Теоретическое описание баз данных

Определение и характеристики распределенных систем баз данных

База данных — это организованная структура, предназначенная для хранения информации. В современных базах данных хранятся не только данные, но и информация.

Под распределенной базой данных (Distributed DataBase — DDB) подразумевается база данных, которая включает в себя фрагменты из нескольких баз данных, располагающихся на различных узлах сети компьютеров и могут управляться различными СУБД. Распределенная база данных выглядит с точки зрения пользователей и прикладных программ как обычная локальная база данных. В этом смысле слово «распределенная» отражает способ организации базы данных, но не внешнюю ее характеристику («распределенность» базы данных невидима извне).

К. Дейтом были сформулированы 12 свойств типичной распределенной базы данных:

• 1. Локальная автономия (local autonomy) — управление данными на каждом из узлов распределенной системы выполняется локально. 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; управление ею выполняется локально и независимо от других узлов системы.
• 2. Независимость узлов (no reliance on central site) — все узлы равноправны и независимы, а расположенные на них базы 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.
• 3. Непрерывные операции (continuous operation) — возможность непрерывного доступа к данным (известное «24 часа в сутки, семь дней в неделю») в рамках базы данных вне зависимости от их расположения и вне зависимости от операций, выполняемых на локальных узлах. Это качество можно выразить лозунгом «данные доступны всегда, а операции над ними выполняются непрерывно».
• 4. Прозрачность расположения (location independence) — полную прозрачность расположения данных. Пользователь, обращающийся к базе данных, ничего не должен знать о реальном, физическом размещении данных в узлах информационной системы. Все операции над данными выполняются без учета их местонахождения. Транспортировка запросов к базам данных осуществляется встроенными системными средствами.
• 5. Прозрачная фрагментация (fragmentation independence) — возможность распределенного (то есть на различных узлах) размещения данных, логически представляющих собой единое целое. Существует фрагментация двух типов: горизонтальная и вертикальная. Первая означает хранение строк одной таблицы на различных узлах (фактически, хранение строк одной логической таблицы в нескольких идентичных физических таблицах на различных узлах). Вторая означает распределение столбцов логической таблицы по нескольким узлам.
• 6. Прозрачное тиражирование (replication independence) — возможность переноса изменений между базами данных средствами, невидимыми пользователю распределенной системы. Данное свойство означает, что тиражирование возможно и достигается внутрисистемными средствами.
• 7. Обработка распределенных запросов (distributed query processing) — возможны несколько способов пересылки данных, позволяющих выполнить рассматриваемый запрос.
• 8. Обработка распределенных транзакций (distributed transaction processing) — возможность выполнения операций обновления распределенной базы данных (INSERT, UPDATE, DELETE), которые не разрушают целостность и согласованность данных. Эта цель достигается применением двухфазного протокола фиксации транзакций (two-phase commit protocol), ставшего фактическим стандартом обработки распределенных транзакций. Его применение гарантирует согласованное изменение данных на нескольких узлах в рамках распределенной (или, как ее еще называют, глобальной) транзакции.
• 9. Независимость от оборудования (hardware independence) — в качестве узлов распределенной системы могут выступать компьютеры любых моделей и производителей.
• 10. Независимость от операционных систем (operationg system independence) — многообразие операционных систем, управляющих узлами распределенной системы.
• 11. Прозрачность сети (network independence) — доступ к любым базам данных может осуществляться по сети. Спектр поддерживаемых конкретной СУБД сетевых протоколов не должен быть ограничением системы с распределенными базами данных. Данное качество формулируется максимально широко — в распределенной системе возможны любые сетевые протоколы.
• 12. Независимость от баз данных (database independence) — могут сосуществовать СУБД различных производителей, и возможны операции поиска и обновления в базах данных различных моделей и форматов.

Основой этих правил является то, что распределенная база данных должна восприниматься пользователем точно так же, как и привычная централизованная база данных.

Работу с распределенными базами данных обеспечивают распределенные системы управления баз данных. Распределенная система управления баз данных (РаСУБД) — комплекс программ, предназначенный для управления распределенной базой данных и позволяющий сделать распределенность информации «прозрачной» для конечного пользователя. Из определения РаСУБД следует, что распределенная база данных состоит из нескольких фрагментов, которые могут размещаться на нескольких компьютерах, расположенных в сети и к ней возможен параллельный доступ нескольких пользователей. Назначение обеспечения «прозрачности» состоит в том, чтобы распределенная система внешне вела себя точно так же, как и централизованная. Такое распределение данных позволяет, например, хранить в узле сети те данные, которые наиболее часто используются в этом узле. Такой подход облегчает и ускоряет работу с этими данными и оставляет возможность работать с остальными данными базы данных, хотя для доступа к ним требуется потратить некоторое время на передачу данных по сети.

Основная задача систем управления распределенными базами данных состоит в обеспечении средства интеграции локальных баз данных, располагающихся в некоторых узлах компьютерной сети, с тем, чтобы пользователь, работающий в любом узле сети, имел доступ ко всем этим базам данных как к единой базе данных. При этом должны обеспечиваться: простота использования системы; возможности автономного функционирования при нарушениях связности сети или при административных потребностях; высокая степень эффективности.

Для клиентских приложений распределенная база данных представляется не набором баз, а единым целым. Каждый фрагмент базы данных сохраняется на одном или нескольких компьютерах, которые соединены между собой линиями связи и каждый из них работает под управлением отдельной системой управления базой данных. Пользователь взаимодействует с распределенной базой данной через приложения. Приложения могут быть классифицированы как те, которые требуют доступа к данным на других узлах (локальные приложения), и те, которые требуют подобного доступа (глобальные приложения). В РаСУБД должно существовать хотя бы одно глобальное приложение, поэтому любая РаСУБД должна иметь следующие особенности:

• 1) набор логически связанных разделяемых данных;
• 2) сохраняемые данные разбиты на некоторое количество фрагментов;
• 3) между фрагментами может быть организована репликация данных;
• 4) фрагменты и их реплики распределены по различным узлам;
• 5) узлы связаны между собой сетевыми соединениями;
• 6) работа с данными на каждом узле управляется локальной СУБД.

СУБД на каждом узле способна поддерживать автономную работу локальных приложений.