Архитектурные проблемы
Существует множество альтернатив распределенной обработки. Наиболее популярна в настоящее время архитектура клиент-сервер [Orfali et al., 1994], когда множество машин-клиентов осуществляют доступ к одному серверу баз данных. В таких системах, которые можно определить как системы типа много-клиентов/один-сервер, проблемы управления базой данных решаются относительно просто, поскольку вся она хранится на одном сервере. Задачи, с которыми приходится здесь сталкиваться, – это управление буферами клиентов, кэширование данных и, возможно, блокировки. Управление данными реализуется централизованно на одном сервере.
Более распределенной и более гибкой является архитектура типа много-клиентов/много-серверов, когда база данных размещена на нескольких серверах, которым, для того чтобы вычислить результат пользовательского запроса или выполнить транзакцию, необходимо взаимодействовать друг с другом. Каждая клиентская машина имеет свой "домашний" сервер; ему она направляет пользовательские запросы. Взаимодействие серверов друг с другом прозрачно для пользователей. В большинстве существующих СУБД реализован один из этих двух типов архитектуры клиент-сервер.
В истинно распределенной СУБД клиентские и серверные машины не различаются. В идеале каждый узел может выступать и как клиент, и как сервер. Такие архитектуры, тип которых определяют как равный-к-равному (peer-to-peer), требуют сложных протоколов управления данными, распределенными по нескольким узлам. Предложение продуктов такого вида задерживается из-за сложности необходимого для их реализации программного обеспечения.
Архитектуры параллельных систем варьируются между двумя крайними точками, называемыми архитектура без разделяемых ресурсов (shared-nothing) и архитектура с разделяемой памятью (shared-memory). Промежуточную позицию занимает архитектура с разделяемыми дисками (shared-disk).
При использовании подхода без разделяемых ресурсов каждый процессор имеет мнопольный доступ к собственной оперативной памяти и к набору дисков.
Таким образом, каждый узел можно рассматривать как локальную машину (со своей базой данной и своим программным обеспечением) в распределенной системе баз данных. Разница между параллельными СУБД без разделяемых ресурсов и распределенными СУБД, по существу, сводится к различию платформ реализации; поэтому большинство решений, разработанных для распределенных баз данных, можно с успехом применять и для параллельных баз данных этого типа. Архитектуры без разделяемых ресурсов обладают тремя важнейшими преимуществами: низкие затраты, расширяемость, высокая доступность. Наиболее существенные характерные для них проблемы – сложность реализации и (потенциальные) трудности соблюдения балансировки нагрузки.
Примерами систем параллельных баз данных являются продукты DBC (Teradata) и NonStop-SQL (Tandem), а также ряд прототипов, таких как BUBBA [Boral et al., 1990], EDS [EDS, 1990], GAMMA [DeWitt et al., 1990], GRACE [Fushimi et al., 1986], PRISMA [Apers et al., 1992] и ARBRE [Lorie et al., 1989].
Подход c разделяемой памятью заключается в том, что каждый процессор посредством быстрых линий связи (высокоскоростных шин или координатных коммутаторов) соединен со всеми модулями памяти и дисковыми устройствами. Существуют несколько типов мэйнфреймов, следующих этому подходу: IBM3090, DPS8 (Bull), а также симметричные многопроцессорные системы типа Sequent и Encore. Две сильные стороны систем с разделяемой памятью – простота и хорошая балансировка нагрузки. Три наиболее существенные проблемы, связанные с этим подходом, – стоимость, ограниченная масштабируемость, невысокая надежность.
К системам параллельных баз данных с разделяемой памятью относятся XPRS [Stonebraker et al., 1988], DBS3 [Bergsten et al., 1991] и Volcano [Graefe, 1990], а также перенесенные на мультипроцессоры с разделяемой памятью наиболее известные промышленные СУБД. Первым примером такой системы была реализация СУБД DB2 на IBM3090 с шестью процессорами. Во всех известных на сегодня коммерческих продуктах (таких как Ingres и Oracle) используется только межзапросный (но не внутризапросный) параллелизм.
В системах с разделяемыми дисками каждый процессор имеет доступ к любому дисковому устройству посредством специальных соединений и монопольный доступ к своей собственной оперативной памяти. Таким образом, каждый процессор может прочитать любые страницы базы данных и запомнить их в своем кэше. Во избежание конфликтов при доступе к одним и тем же страницам необходимы механизмы глобального блокирования и протоколы согласования кэшей. Подход, основанный на разделении дисков, имеет следующие преимущества: низкие затраты, масштабируемость, хорошая балансировка нагрузки, высокая доступность, простота миграции с однопроцессорных систем. В то же время с ними связаны и определенные трудности: сложность системы, потенциальные проблемы производительности.
Примеры параллельных СУБД с разделяемыми дисками: продукт IMS/VS Data Sharing (IBM), а также продукты VAX DBMS и Rdb компании DEC. Реализация Oracle на компьютерах VAXcluster (DEC) и NCUBE также использует разделение дисков, поскольку этот подход требует минимальных расширений в ядре СУБД. Отметим, что во всех этих системах применяется только межзапросный параллелизм.
