UNIVERSIDAD VERACRUZANA REPLICACION Y FRAGMENTACION DE BASES DE DATOS DISTRIBUIDAS M O N O G R A F Í A

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1 UNIVERSIDAD VERACRUZANA Facultad de Contaduría y Administración REPLICACION Y FRAGMENTACION DE BASES DE DATOS DISTRIBUIDAS M O N O G R A F Í A Para obtener el Título de: Licenciado en Sistemas Computacionales Administrativos Presenta: Alejandra Zavala Mendoza Asesor: Mtra. María Luisa Velasco Ramírez Xalapa-Enríquez, Veracruz Agosto

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3 UNIVERSIDAD VERACRUZANA Facultad de Contaduría y Administración REPLICACION Y FRAGMENTACION DE BASES DE DATOS DISTRIBUIDAS M O N O G R A F Í A Para obtener el Título de: Licenciado en Sistemas Computacionales Administrativos Presenta: Alejandra Zavala Mendoza Asesor: Mtra. María Luisa Velasco Ramírez Xalapa-Enríquez, Veracruz Agosto

4 AGRADECIMIENTOS Primero que nada quiero dedicar mi monografías a mis padres que son las personas que más amo, porque gracias a ellos he podido llegar a donde estoy por que sin su apoyo no hubiera podido lograr este gran sueño terminar mi carrera profesional. Gracias por todo su apoyo incondicional, comprensión y por estar siempre a mi lado los amooo mucho. También quiero agradecer a mis compañeros que durante estos cuatro años siempre me brindaron su amistad: Luisito, perrota, tachi, Jorge, Juan Ramón, increíble, etc. Los quiero mucho y los voy a extrañar demasiado. Por último también quiero agradecer a mis amigas que siempre han estado conmigo marinita, andri, mafer, talis las quiero mucho 4

5 INDICE Pág. Resumen..1 Introducción....2 Contenido: Capitulo 1: Base de datos Antecedentes de las bases de datos Bases de datos Diseño de Bases de datos Usuarios finales Control de redundancia Suministros de copias de seguridad y recuperación Lenguaje de SGBD Componentes del SGBD Utilidades del Sistema de Base de Datos 18 Capitulo 2: Bases de Datos Distribuidas Bases de Datos Distribuidas Ventajas de las Bases de Datos Distribuidas Desventajas de las bases de datos distribuidas Aplicaciones de las bases de datos distribuidas Funciones de las Bases de Datos Distribuidas..27 II

6 2.6.- Técnicas de Fragmentación replicación y asignación de las Bases de Datos Distribuidas Fragmentación horizontal Fragmentación Vertical Replicación y asignación de las Bases de Datos Distribuidas Tipos de Bases de Datos Distribuidas Características de los Sistemas de Gestión de Bases de Datos Distribuidas Procesamiento de consultas de Bases de Datos Distribuidas Control de concurrencia y recuperación en Bases de datos distribuidas Recuperación distribuida Arquitectura cliente servidor con bases de Datos Distribuidas.43 Capitulo 3: Replicación y Fragmentación de una Base de Datos Distribuida Replicación Tipos de replicación Factores para la replicación Ventajas y Desventajas de la replicación Fragmentación de los datos Requerimientos de información Fragmentación Horizontal Fragmentación Vertical...56 III

7 Fragmentación mixta Colocación de datos Criterios para escoger la distribución Transparencia..63 Conclusión. 65 Fuentes de Información.. 68 Índice de Tablas...70 Índice de Figuras.. 71 IV

8 RESUMEN El siguiente trabajo titulado Replicación y fragmentación de Bases de Datos Distribuidas principalmente está enfocado a la descripción de las bases de datos distribuidas, sus características, ventajas y sus usos. Esta investigación documental va dirigida a cualquier organización que cuente con la necesidad de almacenar información en bases de datos y poder manipular dicha información desde cualquier punto que lo desee gracias las bases de datos distribuidas, mismos que por medio de una red de comunicación, pueden acceder a la información de una forma rápida y eficiente. El trabajo se centra en considerar la importancia de tener replicada una base de datos, los grandes beneficios que esta proporciona, y las ventajas competitivas que esta proporciona. 1

9 INTRODUCCION 2

10 Los almacenamientos de datos son un elemento fundamental para las empresas por ello ha llamado la atención de estas ya que en la actualidad cualquier compañía por pequeña que sea tiene que manejar grandes cantidades de información, para poder tener control sobre todas las áreas de su empresa, es por ello que surge la necesidad de emplear bases de datos dentro de las organizaciones, no importando el giro de las empresas. Por lo cual, se le denomina Base de Datos a la colección de datos aparentes usados por el sistema de aplicaciones de una determinada empresa. La mayoría de las empresas necesitan contar con bases de datos ya que las bases de datos facilitan la realización de sus actividades, garantiza la seguridad, la confiabilidad de la información, consistencia de los datos, mejora en la disponibilidad de información, guarda información sobres sus clientes, proveedores, información financiera, inventarios, compras, ventas etc. Si contamos con un buen control de la información se podrá llevar una empresa de mejor manejar y mas organizadamente La gran cantidad de información que producen grandes empresas geográficamente distribuidas, ha generado una gran dispersión de los datos asociados a sus sistemas de información. Para compartir dichos datos se requiere de tecnología capaz de integrarlos para permitir el acceso concurrente de múltiples usuarios. Una de las tecnologías que se propone alcanzar este tipo de objetivos son las bases de datos distribuidas Las bases de datos distribuidas mejoran la disponibilidad de los datos pues permite que el sistema pueda seguir operando y los usuarios desde cualquier sitio puedan acceder a la información, exactamente igual como si los datos estuvieran en el mismo sitio del usuario. 3

11 Las bases de datos distribuidas se conectan por medio de redes de computadoras, estas pueden tener cientos de usuarios conectados concurrentemente, por lo cual es un problema en muchas empresas que compiten en los mercados mundiales. Debido al alto grado de conectividad que provee Internet a las empresas, se debe tener un buen diseño de replicación y fragmentación. Este problema consiste en tratar de determinar la mejor forma de dividir las relaciones de la base de datos en fragmentos. La fragmentación mejora la disponibilidad de la información notablemente por que el sistema puede seguir operando mientras, por lo menos, uno de los sitios esta activo, con la replicación también se mejora el rendimiento de la recuperación en consultas globales, por que el resultado de semejante consulta se puede obtener localmente en cualquier sitio, esto ayuda a contar con la información necesaria de una forma más fácil y rápida y hoy en día para las empresas contra con la información en un corto tiempo es un factor clave para la toma de decisiones oportunas. 4

12 Capitulo 1: Bases de Datos. 5

13 Las bases de datos, hoy en día, ocupan un lugar determinante en cualquier área ya que se emplea en diversas empresas no importando el giro de esta, es por ello que deben de tener los conocimientos necesarios para poder utilizar las bases de datos.en este capítulo se hablará de las bases de datos, algunas de sus ventajas, características, además de cuales son algunas de sus principales características, componentes, su diseño, etc Antecedentes de las bases de datos. Según Coronel, Carlos. (2004) históricamente las primeras aplicaciones de computadora se concentraron en tareas de oficina: en procedimientos de entradas o pedidos o cambios, nominas, planificación del trabajo, etc. Tales aplicaciones tenían acceso a datos guardados en archivos de computadora. Se solicitaba información Cuántos productos fueron vendidos por quien y a quien?; y se generaban reportes para transformar los datos a información útil para las decisiones de la gerencia Bases de datos Siguiendo con Coronel, Carlos Bases de datos: es una colección de datos relacionados. Por datos: se entiende hechos conocidos que pueden registrarse y que tienen un significado implícito. Po ejemplo, considérese los nombres, números de teléfono y direcciones de gente que usted conoce. Usted podría registrar dichos datos en un libro de direcciones, utilizando una computadora personal y un software como ACCESSO EXCEL. Este es una colección de datos relacionados con un significado implícito y por tanto es una base de datos. Se suelen utilizar sistemas de archivos, que son muchos archivos separados y no relacionados, las bases de datos se componen de datos lógicamente relacionados 6

14 guardados en un solo reposito de datos. Como se muestra en la figura 1.1 las bases de datos brindan grandes ventajas Figura 1.1 Comparación de una base de datos y un sistema archivos. Una base de datos puede tener cualquier tamaño y complejidad. Por ejemplo, la lista de nombres y direcciones mencionada, puede constar de unos pocos cientos de registros, cada uno con una estructura sencilla. Una base de datos puede crearse manualmente o puede estar informatizada. 7

15 Una base de datos informatizada puede crearse y mantenerse bien mediante un conjunto de programas de aplicación diseñados específicamente pata dicha tarea o bien mediante un sistema de gestión bases de datos. Un sistema de gestión de bases de datos: (data management system o DBMS) es una colección de programas que permiten a los usuarios crear y mantener una base de datos. El SGBD es por tanto un sistema software de propósito general que facilita los procesos de definición, construcción y manipulación de base de datos para distintas aplicaciones. Las definición de una base de datos consiste en especificar los tipos de datos, las estructuras y restricciones para los datos que se van a almacenar en dicha base. La construcción de una base de datos es el proceso de almacenar los datos concretos sobre algún medio de almacenamiento controlado por el SGBD. La manipulación de la base de datos incluye funciones tales como consultar la base de datos para recuperar unos datos específicos, actualizar la base de datos para reflejar los cambios ocurridos en el mini mundo, y generar informes a partir de los datos. No es preciso utilizar software de SGBD de propósito general para implementar una base de datos informatizada. Se codifica un conjunto de programas para crear y mantener la base de datos, es decir, crear software de SGBD de propósito especifico, en cualquier caso, se use usemos o no un SGBD de propósito general, normalmente se emplea gran cantidad de software para manipular la base de datos. Se Denomina sistemas de base de datos al conjunto formado por la base de datos más el SGBD. La figura 1.2 ejemplifica un SGBD. 8

16 Figura 1.2 Muestra un entorno de sistema de base de datos simplificado, que ilustra los conceptos y terminología de un Sistema de Base de datos Diseño de bases de datos Según RAMEZ, Elmasri. (2006), Los diseños de bases de datos se encargan de identificar los datos que se almacenan en la base de datos y de elegir las estructuras apropiadas para presentar y almacenar dichos datos. Por lo general, estas tareas se realizan antes de que se implemente la base de datos y se carguen los datos. Los diseñadores tiene la responsabilidad de comunicarse con toso los futuros usuarios de la base de datos con el fin de comprender sus necesidades, y de presentar un diseño que satisfaga esos requerimientos. En 9

17 muchos casos los diseñadores forman parte del personal de ABD (Administrador de bases de datos) y tal vez asuman otras responsabilidades una vez terminado el diseño de la base de datos. Casi siempre, los diseñadores interactúan con cada uno de los grupos de usuarios potenciales y desarrollan una vista de la base de datos que satisfaga los requerimientos de datos y de procesamiento de cada grupo, después, se analizan las vistas y se integran con las de otros grupos de usuarios. El diseño final debe ser capaz de satisfacer las necesidades de todos los grupos Usuarios finales Continuando con RAMEZ, Elmasri. (2006)., Los usuarios finales son las personas cuyo trabajo requiere acceder a la base de datos para consultarla, actualizarla y generar informes; las base de datos existe principalmente para que ellos la utilicen. Los usuarios finales ocasionales: acceden de vez en cuando a la base de datos, pero es posible que requieran información diferente en cada ocasión. Utilizan un lenguaje de consulta de base de datos avanzado para especifica sus solicitudes y suelen ser gerentes de nivel medio o alto u otras personas que examinan la base de datos ocasionalmente Los usuarios finales simples o paramétricos: construyen una porción apreciable de la totalidad de los usuarios finales. La función principal de su trabajo gira en torno a consultas y actualizaciones constantes de la base de datos, utilizando tipos estándar de consulta y actualizaciones, transacciones programadas, que se han programado y probado con mucho cuidado. Las tareas realizadas dichos usuarios son variadas: Los cajeros de los bancos revisan los saldos y realizan los reintegros y depósitos de dinero. 10

18 Los encargados de reservas de líneas aéreas, hoteles y compañías de alquiler de automóviles revisan la disponibilidad para una solicitud presentada y realizan las reservas. Los usuarios finales avanzados: pueden ser los ingenieros, científicos, analistas de negocios y otros, que están suficientemente familiarizados con los recursos de SGBD como para implementar sus aplicaciones de forma que cumplan sus complejos requerimientos. Los usuarios autónomos: mantienen bases de datos personales mediante la utilización de paquetes de programas comerciales que cuentan con interfaces de fácil uso, basados en menús o en gráficos. Un ejemplo es el usuario de un paquete fiscal que almacena diversos datos financieros personales para fines fiscales Normalmente los SGBD proporcionan múltiples recursos para acceder a la base de datos. Los usuarios finales simples necesitan aprender pocas cosas sobre los recursos proporcionados por el SGBD; solo necesitan entender los tipos de transacciones estándar diseñadas e implementadas para que ellos las usen los usuarios ocasionales aprender únicamente unos pocos recursos que pueden utilizar de forma repetida. Los usuarios avanzados intentan conocer la mayoría de los recursos del SGBD para satisfacer sus complejos requerimientos. Los usuarios autónomos normalmente adquieren gran habilidad para utilizar un paquete de software específico Control de redundancias La redundancia: es el almacenamiento de los mismos datos varias veces, provoca varios problemas. En primer lugar, es necesario realizar una misma actualización lógica (como introducir los datos de un nuevo alumno varias veces: una vez por cada fichero en el que se registren los datos de alumnos. Esto implica una duplicación del trabajo. En segundo lugar se desperdicia espacio de almacenamiento al guardar los mismos datos en varios sitios, y este problema puede ser grave si las bases de datos son grandes. En tercer lugar, es posible 11

19 que los ficheros que representan los mismos datos, se vuelvan inconsistentes. Esto puede suceder porque una actualización se haya aplicado a ciertos ficheros pero no a otros. Restricción de los accesos no autorizados Cuando muchos usuarios comprante una misma base de datos, es probable que no todos tengan la autorización para acceder a toda la información que contiene. Por ejemplo es habitual considerar que los datos financieros son confidenciales y que solo ciertas personas pueden tener autorización para acceder a lo mismo. Además, es posible que solo algunos usuarios tengan permiso para recuperar datos, mientras que a otros se les permita obtenerlos y actualizarlos por tanto, también es preciso controlar los tipos de acceso( recuperación o actualización). Normalmente a los usuarios o grupos de usuarios se le asigna números de cuenta protegidos, con contraseñas que sirven para detener accesos a la base de datos. EL SGBD (Sistema de gestión de base de datos), debe contar con un sistema de seguridad y autorización que le permita al ABD crear cuentas y especificar restricciones para ellas. El SGBD deberá entonces garantizar automáticamente el cumplimiento de dichas restricciones. Cabe señalar que el mismo tipo de controles se puede aplicar al software que SGBD por ejemplo, solo el personal del ABD tendrá autorización para utilizar ciertos software privilegiados como el que sirve para crear cuentas nuevas. De manera similar podemos hacer que los usuarios paramétricos solo puedan tener acceso a la base de datos a través de las transacciones programadas que expresamente fueron creadas para ellos Suministros de copias de seguridad y recuperación Todo SGBD debe contar con recursos para recuperarse de fallos de hardware o de software. El sistema de copias de seguridad (Backus) y recuperación del SGBD es el responsable de llevar a cabo dicha recuperación por ejemplo si el sistema falla mientras se está ejecutando un complejo programa de actualización el subsistema de recuperación se encargara de asegurarse de que la base de datos se restaure al estado en que estaba antes de comenzar la ejecución de dicho 12

20 programas, con alternativa el subsistema de recuperación puede asegurarse de que el programa reanude sus ejecución en el punto en que fue interrumpido de modo que su efecto complejo se registre en la base de datos Arquitectura de tres esquemas de un SGBD El objetivo de la arquitectura de tres esquemas es separar las aplicaciones del usuario y la base de datos física. En esta arquitectura se definen esquemas de los tres siguientes niveles: 1.- El nivel interno: tiene un esquema interno que describe la estructura física de almacenamiento de la base de datos. El esquema interno emplea un modelos de datos físicos y describe todos los detalles para su almacenamiento, así como los caminos de acceso para la base de datos 2.- El nivel conceptual: el nivel conceptual tiene un esquema conceptual que describe la estructura de la base de datos completa para una comunidad de usuarios. El esquema conceptual oculta los detalles de las estructuras físicas de almacenamiento y se concentra en describir entidades, tipos de datos, vínculos, operaciones de los usuarios y restricciones. En este nivel podemos usar un modelo de datos o uno de implementación. 3.- El nivel externos o de vistas: incluyen varios esquemas externos o vistas de usuarios. Cada esquema externo describe de la base de datos que interesa a un grupo de usuarios determinado, y oculta a ese grupo el resto de la base de datos. En este nivel podemos usar un modelo de datos de alto nivel o uno de implementación. La estructura de tres esquemas es una herramienta adecuada para que el usuario visualice los niveles de esquema de un sistema de base de datos. La mayoría de los SGBD no separan los tres niveles completamente pero en algunos de ellos se soporta, en cierta médica la arquitectura de tres esquemas. Algunos SGBD incluyen detalles del nivel físico en el esquema conceptual. En casi todos los SGBD se manejan vistas de usuarios, los esquemas externos se especifican en el 13

21 mismo modelos de datos que describe la información del nivel conceptual. Con algunos SGBD es posible utilizar diferentes modelos de datos en los niveles conceptual y externo. Cabe señalar que los tres esquemas son más que descripciones de los datos; los últimos datos que existen realmente están en el nivel físico. En un SGBD basado en la base de arquitectura de tres esquemas cada grupo de usuarios hace referencia exclusivamente su propio esquema externo, por lo tanto, el SGBD debe transformar una solicitud expresada en términos de un esquema externo en una solicitud expresada en términos del esquema conceptual y luego de una solicitud en el esquema interno que se procesara sobre la base de datos almacenada. Si la solicitud es una obtención de datos será preciso modificar el formato de información extraída de la base de datos almacenada para que coincida con la vista externa del usuario. El proceso de transformar solicitudes y resultados de un nivel a otro se denomina correspondencia o transformación. Esta correspondencia puede requerir bastante tiempo por lo que algunos SGBD no soportan vistas externas. Sin embargo, incluso de tales sistemas es preciso realizar algunas correspondencias para transformar solicitudes entre los niveles conceptual o interno Lenguaje del SGBD Silberschatz, Abraham. (2006). Una vez que se ha completado el diseño de una base de datos y se ha elegido un SGBD para su implementación el primer paso será identificar los esquemas conceptual o interno de la base de datos y cualquier correspondencia existente entre ambos. El muchos SGBD en los que no se mantienen una separación estricta de niveles, el ABD y los diseñadores de la base de datos utilizan un mismo lenguaje; el lenguaje de definición de datos (LDD), para definir ambos esquemas el SGBD contara con un compilador de LDD cuya función podrá procesar las sentencias escritas en el LDD para identificar las descripciones de los elementos de los esquemas y almacenar la descripción del esquema el catalogo del SGBD. Cuando los SGBD se mantengan una clara separación entre 14

22 los niveles conceptual o externo el LDD servirá solamente para especificar el esquema conceptual. Para especificar el esquema interno, se utiliza otro lenguaje, el lenguaje de definición de almacenamiento LDA las correspondencias entre los esquemas se pueden especificar en cualquiera de los dos lenguajes. Para una verdadera arquitectura de los tres esquemas, necesitamos un tercer lenguaje, el lenguaje de definición de vistas LDV, para especifica las vistas de usuario y sus correspondencias con el esquema conceptual. Sin embargo, en la mayoría de los SGBD el LDD se utiliza tanto como para describir el esquema conceptual como el externo. Una vez que se han cumplido los esquemas de la base de datos y que en esta se han introducido los datos; los usuarios requieran algún mecanismo para manipularla. Las operaciones de manipulación más comunes son la recuperación, inserción, la eliminación y la modificación de los datos. El SGBD ofrece un lenguaje de manipulación de datos LMD para estos fines. En los actuales SGBD, los tipos de lenguaje mencionados no se consideran lenguajes diferentes más bien, se utilizan un amplio lenguaje integrado que cuenta con elementos, para definir esquemas conceptuales, definir vistas, manipular datos y definir su almacenamiento. La definición de almacenamiento normalmente se mantiene separada puesto que se utiliza para definir las estructuras físicas de almacenamiento para armonizar la ejecución del sistema de bases de datos y normalmente se utiliza por el personal de administración de la base de datos. Un ejemplo representativo es el lenguaje de bases de datos relacionales SQL que representa una combinación de LDD, LDV, LMD así como sentencia para especificación de restricciones y evolución del esquema. El LDA fue componente de las primeras versiones del SQL, pero se ha retirado del lenguaje para mantenerlos solo a nivel conceptual y externo. Hay dos tipos principales de LMD, los LMD de alto nivel o de no procedimiento se pueden utilizar de manera independiente para especificar operaciones complejas 15

23 de base de datos en forma concisa en muchos SGBD, es posible introducir interactivamente instrucciones de LMD de alto nivel desde un terminal o desde un terminal o bien embebidas en un lenguaje de programación de propósito general. En el segundo caso es preciso identificar las sentencias del LMD dentro del programa para que le pre compilador pueda extraerlas, y SGBD procesarlas. Los LMD de bajo nivel o de procedimientos deben estar embebidos en un lenguaje de programación de propósito general. En general, estos tipos de LMD recuperan registros u objetos individuales de la base de datos y los procesa por separado. Por tanto, necesita utilizar elementos del lenguaje de programación, como los bucles para recupera y procesar cada registro individual de un conjunto de registros. Por esta razón los MLD de bajo nivel, se conocen también como LMD de registro por registro u orientados a registro los LMD de alto nivel, como SQL pueden especificar y recuperar muchos registros con una sola instrucción de LMD por eso se le llama LMD conjunto por conjunto u orientado a conjuntos. Las consultad de los LMD de alto nivel suelen especificar que datos ahí que obtener y como obtenerlos por ello tales lenguajes se denominan también declarativos. Siempre que las instrucciones de un LMD sean de alto o de bajo nivel, estén embebidas en un lenguaje de programación de propósito general, a ese nivel se le denomina lenguaje anfitrión al MLD sub lenguaje de datos. Por otro lado los LMD de alto nivel utilizados en forma interactiva e independiente se denominan lenguajes de consulta, en general tanto las instrucciones de recuperación o de la actualización de datos del LMD de alto nivel se pueden utilizar interactivamente, así que se consideran parte de una lenguaje de consulta. Normalmente los usuarios finales ocasionales utilizan un lenguaje de consulta de alto nivel para especificar sus solicitudes, mientras que los programadores utilizan el MLD en su forma embebida. Para los usuarios simples y paramétricos casi siempre se incluyen interfaces amigables con el usuario que permiten interactuar con la base de datos; estos también pueden aprovechar los usuarios ocasionales que no deseen aprender los detalles de un lenguaje de consulta de alto nivel. 16

24 Componentes del SGBD Continuando con RAMEZ, Elmasri. (2006). La base de datos y el catálogo del SGBD casi siempre se almacenan en el disco el acceso al disco suele controlarlo principalmente el sistema operativo que planifica la entrada y salida del disco. Un modulo gestor de datos almacenados del SGBD de más alto nivel controla el accedo a la información el SGBD almacenada en el disco bien sea aparte de la base de datos o del catalogo. El gestor de datos almacenados puede emplear servicios básicos del Sistema operativo para transferir los datos de bajo nivel entre el disco y la memoria principal del computador, pero controla los aspectos de la transferencia de datos, como el manejo de los buffers de la memoria principal. Una vez que los datos estén en dichos bufes fe la memoria principal podrán ser procesados por otros módulos del SGBD o por los programas de aplicación. El compilador de LDD procesa las definiciones de esquemas especificadas en el LDD y almacena las descripciones de los esquemas (metadatos) en el catalogo del SGBD. El catalogo contiene información como los nombres de los ficheros y de los elementos de datos los detalles de almacenamiento de cada fichero la información que corresponde entre los esquemas y las restricciones, además de otros tipos de información que es necesaria para los módulos del SGBD. Los módulos del SGBD que necesitan conocer esa información deberán consultar el catalogo El procesador de base de datos en tiempo de ejecución se encarga de los acceso a la misma durante la ejecución; revive operaciones de obtención o de actualización y las ejecuta sobre la base de datos. El acceso al disco se tiene mediante el gestor de datos almacenados. El recopilador de consultas maneja las consultas de alto nivel que se introducen interactiva, ente analiza las sintaxis y compila la consulta o la interpreta creando el código de acceso la base de datos y luego genera llamadas al procesador en tiempo de para ejecutar dicho cogido. 17

25 El precompilador extrae instrucciones el MLD de un programa de aplicación escrito en un lenguaje de programación anfitrión. Estas instrucciones se envían al compilador de MLD para convertirlas en código objeto para el acceso de la base de datos, y el resto del programa se envía al compilador del lenguaje anfitrión el código objeto de las instrucciones LMD y el del resto del programa se enlazan, formando una transacción programada cuyo código ejecutable incluye llamadas al procesador de la base de datos durante el tiempo de ejecución El SGBD también se comunica con los compiladores de los lenguajes de programación anfitriones de propósito general, puede ofrecer interfaces amigables con el usuario como ayuda a cualquiera de los tipos de usuarios Utilidades del Sistema de Base de Datos Además de los modelos de software que se acaban de describir, casi todos los SGBD cuentan con utilidades de base de datos que ayudan al ABD a destinar el sistema. Las utilidades comunes efectúan los siguientes tipos de funciones: 1.- Carga: se utiliza para cargar ficheros de datos ya existentes (como ficheros de texto o secuenciales) en la base de datos. Normalmente a la utilidad se le especifica el formato actual del fichero de datos (fuente) y la estructura de fichero en la base de datos deseada (destino). La utilidad modifica automáticamente el formato de los datos y los almacena en la base de datos. Con la proliferación de los SGBD, la transferencia de datos de un SGBD a otro se ha vuelto algo común en muchas organizaciones. Algunos proveedores actualmente ofrecen productos que generan los programas de carga apropiados, de acuerdo con las descripciones de almacenamiento de las bases de datos fuente y destino (esquemas internos). Tales herramientas también se denominan herramientas de conversión. 2.- Copia de seguridad backup: las utilidades de respaldo crean una copia de seguridad de la base de datos, casi siempre volcando toda la base de datos en 18

26 cinta. La copia de seguridad puede servir para restaurar la base de datos en caso de un fallo catastrófico. También se suelen usar copias de seguridad en niveles, donde solo se registran los cambios habidos desde la anterior copia de seguridad. La copia de seguridad ahora es más compleja, pero se ahorra espacio. 3.- Reorganización de ficheros: esta utilidad puede servir para pasar de una organización de los ficheros de la base de datos a otra con el fin de mejorar el rendimiento 4.- Control de rendimiento: las utilidades de este tipo supervisan la utilización de la base de datos y proporcionan datos estadísticos al ABD, el cual los utilizan para decidir, por ejemplo, si conviene reorganizar los ficheros con el fin de mejorar el rendimiento En este primer capítulo se explico que son las bases de datos, cómo funcionan y la importancia de contar con una base de datos dentro de una organización. Existen diversos tipos de bases de datos pero las bases de datos que actualmente mas se demandan gracias a sus grandes ventajas competitivas son las bases de datos distribuidas las cuales abordaremos en el siguiente capítulo. 19

27 Capitulo 2: Bases de Datos Distribuidas. 20

28 En el actual capitulo se darán a conocer en qué consisten las bases de datos distribuidas sus principales características así como sus ventajas, principales funciones, tipos de bases de datos distribuidas, etc. En este capítulo se explicara la razón por la que tales bases de datos están llegando a ser cada vez más importantes, así como algunos de los problemas que se generan. Las bases de datos distribuidas son una colección de sitios, conectados por medio de una red de comunicación, los sitios trabajan juntos, a fin de que un usuario de cualquier sitio puede acceder a los datos desde cualquier logar de la red, exactamente como si los datos estuvieran guardados en el propio sitio del usuario, es por ello que cada día más empresas están implementando bases de datos distribuidas para tener acceso a su base de datos desde cualquier sitio que desee Bases de datos distribuidas Según RAMEZ, Elmasri. (2006). Las bases de datos distribuidas aportan las ventajas de la computación distribuida al dominio de las bases de datos. Un sistema de computación distribuido consiste en un conjunto de elementos de procesamiento, no necesariamente homogéneos que están interconectados por una red de computadoras y que cooperan con la ejecución de ciertas tareas asignadas. Como objetivo general los sistemas de computación distribuidos dividen un problema grande e inmanejable en piezas más pequeñas y lo resuelven eficientemente de forma coordinada. La viabilidad económica de este enfoque proviene de dos razones: 1.- Se aprovecha mas la potencia del ordenador para resolver tareas complejas, y cada electo del procesamiento autónomo se puede resignar independientemente y puede desarrollar sus propias aplicaciones. 21

29 2.-Definir una base de dato distribuida BDD como una colección de múltiples bases de datos interrelacionadas lógicamente, distribuidas por una red de computadores y un sistema de gestión de bases de datos distribuido ( SGBD) como un sistema software que maneja una base de datos distribuida haciendo la distribución transparente para el usuario. Una colección de ficheros almacenados en diferentes nodos de una red y el mantenimiento de interrelaciones entre ellos por medio de hipervínculos se ha convertido en una organización común en internet, con los ficheros de la página web. Las funciones usuales de la gestión de bases de datos, incluyendo el procesamiento uniforme de consultas y el procedimiento de transacciones, no se aplican todavía a este entorno. Las tecnología, sin embargo se está moviendo en una dirección tal que las bases de datos Word Wide Web (www) distribuidas se harán realizad en un futuro cercano Ventajas de las bases de datos distribuidas La gestión de bases de datos distribuidas se ha propuesto por varias razones yendo estas desde la descentralización organizacional y procesamiento económico hasta la gran autonomía. 1.-Gestión de datos distribuidos con diferentes niveles de transparencia: idealmente un SGBD deberá ofrecer transparencia de distribución en el sentido que debería ocultar los detalles de donde se almacenan físicamente cada fichero (tabla, relación) dentro el sistema. Otras ventajas de las bases de datos distribuidas son: Transparencia de red o de distribución, hace referencia a la liberación del usuario de los detalles operacionales de la red. Se podrá dividir la transparencia de localización y transparencia de los nombres. Las transparencia de localización se refiere al hecho de que la instrucción usada para ejecutar una tarea, es independiente de la localización del dato y de la localización el sistema donde la instrucción fue utilizada. La transparencia de nombres implica que una vez especificado un nombre se 22

30 puede acceder de manera no ambigua a los objetos con nombre sin ninguna especificación adicional. Transparencia de replica: las copias de los datos se deben almacenar en varios sitios para mejorar la disponibilidad, rendimiento, y fiabilidad. La transparencia de replica hace que el usuario desconozca la existencia de copias. Transparencia de fragmentación: son posibles dos tipos de fragmentación, la fragmentación horizontal distribuye una relación en conjunto de tuplas (filas) la fragmentación distribuye una relación en sub relaciones donde cada sub relación se define por un conjunto de columnas de la relación original. La consulta global del usuario se debe transformar en varias consultas sobre fragmentos. La transparencia de fragmentación hace que el usuario desconozca la existencia del fragmento. 2.- Incremento de la fiabilidad y disponibilidad; estas dos ventajas son de las más comunes para las bases de datos distribuidas. La fiabilidad se define claramente como la probabilidad de que un sistema este en marcha no caído en un punto de tiempo determinado, mientras que la disponibilidad es la probabilidad de que en sistema esté disponible continuamente durante un intervalo de tiempo. Cuando los datos y el software del SGBD están distribuidos por varios sitios un sitio puede fallar mientras otros continúan operando. Solamente son inaccesibles los datos y el software del sitio que ha fallado. Esto mejora tanto la fiabilidad y la disponibilidad. Si se replica acertadamente tanto los datos como el software en más de un sitio se consiguen grandes mejoras en un sistema centralizado. Un fallo en un único sitio hace al sistema inaccesible para todos los usuarios una base de datos distribuida, algunos de los datos podrían ser inalcanzables pero los usuarios podrán aun acceder a otra parte de la base de datos. 3.- Mejora del rendimiento: un SGBD distribuido fragmenta la base de datos manteniendo los datos cerca de donde más se necesita. La localización de datos reduce la contención para la CPU y los servicios de es y simultáneamente reduce 23

31 los retrasos de acceso involucrados en redes de área ancha. Cuando se distribuye una gran base de datos con múltiples sitios ahí bases de datos más pequeñas en cada sitio. Como resultado las consultas locales y las transacciones que accede a datos de un único sitio, tienen mejor rendimiento por que las bases de datos locales son más pequeñas. Además cada sitio tiene un menor número de transacciones ejecutándose que si todas las transacciones refirieren a una base de datos centralizada. Además de un paralelismo interconsulta, puede conseguirse ejecutando varias consultas en sitios diferentes o descomponiendo una consulta en sub consultas, que pueden ejecutarse en paralelo. Esto contribuye a mejorar el rendimiento. 4. Expansión más sencillas en un entorno distribuido, la expansión del sistema mediante la adición de datos, el aumento del tamaño de la base de datos, o la adición de más procesadores es mucho más sencillos. La transparencia total permite ver al usuario global la vista completa del SBDD como si fuese el único sistema centralizado. La transparencia se proporciona como un complemento a la autonomía, que proporciona al usuario un control más estrecho sobre sus propias bases de datos locales. Las características de la transparencia se deben implementar como parte del lenguaje del usuario que traduce los servicios requeridos en operaciones apropiadas. Además la transparencia afectada a las características que debe proporcionar un sistema operativo y el SGBD 5. Costo de operaciones reducidas ya que es mucho más barato agregar estaciones a una red que actualizar un sistema mainframe. El costo de las lineas de comunicación de datos dedicadas y el software de mainframe se reduce proporcionalmente. El trabajo de desarrollo se realiza con más rapidez y menor costo con computadoras personales baratas que con mainframes. De hecho la mayoría de las corporaciones prohíben el trabajo desarrollo de mainframes, las 24

32 mainframes no están condenadas a desaparecer de la escena de la base de datos; su poder no puede ser descontado. No obstante de redes de computadoras personales hace posible distribuir las cargas de trabajo con más prudencia y reservar las costosas mainframe para tareas de procesamiento mas especializadas. 6. Facilidad de crecimiento, ya que se pueden agregar sitios nuevos a la red sin afectar las operaciones de otros sitios, tal flexibilidad permite que la compañía se expanda con relativa facilidad y rapidez. 7. Interface de usuario fácil de usar, las computadoras personales y las estaciones de trabajo en general, vienen equipadas con una interfaz de usuario grafica, esto simplifica el uso y el entrenamiento de usuarios finales. 8.- Independencia del procesador: el usuario final es capaz de accesar cualquier copia disponible de los datos, y la solicitud de un usuario es procesada por cualquier procesador disponible en la ubicación de los datos. En otras palabras, las solicitudes no dependen de un procesador especifico; cualquier procesador disponible puede manejar dicha solicitud Desventajas de las bases de datos distribuidas Según Coronel, Carlos. (2004), Las bases de datos distribuidas están sujetas a algunos problemas. Estos incluyen Complejidad de manejo y control: el manejo de datos distribuidos es más complejo que el de datos centralizados. Las aplicaciones deben reconocer la ubicación de los datos y ser capaces de reunir los datos de diferentes sitios. Los administradores de las bases de datos deben tener la capacidad de coordinar las actividades para evitar la degradación de estas provocada por anomalías de los datos. El manejo de transacciones, el control de concurrencia, la seguridad, el respaldo, la 25

33 recuperación, la optimización de las consultas, la selección de la ruta de acceso, etc. Deben abordarse y resolverse. En suma, mantener los diversos componentes de bases de datos distribuidas sincronizados es una tarea difícil Seguridad: la probabilidad de fallas de seguridad se incrementa cuando los datos están en varios sitios. La responsabilidad del manejo de los datos se reparte entre diferentes personas en varios sitios y las redes de área local no disponen de la compleja seguridad de las instalaciones mainframe centralizadas. Falla de estándares: aunque las bases de datos dependen de la comunicación eficaz, no existen protocolos de comunicación estándar a nivel de base de datos ( aunque TCP/ IP es el estándar de hecho a nivel de red, a nivel de aplicación no existe un estándar). En realidad, existen pocos estándares oficiales en cualquiera de los protocolos de base de datos distribuidas, ya sea que se ocupen de la comunicación o del control de acceso a los datos Requerimientos de almacenamiento incrementados: la base de datos distribuida guarda varias copias de los datos requeridos en diferentes sitios, con lo que se requiere más espacio de almacenamiento de disco. Esta desventaja es mínima, por que el espacio de almacenamiento en disco es relativamente barato y cada vez se abarata mas Mayor dificultad en el ambiente de datos. El acceso y almacenamiento en disco es un ambiente de almacenamiento de datos más disperso, se vuelve mas difícil tanto desde la perspectiva del software como de la humana Alto costo de entrenamiento: los costos de entrenamiento en general son más elevados en un modelo distribuido de lo que sería en un modelo centralizado, incluso, en ocasiones al grado de neutralizar el ahorro de operativo y de hardware 2.4 Aplicaciones de las bases de datos distribuidas 26

34 Los ambientes en los que se encuentra con mayor frecuencia el uso de las bases de datos distribuidas son: Cualquier organización que tiene una estructura descentralizada. Casos típicos de lo anterior son: organismos gubernamentales y/o de servicio público. La industria de la manufactura, particularmente, aquella con plantas múltiples. Por ejemplo, la industria automotriz. Aplicaciones de control y comando militar. Líneas de transportación aérea. Cadenas hoteleras. Servicios bancarios y financieros Funciones de las bases de datos distribuidas La distribución conlleva un incremento de la complejidad en el diseño e implementación del sistema. Para conseguir las ventajas potenciales enumeradas previamente, el software de SGBD debe poder proporcionar las siguientes funciones además de las proporcionadas por los SGBD centralizados: Mantenimiento de la pista de los datos: la capacidad para seguir la pista a la distribución de datos, la fragmentación y la réplica expandiendo el catalogo del SGBDD. Procesamiento de consultas distribuidas: la capacidad para acceder a sitios remotos y transmitir consultas y datos a través de varios sitios utilizando una red de comunicación Gestión de transacciones distribuidas; la capacidad para ejecutar estrategias de ejecución para consultas y transacciones que acceden a los datos desde más de un sitio y de sincronizar el acceso de datos distribuidos y mantener integridad sobre todo la base de datos Gestión de datos replicados: la capacidad de decidir a qué copia de un elemento de datos replicados acceder y mantener la consistencia de copias de los elementos de datos replicados. 27

35 Recuperación de bases de datos distribuida la capacidad de recuperarse de caídas de sitios individuales y de nuevo tipos de fallos como enlace de comunicación Seguridad: las transacciones distribuidas se debe ejecutar con una gestión apropiada y de seguridad de datos, y los privilegios de autorización / acceso de los usuarios Gestión del directorio (catalogo) distribuido: un directorio contiene información (metadatos) de los datos de la base de datos. El directorio debe ser global para toda la BDD o local para cada sitio. Las asignación y distribución del directorio son temas de políticas y diseño Esta función incrementa la complejidad de un SGBD respecto a un SGBD centralizado. Antes de comprender todas las ventajas potenciales de la distribución podemos encontrar soluciones satisfactorias a estos temas y problemas de diseño. Incluir todas estas funcionalidades adicionales es muy difícil de llevar acabo y encontrar soluciones óptimas lo es aun más. En un nivel físico de hardware un sistema centralizado se distingue del un SGBDD por los siguientes factores principales: Existen varios computadores, llamados sitios o nodos Estos sitios se deben conectar a algún tipo de red de comunicación para transmitir datos e instrucciones a lo largo de los sitios Los sitios podrán estar localizados físicamente próximos, es decir dentro del mismo edificio o grupo de edificios adyacentes conectados mediante una red de área local, no podría estar distribuido geográficamente uno de otro conectado mediante una red de área ancha o de larga distancia. Las redes de área local normalmente utilizan cables mediante las redes de larga distancia utilizan líneas telefónicas o satélites, también es posible utilizar una combinación de los tipos de redes Las redes podrían tener diferentes topologías, que definen los caminos de comunicación directos entre sitios. Los sitios de topologías de las redes utilizadas 28

36 podrían tener un efecto significativo en el rendimiento y por lo tanto en las estrategias de procesamiento de consultas distribuidas y de diseño de bases de datos distribuidas. Para temas de arquitectura de alto nivel, sin embargo no importa el tipo de red utiliza, lo único importante es que cada sitio puede comunicarse directa o indirectamente con todos los demás sitios Técnicas de fragmentación, replicación y asignación de las Bases de datos distribuidas Según RAMEZ, Elmasri. (2006). En una BDD es preciso tomar decisiones respecto a en que sitios se almacenaran, que porciones de la base de datos. Antes de decidir cómo distribuir los datos debemos determinar las unidades lógicas de las bases de datos que se va a distribuir.las unidades lógicas más simples son las propias relaciones es decir, cada relación completa se almacenara en un sitio especifico, como se muestra en la figura 2.1 donde replica es igual a las demás replicas del sistema. 29

37 Figura 2.1 Replicación y distribución de datos en bases de datos distribuidas Fragmentación horizontal Continuando con RAMEZ, Elmasri. (2006). Un fragmento horizontal es una relación de un subconjunto de las tuplas de esta relación. Las tuplas que pertenecen al fragmento horizontal se especifican mediante una condición sobre uno o más de los atributos de la relación. Con frecuencia, solo interviene un atributo, por ejemplo podríamos definir tres fragmentos horizontales en la relación empelado con las siguientes condiciones: (N_d = 5), (N_d=4) y (N_d=1); cada fragmento contiene las tuplas empleado, que pertenecen a un departamento en particular. De manera similar, podemos definir tres fragmentos horizontales para la relación proyecto, con al condiciones (Numd = 5), (numd=4),(num=5), cada fragmento contiene las tuplas proyecto controladas por un departamento en particular. La fragmentación horizontal divide una relación horizontalmente agrupando filas para crear subconjuntos de tuplas, donde cada subconjunto tiene un cierto significado lógico. Estos fragmentos pueden entonces asignarse a diferentes sitios en el sistema distribuido. La fragmentación horizontal derivadas aplica la participación de una relación primaria en nuestro ejemplo empleado proyecto, que referencia a la primaria a través de una clave externa. De esta forma los datos relacionados entre las relaciones primarias y secundarias se fragmentan de la misma forma Fragmentación vertical Ningún sitio tiene porque necesitar todos los atributos de una relación, lo que indica la necesidad de otro tipo diferente de fragmentación. La fragmentación vertical divide una relación verticalmente en columnas un fragmento vertical de una relación mantiene solo ciertos atributos de la relación. Por ejemplo podríamos 30

38 querer dividir la relación empleado en dos fragmentos verticales. Primero incluiría información personal; nombre, fecha de nacimiento, dirección y sexo. Y el segundo información relacionada con el trabajo: NSS, salario, nss_superv, nd. La fragmentación vertical lo es de todo apropiada, porque si ambos fragmentos se almacenan por separado, no podremos juntar otra vez las tuplas de empleado originales, ya que no existe una atributo común entre los dos fragmentos. Es necesario incluir el atributo de clave primaria o clave candidata en todo fragmento vertical, p ara que sea posible reconstruir la relación completa a partir de los fragmentos pro tanto habrá que añadir el atributo NSS al fragmento de información personal 2.7- Replicación y asignación de los datos La replicación resulta útil para mejorar la disponibilidad de los datos. El caso más extremo de la replicación de toda la base de datos en todos los sitios del sistema distribuido creando así una base de datos distribuida totalmente replicada. Puede mejorar la disponibilidad notablemente por que el sistema puede seguir operando mientras por lo menos unos de los sitios esta activado. También mejora el rendimiento de la recuperación de consultas globales por que el resultado de semejante consulta se pueden obtener totalmente en cualquier sitio así; una consulta de recuperación se puede procesar en el sitio local donde se introduce, si dicho sitio cuenta con un modulo servidor. La desventaja de la replicación completa es que puede reducir drásticamente la rapidez de las operaciones de actualización, pues una sola actualización lógica se deberá ejecutar en todas y cada una de las copias de las bases de datos a fin de mantener la consistencia. Esto es especialmente cierto si existen muchas copias de las bases de datos. Con la replicación completa, las técnicas de control de concurrencia y recuperación se vuelven más costosas de los que serian sin replicación. En externo opuesto a la replicación completa, es no tener ninguna replicación esto es, cada fragmento se almacena exactamente en un sitio. En este caso todos los fragmentos deben ser disjuntos, con excepción de la repetición de claves 31

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