Розподілена база даних

В архітектури програмно-технічного комплексу розподілених СКБД є три основні характеристики:

• Неоднорідність. 

Важливою характеристикою є міра однорідності програмно-технічних засобів СКБД.

• Розподіленість. 

Спосіб розподілу компонентів системи баз даних за комп'ютерами мережі визначається тим, чи є в мережі єдиний комп'ютер з повноваженнями розподіленої СКБД, або ж їх кілька.

• Автономність. 

Характеризує, наскільки самостійно компоненти СКБД можуть виконувати свої функції.

До питань автономності належать:

• автономність проектних рішень;
• автономність обчислень.

Виділяють такі основні різновиди архітектури програмно-технічних засобів розподіленої СКБД, як:

• Архітектура однорангової мережі. 

Якщо всі комп'ютери мережі є серверами та на кожному комп'ютері розміщено розподілену СКБД і базу даних та з кожного комп'ютера можна надіслати до іншого запит на отримання необхідних даних. То така архітектура буде архітектурою однорангової мережі

• Архітектура з багатьма незалежними серверами. 

Якщо існують багато серверів, що мають доступ до своїх локальних баз даних. У такому випадку на комп'ютерах клієнтів має зберігатись інформація стосовно того, які дані на яких серверах розташовані, а також має бути розміщене програмне забезпечення, що дає змогу розкласти запити для їхнього виконання на різних серверах і потім об'єднати результати.

• Архітектура із взаємодіючими серверами. 

У цьому випадку передбачається, що кожен сервер містить повну інформацію стосовно того, які дані на яких серверах зберігаються, а також здатний обробляти розподілені запити. У разі потреби один сервер може звернутися до іншого для одержання необхідних даних. Кожен клієнт має свій сервер, до якого звертається для виконання операцій над розподіленою базою даних.

• Клієнт-серверна архітектура. 

При даному виді архітектури передбачено наявність єдиного комп'ютера-сервера і багатьох комп'ютерів-клієнтів, що взаємодіють між собою через канали зв'язку. На сервері розташована СКБД та інтегрована (централізована) база даних. Ніякого розподілу баз даних за вузлами мережі немає. На клієнтських комп'ютерах виконуються додатки, які працюють із серверною базою даних, а також розміщене програмне забезпечення для зв'язку з віддаленою СКБД. Як клієнти, так і сервер оснащені комунікаційним програмним забезпеченням.

Суть фрагментації полягає в тому, щоб поділити логічну базу даних на фрагменти з метою зберігання кожного фрагмента на певному вузлі мережі. Одиницями фрагментації можуть бути відношення та складені відношення. У випадку, коли одиницею фрагментації є відношення, вирішується проблема, яке відношення в якій базі даних має зберігатися. За іншого підходу допускається, що будь-яке відношення може бути зображене у вигляді сукупності фрагментів, що розподіляються за різними базами даних.

Фрагментацію, що здійснюється розподілом відношень за базами даних, теоретично здійснити нескладно, тому розглянемо проблему фрагментації власне відношень.

Фрагментація відношень. Завдання фрагментації відношень формулюється в такий спосіб. Нехай задане відношення R. Його потрібно зобразити у вигляді сукупності відношень R1, …, Rn так, щоб ця сукупність відповідала критеріям ефективності (за часом доступу, пам'яттю, завантаженістю комп'ютерів тощо).

Фрагментація є коректною, якщо вона повна, не містить перетинів і може бути реконструйована. Пояснимо ці терміни.

Декомпозиція відношення R на фрагменти R1, R2, … Rn є повною тоді й лише тоді, коли кожен елемент даних з R належить якомусь із відношень Ri.

Декомпозиція відношення R на фрагменти R1, R2, … Rn може бути реконструйована, якщо існує такий реляційний вираз φ(R1, R2, … Rn), що R=φ(R1, R2, … Rn).

Декомпозиція відношення R на фрагменти R1, R2, … Rn не містить перетинів, якщо будь-який елемент даних з R міститься не більш ніж в одному фрагменті.

Є три типи фрагментації відношень:

• горизонтальна;
• вертикальна;
• змішана

Горизонтальна фрагментація

Горизонтальна фрагментація полягає в розподілі кортежів відношення за фрагментами. Формально горизонтальну фрагментацію можна визначити в такий спосіб. Нехай задане відношення R і на ньому визначений предикат Fi. Тоді горизонтальний фрагмент Rі відношення визначається так:

${\displaystyle R_{i}=\sigma _{F_{i}}(R)}$

Тобто горизонтальний фрагмент Rі — це множина кортежів R, що задовольняють умову Fi.

Вертикальна фрагментація

Суть вертикальної фрагментації полягає в тому, що відношення поділяється на дві чи більше проекцій, тобто схема відношення поділяється на певну множину підсхем.

Для відновлення вихідного відношення з фрагментів необхідно, щоб усі підсхеми містили первинний ключ. Існує інший підхід, коли під час поділу схеми до кожного фрагмента автоматично додається поле з ідентифікатором кортежу. Значення цього ідентифікатора зазвичай встановлюються системою автоматично.

Змішана фрагментація. Змішана фрагментація передбачає послідовне застосування вертикальної і горизонтальної фрагментацій.

Розподіл даних за вузлами мережі

Після отримання усіх необхідних фрагментів відношень постає проблема розподілу цих фрагментів за вузлами мережі. Єдиних рекомендацій стосовно того, як це робити, немає. Потрібно знайти оптимальний розподіл фрагментів F за вузлами мережі S за умови, що відомий розподіл додатків Q за вузлами мережі.

Реплікація є механізмом розподілу даних за вузлами, що в свою чергу дозволяє зберігати копії тих самих даних на різних вузлах мережі для прискорення пошуку і підвищення стійкості до відмов. Відношення або фрагмент є реплікованим, у випадку якщо його копії(або репліки) зберігаються на двох або більше вузлах . За повної реплікації відношення його копії зберігаються на всіх вузлах мережі. Допускається ситуація, коли вся база даних зберігається на всіх вузлах мережі — це називається повною реплікацією бази даних.

Механізми реплікації

Видавець — сервер, що надає розміщені на ньому дані для копіювання на інші сервери.

Дистриб'ютор — сервер, що підтримує розподілену базу даних.

Передплатник — сервер, що отримує копії даних, надані видавцем.

Існують два методи відновлення даних передплатників:

• Реплікація за запитом полягає в тому, що передплатник періодично звертається до дистриб'ютора із запитом про зміни, що відбулися з моменту останнього з'єднання.
• Примусова реплікація, с свою чергу, коли дистриб'ютор сам встановлює з'єднання з передплатником і пересилає йому необхідні дані.

Залежно від методу реплікації, передплатники можуть, або не можуть вносити зміни в репліковані дані. У найпростішому випадку змінювати дані може тільки видавець, у складніших моделях реплікації — передплатники і видавці. Змінені дані, отримані від усіх передплатників, синхронізуються і поєднуються з даними видавця, а потім розсилаються передплатникам.

Моделі реплікації

• реплікація моментальних знімків;
• реплікація транзакцій.

Топологія реплікацій

Топологія реплікацій описує характер взаємозв'язків між учасниками реплікації:

• реплікація «один-до-багатьох» передбачає наявність одного видавця і кількох передплатників;
• реплікація «багато-до-одного» має місце, коли дані від кількох видавців пересилаються одному передплатнику;
• реплікація «багато-до-багатьох» означає, що дані від кількох видавців пересилаються кільком передплатникам.