PDF de programación - BASES DE DATOS DISTRIBUIDAS MIS 515 - CONFIABILIDAD

BASES DE DATOS DISTRIBUIDAS MIS 515
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BASES DE DATOS
DISTRIBUIDAS
TEMA 5
PROFESOR: M.C. ALEJANDRO GUTIÉRREZ DÍAZ
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5. CONFIABILIDAD
5.1 Conceptos básicos de confiabilidad
5.2 Protocolos Redo - Undo
5.3 Puntos de verificación - checkpoints
5.4 Protocolo 2PC de confiabilidad distribuida
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Un sistema de manejo de bases de datos confiable es aquel que puede
continua procesando las solicitudes de usuario aún cuando el sistema
sobre el que opera no es confiable.
En otras palabras, aun cuando los componentes de un sistema
distribuido fallen, un DDMBS confiable debe seguir ejecutando las
solicitudes de usuario sin violar la consistencia de la base de datos.
En este capítulo se discutirán las características de un DDBMS confiable.
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En este capítulo se considerará el caso de que un sistema distribuido no
sea confiable y, particularmente desde el punto de vista de los DDMBS,
se presentarán los protocolos para recuperación de información.
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Definiciones
A lo largo de estas notas nos hemos referido a la confiabilidad y
disponibilidad de la base de datos sin definir esos términos de manera
precisa. En esta sección daremos sus definiciones generales para
posteriormente elaborarlas de manera más formal. La confiabilidad se
puede interpretar de varias formas.
La confiabilidad se puede ver como una medida con la cual un sistema
conforma su comportamiento a alguna especificación. También se puede
interpretar como la probabilidad de que un sistema no haya

experimentado ninguna falla dentro de un periodo de tiempo dado. La
confiabilidad se utiliza típicamente como un criterio para describir
sistemas que no pueden ser reparados o donde la operación continua del
sistema es crítica.
Disponibilidad, por otro lado, es la fracción del tiempo que un sistema
satisface su especificación. En otras palabras, la probabilidad de que el
sistema sea operacional en un instante dado de tiempo.
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Sistema, estado y falla
Un sistema se refiere a un mecanismo que consiste de una colección de
componentes y sus interacciones con el medio ambiente que responden
a estímulos que provienen del mismo con un patrón de comportamiento
reconocible (ver Figura 5.1).
Cada componente de un sistema puede ser así mismo un sistema,
llamado comúnmente subsistema. Un estado externo de un sistema se
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puede definir como la respuesta que un sistema proporciona a un
estímulo externo.
Por lo tanto, es posible hablar de un sistema que se mueve dentro de
estados externos de acuerdo a un estímulo proveniente del medio
ambiente. Un estado interno es, por lo tanto, la respuesta del sistema a
un estímulo interno.
Desde el punto de vista de confiabilidad, es conveniente definir a un
estado interno como la unión de todos los estado externos de las
componentes que constituyen el sistema. Así, el cambio de estado
interno se da como respuesta a los estímulos del medio ambiente.

Figura 5.1. Conceptos básicos de un sistema.
El comportamiento del sistema al responder a cualquier estímulo del
medio ambiente necesita establecerse por medio de una especificación,
la cual indica el comportamiento válido de cada estado del sistema. Su
especificación es no sólo necesaria para un buen diseño sino también es
esencial para definir los siguientes conceptos de confiabilidad.

Cualquier desviación de un sistema del comportamiento descrito en su
especificación se considera como una falla. Cada falla necesita ser
rastreada hasta su causa. En un sistema confiable los cambios van de
estados válidos a estados válidos
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6.
en un sistema no confiable, es posible que el sistema caiga en un estado
interno el cual no obedece a su especificación; a este tipo de estados se
les conoce como estados erróneos. Transiciones a partir de este estado
pueden causar una falla.
La parte del estado interno que es incorrecta se le conoce como error del
sistema. Cualquier error en los estados internos de las componentes del
sistema se le conoce como una falta en el sistema. Así, una falta causa
un error lo que puede inducir una falla del sistema (ver Figura 5.2).
Las faltas del sistema se pueden clasificar como severas (hard) y no
severas (soft). Las faltas severas casi siempre son de tipo permanente y
conducen a fallas del sistema severas. Las faltas no severas por lo
general son transitorias o intermitentes. Ellas inducir fallas del sistema no
severas las cuales representan, por lo general, el 90 % de todas las
fallas.

Figura 5.2. De faltas a fallas
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Se presentará ahora la definición formal de confiabilidad y disponibilidad.
La confiabilidad de un sistema, R(t), se define como la siguiente
probabilidad condicional:
R(t) = Pr{ 0 fallas en el tiempo [0,t] | no hubo fallas en t = 0 }
Si la ocurrencia de fallas sigue una distribución de Poisson, entonces,
R(t) = Pr{ 0 fallas en el tiempo [0,t] }
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El cálculo de la confiabilidad y disponibilidad puede ser tedioso. Por lo
tanto, es acostumbrado usar dos métricas de un sólo parámetro para
modelar el comportamiento del sistema. Las dos métricas son el tiempo
medio entre fallas (MTBF por sus siglas en inglés) y el tiempo medio para
reparaciones (MTTR). El MTBF puede ser calculado ó a partir de datos
empíricos ó de la función de confiabilidad como:
El MTTR está relacionado al rango de reparación de la misma forma que

el MTBF está relacionado al rango de fallas. Usando estas dos métricas,
la disponibilidad de un estado estable de un sistema con rangos de falla y
reparación exponencial se puede especificar como
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Tipos de fallas en SMBDD
Diseñar un sistema confiable que se pueda recuperar de fallas requiere
identificar los tipos de fallas con las cuales el sistema tiene que tratar.
Así, los tipos de fallas que pueden ocurrir en un SMBD distribuido son:
1. Fallas de transacciones. Las fallas en transacciones se pueden
deber a un error debido a datos de entrada incorrectos así como a
la detección de un interbloqueo. La forma usual de enfrentar las
fallas en transacciones es abortarlas. Experimentalmente, se ha
determinado que el 3% de las transacciones abortan de manera
anormal.
2. Fallas del sistema. En un sistema distribuido se pueden presentar
fallas en el procesador, la memoria principal o la fuente de energía
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de un nodo. En este tipo de fallas se asume que el contenido de la
memoria principal se pierde, pero el contenido del almacenamiento
secundario es seguro. Típicamente, se hace diferencia entre las
fallas parciales y fallas totales del nodo. Una falla total se presenta
en todos los nodos del sistema distribuido. Una falla parcial se
presenta solo en algunos nodos del sistema.
3. Fallas del medio de almacenamiento. Se refieren a las fallas que
se pueden presentar en los dispositivos de almacenamiento
secundario que almacenan las bases de datos. Esas fallas se
pueden presentar por errores del sistema operativo, por errores del
controlador del disco, o del disco mismo.
4. Fallas de comunicación. Las fallas de comunicación en un
sistema distribuido son frecuentes. Estas se pueden manifestar
como pérdida de mensajes lo que lleva en un caso extremo a
dividir la red en varias subredes separadas.
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La arquitectura correspondiente a la recuperación de errores consiste de
un sistema de almacenamiento constituido por dos partes. La primera,
llamada memoria principal, es un medio de almacenamiento volátil. La
segunda parte, llamada almacenamiento secundario, es un medio de
almacenamiento permanente el cual, en principio, no es infalible a fallas.
Sin embargo, por medio de una combinación de técnicas de hardware y
de software es posible garantizar un medio de almacenamiento estable,
capaz de recuperarse de fallas.

A todos los elementos utilizados para obtener un almacenamiento
estable se les agrega el atributo "estable" con el propósito de reconocer
que ellos han sido modificados o creados para este fin. Así tendremos
una base de datos estable y operaciones de lectura y escritura estables.
En la Figura se presenta la interfaz entre el administrador de
recuperación local y el administrador de buffers de la base de datos. El
administrador de buffers de la base de datos mantiene en memoria
principal los datos más recientemente accesados, esto se hace con el
propósito de mejorar el rendimiento.
Típicamente, el buffer se divide en páginas que son del mismo tamaño
que las páginas de la base de datos estable. La parte de la base de
datos que se encuentra en el buffer se le conoce como base de datos
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volátil. Es importante notar que el LRM ejecuta las operaciones
solicitadas por una transacción sólo en la base de datos volátil. En un
tiempo posterior, la base de datos volátil es escrita a la base de datos
estable.

Figura 5.3. Interfaz entre el administrador local de recuperación y el
administrador de buffers de la base de datos.
Cuando el LRM solicita una página de datos, envía una instrucción
conocida como fetch. El administrador del buffer verifica si la página ya
existe en el buffer, y si es así la hace disponible a la transacción que la
solicita. En caso contrario, lee la página de la base de datos estable y la
coloca en un buffer vacío.
Si no existe un buffer vacío, selecciona uno, la página que contiene es
enviada a la base de datos estable y la página solicitada es colocada en
el buffer liberado. Para forzar que se descarguen las páginas
almacenadas en los buffers, existe el comando flush.
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Información de recuperación
Cuando una falla del sistema ocurre, el contenido de la base de datos

volátil se pierde.
EL DBMS tiene que mantener cierta información acerca de su estado en
el momento de la falla con el fin de ser capaz de llevar a la base de datos
al estado en el que se encontraba antes de la falla. A esta información se
le denomina información de recuperación.
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La información de recuperación que el sistema mantiene