banco de dados móvel traduzidos / ampliados / adaptados de: vijay kumar computer sc....

Banco de Dados Móvel

traduzidos / ampliados / adaptados de:traduzidos / ampliados / adaptados de:Vijay KumarVijay Kumar

Computer Sc. TelecommunicationsComputer Sc. TelecommunicationsUniversity of Missouri-Kansas CityUniversity of Missouri-Kansas City

5100 Rockhill Road5100 Rockhill RoadKansas City, MO 64110, USAKansas City, MO 64110, USA

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mailto:[email protected]

ÍndiceÍndice

Introdução: O Problema Parte I: Comunicação com Redes

sem Fio Parte II: Sistemas de Gerência de

Banco de Dados Móvel

O ProblemaO Problema

Trata-se da gerência de dados em um sistema em que processadores e o banco de dados, ou partes dele, movem-se através de um espaço geográfico

Deseja-se permitir que usuários de telefones celulares tenham acesso a dados persistentes, de qualquer lugar

Esforço conjunto de pesquisadores de comunicação sem fio e BD para a gênese de uma nova área de pesquisa Mobile Database Systems (MDS) Pervasive Computing Nomad Computing Anywhere Anytime Computing

O ProblemaO Problema

Deve-se chamar a atenção para a imaturidade da pesquisa

Modelos de transação para BD móvel Mecanismos de controle de concorrência Protocolos de recuperação de falhas

Dados dependentes de localização Entretanto, há claras indicações de que,

em um futuro próximo, os resultados estarão disponíveis nos produtos comerciais

Tecnologia de BD móvel consolidada pletora de aplicações

Comunicação com Redes Sem FioComunicação com Redes Sem Fio

Espaço de Informação Totalmente Conectado Rádio-Frequência e Banda Comunicação Celular Arquitetura de Sistema de Comunicação Celular Soluções para a Comunicação Celular

Espaço de Informação Espaço de Informação Totalmente ConectadoTotalmente Conectado

Cada nó do espaço de informação tem alguma capacidade de comunicação

Alguns nós podem processar informação

Alguns nós podem se comunicar através de sinal de voz

Alguns nós podem fazer ambas as coisas



Integrando SGBDs legados, e sistemas celulares

com / sem fio

PCS: Personal Communication SystemTransmissões analógica e digitalAmérica do Norte

GSM: Global System for Mobile Communication

Transmissão digitalEuropa

Criação e Manutenção

Rádio-Frequência e BandaRádio-Frequência e Banda

Comunicações sem fio utilizam ondas eletromagnéticas

O comprimento da onda é determinado pela rádio-frequência (RF)

Banda: uma faixa de RFs – unidade: M(G)Hz – utilizável para uma tarefa particular

Transmissão de dados ou voz Mais alguma coisa

Faixas típicas: 800 MHz – 3 GHz Refletidas facilmente por objetos fixos (p.e., edifícios) ou

móveis (p.e., carros), etc. O sinal de absorção é forte Reuso de RF


Item Europe (MHz) US (MHz) Japan (MHz)

MobilePhones

NMT: 453-457, 463-467GSM: 890-915, 935-960, 1710-1785, 1805-1880

AMPS, TDMA, CDMA824-849, 869-894GSM, TDMA, CDMA1850-1910, 1930-1990

PDC: 810-826940-956,1429-1465,1477-1513.

CordlessPhones

CT1+: 885-887, 930-932CT2: 864-868DECT: 1880-1900

PACS1850-1910,1930-1990;PACS-UB: 1910-1930

PHS1895-1918;JCT: 254-380

NMT: Nordic Mobile TelephonePDC: Pacific Digital CellularPACS: Personal Access Communications SystemPHS: Personal Handyphone SystemPACS-UB: PACS Unlicensed BandJCT: Japanese Cordless Telephone(Taken from Mobile Communications by Jochen Schiller)


Não há RF que possa transportar dado ou voz a longa distância sem sérios problemas de enfraquecimento do sinal

Solução Divisão da área de cobertura em células (móveis)

Intensidade do sinal aproximadamente constante Reuso de RF através das células móveis

Comunicação CelularComunicação Celular

Células móveisMetropolitan area Metropolitan area

Coverage area in one cell Coverage area in three cells

BSBS

BSBase Station

Large cells.Low density

Small cells.High density

Smaller cells.Higher density

Comunicação CelularComunicação Celular

Frequency reuse

61

7

54

32

61

7

54

32

61

7

54

32

D A

AA

AA

AA

NRD 3

D = distance between cells using the same frequencyR = cell radiusN = reuse pattern (the cluster size, which is 7).

Thus, for a 7-cell group with cell radius R = 3 miles, the frequency reuse distance D is 13.74 miles.

Arquitetura de Sistema de Arquitetura de Sistema de Comunicação CelularComunicação Celular

Fixed Network

FixedHost

BaseStation

FixedHost

FixedHost

FixedHost

BaseStation

BaseStation

Mbps to Gbps

MobileHost

MobileHost

MobileHost

MobileHost

Wireless LAN cell

Wireless radio cell

Wireless radio cell

PCS


Dois conjuntos distintos de entidades Mobile Host (MH) – também chamados de clientes

móveis Fixed Host (FH) Alguns FHs são estações de base (Mobile Support

Stations) Cada MH se comunica com uma estação de base via um

canal sem fio Célula – área coberta por uma estação de base Tipicamente, o servidor de banco de dados (BD) reside

em um FH via uma interface com fio Confundiremos BD com FH


Especificades dos ambientes de computação móvel Largura de banda assimétrica

FH tem mais capacidade de comunicação do que MH Freqüentes desconexões

MHs não podem se manter conectados à rede todo o tempo

Limitações de energia MHs usam baterias, basicamente Economia de energia é um imperativo


Forward

chan

nel (D

ownlink c

hannel)

Reverse channel (U

plink channel) Reverse channel (Uplink channel)

Forward channel (Downlink channel)

BS

MH MH


MH transmite a 825.030 MHz e BS transmite a 870.030 MHz

O canal de separação é 45 MHz Cada canal de voz tem uma banda de 30

kHz Conectividade MH – FH

Conectividade contínua O MH é continuamente conectado ao FH

– Exemplo: meu laptop (MH) e o servidor Anjinho


Modo Desconectado O MH voluntariamente se desconecta do FH e

continua a processar localmente. Em um tempo fixado, ele se conecta de novo

Conectividade intermitente Como o desconectado, mas a desconexão

pode partir do FH, e não há fixação de tempo para a conexão

Estes modos de conexão têm pesada influência na gerência de transações móveis


Mais detalhes:

PSTN: Public Switched Network.MSC: Mobile Switching Center. Also called MTSO

(Mobile Telephone Switching Office).BS: Base Station.MS: Mobile Station. Also called MU (Mobile Unit)

or Mobile Host (MH).HLR: Home Location Register.VLR: Visitor Location Register.EIR: Equipment Identify Register.AC: Access Chanel.

PSTN

BS

VLR

HLR

EIR

AC

MSC (MTSO)MSC (MTSO)

MSMS Wireless component


PSTNMSC

Soluções para a Comunicação Soluções para a Comunicação CelularCelular

Como localizar MH em uma célula?

Solução: Gerência de Localização

Como manter uma comunicação contínua entre duas células em presença de mobilidade?

Solução: Handoff

Como gerenciar uma comunicação contínua entre duas células em presença de mobilidade?

Solução: Roaming


HandoffUm processo que garante a continuidade da transmissão quando um usuário quebra a conexão com uma BS e estabelece uma conexão com outra BS

Old BS New BS

MSC

Old BS New BS

MSC

MSC

Old BS New BS New BSOld BS

MSC


HandoffPara manter a conversação, o procedimento Handoff deve ser completado enquanto o MH (o ônibus)

estiver na região de superposição das células

G

Old BS New BS

Cell overlap region


Gerência de Localização

HLR: Home Location RegisterUm HLR armazena o perfil do usuário e sua localização geográfica – célula corrente

VLR: Visitor Location RegisterO VLR de uma célula armazena o perfil do usuário e a localização corrente do usuário que vai visitar a célula

S-LS: Source Location ServerD-LS: Destination Location Server


R-ID LS Address12

D-LS

R-ID Base Station100200

D-BS

HLR

S-LS D-LS

VLR

Source BS Dest. BS

10

1

2

3

4

5

6

7

89

Chamador Chamado


MH1 se comunica com MH2

MU1MU2

Cell 1 Cell 2


P1. O chamador disca um número. Para encontrar a localização do chamado (destino), o chamador consulta a S-BS (1)

P2. A S-BS envia a consulta ao S-LS (2)P3. S-LS primeiro procura o VLR (3). Se o chamado

é um visitante da S-LS, a conexão é feitaP4. Se VLR falha, então a consulta é enviada ao

HLR (4)P5. HLR encontra a localização de D-LS (5)

Algoritmo de Localização


P6. A procura agora passa para o D-LS (6)P7. D-LS encontra o endereço de D-BS (7)P8. O endereço da D-BS é enviado ao HLR (8)P9. HLR envia o endereço da D-BS ao S-LS (9)P10. O endereço da D-BS é enviado à S-BS (10)


Roaming (verbo Roam: vagar, perambular)

Assegura as políticas (ou restrições) administrativas e técnicas


Roaming

Políticas Administrativas

Faturamento Acordo de subscrição Perfil do usuário Outras políticas


Roaming

Restrições Técnicas

Incompatibilidade de largura de banda. Por exemplo, a banda de 900 MHz não é disponível em várias partes do mundo. Isto pode impedir o uso de certos equipamentos

Padrões de comunicação entre provedores de serviço

Restrições de MH Outras

Sistemas de Gerência de Banco Sistemas de Gerência de Banco de Dados Móvelde Dados Móvel

Sistemas de Computação Móvel Sistemas de Banco de Dados Móvel Sistemas de Gerência da Banco de

Dados Móvel Arquitetura Gerência de Dados Gerência de Transação Recuperação Conclusões

Sistemas de Computação Móvel

Computação móvel é associada com mobilidade de usuários, hardware, dados e software em aplicações de computador

Classe especializada de sistemas de computação distribuída em que alguns nós podem mover-se dentro de um espaço físico ou lógico, (des)conectando-se de maneira ad hoc

Sistemas de Banco de Dados Sistemas de Banco de Dados MóvelMóvel

Um sistema de computação móvel com as seguintes propriedades estruturais e funcionais

Sistema distribuído com conectividade intermitente MHs e FHs

Um MH é um SGBD à part entière

Completa mobilidade espacial

Construído sobre plataformas PCS/GSM

Capacidade de comunicação com / sem fio

O que é um sistema de banco de dados móvel (MDS: Mobile Database Systems)?

Sistemas de Banco de Dados Sistemas de Banco de Dados MóvelMóvel

ObjetivosConstruir um sistema de processamento de informação verdadeiramente ubíquo, mesmo com as restrições inerentes às arquiteturas sem fio


Oracle Lite IBM DB/2 Everyplace Sybase Anywhere Versões MS Access e MS SQL Server

para plataformas móveis MS Windows CE

Mobile Database Systems


Aplicações

Companhias de seguro Serviços emergenciais (polícia, assistência médica,

etc.) Controle de tráfego Serviço de taxi E-commerce Etc.

ArquiteturaArquitetura

Adaptado de: J. Jing, A. Helal e A. Elmagarmid

Application-transparent Adaptation

Applications

DBMS Proxy

DBMSAPIs

Mobile SGBD APIs

MobileFile

Server

Mobile Host Fixed Network

ArquiteturaArquiteturaApplication-transparent Adaptation

Web Browser

Web ClientSide Intercept (CSI)

HTTP(TCP/IP)

TCP/IP Connection

Mobile Host Fixed Network

Web ClientSide Intercept (CSI)

Web Server(or Proxy Server)

http://www.dsc.ufcg.edu.br/~sampaio/cursos/2007.1/BancoDeDados/TopicosDaDisciplina/5-BDMoveis/LeituraAdicional/MobileEnvironments.pdf

Gerência de DadosGerência de Dados

Objetivos Categorização de Dados Caching de Dados Difusão de Dados Processamento de Consultas

ObjetivosObjetivos Como melhorar a disponibilidade de dados

para as consultas dos usuários, em presença de bandas de RF limitadas e de mobilidade?

Possibilidades Caching de dados

Cashing semânticos: o conteúdo é decidido por resultados de consultas passadas

Difusão de dados (data broadcast) em canais sem fio

Suporte a consultas dependentes de localização

Categorização de DadosCategorização de Dados

Dados dependentes de localização (Location-Dependent Data (LDD)): classe de dados com valores estreitamente ligados a uma localização geográfica específica. Exs: CEP, Código DDI, Aeroporto Contra-exemplos: Nome de rua, Número de

identidade (Location-Independent Data (LID)) Processamento de dados convencional: LID


Consulta Dependente de Localização (Location-Dependent Query (LDQ)): LDD leva a LDQ: depende da origem da consulta, ou o processamento da consulta depende da mobilidade Exemplo: Qual a distância (daqui) para o aeroporto João

Suassuna? Qual é o valor do CEP (onde estou)? Qual é o valor do DDI (onde estou)?

Em consultas LDQ, a posição do LDD concernente e da origem da consulta devem ser conhecidas Existem provedores de serviço que oferecem facilidades de

descoberta de localização


Location-Aware Query: não depende da origem da consulta, ou o processamento da consulta não depende da mobilidade Exemplo: Qual a distância entre Rio de

Janeiro e São Paulo?


Distribuição de Dados Dependente de Localização

Um hotel tem filiais em todo o Brasil. Os serviços em cada filial são idênticos, mas os valores dependem da localização


Dados em uma região não podem ser replicados em outra região, como é comum em BDs distribuídos tradicionais

PrataAlto Branco

Célula


Exemplo: Quais restaurantes se situam próximo de onde estou?

Se estiver no Alto Branco, a resposta é uma Se estiver na Prata, a resposta é outra Note que, em nenhum momento, é exigido do

usuário que indique seu bairro


Em uma dada região, a localização dos dados pode ser definida hierarquicamente

County 1 data County 2 data County n data

City data

Subdivision 1 data Subdivision data Subdivision m data

LDD: Hierarquia de Localização

CachingCaching de Dados de Dados

Clientes móveis (MHs) têm acesso a servidores de BD fixo (FH), via um canal sem fio

Caching de dados são importantes para melhorar a disponibilidade dos dados e o desempenho das consultas Limitada largura de banda dos canais sem fio Instabilidade das redes sem fio

Caches convencionais requerem estabilidade da rede e bandas largas

CachingCaching de Dados de Dados

Uma nova abordagem de caching A estratégia de substituição de dados é

baseada em padrões de acesso, em vez dos esquemas o menos recentemente usado ou o mais recentemente usado

Difusão de DadosDifusão de Dados

O Princípio Um conjunto de dados frequentemente

usados é disponibilidado por difusão contínua de FHs, em alguma RF fixa

MHs sintonizam a frequência e baixam os dados para os seus caches locais


Como um MH acessa um BD fixo? A abordagem mais aceita é

broadcasting, ou push-based Mas a abordagem sob demanda, pull-

based, cresce de interesse Abordagem híbrida

Conseqüência lógica das duas outras abordagens


Flat Broadcasting Dados do FH são repetidamente difundidos

através de um canal de difusão (broadcast channel)

O canal torna-se um ‘disco’ (file on the air) O disco pode ser indexado

MHs podem recuperar seus dados do ‘disco’ O tempo médio de espera por um ítem é

constante


server

AB C D E

C BA

DE


Pull-Based Broadcasting Somente dados solicitados aparecerão

como ‘dados no ar’


Abordagem Híbrida Mistura tanto push como pull Usuários enviam pedidos se os dados não

se encontram nos ‘discos’


Independentemente da Abordagem Clientes podem economizar bateria se

conectando somente quando dados que lhes interessam são difundidos

Um catálogo de dados é difundido m vezes toda vez que há uma difusão de dados


Difusão de dados em diferentes freqüências, segundo suas relevâncias

Hierarquia de memória multi-nível Dados quentes são difundidos mais

frequentemente que dados frios Dados com freqüência de acesso similar

são agrupados dentro dos ‘discos’

Processamento de ConsultaProcessamento de Consulta

Modelo de Dados: Padrão Relacional, SQL

Esquema de Dados: a diferença, agora, é que, para uma dada classe, pode haver valores dependentes de localização

O MDS deve oferecer a função location binding ou location mapping

Processamento de ConsultaProcessamento de Consulta

Situação: Uma pessoa viajando de carro deseja saber seu progresso e continuamente se faz a mesma pergunta. Cada vez, a resposta é diferente porém correta

Requisitos: Contínua monitoração da latitude e da longitude do local de origem da consulta. GPS pode fazer isso

Gerência de TransaçãoGerência de Transação

Transações Clássicas ACID Workflow Um Modelo de Transação Móvel Execução de Transação Móvel, Segundo o

Modelo Controle de Concorrência

Transação Clássica ACIDTransação Clássica ACID

Atomicidade Tudo ou nada

Consistência Uma transação é uma transição entre dois estados

consistentes do BD, por hipótese Isolação

Toda transação vê os dados como se ela fosse processada sozinha

Durabilidade Se uma transação é validada, seus efeitos devem ser

refletidos no BD

Transação Clássica ACIDTransação Clássica ACID

As propriedades ACID garantem A validação de uma transação em sua totalidade,

ou Tudo de passa como se a transação nunca tivesse

existido Nada melhor para garantir a consistência do

BD Mas só são aceitáveis se a duração da

transação for curta

WorkflowWorkflow

Propriedades ACID são muito rígidas para MDS Transações interativas, ou de duração longa

Workflow– Várias partes, ou fragmentos, com ordem parcial

Necessidade de flexibilizar Validação de partes da transação, ou validação parcial As partes não validades são como se nunca tivessem

existido

WorkflowWorkflow

Exemplo de Workflow

Reserva de HotelReserva de RestauranteReserva de Teatro

Se não puder reservar um teatro, eu posso me contentar com o hotel e o restaurante

Só hotel, ou só restaurante, não serve

Um Modelo de Transação MóvelUm Modelo de Transação Móvel Cenário de Execução

Um usuário lança uma transação (workflow) de seu MH Os resultados finais voltam para o MH A transação do usuáro não precisa ser completamente

executada no seu MH Fragmentada e distribuída entre FHs e outros MHs

– Execução distribuída de uma transação móvel Exemplo: workflow de viagem

Passagens no MH que lançou a transação Hotéis em um FH Restaurantes em outro FH Teatros em outro MH

Um Modelo de Transação MóvelUm Modelo de Transação Móvel

Uma transação móvel pode ser definida como

T é uma tripla <F, L, FLM>, em que

F = {e1, e2, …, en} é um conjunto de fragmentos da transação,

L = {l1, l2, …, ln} é um conjunto de localizações, e

FLM = {flm1, flm2, …, flmn} é um conjunto de funções de mapeamento de fragmento para localização, isto é, j, flmi (ei) = li


Uma execução do fragmento ei é uma ordem parcial eij =

{j, j} em que

j = OSj {Nj} em que OSj = kOjk, Ojk {read, write},

e Nj {Abort, Commit}

Para quaisquer Ojk e Ojl com Ojk = R(x) e Ojl = W(x)

para um objeto x, então ou Ojk j Ojl ou Ojl j Ojk


Hipóteses do Modelo Transação de longa duração

Pode ser dividida em sub-transações, com ordem parcial– Workflow

Sub-transações podem ser executadas em diferentes MHs e FHs

Uma operação merge em um FH reúne os efeitos das sub-transações

Validações parciais, no nível de sub-transação são aceitáveis

Critérios de validação explicitamente definidos

Execução de Transação MóvelExecução de Transação Móvel

DBS4

DBS1

DBS3

DBS2T2(e4, e5)

MU2

MU1 T1(e1, e2, e3) MU3

Execução de Transação MóvelExecução de Transação Móvel

Cópias primárias: FHs Cópias secundárias (cached) mantidas

em MHs A tolerância a falhas incorpora o

‘desaparecimento’ de MHs

Controle de ConcorrênciaControle de Concorrência

Objetivo: Garantir a propriedade de Isolação (I) das

transações móveis


Um MH lê e atualiza dados de seu cache local, baixados de um FH O que fazer para garantir a consistência do FH, se

os dados locais são atualizados durante uma desconexão – problema de consistência de dados --?

Vários critérios para consistência baseiam-se na seriação das atualizações do BD

Controle de concorrência para assegurar a propriedade de isolação das (sub)transações dos clientes móveis


Métodos convencionais de seriação de execuções concorrentes Métodos Pessimistas

Bloqueio em duas fases (Two-phase locking)

Timestamping Métodos otimistas


Problemas Sobrecarga de mensagens (com / sem fio) Lidar eficientemente com desconexões é

muito difícil Em caso de bloqueio, a gerência de

bloqueios distribuídos é muito complexa


Um requisito importante para MDS: um número mínimo de mensagens trocadas, especialmente mensagens sem fio

Métodos otimistasDeixa a consistência para depois, na

esperança de que tudo dê certo

Se não der certo?! Transações de compensação

Validação de Transações MóveisValidação de Transações Móveis

Os clássicos 2-phase commit (2PC) e 3-phase commit (3PC) não são adequados

Muitas mensagens trocadas durante o processo de validação de transação distribuída

Um esquema que use poucas mensagens, especialmente em meio sem fio, é sumamente necessário

ConclusõesConclusões

Redes sem fio estão se tornando uma plataforma de comunicação muito usada. Elas oferecem um modo mais barato de se conectar e, em alguns casos, elas são a única forma de tornar ubíqua a computação

Entretanto, muitos problemas complexos devem ser resolvidos, para que os MDS possam ser efetivamente úteis

Esta visão geral discutiu alguns desses problemas, e identificou algumas possíveis abordagens

banco de dados móvel traduzidos / ampliados / adaptados de: vijay kumar computer sc....

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