Dissertação de mestrado em Informatics EngeneeringÀ medida que as aplicações atingem uma maior quantidade de utilizadores, precisam de processar uma crescente quantidade de pedidos. Para além disso, precisam de muitas vezes satisfazer pedidos de utilizadores de diferentes partes do globo, onde
as latências de rede têm um impacto significativo no desempenho em instalações
monolíticas. Portanto, distribuição é uma solução muito procurada para melhorar a
performance das camadas aplicacional e de dados. Contudo, distribuir dados não é
uma tarefa simples se pretendemos assegurar uma forte consistência. Isto leva a que
muitos sistemas de base de dados dependam de protocolos de sincronização pesados,
como two-phase commit, consenso distribuído, bloqueamento distribuído, entre outros,
enquanto que outros sistemas dependem em consistência fraca, não viável para alguns
casos de uso.
Esta tese apresenta o design, implementação e avaliação de duas soluções que
têm como objetivo reduzir o impacto de assegurar garantias de forte consistência
em sistemas de base de dados, especialmente aqueles distribuídos pelo globo. A
primeira é o Primary Semi-Primary, uma arquitetura de base de dados distribuída
com total replicação que permite que as réplicas evoluam independentemente, para
evitar que os clientes precisem de esperar que escritas precedentes que não geram
conflitos sejam propagadas. Apesar das réplicas poderem processar tanto leituras
como escritas, melhorando a escalabilidade, o sistema continua a oferecer garantias de
consistência forte, através do envio da certificação de transações para um nó central.
O seu design é independente de modelos de dados, mas a sua implementação pode
tirar partido do controlo de concorrência nativo oferecido por algumas base de dados,
como é mostrado na implementação usando PostgreSQL e o seu Snapshot Isolation.
Os resultados apresentam várias vantagens tanto em ambientes locais como globais. A
segunda solução são os Multi-Record Values, uma técnica que particiona dinâmicamente
valores numéricos em múltiplos registros, permitindo que escritas concorrentes possam
executar com uma baixa probabilidade de colisão, reduzindo a taxa de abortos e/ou
contenção na adquirição de locks. Garantias de limites inferiores, exigido por objetos
como saldos bancários ou inventários, são assegurados por esta estratégia, ao contrário
de muitas outras alternativas. O seu design é também indiferente do modelo de dados,
sendo que as suas vantagens podem ser encontradas em sistemas SQL e NoSQL, bem
como distribuídos ou centralizados, tal como apresentado na secção de avaliação.As applications reach an wider audience that ever before, they must process larger and larger amounts of requests. In addition, they often must be able to serve users all over the globe, where network latencies have a significant negative impact on
monolithic deployments. Therefore, distribution is a well sought-after solution to
improve performance of both applicational and database layers. However, distributing
data is not an easy task if we want to ensure strong consistency guarantees. This leads
many databases systems to rely on expensive synchronization controls protocols such
as two-phase commit, distributed consensus, distributed locking, among others, while
other systems rely on weak consistency, unfeasible for some use cases.
This thesis presents the design, implementation and evaluation of two solutions
aimed at reducing the impact of ensuring strong consistency guarantees on database
systems, especially geo-distributed ones. The first is the Primary Semi-Primary, a full replication distributed database architecture that allows different replicas to evolve
independently, to avoid that clients wait for preceding non-conflicting updates. Al though replicas can process both reads and writes, improving scalability, the system
still ensures strong consistency guarantees, by relaying transactions’ certifications
to a central node. Its design is independent of the underlying data model, but its
implementation can take advantage of the native concurrency control offered by some
systems, as is exemplified by an implementation using PostgreSQL and its Snapshot
Isolation. The results present several advantages in both throughput and response time,
when comparing to other alternative architectures, in both local and geo-distributed
environments. The second solution is the Multi-Record Values, a technique that dynami cally partitions numeric values into multiple records, allowing concurrent writes to
execute with low conflict probability, reducing abort rate and/or locking contention.
Lower limit guarantees, required by objects such as balances or stocks, are ensure by
this strategy, unlike many other similar alternatives. Its design is also data model
agnostic, given its advantages can be found in both SQL and NoSQL systems, as well
as both centralized and distributed database, as presented in the evaluation section
