своя собственная локальная база данных, что и показано на примере топологии распределенной СУБД, представленной на рисунке:

Из определения СУБД следует, что она должна сделать само это распределение данных прозрачным (незаметным) для конечного пользователя. Другими словами, от пользователей должен быть полностью скрыт тот факт, что распределенная база данных состоит из нескольких фрагментов, которые могут размещаться на различных компьютерах и для которых, возможно, даже организована репликация данных. Цель обеспечения прозрачности состоит в том, чтобы распределенная система внешне выглядела как централизованная. Иногда это требование называют основным принципом создания распределенных СУБД. Данный принцип требует предоставления конечному пользователю широкого набора функциональных возможностей, но, к сожалению, одновременно ставит перед программным обеспечением распределенной СУБД множество дополнительных задач.

Очень важно понимать различия между распределенными СУБД и средствами распределенной обработки данных.

Распределенная обработка: Обработка с использованием централизованной базы данных, доступ к которой может осуществляться с различных компьютеров сети.

Ключевым моментом в определении распределенной СУБД является утверждение, что система работает с данными, физически распределенными в сети. Бели данные хранятся централизованно, то даже в том случае, когда доступ к ним обеспечивается для любого пользователя по сети, эта система просто поддерживает распределенную обработку, но не может рассматриваться как распределенная СУБД. Схематически подобная топология распределенной обработки представлена на рисунке. Сравните этот вариант, содержащий центральную базу данных на узле 2, с вариантом, представленным на предыдущем рисунке, в котором присутствует несколько узлов, каждый из которых имеет собственную базу данных:



Кроме того, следует четко понимать различия, существующие между распределенными и параллельными СУБД.

Параллельная СУБД: Система управления базой данных, функционирующей с использованием нескольких процессоров и жестких дисков, что позволяет ей (если это возможно) распараллеливать выполнение некоторых операций с целью повышения общей производительности обработки. Появление параллельных СУБД было вызвано тем фактом, что системы с одним процессором оказались не способны удовлетворять растущие требования к масштабируемости, надежности и производительности обработки данных. Эффективной и экономически обоснованной альтернативой однопроцессорным СУБД стали параллельные СУБД, функционирующие одновременно на нескольких процессорах. Применение параллельных СУБД позволяет объединить несколько маломощных машин для получения такого же уровня производительности, как и в случае одной, но более мощной машины, с дополнительным выигрышем в масштабируемости и надежности системы по сравнению с однопроцессорными СУБД. Для предоставления нескольким процессорам совместного доступа к одной и той же базе данных параллельная СУБД должна обеспечивать управление совместным доступом к ресурсам. То, какие именно ресурсы разделяются и как это разделение реализовано на практике, непосредственно влияет на показатели производительности и масштабируемости создаваемой системы, что, в свою очередь, определяет пригодность конкретной СУБД к условиям заданной вычислительной среды и требованиям приложений. Три основных типа архитектуры параллельных СУБД представлены на рисунке ниже. К ним относятся: [4; c. 76]

системы с разделением памяти;

системы с разделением дисков;

системы без разделения вычислительных ресурсов.



Хотя параллельная система без разделения вычислительных ресурсов иногда рассматривается как распределенная СУБД, в такой системе распределение данных обусловлено лишь стремлением к повышению производительности. Более того, узлы распределенной СУБД обычно разделены географически, находятся под управлением разных администраторов и соединены между собой относительно медленными сетевыми соединениями, тогда как узлы параллельной СУБД чаще всего располагаются на одном и том же компьютере или в пределах одной и той же производственной площадки.

Системы с разделением памяти состоят из тесно связанных между собой компонентов, в число которых входит несколько процессоров, разделяющих общую системную память. Эта архитектура, называемая также архитектурой с симметричной многопроцессорной обработкой (SMP), в настоящее время получила широкое распространение и применяется для самых разных вычислительных платформ, от персональных рабочих станций, содержащих несколько параллельно работающих микропроцессоров, больших RISC-систем и вплоть до крупнейших мэйнфреймов. Эта архитектура обеспечивает быстрый доступ к данным для ограниченного набора процессоров, количество которых обычно не превосходит 64. В противном случае взаимодействие по сети становится узким местом всей системы.

Распределенные системы баз данных имеют дополнительные преимущества перед традиционными централизованными системами баз данных, К сожалению, эта технология не лишена и некоторых недостатков. В этом разделе описаны как преимущества, так и недостатки, свойственные распределенным СУБД.

Обзорная таблица

Преимущества	Недостатки
Отображение структуры организации	Повышение сложности
Разделяемость и локальная автономность	Увеличение стоимости
Повышение доступности данных	Проблемы защиты
Повышение надежности	Усложнение контроля за целостностью данных
Повышение производительности	Отсутствие стандартов
Экономические выгоды	Недостаток опыта
Модульность системы	Усложнение процедуры разработки базы данных



2. Архитектура и принципы распределенной БД

Распределенная БД (РаБД) - набор логически связанных между собой разделяемых данных и их описаний, которые физически распределены по нескольким компьютерам ( узлам) в некоторой компьютерной сети.

Каждая таблица в РАБД может быть разделена на некоторое количество частей, называемых фрагментами. Фрагменты могут быть горизонтальными, вертикальными и смешанными. Горизонтальные фрагменты представляют собой подмножества строк, а вертикальные - подмножества столбцов. Фрагменты распределяются на одном или нескольких узлах.

С целью улучшения доступности данных и повышения производительности системы для отдельных фрагментов может быть организована репликация - поддержка актуальной копии некоторого фрагмента на нескольких различных узлах. Репликаты - множество различных физических копий некоторого объекта БД, для которых в соответствии с определенными в БД правилами поддерживается синхронизация с некоторой «главной копией».

Существуют несколько альтернативных стратегий размещения данных в системе: раздельное (фрагментированное) размещение, размещение с полной репликацией и размещение с выборочной репликацией.

Раздельное (фрагментированное) размещение. В этом случае БД разбивается на непересекающиеся фрагменты, каждый из которых размещается на одном из узлов системы. При отсутствии репликации стоимость хранения данных будет минимальна, но при этом будет невысок также уровень надежности и доступности данных в системе. Отказ на любом из узлов вызовет утрату доступа только к той части данных, которая на нем хранилась.

Размещение с полной репликацией. Эта стратегия предусматривает размещение полной копии всей БД на каждом из узлов системы. Следовательно, надежность и доступность данных, а также уровень производительности системы будут максимальными. Однако стоимость хранения данных и уровень затрат на передачу данных в этом случае будут самыми высокими.

Размещение с выборочной репликацией. Данная стратегия представляет собой комбинацию методов фрагментации, репликации и централизации. Одни массивы данных разделяются на фрагменты, тогда как другие подвергаются репликации. Все остальные данные хранятся централизованно. Целью применения данного метода является объединение всех преимуществ, существующих в остальных моделях, с одновременным исключением свойственных им недостатков. Благодаря своей гибкости, именно эта стратегия используется чаще всего. РаБД можно классифицировать на гомогенные и гетерогенные. [7; c. 52]

Гомогенной РаБД управляет один и тот же тип СУБД. Гетерогенной РаБД управляют различные типы СУБД, использующие разные модели данных - реляционные, сетевые, иерархические или объектно-ориентированные СУБД.

Гомогенные РаБД значительно проще проектировать и сопроваждать. Кроме того, подобный подход позволяет поэтапно наращивать размеры РаБД, последовательно добавляя новые узлы к уже существующей РаБД. Гетерогенные РаБД обычно возникают в тех случаях, когда независимые узлы, управляемые своей собственной СУБД, интегрируются во вновь создаваемую РаБД.

Первоначальные ИС, основанные на базах данных, имели строго централизованную архитектуру. Данные были сосредоточены физически и логически на одном компьютере. Централизованная органи­зация базы данных позволяет облегчить обеспечение ее безопасности, целостности и непротиворечивости данных.

Вместе с тем рост объема базы данных и числа пользователей, получающих к ней доступ, территориальное развитие организации (и свя­занная с ней необходимость распределенной обработки данных) приводят к возникновению ряда проблем, свойственных централизованной архитектуре:

большой объем обмена данными (высокий трафик);

снижение надежности обмена данными;

снижение общей производительности;

рост затрат на разработку БД.

Возможным решением перечисленных проблем является организация децентрализованного хранения данных. При децентрализации достигается:

» параллельная обработка данных и распределение нагрузки;

» повышение эффективности обработки данных при выполнении удаленных запросов;

» уменьшение затрат на обработку данных;

» упрощение процедуры управления ИС.

Распределенная база данных -- это набор отношений, хранящихся в разных узлах компьютерной сети и логически связанных таким образом, чтобы составлять единую совокупность данных.

Распределенная база данных предполагает хранение данных на нескольких узлах сети, обработку данных и их передачу между этими узлами в процессе выполнения запросов. Разбиение данных в распределенной базе данных может достигаться путем хранения различных таблиц на разных компьютерах или хранения разных фрагментов одной таблицы на разных компьютерах. Для пользователя (или прикладной программы) не должно иметь значения, каким образом распределены данные между компьютерами. Работа с распределенной базой данных должна осуществляться так же, как и с централизованной.

Впервые задача об исследовании основ и принципов создания и функционирования распределенных информационных систем была поставлена известным специалистом в области баз данных К. Дейтом.

В основе распределенных ИС лежат две основные идеи:

* работа множества пользователей с общей БД;

* объединение распределенных данных на логическом и физическом уровнях в общей БД.

Перечислим основные принципы создания и функционирования распределенных БД:

*прозрачность размещения данных для пользователя (пользователю распределенная БД должна представляться точно так же, как и нераспределенная);

*изолированность пользователей друг от друга (на работу одного пользователя с БД не должна влиять работа других пользователей с ней);

* синхронизация БД и непротиворечивость состояния данных в любой момент времени.

Дадим более подробный перечень принципов распределенной БД, сформулированных К. Дейтом.

Выделились несколько самостоятельных технологий распределенной обработки данных:

* клиент-сервер;

* реплицирования;

* объектного связывания.

Реальные распределенные информационные системы, как правило, построены на основе сочетания этих технологий.

Системы на основе технологии клиент-сервер развились из первых централизованных многопользовательских информационных систем на основемэйнфреймов и получили наиболее широкое распространение в корпоративных информационных системах.

При реализации данной технологии отступают от одного из основных принципов создания распределенных систем -- отсутствия центрального узла.

Принцип централизации хранения и обработки данных является базовым принципом технологии клиент-сервер.

Можно выделить следующие идеи, лежащие в основе технологии клиент-сервер:

общие для всех пользователей данные, расположенные на одном или нескольких серверах;

множество пользователей, осуществляющих доступ к общим данным.

Важное значение в технологии клиент-сервер имеют понятия сервера и клиента.

Под сервером в широком смысле понимается любая система, процесс, компьютер, владеющие каким-либо вычислительным ресурсом (памятью, временем процессора, файлами и т. д.). Клиентом называется любая система, процесс, компьютер, пользователь, делающие запрос к серверу на использование ресурса.

Настольные (локальные) СУБД, в случае их использования несколькими пользователями в компьютерной сети, функционируют на основе технологии файл-сервер, которая появилась раньше технологии клиент-сервер. Дело в том, что настольные СУБД не содержат специальных сервисов, управляющих данными, а используют для этой цели файловые сервисы операционной системы. Поэтому вся обработка данных в таких СУБД осуществляется в клиентском приложении. При выполнении запросов все данные (даже те, которые не удовлетворяют запросу, а это могут быть сразу несколько таблиц) должны быть доставлены клиентскому приложению. Это приводит к перегрузке сети при увеличении числа пользователей и объема БД, а также грозит нарушением целостности данных.

Одним из важнейших преимуществ архитектуры клиент-сервер является снижение сетевого трафика при выполнении запросов. Клиент посылает запрос серверу на выборку данных, запрос обрабатывается сервером, и клиенту передается не вся таблица (как было бы в технологии файл-сервер), а только результат обработки запроса. [1; c. 47]

Вторым преимуществом архитектуры клиент-сервер является воз­можность хранения так называемой бизнес-логики (например, правил ссылочной целостности или ограничений на значения данных) на сервере, что позволяет избежать дублирования кода в различных клиентских приложениях, использующих общую базу данных.

Во многих случаях узким местом клиент-серверных ИС является недостаточно высокая производительность из-за необходимости передачи по сети все-таки большого количества данных.

Построение быстродействующих информационных систем обеспечивают технологии репликации данных.

Первоначальные ИС, основанные на базах данных, имели строго централизованную архитектуру. Данные были сосредоточены физически и логически на одном компьютере. Централизованная организация базы данных позволяет облегчить обеспечение ее безопасности, целостности и непротиворечивости данных.

Вместе с тем рост объема базы данных и числа пользователей, получающих к ней доступ, территориальное развитие организации (и связанная с ней необходимость распределенной обработки данных) приводят к возникновению ряда проблем, свойственных централизованной архитектуре: [5; c. 39]

большой объем обмена данными (высокий трафик);

снижение надежности обмена данными;

снижение общей производительности;

рост затрат на разработку БД.

Распределенная база данных -- это набор отношений, хранящихся в разных узлах компьютерной сети и логически связанных таким образом, чтобы составлять единую совокупность данных.



фрагментация распределенный база данный репликация

Разбиение данных в распределенной базе данных может достигаться путем хранения различных таблиц на разных компьютерах или хранения разных фрагментов одной таблицы на разных компьютерах. Для пользователя (или прикладной программы) не должно иметь значения, каким образом распределены данные между компьютерами. Работа с распределенной базой данных должна осуществляться так же, как и с централизованной.

Впервые задача об исследовании основ и принципов создания и функционирования распределенных информационных систем была поставлена известным специалистом в области баз данных К. Дейтом.

Перечислим основные принципы создания и функционирования распределенных БД:

прозрачность размещения данных для пользователя (пользователю распределенная БД должна представляться точно так же, как и нераспределенная);

изолированность пользователей друг от друга (на работу одного пользователя с БД не должна влиять работа других пользователей с ней);

синхронизация БД и непротиворечивость состояния данных в любой момент времени.

Дадим более подробный перечень принципов распределенной БД, сформулированных К. Дейтом.

Локальная автономия. База данных, 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, а управление ею осуществляется локально, независимо от других узлов системы.

Независимость узлов. Все узлы равноправны и независимы, а расположенные на них БД являются равноправными поставщи­ками данных в общее пространство данных. База данных на каждом из узлов самодостаточна -- она включает полный собственный словарь данных и полностью защищена от несанкциониро­ванного доступа.

Непрерывность операций. Это возможность непрерывного до­ступа к данным в рамках распределенной БД вне зависимости от их расположения и вне зависимости от операций, выполняемых на локальных узлах.

Прозрачность расположения. Пользователь, обращающийся к БД, ничего не должен знать о реальном, физическом размещении данных в узлах информационной системы.

Прозрачная фрагментация. Возможность распределенного (т. е. на различных узлах) размещения данных, логически представляющих собой единое целое. Существует фрагментация двух типов: горизонтальная и вертикальная. Первая означает, что строки таб­лицы хранятся на различных узлах. Вторая означает распределение столбцов логической таблицы по нескольким узлам.

Прозрачное тиражирование. Тиражирование данных -- это асинхронный процесс переноса изменений объектов исходной базы данных в базы, расположенные на других узлах распределенной системы.

Обработка распределенных запросов. Возможность выполнения операций выборки данных из распределенной БД, посредством запросов, сформулированных на языке SQL.

Обработка распределенных транзакций. Возможность выполнения операций обновления распределенной базы данных, не нарушающих целостность и согласованность данных. Эта цель достигается применением двухфазного протокола фиксации транзакций.

Независимость от оборудования. Это свойство означает, что в качестве узлов распределенной системы могут выступать компьютеры любых моделей и производителей.

Независимость от операционных систем. Это качество вытекает из предыдущего и означает многообразие операционных систем, управляющих узлами распределенной системы.

Прозрачность сети. Доступ к любым базам данных осуществляется по сети. Спектр поддерживаемых конкретной СУБД сетевых протоколов не должен быть ограничением системы, основанной на распределенной БД.

Независимость от СУБД. Это качество означает, что в распределенной системе могут работать СУБД различных производителей, и возможны операции поиска и обновления в базах данных различных моделей и форматов.

Важнейшую роль в технологии создания и функционирования распределенных баз данных играет технология «представлений».

Представлением называется сохраняемый в базе данных авторизованный глобальный запрос на выборку данных. Авторизованность означает возможность запуска такого запроса только конкретно поименованным в системе пользователем. Глобальность заключается в том, что выборка данных может осуществляться из всей базы данных, в том числе из данных, расположенных на других узлах сети. Результатом глобальных авторизованных запросов является создание для конкретного пользователя виртуальной БД со своим перечнем таблиц, связей.

Выделились несколько самостоятельных технологий распределенной обработки данных:

клиент-сервер;

реплицирования;

объектного связывания.

Реальные распределенные информационные системы, как правило, построены на основе сочетания этих технологий.

Системы на основе технологии клиент-сервер развились из первых централизованных многопользовательских информационных системна основе мэйнфреймов и получили наиболее широкое распространение в корпоративных информационных системах. При реализации данной технологии отступают от одного из основных принципов создания распределенных систем -- отсутствия центрального узла. Принцип централизации хранения и обработки данных является базовым принципом технологии клиент-сервер. Важное значение в технологии клиент-сервер имеют понятия сервера и клиента.

Под сервером в широком смысле понимается любая система, процесс, компьютер, владеющие каким-либо вычислительным ресурсом (памятью, временем процессора, файлами и т. д.). Клиентом называется любая система, процесс, компьютер, пользователь, делающие запрос к серверу на использование ресурса.



Список литературы

1. Бройдо В.Л., Крылова В.С. «Научные основы организации управления и построения АСУ», Высшая школа, Москва, 1990 г.

2. Вендров А.М. CASE-технологии. Современные методы и средства проектирования информационных систем. М., Финансы и статистика, 1998.

3. Вендров А.М. Проектирование программного обеспечения экономических информационных систем. М., Финансы и статистика, 2000.

4. Дейт К. «Введение в системы управления базами данных», БИНОМ, Москва, 2009 г.

5. Иоффе А.Ф. «Персональные ЭВМ в организационном управлении», Наука, Москва, 2008 г.

6. Информатика и вычислительная техника: пособие для студ. Вузов инж. - педагогич. спец. В.В. Вьюгин, С.В. Кудимов, В.Г. Накрохин и др.; под ред. В.Н. Ларионова. - М.: Высш. Шк. 1992. - 287 с.: ил.

7. Ковязин А.Н., С.М. Востриков "Мир InterBase. Архитектура, администрирование и разработка приложений баз данных в InterBase/Firebird/Yaffil (3-е издание)" - М.: Кудиц-образ, 2005

8. Марин Дж. «Организация баз данных в вычислительных системах», Мир, Москва, 1990г.

Размещено на Allbest.ru