Consistência de Dados em Computação Móvel José Maria Monteiro Departamento de Informática – PUC-Rio monteiro@inf.puc-rio.br Disciplina: Introdução à Computação Móvel Prof.: Markus Endler

Agenda Motivação Ambientes de Computação Móvel Uma Taxonomia para Consistência de Dados em CM Estudo de Caso: O Sistema Bayou Conclusões

Motivação Evolução e disseminação dos dispositivos portáteis Avanços nas tecnologias de comunicação sem fio Um Novo Paradigma: Computação Móvel Possibilita que os usuários de DP’s mantenham a conexão com a rede enquanto se movimentam livremente Tendo acesso a recursos, serviços e informações compartilhadas Novas Aplicações Sistemas de Contole de Tráfego, Aplicações Baseadas em Localização, Sistemas de Informações Sobre Tempo e Clima, ...

Motivação As aplicações necessitam recuperar dados atuais e consistentes Os mecanismos tradicionais de controle de concorrência não são adequados para CM Devido às limitações inerentes aos ambientes móveis Conectividade intermitente Recursos limitados (energia, memória, processamento) Mobilidade Baixa largura de banda Protocolos tradicionais Baseados em bloqueios, exigem excessiva comunicação,...

Motivação São necessárias novas abordagens Para garantir a consistência dos dados em ambientes de CM Diversos mecanismos têm sido propostos Torna-se necessário investigar, analisar, comparar e classificar as abordagens propostas

Ambientes de Computação Móvel

Propondo uma Taxonomia Özsu e Valduriez (1991) Propuseram uma classificação para sistemas de bancos de dados distribuídos baseada nas características de autonomia, distribuição e heterogeneidade Dunham et al. (1997) Observaram Um sistema de banco de dados móvel pode ser visto como uma extensão de um sistema distribuído Ou seja, como um sistema distribuído dinâmico, onde os canais de comunicação entre os computadores mudam dinamicamente Estenderam a classificação de Özsu e Valduriez Adicionando um ponto no eixo da distribuição

Propondo uma Taxonomia Dunham et al. (1997)

Propondo uma Taxonomia Propomos uma taxonomia para sistemas de bancos de dados móveis Baseada na arquitetura e no funcionamento das soluções encontradas Classificação proposta Replicação/Caching de Dados no Cliente Servidores Replicados Replicação em Redes Ad Hoc SBD’s Múltiplos em CM Comunidades de Bancos de Dados Ambientes de Broadcast

Propondo uma Taxonomia Replicação/Caching de Dados no Cliente

Propondo uma Taxonomia Replicação/Caching de Dados no Cliente Motivação Canais de comunicação instáveis Custo da infra-estrutura de comunicação sem fio Dispositivos desconectados por longos períodos de tempo Objetivos Suporte à desconexão Possibilitar que os dispositivos continuem a execução de suas operações sobre os dados mesmo na ausência de conexão Funcionamento Uma cópia dos dados (ou de parte) é armazenada nos clientes Em caso de desconexão, utiliza-se a cópia

Propondo uma Taxonomia Replicação/Caching de Dados no Cliente Vantagens Maior disponibilidade dos dados Melhor desempenho (acesso local) Desvantagens Manter a consistência entre os dados armazenados nos clientes e no servidor central Arquitetura Redes móveis infra-estruturadas Abordagens Replicação e Reconciliação Caching de Dados

Propondo uma Taxonomia Servidores Replicados

Propondo uma Taxonomia Servidores Replicados

Propondo uma Taxonomia Servidores Replicados Motivação Canais de comunicação instáveis Nem sempre o servidor está disponível ou alcançável Objetivos Possibilitar que as aplicações utilizem o servidor disponível que estiver mais próximo Funcionamento Distribuir múltiplas cópias dos dados em diversos servidores O cliente utiliza a cópia disponível mais próxima

Propondo uma Taxonomia Servidores Replicados Vantagens Maior disponibilidade dos dados Melhor desempenho (acessa a cópia mais próxima) Maior Throughput Desvantagens Necessidade de atualizar todas as cópias quando um item for alterado Arquitetura Ambientes computacionais parcialmente (fracamente) conectados (onde a desconexão é a regra) Exemplos Bayou, Votação Ponderada, Deno

Propondo uma Taxonomia Replicação em Redes Ad Hoc

Propondo uma Taxonomia Replicação em Redes Ad Hoc Motivação Alto dinamismo das redes ad hoc Freqüentes desconexões dos dispositivos móveis Freqüente divisão (partição) da rede Dispositivo em uma partição não consegue acessar dados armazenados por dispositivos que estejam em outra partição Objetivos Possibilitar que um cliente móvel acesse dados de um servidor que não está na sua área de cobertura, através de hosts intermediários Funcionamento Distribuir múltiplas cópias dos dados em diversos servidores O cliente utiliza a cópia disponível mais próxima

Propondo uma Taxonomia Replicação em Redes Ad Hoc Vantagens Maior disponibilidade dos dados Melhor desempenho (acessa a cópia mais próxima) Desvantagens Manter a consistência das diversas cópias Arquitetura Redes Ad Hoc Exemplos Métodos para Alocação de Réplicas Método PAN

Propondo uma Taxonomia SBD’s Múltiplos em CM

Propondo uma Taxonomia SBD’s Múltiplos em CM Motivação Freqüentes fusões e aquisições de diferentes companhias Necessidade de gerenciar uma variedade de BD’s pré-existentes, heterogêneos, autônomos e distribuídos geograficamente (Bancos de Dados Múltiplos – Multidatabase) Nec. de interoperabilidade  Multidatabase Systems - MDBSs Nec. de estender os serviços dos MDBSs a usuários móveis  Mobile Multidatabase Systems - MMDBSs Objetivos Possibilitar que usuários de dispositivos portáteis utilizem bancos de dados múltiplos

Propondo uma Taxonomia SBD’s Múltiplos em CM Arquitetura Redes móveis infra-estruturadas Exemplos Kangaroo PSTM V-Lock

Propondo uma Taxonomia Comunidades de Bancos de Dados Móveis

Propondo uma Taxonomia Comunidades de Bancos de Dados Móveis Motivação As redes ad hoc possibilita que os dispositivos se comuniquem sem a participação de qualquer componente da rede fixa Possibilita a formação de estruturas altamente dinâmicas que se formam de maneira espontânea O compartilhamento de dados pode ser realizado através da criação de federações dinâmicas de BD’s As quais são denominadas comunidades de bancos de dados móveis (Mobile Database Communities – MDbC’s) Uma MDbC pode ser vista como um MMDBS no qual os servidores podem estar em dispositivos móveis

Propondo uma Taxonomia Comunidades de Bancos de Dados Móveis Objetivos Possibilitar que um cliente móvel acesse os dados dos demais membros da comunidade (de forma “integrada”) Arquitetura Redes ad hoc Exemplos SESAMO

Propondo uma Taxonomia Ambientes de Broadcast

Propondo uma Taxonomia Ambientes de Broadcast Motivação O link de comunicação entre o cliente e o servidor nem sempre está disponível (existe), ou pode apresentar custos elevados Objetivos Possibilitar que os clientes acessem os dados sem necessitar enviar requisições ao servidor Funcionamento O servidor de broadcast periodicamente difunde os dados Os clientes monitoram o canal de broadcast e filtram os dados de seu interesse

Propondo uma Taxonomia Ambientes de Broadcast Vantagens O servidor não fica sobrecarregado com requisições O servidor não precisa enviar mensagens individuais Os dados podem ser acessados concorrentemente por qualquer número de clientes sem nenhuma degradação de performance Desvantagens O acesso aos dados é estritamente seqüencial Aumenta a latência de acesso à informação Arquitetura Redes infra-estruturadas com broadcast Exemplos Relatórios de Invalidação, Múltiplas Versões, TGST, ...

Estudo de Caso: O Sistema Bayou Características Sistema de armazenamento replicado Utiliza um nível fraco de consistência Projetado para ambientes de CM parcialmente (fracamente) conectados Provê uma infra-estrutura Para o desenvolvimento de aplicações colaborativas, sem requisitos de tempo real Ex: Edição cooperativa de documentos, agendas, e-mails

Estudo de Caso: O Sistema Bayou Arquitetura Cada BD é inteiramente replicado em um conjunto de servidores As aplicações (clientes) interagem com os servidores através de uma API específica Bayou Application Programming Interface Suporta duas operações básicas: leitura e escrita Os clientes podem executar tanto leituras quanto escritas em qualquer um dos servidores, com os quais possa se comunicar (read-any/write-any) Por exemplo, o servidor mais próximo

Estudo de Caso: O Sistema Bayou Arquitetura O cliente e o servidor Podem co-existir em um mesmo host, ou podem executar de forma isolada Podem executar nos hosts fixos ou móveis Apresentam conexão intermitente As aplicações Têm conhecimento de que podem ler dados inconsistentes Sabem que suas escritas são inicialmente apenas uma tentativa

Estudo de Caso: O Sistema Bayou Arquitetura No servidor A informação de que escritas foram consolidadas em em que ordem são propagadas para os demais servidores durante o processo de anti-entropia Cada servidor mantém duas visões do BD: consolidada e corrente Detecção e resolução automática de conflitos Detecção  Método baseado em validação de dependências (consulta + resultado esperado) Resolução  Utiliza procedimentos escritos em uma linguagem interpretada de alto nível As dependências e os procedimentos são incluídos juntos a cada operação de escrita A validação é feita antes da operação de escrita se executada

Estudo de Caso: O Sistema Bayou Garantias de Sessão O Bayou utiliza Esquema de replicação read-any/write-any Mecanismo de consistência fraca Essa abordagem proporciona Alta disponibilidade, boa escalabilidade e simplicidade de projeto Problema: É possível que os clientes obtenham valores inconsistentes quando lêem dados de diferentes réplicas Solução: Para reduzir as inconsistências observadas pelos clientes, Bayou provê garantias de sessão (sesion garantees)

Estudo de Caso: O Sistema Bayou Garantias de Sessão Definição É uma abstração para uma seqüência de operações de leitura e escrita que são submetidas durante a execução de uma aplicação Não se tem a intenção de que as sessão sejam correspondentes ao conceito de transação atômica (serializabilidade) O objetivo é proporcionar às aplicações individualmente uma visão do BD que seja consistente com as suas próprias ações Características O sistema tenta assegurar as garantias, caso não consiga, informa à aplicação que a garantia não pôde ser alcançada, e esta tenta executar a operação em outro servidor Proporcionam um meio de adaptabilidade. O grau de consistência pode ser adaptado aos níveis de conectividade.

Estudo de Caso: O Sistema Bayou Garantias de Sessão Read Your Writes (RYW) As operações de leitura devem refletir as escritas executadas anteriormente (pela mesma sessão) Monotonic Reads (MR) Leituras sucessivas refletem o resultado de um conjunto de escritas não decrescente Writes Follow Reads (WFR) As operações de escrita são propagadas após as operações de leitura das quais dependem Monotonic Writes (MW) As operações de escrita são propagadas após as escritas que as precedem logicamente

Estudo de Caso: O Sistema Bayou Garantias de Sessão Implementação Vetores de versão (semelhantes aos vectors timestamps) Operações Desconectadas Não inclui a noção de operação desconectada Uma vez que vários níveis de conectividade são possíveis É necessário apenas que ocasionalmente a comunicação entre pares de servidores aconteça Grupos de servidores podem se desconectar do restante do sistema e ainda continuarem conectados entre si

Conclusões Existem um número razoável de abordagens para garantir a consistência e a disponibilidade de dados em CM A taxonomia proposta pode ajudar a compreensão dos diversos mecanismos existentes O sistema Bayou apresenta alta disponibilidade de dados em ambientes de conexão intermitente, podendo ser utilizado em diversas aplicações colaborativas As idéias do sistema Bayou podem influenciar na elaboração de novos mecanismos de consistência

Dúvidas????