Principles of Distributed Database Systems

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Principles of Distributed Database Systems

• ausgearbeitet von
• Rainer Steinlesberger 0026446

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Einleitung
DDBS Netzwerk von Computern (Sites)
Datenbank DDBS Verteilung Integration

Netzwerk
Datenbank

DDBS
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Übersicht

1. Einleitung
2. Was ist ein DDBS?
3. Überblick über relationale DBMS
4. Computer Netzwerke
5. Architektur von DBMS
6. Design einer verteilten Datenbank

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Geschichtlicher Rückblick

• Ende der 60er Anfang der 70er ging man zunehmend
  dazu über Datenbanksysteme zu benutzen, um
• die Datenunabhängigkeit der Anwendungsprogramme
  zu erhöhen,
• transaktionsorientierte Verarbeitung zu
  ermöglichen,
• Mehrbenutzerbetrieb zu realisieren,
• sowie die Recovery-Funktionen zu verbessern.
• Entstehen von Rechenzentren, wodurch die
  Betriebsorganisation zentralisiert wurde!
• Die Datenmenge wuchsen immer weiter an ?
  zusammengehörende Datenbestände wurden auf
• verschiedene Datenbanken verteilt.
• Dadurch entstanden Probleme mit der
  Konsistenthaltung der Daten.
• In den 80iger und 90iger Jahren konnten durch
  Onlineanwendungen bislang getrennte
• Anwendungen und Datenbestände zusammengeführt
  werden.

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Desshalb
wurden integrierte verteilte Informationssysteme
realisiert.
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Definition
A distributed database is a collection of
multiple, logically interrelated databases
distributed over a computer network. A
distributed database management system is the
software that permits the management of the DDBS
and makes the distribution transparent to the
users.
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Zentrale Datenbankin einem Netzwerk
Boston
Edmonton
Communication Network
Paris
San Francisco
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Verteilte Datenbankstruktur
Edmonton
Boston

• Edmonton Angestellte
• Paris Projekte
• Edmont Projekte

• Boston Angestellte
• Paris Angestellte
• Boston Projekte

Communication Network
San Francisco
Paris

• Paris Angestellte
• Paris Projekte
• Boston Angestellte
• Boston Projekte

• San Francisco Angestellte
• San Francisco Projekte

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Transparentes Management

• Datenunabhängigkeit
• Netzwerk Transparenz
• Replizierungs- bzw. Kopiertransparenz
• Fragmentierungstransparenz

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Verbesserte Leistung

• Ein DBMS teilt die Datenbank und erlaubt es den
  Daten somit sehr sehr nahe ihrem Ort, wo sie
  gebraucht werden, gespeichert zu werden.
• dies hat 2 Vorteile
• Seit jeder Knoten einen Teil der Daten bewältigt,
  ist der Kampf um Ressourcen wie CPU nicht mehr so
  wichtig wie in zentralisierten Datenbanken
• Lokalisierung vermindert die Verzögerung bei
  entfernten Aufrufen

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Probleme

• Verteiltes Datenbank-Design
• Verteilte Suchprozesse
• Verteiltes Verzeichnis-Management
• Verteilte Konkurrenzkontrolle
• Verteiltes Deadlock Management
• Betriebssystem-Unterstützung
• Heterogene Datenbanken

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3. Relationale DBMS
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Relationen

• Def. in Beziehung stehend....
• Relationen sind 2dimensonale Tabellen von Werten

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1. Normalform
O-------------------------------------------------
-----------------------------------------------O
Vorlesungen
Verantwortliche
Hörer Bewert. O----------------------
--------------------------------------------------
------------------------O Vorl.Nr. Vorl.Name
Hörs. Vorn. Nachn. Nr. Vorn.
Nachn. Matr.Nr. Note O------------------------
--------------------------------------------------
----------------------O 3721
Informatik HS1 130 Alan Kurow 102
Fritz Maier 8610826 2 3721
Informatik HS1 130 Alan Kurow 102
Fritz Müller 8510721 5 3721
Informatik HS1 130 Franz Girke 108
Fritz Maier 8610826 3 3721
Informatik HS1 130 Franz Girke 108
Fritz Müller 8510721 4 3721
Informatik HS1 130 Franz Girke 108
Hans Schuh 8610933 1
O-------------------------------------------------
--------------------------------------------------
-O Vorlesungen
Verantwortliche
Hörer Bewert. O--------------
--------------------------------------------------
------------------------------------O Vorl.Nr.
Vorl.Name HS HS-Gr. Vorn. Nachn. Nr.
Vorn. Nachn. Matr.-Nr. Note O------------
--------------------------------------------------
--------------------------------------O 3721
Informatik HS1 130 Alan Kurow
102 Fritz Maier 8610826 2 3721
Informatik HS1 130 Alan Kurow
102 Fritz Müller 8510721 5 3721
Informatik HS1 130 Franz Girke
108 Fritz Maier 8610826 3 3721
Informatik HS1 130 Franz Girke
108 Fritz Müller 8510721 4
3721 Informatik HS1 130 Franz
Girke 108 Hans Schuh 8610933 1
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2. Normalform

• Die 2. Normalform vermeidet partielle funktionale
  Abhängigkeiten (diese bewirken Redundanzen). Eine
  partielle funktionale Abhängigkeit besteht, wenn
  Attribute (die nicht Schlüsselkandidaten sind)
  funktional schon von einem Teil des Schlüssels
  abhängen. Die zweite Normalform kann durch
  Elimination der abhängigen Attribute und
  Auslagerung in eine eigene Relation erreicht
  werden.
• Der Primärschlüssel besteht aus dem
  Attributetupel (Vorlesungsnummer,
  Verantwortlichennummer, Matrikelnummer)
• Wir zerlegen nun die Relation in vier Relationen,
  die dann in 2. Normalform sind.

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2. Normalform

• O-------------------------------------------O
• V.-Nr. Ver.-Nr. Matr.-Nr. Bewertung
• O-------------------------------------------O
• 3721 102 8610826 2
• 3721 102 8610721 5
• 3721 108 8610826 3
• 3721 108 8610721 4
• 3721 108 8610933 1

• O------------------------------------O
• Hörsaal
• V.-Nr. V.-Name Bez. Größe
• O------------------------------------O
• Informatik HS1 130
• 3722 Informatik HS4 140

O-------------------------------O Ver.-Nr.
Vorname Nachname O-----------------------------
-O 102 Alan Kurow 108
Franz Girke
O----------------------------------O Matr.-Nr.
H.-Vorn. H.-Nachn. O--------------------------
--------O 8610826 Fritz Maier
8610721 Fritz Müller 8610933
Hans Schuh
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3. Normalform
Eine Relation ist in dritter Normalform, wenn sie
in 2. Normalform ist und es kein Attribut,
welches nicht Teil des Schlüssels ist, gibt,
welches transitiv vom Schlüssel abhängt.

• O-------------------------------------------O
• V.-Nr. V.-Name Hörsaal-Bezeichnung
• O-------------------------------------------O
• Informatik HS1
• Informatik HS4
• O-------------------------------------O
• Hörsaal-Bezeichnung Hörsaal-Größe
• O-------------------------------------O
• HS1 130
• HS4 140

• O------------------------------------O
• Hörsaal
• V.-Nr. V.-Name Bez. Größe
• O------------------------------------O
• Informatik HS1 130
• 3722 Informatik HS4 140

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Relationale Daten Sprache

• Relationale Algebra
• Verknüpft konstruktiv die vorhandenen
  Relationen durch Operatoren wie n,?,...
• Relationaler Kalkulus
• Beschreibt Eigenschaften des gewünschten
  Ergebnisses mit Hilfe einer Formel der
  Prädikatenlogik 1. Stufe unter Verwendung von
  ?,?,?,?,,...

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Relationale Algebra

• Selection
• Projection
• Union
• Set Difference
• Cartesian Product
• Intersection
• ..........

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Einige Beispiele...

• Selection Semestergt10(Studenten)
• ?Name(Studenten) ...... Projektion
• ?Name (Studenten) ? ?Name(Professoren) (2
  Relationen mit gleichem Schema)
• ?Name (Studenten) - ?Name(Geprüft) (2
  Relationen mit gleichem Schema)

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Relationaler Kalkulus

• Tupelkalkül
• t F(t)
• pp ? Professoren ? p.Alter 35
• Bereichskalkül
• v1, v2,..., vn P(v1, v2,..., vn)

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4. Netzwerk
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4. Netzwerk
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Topologien im Überblick...
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(No Transcript)
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OSI-Referenzmodell
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5. Architektur von DBMS
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5. Architektur von DBMS

• Die Idee hinter dem ANSI/SPARC Modell ist die
  Datenunabhängigkeit der Daten gegenüber
  Veränderungen der Speicherstrukturen.
• Das DBMS ist eine Schnittstelle zu den Daten.

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Architekturmodell
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Architektur von DBMS

• Client - Server Architektur
• Verteilte Datenbank Architektur
• Multi Datenbank Architektur

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Client/Server Architektur

• Hier gibt es typischerweise einen zentralen
  Datenbank-Server und eine größere Anzahl
  vernetzter Arbeitsplatzrechner, die keine
  relevanten Daten speichern. Der Benutzer am
  Arbeitsplatzrechner sieht die volle
  Funktionalität des DBMS. Das System verhält sich
  wie ein zentrales Datenbanksystem, die
  Kommunikation ist für den Benutzer transparent

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Verteiltes Datenbanksystem

• Hier gibt es mehrere Datenbankserver, wobei
  bestimmte Daten auf nur einem Rechner oder auch
  auf mehreren (replizit) gespeichert sein können.
• Eine virtuelle Datenbank, deren Komponenten
  physisch in einer Anzahl unterschiedlicher, real
  existierender DBMS abgebildet werden.
• Transaktionen können in diesem Fall über mehrere
  DBMS laufen.
• Sammlung von Daten, die
• Aufgrund gemeinsamer, verknüpfender Eigenschaften
  dem gleichen System angehören
• Auf versch. Rechnern im Netzwerk verteilt sind
• Wobei jeder Rechner seine eigene Datenbank
  besitzt
• Autonom lokal Aufgaben abwickeln kann

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Verteiltes Datenbanksystem
- gleichzeitige Benutzung der Rechenleistung
mehrerer Rechner - Engpaß in zentralen
Datenbanksystemen bei Zugriff auf die Daten wird
vermieden, da die Daten verteilt sind (ggf.
repliziert) - Daten werden von einem
Datenbanksystem verwaltet - Verteilungstransparenz
- Grundlage 4-Ebenen-Schema-Architektur
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Verteiltes Datenbanksystem
externes Schema 1
externes Schema N
. . .
konzeptionelles Schema
lokales konzept. Schema
lokales konzept. Schema
lokales konzept. Schema
. . .
lokales internes Schema
lokales internes Schema
lokales internes Schema
. . .
4 - Ebenen - Schema - Architektur
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Multidatenbanksystem

• - Ein MDBS ist ein Verbund von mehreren
  Datenbanksystemen.
• - Das Konzeptionelle Schema repräsentiert nur den
  Teil von Daten, den die lokalen DBMS teilen
  wollen.
• - Auf jedes DBS können lokale Anwendungen
  zugreifen.
• - Jedes DBS kann Daten enthalten, welche keine
  Beziehung zu Daten anderer DBS haben.

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Multidatenbanksystem
GES
GES
GES
LES
LES
LES
LES
LES
LES
GKS
LKS 1
LKS n
...
...
LIS 1
LIS n
Modell mit globalem konzeptionellem Schema
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Multidatenbanksystem
ES 1
ES 2
ES 3
MDB-Schicht
Lokale System -Schicht
LKS 1
LKS 3
LKS 2
LIS 1
LIS 3
LIS 2
Modell ohne globales konzeptionelles Schema
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6. Design
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6. Design

• Entwurfsmethodik
• top-down von den Anforderungen zum
  Systementwurf geeignet für Neuentwicklungen.
• bottom-up Integration bestehender Datenbanken zu
  einer verteilten typisch bei heterogenen
  Datenbanken.

• Datenverteilung
• Fragmentierung der Daten zur Bildung logischer
  Einheiten,
• Verteilung der Fragmente auf den Sites
  Allokation aller Fragmente an jeder Site (volle
  Replikation) oder jedes Fragment an mehr als
  einer Site (partielle Replikation) oder jedes
  Fragment an genau einer Site (Partitionierung).

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• Die Trennung von Fragmentierung und Allokation
  dient der Vereinfachung des Entwurf.
• Globales Schema Definition der Relationen eines
  vDBS ohne Berücksichtigung der Verteilung,
• Fragmentierungsschema Definition der Abbildung
  zwischen globalen Relationen und Fragmenten,
• Allokationsschema Definition der Abbildung
  zwischen Fragmenten und Sites.

• Der Zugriff zu den Daten soll hinsichtlich
  Fragmentierung, Lokation, und Replikation
  transparent sein.

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R1
R1,1
S1
R2
R2,1
R
R1,2
R3
R4
Globale Relation
S2
R2,2
Fragmente
Fragmente und ihre Allokation
Allokation an den Sites
R3,3
S3
R4,3
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Beispiel
horizontale Fragmentierung
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Beispiel
abgeleitete horizontale Fragmentierung
44
Beispiel
vertikale Fragmentierung
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Allokation

• Sei F F1, ..., Fn eine Menge von Fragmenten,
  S S1, ..., Sm ein Netzwerk gegeben durch die
  Menge seiner Sites, und Q Q1, ..., Qp die
  Menge der relevanten Anwendungen.
• Allokationsproblem
• Was ist die optimale Zuordnung von F zu S bzgl.
  Q?
• Optimaltätskriterium
• Minimalität der Kosten gegeben durch die
  Speicherkosten der Fi an den Sites Sj, der
  Anfragekosten für Fi an Site Sj, der
  Änderungskosten der Fi an allen Sites an den sie
  gespeichert sind, und die Kosten der
  Datenkommunikation.
• Performanz im Sinne von Antwortzeiten oder
  Systemdurchsatz.

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Ende