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Banco de Dados
Distribuído
Profa. Danielle Filgueiras

Banco de Dados Distribuído
 Um sistema de Banco de Dados Distribuído (BDD)
consiste em uma coleção de nós, cada qual podendo
participar na execução de transações que acessam
dados em um ou mais nós.
 Em um sistema de banco de dados distribuído, o banco
de dados é armazenado em diversos computadores
(nós). Os computadores, em um sistema distribuído,
comunicam-se uns com os outros por intermédio de
vários meios de comunicação, tais como redes de alta
velocidade ou linhas de telefone. Eles não compartilham
a memória principal e o relógio.

Profa. Danielle Filgueiras 2

 Os processadores em um sistema distribuído
podem variar em tamanho e função, podendo
incluir microcomputadores, estações de
trabalho, minicomputadores e sistemas de
computadores de uso em geral. Estes
processadores são geralmente chamados de
nós, dependendo do contexto no qual eles
estejam mencionados. Usa-se principalmente o
termo nó (lugar, posição), a fim de enfatizar a
distribuição física destes sistemas.


 A diferença principal entre sistemas de
bancos de dados centralizados e
distribuídos é que no primeiro os dados
estão localizados em um único lugar,
enquanto que no último os dados residem
em diversos locais. Esta distribuição de
dados é o motivo de muitas preocupações
e dificuldades.


 Objetivo:
 Fornecer a transparência de localização. Esta
transparência significa que os usuários e suas
aplicações não precisam saber qual a localização de
qualquer item particular de dados. Ao invés disso,
todas essas informações de localização devem ser
mantidas pelo próprio sistema como parte de seu
catálogo, e todas as solicitações de dados, por
usuários, deveriam ser interpretadas pelo sistema de
acordo com estas informações contidas nele.


 Uma solicitação para operar uma peça de dados
não-local poderá fazer com que:
 esses dados sejam deslocados para o nodo local,
para processamento local
 O processamento deve ocorrer no nodo remoto e os
resultados movimentados para o local
 a combinação de 1 e 2, mais comumente usados
As vantagens de tal transparência são óbvias: simplifica a lógica
dos programas de aplicação, e permite que os dados sejam deslocados
de um nodo para outro à medida que os padrões de utilização mudarem,
sem necessitar de qualquer reprogramação.


Evolução SGBD
Computador A

Banco de
dados de
vendas

Brasília

Rede de
Comunicação

Computador C

SGBD SGBD
Computador B

Banco de Banco de
dados de dados de
vendas vendas

São Paulo Fortaleza

Os avanços tecnológicos contribuem muito com a evolução dos sistemas
distribuídos, fazendo com que esta seja uma das áreas de maior futuro,
principalmente, por ser uma área de influência no desenvolvimento dos
sistemas de informação. Profa. Danielle Filgueiras 7

Definições
 Um sistema de BDD existe quando um banco de dados,
logicamente integrado, é fisicamente distribuído sobre
diferentes nós de computação interligados por rede.
 Define-se um nó de computação como um computador
(mini, micro, etc.) localizado numa área de organização
com certas facilidades de processamento. Em cada um
dos nós o software do SGBDD consiste minimamente do
que se segue:
 Sistema operacional em cada nó
 Gerenciador de comunicação para programas remotos
 SGBD para gerenciamento local do banco de dados


Definições
 O subconjunto do BD distribuído armazenando num nó é chamado
de BD local. Assim, cada BD local tem um SGBD local, e o sistema
de gerência do BDD é a união de todos os SGBD locais.
 Se os SGBD locais são idênticos, então se diz que o sistema é
homogêneo, caso não sejam, ele é heterogêneo. O SGBDD é
responsável pelo fornecimento de dados e tradução de exigências
aos processos num ambiente distribuído heterogêneo.
 Um elemento importante num ambiente distribuído é o diretório de
dados ou catálogo global, que é o meio pelo qual o SGBDD
determina que nós precisam ser acessados com a finalidade de
atender uma consulta particular. Sua localização física (centralizado
e/ou distribuído) é importante na performance do sistema.


Estrutura de Controle
 É responsável por:
 Transparência de localização
 Fornecimento de respostas eficientes aos
requerimentos dos usuários
 Preservação da consistência dos dados
 Conservação da integridade do sistema.
Um fator crítico deste componente é efetuar o controle de forma centralizada
(isto é, só um determinado nó é responsável pelo controle) ou distribuída (isto é,
todos os nós, no mesmo nível lógico, cooperam para executar um conjunto de tarefas).


A principal diferença entre um sistema de
gerenciamento de banco de dados distribuídos
(SGBDD) e sistema de gerenciamento de banco
de dados paralelos (SGBDP) é a distribuição física

SGBDD SGBDP

BD
BD BD

BD


Características do SGBDD
 Os sites estão disponíveis entre si
 S.O. próprio
 Compartilham um esquema global comum
 Memória própria
 Cada site tem transações locais e globais
 Disco próprio
 SGBD local em cada site, preferivelmente sendo
o mesmo (homog.)


Vantagens
 Gerenciamento de dados distribuídos com
níveis diferentes de transparência
 Transparência de distribuição ou de rede
 Transparência de replicação
 Transparência de fragmentação

 Melhoria da confiabilidade e na disponibilidade
 Melhoria de desempenho
 Expansão mais fácil


Características do SGBDD
Site A Site B

Rede
Comunicação
via rede

Site C
Se o SGBD for diferente em cada
site , o SGBDD é classificado
como heterogêneo


Funções adicionais
 Rastreamento de dados
 Processamento de consultas distribuídas
 Gerenciamento de transações distribuídas
 Gerenciamento de dados replicados
 Recuperação de banco de dados
distribuído
 Segurança
 Gerenciamento do diretório distribuído

Armazenamento Distribuído dos
Dados
 Uma relação r (ou tabela) possui diversos
enfoques para o armazenamento em um banco
de dados distribuído (BDD):
 Replicação: o sistema mantém réplicas idênticas da
relação, onde cada réplica é armazenada em sites
diferentes, resultando na replicação dos dados
 Fragmentação: a relação é particionada em vários
fragmentos, onde cada fragmento é armazenado em
um site diferente
 Replicação e fragmentação: a relação é particionada
em vários segmentos, e o sistema mantém diversas
réplicas de cada fragmento


Replicação de Dados
 A replicação de dados significa que um
determinado objeto de dados lógicos pode
possuir diversos representantes
armazenados, em nodos. O grau de
suporte para a replicação é um pré-
requisito para atingir o verdadeiro
potencial de um sistema distribuído.


 Disponibilidade: com a falha de um site que contém a
relação r, outro site com r é encontrado e atende a
solicitação, a despeito da falha de um site
 Aumento de paralelismo: os acessos de leitura á relação
r, outros sites podem processar as consultas em
paralelo. Com mais replicação, aumentam as chances
do site que esta realizando a transação possuir a
relação r, contribuindo assim com a minimização do
movimento dos dados entre os sites.


 Aumento do overhead para atualização: o
sistema deverá assegurar que todas as réplicas
da relação r sejam consistentes, propagando a
atualização a todas as réplicas. Sempre que
houver atualização, ela deve ser propagada a
todos os sites que contenham réplicas, evitando
a inconsistência. Por exemplo: o saldo de uma
conta bancária com um valor, possuindo um
outro valor em uma consulta feita por outra
agência, sendo ambas de um mesmo banco.


Fragmentação de Dados
 Uma relação é dividida em fragmentos, onde
cada fragmento contêm informação suficiente
para permitir a reconstrução da relação original.
 A fragmentação pode ser feita de duas formas:
 Fragmentação horizontal - divide a relação separando
as tuplas de r em dois ou mais fragmentos
 Fragmentação vertical - divide a relação pela
decomposição do esquema R da relação r


Fragmentação de Dados
 A relação r é particionada em um número
de subconjunto r1, r2, ...,rn
 Cada tupla da relação r deve pertencer a
pelo menos um fragmento
 A relação r é a união de todos os
fragmentos, isto é:
 R = r1 U r2 U ...U rn


Fragmentação Horizontal (ex.)

AGÊNCIA CONTA SALDO

CONTA Brasília A-110 1000
Brasília A-120 500
São Paulo A-500 500


Brasília A-150 250
Brasília A-180 2000


Fragmentação Horizontal (ex.)


CONTA
Brasília A-120 500

Brasília A-150 250



Explicações
 O fragmento da agência ‘São Paulo’ será
armazenado no site São Paulo, enquanto
que o fragmento ‘Brasília’ estará no site
Brasília.
 Neste exemplo os fragmentos estão
excludentes, mas podem ser elaborados
de forma que uma tupla pertença a mais
fragmentos.


Fragmentação Vertical
 É uma decomposição
 Vários subconjuntos de atributos R1,
R2,...,Rn, tal que :
 R = r1 U r2 U... U rn
 A relação é reconstituída a partir dos
fragmentos por uma junção natural:
 R = r1∆ r2∆ ... ∆rn


Fragmentação Vertical (ex.)
AGÊNCIA CONTA CLIENTE SALDO
Brasília A-110 MARIA 1000
CONTA
Brasília A-120 PEDRO 500
São Paulo A-500 JOÃO 500
São Paulo A-200 RICARDO 300
Brasília A-150 MARCELO 250
Brasília A-180 CARLA 2000

AGÊNCIA CONTA CLIENTE SALDO TUPLA_ID
Brasília A-110 MARIA 1000 1
Brasília A-120 PEDRO 500 2
São Paulo A-500 JOÃO 500 3
São Paulo A-200 RICARDO 300 4
Brasília A-150 MARCELO 250 5
Brasília A-180 CARLA 2000 6

junção dos fragmentos verticais

AGÊNCIA CONTA TUPLA_ID CLIENTE SALDO TUPLA_ID
Brasília A-110 1 MARIA 1000 1
Brasília A-120 2 PEDRO 500 2
São Paulo A-500 3 JOÃO 500 3
São Paulo A-200 4 RICARDO 300 4
Brasília A-150 5 MARCELO 250 5
Brasília A-180 6 CARLA 2000 6

Por possuir um identificador único, a reconstrução da relação pode
ser conseguida por meio de uma junção natural, onde o
atributo de junção é a tupla_id.


Fragmentação Mista
 A relação r é particionada em um número
de fragmentos r1, r2, ...,rn
 Cada um dos fragmentos é resultado da
fragmentação horizontal ou vertical, ou
ainda sobre um fragmento de r obtido
anteriormente


Fragmentação Mista (ex.)
AGÊNCIA CONTA TUPLA_ID
fragmentação vertical
Brasília A-110 1
CLIENTE SALDO TUPLA_ID
Brasília A-120 2 MARIA 1000 1
PEDRO 500 2
Brasília A-150 5
JOÃO 500 3
Brasília A-180 6
RICARDO 300 4
MARCELO 250 5
fragmentação horizontal CARLA 2000 6

AGÊNCIA CONTA TUPLA_ID
São Paulo A-500 3
São Paulo A-200 4


Fragmentação e Replicação de
Dados
 As técnicas de fragmentação e replicação
podem ser aplicadas sucessivamente a
uma mesma relação
 Um fragmento pode ser replicado, e as
réplicas podem ser fragmentadas
novamente e assim por diante


Transparência de Localização (de
Rede)
 A preocupação com a transparência
possui os seguintes objetivos,
relacionados aos pontos de vista de:

Nível de Transparência
↓
Grau de desconhecimento sobre as relações no sistema
distribuído


Transparência de Localização (de
Rede)
 Denominação dos dados
 Replicaçãodos itens de dados
 Fragmentação dos itens de dados
 Locação das réplicas ou fragmentos


Processamento de Consultas
Distribuídas
 Contexto
A transparência para leitura é mais fácil de se
conseguir e manter do que a transparência para
atualização.
 O maior problema para a atualização é garantir que
todas as réplicas e fragmentos sejam atualizados,
após uma atualização em uma das réplicas ou
fragmentos. A atualização deve ser prolongada para
todas as cópias (réplicas e fragmentos) existentes no
sistema.


Distribuídas
 As consultas em um BDD devem se
preocupar em minimizar o tempo total
para a apresentação do resultado
alcançado.


Distribuídas
 Um dos fatores mais importantes no desempenho de uma consulta,
em uma base centralizada, é a quantidade de acesso a disco
necessária para atingir o resultado.
 Em um banco distribuído os problemas aumentam, pois existe
também a preocupação com a transmissão de dados na rede.
 Um fator interessante para a consulta realizada em uma base
distribuída é que para os diversos sites podem processar partes da
consulta em paralelo.
 Na realização de uma consulta simples (trivial), como consultar
todas as tuplas da relação CONTA, pode caracterizar um
processamento não tão trivial, pois CONTA pode estar
fragmentada, replicada ou ambas.


Distribuídas
 Além disto, a consulta pode precisar de diversas
junções e uniões para a reconstrução da relação toda
(CONTA).
 O processamento de consultas tem como aspecto mais
importante a escolha da forma de junção a ser
realizada.
 Considere a junção CONTA X DEPOSITANTE X
AGÊNCIA dos esquemas. Considere também que
nenhuma das três relações foi replicada ou
fragmentada, mas CONTA esta no Site 1,
DEPOSITANTE no Site 2 e AGÊNCIA no Site 3.
 A origem da consulta é no Site 1, onde será produzido o
resultado da mesma.


Estratégias de Consultas
 Enviar cópia das três relações para o Site 1,
onde será aplicada a melhor estratégia de
consulta local
 Enviar cópia de CONTA para o Site 2, e lá obter
temp1=(CONTA X DEPOSITANTE); em seguida
enviar temp1do Site 2 para o Site 3 obtendo lá o
temp2=(temp1 X AGÊNCIA); por fim enviar o
resultado (temp2) para o Site 1
 Aplicar estratégia similar à anterior, alterando as
regras entre os Sites 1, 2 e 3


Estratégias de Consultas
 Na primeira estratégia ainda existe o re-processamento
dos índices da relação transportada, configurando um
processamento extra.
 Na segunda estratégia ocorre a transmissão de uma
relação potencialmente maior.
 Necessariamente, não existe a melhor estratégia, mas
deve-se considerar:
 volume de dados a ser transportado
 custo de transmissão de um Site para outro
 velocidade relativa de processamento em cada Site


Transações
 O acesso a diversos itens de dados em
um sistema distribuído é normalmente
acompanhado de transações que têm de
preservar as propriedades ACID.
A : Atomicidade
 C : Consistência
 I : Isolamento
 D : Durabilidade


Características ACID
 Atomicidade:Todas as operações da transação são
refletidas corretamente no BD ou nenhuma será
 Consistência: A execução de uma transação isolada
preserva a consistência do banco de dados
 Isolamento: Cada transação não toma conhecimento de
outras transações concorrentes
 Durabilidade: Depois da transação completar-se com
sucesso, as mudanças que ela faz no banco de dados
persistem


Tipos de transações
 Locais
 mantém acesso e atualizam somente a base
de dados local
 Globais
 mantém acesso e atualizam diversas bases
de dados locais


Estruturas de Sistemas
 Em cada Site existe o seu próprio gerenciador de
transações local, cuja função é garantir as propriedades
ACID das transações executadas localmente.
 Os diversos gerenciadores cooperam para executar as
transações globais.
 Com o intuito de compreender melhor como esses
gerenciadores podem ser implementados, pode-se
definir um modelo abstrato para o sistema de
transações.
 Nesta definição cada Site possui dois subsistema:
 Gerenciador de transações
 Coordenador de transações


Estruturas de Sistemas
 O gerenciador administra a execução daquelas
transações que mantém acesso aos dados locais. Cada
uma dessas transações pode ser uma transação local
ou parte de uma transação global.
 O coordenador coordena a execução de várias
transações (locais ou globais) iniciadas naquele Site.
Computador 1 Computador n

TCn Coordenador
TC1 de transação

. . . Gerenciador de
TMn
TM1 transação

Gerenciador de Transações
 Manutenção de um log para propósito de
recuperação
 Participação em um esquema de controle
de concorrência adequado para
coordenação da execução de
transações concorrentes em um mesmo
site


Coordenador de Transações
 Iniciar a execução da transação
 Quebrar uma transação em um número
determinado de sub-transações e distribuí-
las pelos Sites apropriados para a
execução
 Coordenar o término das transações, que
podem resultar em efetivações em todos
os Sites ou em interrupção em todos os
Sites.


Falhas
 Um sistema distribuído pode sofrer os mesmos tipos de
falhas que ocorrem em um sistema centralizado, porém
existem falhas adicionais que podem ocorrer em um
BDD, tais como: falha em um site, falha na comunicação
entre eles, perda de mensagens e o particionamento da
rede.
 Cada um desses problemas devem ser considerados no
projeto de recuperação de um BDD.
 Para um sistema ser robusto, ele precisa detectar
qualquer uma dessas falhas, reconfigurar-se de modo a
manter o processamento e recuperar-se enquanto a
falha é recuperada.


Preocupações
 Protocolo de efetivação (garantir a atomicidade)
 duas fases (obstrução) – 2PC
 três fases – 3PC

 Controle de concorrência
 Algumas alterações no modo de funcionamento e de
controle do sistema centralizado podem permitir a
funcionalidade deles em um sistema distribuído.


Sistemas de Banco de Dados
Múltiplos
 Nos últimos anos desenvolveram-se novas aplicações
usando diversos BD preexistentes, localizados em
ambientes heterogêneos de hardware e software. Para
isso, foi necessária uma camada de software adicional
em um nível superior ao BD, onde ela tratava as
informações localizadas em um BD heterogêneo. Esta
camada é chamada de Sistema de Banco de Dados
Múltiplo.
 Os sistemas de BD locais podem empregar modelos
lógicos diferentes e diferentes linguagens de definição e
manipulação de dados. Podem também diferir dos seus
mecanismos de controle de concorrência e
gerenciamento de transações.


Sistemas de Banco de Dados
Múltiplos
 Um sistema de BD Múltiplo cria a ilusão de integração
lógica do BD, sem exigir uma integração física
correspondente.
 A integração formando um BDD homogêneo é muito
difícil, em uma grande maioria dos casos, é impossível
principalmente por:
 Dificuldades Técnicas – os investimentos nos BD existentes
podem ser imensos e o custo da conversão das aplicações
pode ser proibitivo
 Dificuldades Organizacionais – mesmo para integrações
tecnicamente viáveis, pode ocorrer a impossibilidade por
motivos políticos, principalmente, quando os sistemas de BD
pertencem a diferentes organizações.


Bibliografia
 Korth, H. F. e Silberschatz, A. Sistemas
de Banco de Dados, São Paulo, McGraw-
Hill, 3 edição, Capítulo 18 - 589-634 p.,
1999.
 Frigeri, S. R., Banco de Dados
Distribuídos, Caxias do Sul, Universidade
Federal do Rio Grande do Sul - site
www.ufrgs.br, 1996.

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Notas do Editor