José Maria Monteiro Departamento de Informática – PUC-Rio monteiro@inf.puc-rio.br

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

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

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

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

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

6. Ambientes de Computação Móvel

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

8. Propondo uma Taxonomia Dunham et al. (1997)

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

10. Propondo uma Taxonomia Replicação/Caching de Dados no Cliente

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

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

13. Propondo uma Taxonomia Servidores Replicados

14. Propondo uma Taxonomia Servidores Replicados

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

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

17. Propondo uma Taxonomia Replicação em Redes Ad Hoc

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

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

20. Propondo uma Taxonomia SBD’s Múltiplos em CM

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

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

23. Propondo uma Taxonomia Comunidades de Bancos de Dados Móveis

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

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

26. Propondo uma Taxonomia Ambientes de Broadcast

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

38. Dúvidas????