Tese de Doutoramento em Informática - Ramo do Conhecimento em Tecnologias da ProgramaçãoEnterprise information systems are nowadays commonly structured as multi-tier
architectures and invariably built on top of database management systems responsible
for the storage and provision of the entire business data. Database management
systems therefore play a vital role in today’s organizations, from their reliability
and availability directly depends the overall system dependability.
Replication is a well known technique to improve dependability. By maintaining
consistent replicas of a database one can increase its fault tolerance and simultaneously
improve system’s performance by splitting the workload among the
replicas.
In this thesis we address these issues by exploiting the partial replication of databases.
We target large scale systems where replicas are distributed across wide
area networks aiming at both fault tolerance and fast local access to data. In particular,
we envision information systems of multinational organizations presenting
strong access locality in which fully replicated data should be kept to a minimum
and a judicious placement of replicas should be able to allow the full recovery of
any site in case of failure.
Our research departs from work on database replication algorithms based on group
communication protocols, in detail, multi-master certification-based protocols. At
the core of these protocols resides a total order multicast primitive responsible for
establishing a total order of transaction execution.
A well known performance optimization in local area networks exploits the fact
that often the definitive total order of messages closely following the spontaneous
network order, thus making it possible to optimistically proceed in parallel with
the ordering protocol. Unfortunately, this optimization is invalidated in wide area
networks, precisely when the increased latency would make it more useful. To
overcome this we present a novel total order protocol with optimistic delivery for
wide area networks. Our protocol uses local statistic estimates to independently
order messages closely matching the definitive one thus allowing optimistic execution
in real wide area networks.
Handling partial replication within a certification based protocol is also particularly
challenging as it directly impacts the certification procedure itself. Depending
on the approach, the added complexity may actually defeat the purpose
of partial replication. We devise, implement and evaluate two variations of the
Database State Machine protocol discussing their benefits and adequacy with the
workload of the standard TPC-C benchmark.Os sistemas de informação empresariais actuais estruturam-se normalmente em
arquitecturas de software multi-nível, e apoiam-se invariavelmente sobre um sistema
de gestão de bases de dados para o armazenamento e aprovisionamento de
todos os dados do negócio. A base de dado desempenha assim um papel vital,
sendo a confiabilidade do sistema directamente dependente da sua fiabilidade e
disponibilidade.
A replicação é uma das formas de melhorar a confiabilidade. Garantindo a coerência
de um conjunto de réplicas da base de dados, é possível aumentar simultaneamente
a sua tolerância a faltas e o seu desempenho, ao distribuir as tarefas a
realizar pelas várias réplicas não sobrecarregando apenas uma delas.
Nesta tese, propomos soluções para estes problemas utilizando a replicação parcial
das bases de dados. Nos sistemas considerados, as réplicas encontram-se
distribuídas numa rede de larga escala, almejando-se simultaneamente obter tolerância
a faltas e garantir um acesso local rápido aos dados. Os sistemas propostos
têm como objectivo adequarem-se às exigências dos sistemas de informação de
multinacionais em que em cada réplica existe uma elevada localidade dos dados
acedidos. Nestes sistemas, os dados replicados em todas as réplicas devem ser
apenas os absolutamente indispensáveis, e a selecção criteriosa dos dados a colocar
em cada réplica, deve permitir em caso de falha a reconstrução completa da
base de dados.
Esta investigação tem como ponto de partida os protocolos de replicação de bases
de dados utilizando comunicação em grupo, em particular os baseados em certificação
e execução optimista por parte de qualquer uma das réplicas. O mecanismo
fundamental deste tipo de protocolos de replicação é a primitiva de difusão
com garantia de ordem total, utilizada para definir a ordem de execução das
transacções.
Uma optimização normalmente utilizada pelos protocolos de ordenação total é a
utilização da ordenação espontânea da rede como indicador da ordem das mensagens,
e usar esta ordem espontânea para processar de forma optimista as mensagens
em paralelo com a sua ordenação. Infelizmente, em redes de larga escala
a espontaneidade de rede é praticamente residual, inviabilizando a utilização
desta optimização precisamente no cenário em que a sua utilização seria mais
vantajosa. Para contrariar esta adversidade propomos um novo protocolo de ordenação
total com entrega optimista para redes de larga escala. Este protocolo
utiliza informação estatística local a cada processo para "produzir" uma ordem
espontânea muito mais coincidente com a ordem total obtida viabilizando a utilização
deste tipo de optimizações em redes de larga escala. Permitir que protocolos de replicação de bases de dados baseados em certificação
suportem replicação parcial coloca vários desafios que afectam directamente a
forma com é executado o procedimento de certificação. Dependendo da abordagem
à replicação parcial, a complexidade gerada pode até comprometer os
propósitos da replicação parcial. Esta tese concebe, implementa e avalia duas variantes
do protocolo da database state machine com suporte para replicação parcial,
analisando os benefícios e adequação da replicação parcial ao teste padronizado
de desempenho de bases de dados, o TPC-C.Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT) - ESCADA (POSI/CHS/33792/2000)
