Cơ sở dữ liệu - Chapter 20: Database system architectures

Database System Concepts, 5th Ed. ©Silberschatz, Korth and Sudarshan See www.db­book.com for conditions on re­use  Chapter 20: Database System Architectures  Version: Oct 5, 2006 ©Silberschatz, Korth and Sudarshan20.Database System Concepts ­ 5th Edition Chapter 20:  Database System Architectures n Centralized and Client­Server Systems n Server System Architectures n Parallel Systems n Distributed Systems n Network Types ©Silberschatz, Korth and Sudarshan20.Database System Concepts ­ 5th Edition Centralized Systems n Run on a single computer system and do not interact with other  computer systems. n General­purpose computer system: one to a few CPUs and a number  of device controllers that are connected through a common bus that  provides access to shared memory. n Single­user system (e.g., personal computer or workstation): desk­top  unit, single user, usually has only one CPU  and one or two hard  disks; the OS may support only one user. n Multi­user system: more disks, more memory, multiple CPUs, and a  multi­user OS. Serve a large number of users who are connected to  the system vie terminals. Often called server systems. ©Silberschatz, Korth and Sudarshan20.Database System Concepts ­ 5th Edition A Centralized Computer System ©Silberschatz, Korth and Sudarshan20.Database System Concepts ­ 5th Edition Client­Server Systems n Server systems satisfy requests generated at m client systems, whose general  structure is shown below: ©Silberschatz, Korth and Sudarshan20.Database System Concepts ­ 5th Edition Client­Server Systems (Cont.) n Database functionality can be divided into: l Back­end: manages access structures, query evaluation and  optimization, concurrency control and recovery. l Front­end: consists of tools such as forms, report­writers, and  graphical user interface facilities. n The interface between the front­end and the back­end is through SQL or  through an application program interface. ©Silberschatz, Korth and Sudarshan20.Database System Concepts ­ 5th Edition Client­Server Systems (Cont.) n Advantages of replacing mainframes with networks of workstations or  personal computers connected to back­end server machines: l better functionality for the cost l flexibility in locating resources and expanding facilities l better user interfaces l easier maintenance ©Silberschatz, Korth and Sudarshan20.Database System Concepts ­ 5th Edition Server System Architecture n Server systems can be broadly categorized into two kinds: l transaction servers which are widely used in relational database  systems, and l data servers, used in object­oriented database systems ©Silberschatz, Korth and Sudarshan20.Database System Concepts ­ 5th Edition Transaction Servers n Also called query server systems or SQL server systems l Clients send requests to the server l Transactions are executed at the server l Results are shipped back to the client. n Requests are specified in SQL, and communicated to the server  through a remote procedure call (RPC) mechanism. n Transactional RPC allows many RPC calls to form a transaction. n Open Database Connectivity (ODBC) is a C language application  program interface standard from Microsoft for connecting to a server,  sending SQL requests, and receiving results. n JDBC standard is similar to ODBC, for Java ©Silberschatz, Korth and Sudarshan20.Database System Concepts ­ 5th Edition Transaction Server Process Structure n A typical transaction server consists of multiple processes accessing  data in shared memory. n Server processes l These receive user queries (transactions), execute them and send  results back l Processes may be multithreaded, allowing a single process to  execute several user queries concurrently l Typically multiple multithreaded server processes n Lock manager process l More on this later n Database writer process l Output modified buffer blocks to disks continually ©Silberschatz, Korth and Sudarshan20.Database System Concepts ­ 5th Edition Transaction Server Processes (Cont.) n Log writer process l Server processes simply add log records to log record buffer l Log writer process outputs log records to stable storage.  n Checkpoint process l Performs periodic checkpoints n Process monitor process l Monitors other processes, and takes recovery actions if any of the other  processes fail  E.g. aborting any transactions being executed by a server process  and restarting it ©Silberschatz, Korth and Sudarshan20.Database System Concepts ­ 5th Edition Transaction System Processes (Cont.) ©Silberschatz, Korth and Sudarshan20.Database System Concepts ­ 5th Edition Transaction System Processes (Cont.) n Shared memory contains shared data  l Buffer pool l Lock table l Log buffer l Cached query plans (reused if same query submitted again) n All database processes can access shared memory n To ensure that no two processes are accessing the same data structure  at the same time, databases systems implement mutual exclusion  using either l Operating system semaphores l Atomic instructions such as test­and­set n To avoid overhead of interprocess communication for lock  request/grant, each database process operates directly on the lock  table  l instead of sending requests to lock manager process n Lock manager process still used for deadlock detection ©Silberschatz, Korth and Sudarshan20.Database System Concepts ­ 5th Edition Data Servers n Used in high­speed LANs, in cases where l The clients are comparable in processing power to the server l The tasks to be executed are compute intensive. n Data are shipped to clients where processing is performed, and then  shipped results back to the server. n This architecture requires full back­end functionality at the clients. n Used in many object­oriented database systems  n Issues: l Page­Shipping versus Item­Shipping l Locking l Data Caching l Lock Caching ©Silberschatz, Korth and Sudarshan20.Database System Concepts ­ 5th Edition Data Servers (Cont.) n Page­shipping versus item­shipping l Smaller unit of shipping ⇒ more messages l Worth prefetching related items along with requested item l Page shipping can be thought of as a form of prefetching n Locking l Overhead of requesting and getting locks from server is high due  to message delays l Can grant locks on requested and prefetched items; with page  shipping, transaction is granted lock on whole page. l Locks on a prefetched item can be P{called back} by the server,  and returned by client transaction if the prefetched item has not  been used.   l Locks on the page can be deescalated to locks on items in the  page when there are lock conflicts. Locks on unused items can  then be returned to server. ©Silberschatz, Korth and Sudarshan20.Database System Concepts ­ 5th Edition Data Servers (Cont.) n Data Caching l Data can be cached at client even in between transactions l But check that data is up­to­date before it is used (cache coherency) l Check can be done when requesting lock on data item n Lock Caching l Locks can be retained by client system even in between transactions l Transactions can acquire cached locks locally, without contacting  server l Server calls back locks from clients when it receives conflicting lock  request.  Client returns lock once no local transaction is using it. l Similar to deescalation, but across transactions. ©Silberschatz, Korth and Sudarshan20.Database System Concepts ­ 5th Edition Parallel Systems n Parallel database systems consist of multiple processors and multiple  disks connected by a fast interconnection network. n A coarse­grain parallel machine consists of a small number of  powerful processors n A massively parallel or fine grain parallel machine utilizes  thousands of smaller processors. n Two main performance measures: l throughput ­­­ the number of tasks that can be completed in a  given time interval l response time ­­­ the amount of time it takes to complete a single  task from the time it is submitted ©Silberschatz, Korth and Sudarshan20.Database System Concepts ­ 5th Edition Speed­Up and Scale­Up n Speedup: a fixed­sized problem executing on a small system is given  to a system which is N­times larger. l Measured by: speedup = small system elapsed time                   large system elapsed time l Speedup is linear if equation equals N. n Scaleup: increase the size of both the problem and the system l N­times larger system used to perform N­times larger job l Measured by: scaleup = small system small problem elapsed time                    big system big problem elapsed time  l Scale up is linear if equation equals 1. ©Silberschatz, Korth and Sudarshan20.Database System Concepts ­ 5th Edition Speedup Speedup ©Silberschatz, Korth and Sudarshan20.Database System Concepts ­ 5th Edition Scaleup Scaleup ©Silberschatz, Korth and Sudarshan20.Database System Concepts ­ 5th Edition Batch and Transaction Scaleup n Batch scaleup: l A single large job; typical of most decision support queries and  scientific simulation. l Use an N­times larger computer on N­times larger problem. n Transaction scaleup: l Numerous small queries submitted by independent users to a  shared database; typical transaction processing and timesharing  systems. l N­times as many users submitting requests (hence, N­times as  many requests) to an N­times larger database, on an N­times  larger computer. l Well­suited to parallel execution. ©Silberschatz, Korth and Sudarshan20.Database System Concepts ­ 5th Edition Factors Limiting Speedup and Scaleup Speedup and scaleup are often sublinear due to: n Startup costs: Cost of starting up multiple processes may dominate  computation time, if the degree of parallelism is high. n Interference:  Processes accessing shared resources (e.g.,system  bus, disks, or locks) compete with each other, thus spending time  waiting on other processes, rather than performing useful work. n Skew: Increasing the degree of parallelism increases the variance in  service times of parallely executing tasks.  Overall execution time  determined by slowest of parallely executing tasks. ©Silberschatz, Korth and Sudarshan20.Database System Concepts ­ 5th Edition Interconnection Network Architectures n Bus. System components send data on and receive data from a single  communication bus; l Does not scale well with increasing parallelism. n Mesh. Components are arranged as nodes in a grid, and each  component is connected to all adjacent components l Communication links grow with growing number of components,  and so scales better.   l But may require 2√n hops to send message to a node (or √n with  wraparound connections at edge of grid). n Hypercube.  Components are numbered in binary;  components are  connected to one another if their binary representations differ in  exactly one bit. l n components are connected to log(n) other components and can  reach each other via at most log(n) links; reduces communication  delays. ©Silberschatz, Korth and Sudarshan20.Database System Concepts ­ 5th Edition Interconnection Architectures ©Silberschatz, Korth and Sudarshan20.Database System Concepts ­ 5th Edition Parallel Database Architectures n Shared memory ­­ processors share a common memory n Shared disk ­­ processors share a common disk n Shared nothing ­­ processors share neither a common memory nor  common disk n Hierarchical ­­ hybrid of the above architectures ©Silberschatz, Korth and Sudarshan20.Database System Concepts ­ 5th Edition Parallel Database Architectures ©Silberschatz, Korth and Sudarshan20.Database System Concepts ­ 5th Edition Shared Memory n Processors and disks have access to a common memory, typically via  a bus or through an interconnection network. n Extremely efficient communication between processors — data in  shared memory can be accessed by any processor without having to  move it using software. n Downside – architecture is not scalable beyond 32 or 64 processors  since the bus or the interconnection network becomes a bottleneck n Widely used for lower degrees of parallelism (4 to 8). ©Silberschatz, Korth and Sudarshan20.Database System Concepts ­ 5th Edition Shared Disk n All processors can directly access all disks via an interconnection  network, but the processors have private memories. l The memory bus is not a bottleneck l Architecture provides a degree of fault­tolerance — if a processor  fails, the other processors can take over its tasks since the database  is resident on disks that are accessible from all processors. n Examples:  IBM Sysplex and DEC clusters (now part of Compaq)  running Rdb (now Oracle Rdb) were early commercial users  n Downside: bottleneck now occurs at interconnection to the disk  subsystem. n Shared­disk systems can scale to a somewhat larger number of  processors, but communication between processors is slower. ©Silberschatz, Korth and Sudarshan20.Database System Concepts ­ 5th Edition Shared Nothing n Node consists of a processor, memory, and one or more disks.  Processors at one node  communicate with another processor at  another node using an interconnection network. A node functions as  the server for the data on the disk or disks the node owns. n Examples: Teradata, Tandem, Oracle­n CUBE n Data accessed from local disks (and local memory accesses)  do not  pass through interconnection network, thereby minimizing the  interference of resource sharing. n Shared­nothing multiprocessors can be scaled up to thousands of  processors without interference. n Main drawback: cost of communication and non­local disk access;  sending data involves software interaction at both ends. ©Silberschatz, Korth and Sudarshan20.Database System Concepts ­ 5th Edition Hierarchical n Combines characteristics of shared­memory, shared­disk, and shared­ nothing architectures. n Top level is a shared­nothing architecture –  nodes connected by an  interconnection network, and do not share disks or memory with each  other. n Each node of the system could be a shared­memory system with a  few processors. n Alternatively, each node could be a shared­disk system, and each of  the systems sharing a set of disks could be a shared­memory system. n Reduce the complexity of programming such systems by distributed  virtual­memory architectures l Also called non­uniform memory architecture (NUMA) ©Silberschatz, Korth and Sudarshan20.Database System Concepts ­ 5th Edition Distributed Systems n Data spread over multiple machines (also referred to as sites or  nodes). n Network interconnects the machines n Data shared by users on multiple machines ©Silberschatz, Korth and Sudarshan20.Database System Concepts ­ 5th Edition Distributed Databases n Homogeneous distributed databases l Same software/schema on all sites, data may be partitioned  among sites l Goal: provide a view of a single database, hiding details of  distribution n Heterogeneous distributed databases l Different software/schema on different sites l Goal: integrate existing databases to provide useful functionality n Differentiate between local and global transactions l A local transaction accesses data in the single site at which the  transaction was initiated. l A global transaction either accesses data in a site different from  the one at which the transaction was initiated or accesses data in  several different sites. ©Silberschatz, Korth and Sudarshan20.Database System Concepts ­ 5th Edition Trade­offs in Distributed Systems n Sharing data – users at one site able to access the data residing at  some other sites. n Autonomy – each site is able to retain a degree of control over data  stored locally. n Higher system availability through redundancy — data can be  replicated at remote sites, and system can function even if a site fails. n Disadvantage: added complexity required to ensure proper  coordination among sites. l Software development cost. l Greater potential for bugs. l Increased processing overhead. ©Silberschatz, Korth and Sudarshan20.Database System Concepts ­ 5th Edition Implementation Issues for Distributed  Databases  n Atomicity needed even for transactions that update data at multiple sites n The two­phase commit protocol (2PC) is used to ensure atomicity l Basic idea:  each site executes transaction until just before commit,  and the leaves final decision to a coordinator l Each site must follow decision of coordinator, even if there is a failure  while waiting for coordinators decision n 2PC is not always appropriate:  other transaction models based on  persistent messaging, and workflows, are also used  n Distributed concurrency control (and deadlock detection) required n Data items may be replicated to improve data availability n Details of above in Chapter 22 ©Silberschatz, Korth and Sudarshan20.Database System Concepts ­ 5th Edition Network Types n Local­area networks (LANs) – composed of processors that are  distributed over small geographical areas, such as a single building or  a few adjacent buildings.  n Wide­area networks (WANs) – composed of processors distributed  over a large geographical area. ©Silberschatz, Korth and Sudarshan20.Database System Concepts ­ 5th Edition Networks Types (Cont.) n WANs with continuous connection (e.g. the Internet) are needed for  implementing distributed database systems n Groupware applications such as Lotus notes can work on WANs with  discontinuous connection: l Data is replicated. l Updates are propagated to replicas periodically. l Copies of data may be updated independently. l Non­serializable executions can thus result. Resolution is  application dependent.    Database System Concepts, 5th Ed. ©Silberschatz, Korth and Sudarshan See www.db­book.com for conditions on re­use  End of Chapter