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Bancos de Dados MóveisA maioria dos slides é traduzida / adaptada A maioria dos slides é traduzida / adaptada de:de:

Vijay KumarVijay KumarComputer Sc. TelecommunicationsComputer Sc. TelecommunicationsUniversity of Missouri-Kansas CityUniversity of Missouri-Kansas City

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Bancos de Dados MóveisBancos de Dados Móveis

Índice Espaço de Informação Totalmente

Conectado “Personal Communication System” Sistemas de Computação Móvel Sistemas de Banco de Dados Móvel Gerência de Dados Gerência de Transações

Bancos de Dados MóveisBancos de Dados Móveis

Índice (2) Sobre um Relatório sobre Problemas

Abertos e Direções de Pesquisa em MDS Sumário e Conclusões

Espaço de Informação Totalmente Espaço de Informação Totalmente ConectadoConectado

Espaço de Informação Totalmente Espaço de Informação Totalmente Conectado (2)Conectado (2)

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

Espaço de Informação Totalmente Espaço de Informação Totalmente Conectado (3)Conectado (3)

O espaço pode ser mantido integrando sistemas de

banco de dados, e sistemas com / sem fio (PCS -

“Personal Communication Systems” -, Sistemas

Celulares, e GSM - “Global System for Mobile

Communications”)

““Personal Communication Personal Communication System” (PCS)System” (PCS)

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 (2)PCS (2) Dois conjuntos distintos de entidades

“Mobile hosts” (MH) – também chamados de clientes móveis “Fixed hosts” (FH) Alguns FH são estações de base (“Mobile Support Stations”)

Comunicação com MH via uma interface sem fio

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

PCS (3)PCS (3)

Especificidades dos ambientes de computação móvel Largura de banca de comunicação 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

PCS (4)PCS (4)Os limitados canais dos MHs devem ser utilizados eficientemente. Isto é feito por

Reuso de freqüência

A mesma freqüência de rádio é usada para comunicação por mais de uma célula

Células móveis

A área coberta pela rede sem fio é dividida em células

PCS (5): Células MóveisPCS (5): Células Móveis

Metropolitan 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

PCS (6): Células Móveis (2)PCS (6): Células Móveis (2)

O tamanho das células depende da capacidade das estações de base

PSTNMSCMSC: “Mobile Swiching Center”PTSN “Public Switched Network”

PCS (7): “Handoff”PCS (7): “Handoff”

Um processo, que permite quebrar a conexão com um BS (“Base Station”) e estabelecer a conexão com outro BS.

Old BS New BS

MSC

Old BS New BS

MSC

MSC

Old BS New BS New BSOld BS

MSC

PCS (8): “Handoff” (2)PCS (8): “Handoff” (2)

O procedimento é completado enquanto o MH (o ônibus) se encontra na “overlap region”

G

Old BS New BS

Cell overlap region

PCS (9): Gerência de LocalizaçãoPCS (9): Gerência de Localização

Esquema de Dois Passos

HLR: “Home Location Register”Um HLR armazena o perfil do usuário e sua localização geográfica – célula corrente

VLR: “Visitor Location Register”O VLR de uma célula armazena o perfil do usuário e a localização corrente do usuário que vai visitar a célula

PCS (10): Gerência de Localização PCS (10): Gerência de Localização (2)(2)

MU1 se desloca para MU2

MU1MU2

Cell 1 Cell 2

MU (“Mobile Unit”)é sinônimo de MH

PCS (11)PCS (11)

1. O VLR da célula 2 é pesquisado para o perfil de MU2

2. Se não é encontrado, então o HLR é pesquisado

3. Uma vez MU2 localizado, então a informação é enviada à estação de base da célula 1

4. A célula 1 estabelece a comunicação

Passo 1: Localização

PCS (12)PCS (12)

Passo 2: Atualização da localização

1. MU2 se move da célula 1 para a célula 22. A localização de MU2 é mudada e então a nova

localização deve ser registrada3. O HLR é atualizado4. A entrada para MU2 é removida do VLR da

célula 1 e uma nova entrada é incluída VLR da célula 2

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

O MH é um SGBD “à part entière”

Completa mobilidade espacial

Construído sobre plataforma PCS/GSM

Capacidade de comunicação com / sem fio

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

MDS (2)MDS (2)

O que é uma conectividade móvel?

Um modo de conectividade em que um MH e um FH podem se comunicar um com o outro toda vez que isto se fizer necessário. Conectividade intermitente é um caso especial de conectividade móvel

MDS (3)MDS (3)

Um modo de conectividade em que somente o MH pode estabelecer comunicação com o FH, sempre que isto for necessário

O que é conectividade intermitente?

MDS (4)MDS (4)

Objetivos

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

MDS (5): Arquitetura Cliente-MDS (5): Arquitetura Cliente-Servidor Servidor

Application-awareness(collaboration)

Laissez faire(No system support)

Application-transparent(No changes to applications)

Fonte: J. Jing, A. Helal e A. Elmagarmid

MDS (6): Arquitetura Cliente-MDS (6): Arquitetura Cliente-Servidor (2) Servidor (2)

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

MDS (7): Arquitetura Cliente-MDS (7): Arquitetura Cliente-Servidor (3) Servidor (3)

Fonte: J. Jing, A. Helal e A. Elmagarmid

Application-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)

MDS (8): SGBDs MDS (8): SGBDs

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

plataformas móveis MS Windows CE

MDS (9)MDS (9)

Aplicações

Companhias de seguro Serviços emergenciais (Polícia, assistência médica,

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

MDS (10): DesafiosMDS (10): Desafios

Gerência de Dados Gerência de Transações

Controle de Concorrência Tolerância a Falha

Recuperação

Gerência de DadosGerência de Dados

Distribuição de dados Disseminação de dados “Caching” de dados Processamento de consulta

Gerência de Dados: DisseminaçãoGerência de Dados: Disseminação

Como um cliente acessa o 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

Disseminação: Push-basedDisseminação: Push-based“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”) MHs podem recuperar seus dados do ‘disco’ O tempo de espera por um ítem é sempre o

mesmo

Disseminação: Flat BroadcastingDisseminação: Flat Broadcasting

server

AB C D E

C BA

DE

Disseminação: ‘Discos’ Disseminação: ‘Discos’ HierárquicosHierárquicos

Difunde os 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’

Disseminação: “Pull-based”Disseminação: “Pull-based”

Somente dados solicitados aparecerão como ‘dados no ar’

Disseminação: HíbridaDisseminação: Híbrida

Mistura tanto “push” como “pull” Clientes enviam pedidos se os dados não se

encontram nos ‘discos’

Disseminação: Economia de bateriaDisseminação: Economia de bateria

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

Gerência de Dados: “Caching”Gerência de Dados: “Caching”

Clientes móveis (MHs) têm acesso a um servidor 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

Gerência de Dados: “Caching” (2)Gerência de Dados: “Caching” (2)

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

Gerência de Dados: Gerência de Dados: Processamento de ConsultasProcessamento de Consultas

Classificação de dados

“Location Dependent Data” (LDD)

“Location Independent Data” (LID)

Processamento de Processamento de Consultas (2): LDDConsultas (2): LDD

A classe de dados cujo valor é funcionalmente dependente da localização. Assim, o valor da localização determina o valor correto dos dados

Localização Valor do dado

Processamento de Processamento de Consultas (3): LDD (2)Consultas (3): LDD (2)

Exemplo: Existem vários hotéis Taj na India. Entretanto, a reserva de apto no hotel dependerá do lugar onde ele está localizado. Uma atualização do status de um apto não deve afetar qualquer outro apto da rede

Esquema: Permanece o mesmo; apenas, múltiplos valores corretos existem no BD


LDD deve ser processado levando em conta as restrições de localização. Assim, impostos em Pune (cidade da Índia) devem ser processados segundo as regras de impostos desta localidade

O MDS deve oferecer a função location binding ou location mapping


Distribuição de dados LDD

Uma abordagem é representar uma cidade em termos de um número de células móveis, “Data region”. Assim, Pune pode ser representada em termos de N células, e os LDD de Pune podem ser replicados nessas células


Em uma “data region”, os LDD podem ser representados de um modo hierárquico

County 1 data County 2 data County n data

City data

Subdivision 1 data Subdivision data Subdivision m data

LDD: Hierarquia de Conceitos

Processamento de Processamento de Consultas (7): LIDConsultas (7): LID

Uma classe de dados cujos valores são funcionalmente independentes de localização. Assim, o valor da localização não determina o valor dos dados

Exemplos: Nome de pessoa, número de conta, etc.

Processamento de Processamento de Consultas (8): Tipos de consultaConsultas (8): Tipos de consulta

Location dependent (LD) query Location independent query

Processamento de Processamento de Consultas (9): LD Consultas (9): LD

Uma consulta cujo resultado depende da localização geográfica da submissão da consulta

ExemploQual é a distância da estação

ferroviária de Pune para ‘aqui’?

O resultado desta consulta é correto somente para ‘aqui’

Processamento de Processamento de Consultas (10): LD (2)Consultas (10): LD (2)

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 TransaçõesGerência de Transações

Transações Clássicas ACID Controle de Concorrência Tolerância a Falha

Recuperação

Gerência de Transações (2): Gerência de Transações (2): Transações Clássicas ACIDTransações Clássicas 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

Gerência de Transações (3)Gerência de Transações (3)

Transações clássicas ACID são muito rígidas para MDS. Flexibilidade pode ser introduzida usando o conceito de “workflow”. Assim, uma parte de uma transação pode ser executada e validada, independentemente de suas outras partes

“Workflow”Reserva de HotelReserva de RestauranteReserva de Teatro


MSC MSC

DB DB HLR VLR

BSC BSC

DBS DBS

MU BS

MU

MU

BS

MU

BS

MU

Fixed host

Fixed host

PSTN

Fragmentos de uma transação para a sua distribuição


Cenário de execução: Um usuário lança uma transação de seu MH e os resultados finais voltam para o MH. A transação do usuáro não precisa ser completamente executada no seu MH: em vez disso, ela é fragmentada e distribuída entre FHs e MHs para execução. Isto cria uma execução distribuída de uma transação móvel

Exemplo: “supply chain workflow”

Gerência de Transações (6): Gerência de Transações (6): Uma Definição de Transação Uma Definição de Transação MóvelMóvel

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, and

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

Gerência de Transações (7): Gerência de Transações (7): Uma Definição de Transação Uma Definição de Transação Móvel (2)Móvel (2)

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 {AbortL, CommitL}.

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

Gerência de Transações (8): Gerência de Transações (8): Um Modelo de Transação Móvel Um Modelo de Transação Móvel

Semantics Based: O modelo assume que uma transação móvel é uma tarefa de longa duração, e por causa disso objetos grandes e complexos são fragmentados em diferentes MHs. Os fragmentos (objetos modificados) são colocados juntos outra vez por uma operação “merge” em um FH. Se os fragmentos puderem ser recombinados em uma ordem qualquer, então os objetos são alcunhados de “reorderable objects”

Gerência de Transações (9): Gerência de Transações (9): Uma Execução de Transação Uma Execução de Transação MóvelMóvel

DBS4

DBS1

DBS3

DBS2T2(e4, e5)

MU2

MU1 T1(e1, e2, e3) MU3

Gerência de Transações (10): Gerência de Transações (10): Uma Execução de Transação Uma Execução de Transação Móvel (2)Móvel (2) Cópias primárias: FHs ou estações de base Cópias secundárias (“cached”) mantidas em

MHs A tolerância a falhas incorpora o

‘desaparecimento’ de MHs MHs fazem “checkpoints” periódicos

Gerência de Transações (11): Gerência de Transações (11): Consistência de Dados - Consistência de Dados - IsolaçãoIsolação Um cliente lê e atualiza dados de seu “cache” local,

baixados de um FH, como se os outros fragmentos da transação global não existissem 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

Gerência de Transações (12): Gerência de Transações (12): Consistência de Dados - Isolação Consistência de Dados - Isolação (2)(2)

Métodos convencionais de seriação de execuções concorrentes: Bloqueio em duas fases (Two-phase locking) Timestamping Controle otimista

Estes métodos são pessimistas, e podem não funcionar para ambientes móveis 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

Gerência de Transações (13): Gerência de Transações (13): Consistência de Dados - Isolação Consistência de Dados - Isolação (3)(3)

Novos esquemas de seriação baseados em timeout, multiversão, etc., podem funcionar. Um requisito importante é 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

Gerência de Transações (14): Gerência de Transações (14): Consistência de Dados - Isolação Consistência de Dados - Isolação (4) (4)

Consistência global (FH)

O problema de atualização de um BD se levanta quando MHs atualizam o BD. Para manter a consistência global (do BD) um eficiente esquema de atualização faz-se necessário

Gerência de Transações (15): Gerência de Transações (15): Validação de Transações Validação de Transações MóveisMóveis

Como sabemos, uma transação móvel pode ser fragmentada e pode rodar em mais de um nó (MHs e FHs)

Um eficiente protocolo de validação é necessário. Os clássicos “2-phase commit” (2PC) e “3-phase commit” (3PC) não são bons porque usam e abusam de mensagens trocadas entre os participantes do processo de validação

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

Gerência de Transações (16): Gerência de Transações (16): Validação de Transações Móveis Validação de Transações Móveis (2)(2)

Um possível protocolo, baseado em “timeout”:

Conceito: MHs e FHs garantem completar a execução de seus fragmentos da transação móvel dentro de seus “timeouts” pré-definidos. Assim, durante o processamento nenhuma comunicação é requerida. No fim do “timeout”, cada nó independentemente valida seu fragmento


Protocolo: TCOT-Transaction Commit On Timeout

RequirementsCoordinator: Coordinates transaction commitHome MH: Mobile Transaction (MT) originates hereCommit set: Nodes that process MT (MUs + FHs)Timeout: Time period for executing a fragment


MT arrives at Home MH MH extract its fragment, estimates timeout, and

send rest of MT to the coordinator Coordinator further fragments the MT and

distributes them to members of commit set MU processes and commits its fragment and

sends the updates to the coordinator Other MHs and FHs process their fragments and

inform the coordinator Coordinator commits or aborts MT

Gerência de Transações (19): Gerência de Transações (19): Recuperação de FalhasRecuperação de Falhas

É um processo complexo pelas razões seguintes: Alguns nós são móveis Os canais sem fio são muito limitados O suprimento de energia é limitado A capacidade de processamento em

presença de desconexão é restrita

Gerência de Transações (20): Gerência de Transações (20): Recuperação de Falhas (2)Recuperação de Falhas (2)

Qualidades desejáveis para um processo de recuperação Recuperações independentes (MHs e FHs)

MHs podem se recuperar sem a ajuda de um FH reduz o número de mensagens

Operações de “logging” e “checkpointing” eficientes Poupar as baterias dos MHs

Facilidade de duplicação de “logs” Confiabilidade do processo de recuperação


Possíveis abordagens Recuperação parcial Uso de tecnologia de agentes móveis


Tecnologia de Agentes Móveis

Um agente móvel é um módulo independente de software capaz de

Migrar para qualquer nó da rede Capaz de se reproduzir e se eliminar Capaz of registrar sua própria história

Gerência de Transações (23): Gerência de Transações (23): Agentes MóveisAgentes Móveis

“Logging” centralizado e distribuído Um carregador de “logs”: um agente móvel

pode ser necessário para carregar seu log com ele

Processamneto de “logs” para a recuperação do FH

Validação ou rejeição da transação móvel

Um agente móvel pode ser usado para as seguintes atividades, que são essenciais para recuperação:

Gerência de Transações (24): Gerência de Transações (24): Agentes Móveis (2)Agentes Móveis (2)

Difusão de agentes em um canal sem fio dedicado

“Pool” de agentes em cada nó Migração de agentes segundo o modo

requisitado

Possíveis abordagens

Um Relatório …Um Relatório …Mobile Databases: a Report on Open Issues

and Research Directions, por pesquisadores do CNRS, França Sincronização de cópias em computação

desconectada Transações móveis SGBDs para “ultra-light devices” Confiabilidade de dados Modelos de disseminação P2P Adaptabilidade de “middleware”

Um Relatório … (2): Um Relatório … (2): SincronizaçãoSincronização Contexto: “Real-time groupware”

n MHs (“sites”) Cada “site” trabalha com uma cópia local de um complexo

objeto compartilhado Exemplo: edição simultânea de um documento

Cada “site” participante combina o que vai fazer, mas o critério não é rígido

Toda operação é processada em 4 passos P1: gerada em um “site” P2: difundida para os outros “sites” P3: recebida por eles P4: re-executada remotamente neles

Um Relatório … (3): Um Relatório … (3): Sincronização (2)Sincronização (2)

Um sincronizador é capaz de garantir que o efeito final das operações, ao mesmo tempo concorrentes e colaborativas, seja consistente Duas direções de pesquisa

Sincronizadores ‘convencionais’ são projetados para suportar curtos períodos de desconexão; eles devem então ser estendidos para tolerar longas desconexões

Para a sincronização, é comum mover um “log” de operações de / para um MH; é importante então minimizar o tamanho dos “logs”

Pesquisas ∆X? Uma interessante discussão, regada a chopp!

Um Relatório … (4): Transações Um Relatório … (4): Transações MóveisMóveis

Características do modelo de transações móveis Transação de longa duração (“long-duration

transactions” – LDT) Sub-transação em cada MH

Possivelmente desconectada Validação local

LTD globalmente validada Cópias locais são reintegradas, se possível Durante a validação global, cada MH deve manter uma

conexão estável com o FH

Um Relatório … (5): Transações Um Relatório … (5): Transações Móveis (2)Móveis (2)

Validação global Cada LDT é associada com um contrato

Um conjunto de regras Intenções de acesso Bloqueios “Timeouts” para bloqueios Limite de divergência para cópias compartilhadas Etc.

Um Relatório … (6): Transações Um Relatório … (6): Transações Móveis (3)Móveis (3)

Direções de pesquisa (relacionadas com a noção de contrato) Como especificar um contrato? Como derivar regras operacionais para mantê-lo em

tempo de execução? Como usá-lo para facilitar a integração de cópias

modificadas localmente com as cópias do FH

Um Relatório … (7): Um Relatório … (7): “Embedded Databases”“Embedded Databases”

Restrições de hardware do tipo “smart card platform”) CPU poderosa RAM muito pequena Memória estável

Rápida para leitura Dramaticamente lenta para gravação

Um Relatório … (8): Um Relatório … (8): “Embedded Databases”“Embedded Databases”

Protótipo de pesquisa PicoDBMS Processa qualquer consulta SQL sem usar a RAM,

não importando o volume de dados da consulta Direções de pesquisa

Como usar RAM em consultas? Existe um limite mínimo de RAM não importando o

tamanho da consulta? Como pode uma consulta ser otimizada dentro do limite

mínimo de RAM? Como um crescimento incremental de RAM impacta as

técnicas que levam em conta o limite mínimo de RAM?

Sumário e ConclusõesSumário e ConclusõesRedes 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

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