Фрагментация
Необходимость фрагментации вызывают следующие причины [7].
– Условия использования. Чаще всего приложения работают с некоторыми представлениями, а не с полными базовыми отношениями. Следовательно, с точки зрения распределения данных, целесообразнее организовать работу приложений с определенными фрагментами отношений, выступающими как распределяемые элементы.
– Эффективность.
Данные хранятся в тех местах в которых они чаще всего используются. Кроме того, исключается хранение данных, которые не используются локальными приложениями.
– Параллельность.
Поскольку фрагменты являются распределяемыми элементами, транзакции могут быть разделены на несколько подзапросов, обращающихся к различным фрагментам. Такой подход дает возможность повысить уровень параллельности обработки в системе, т.е. позволяет транзакциям, которые допускают это, безопасно выполняться в параллельном режиме.
– Защищенность.
Данные, не используемые локальными приложениями, не хранятся на сайтах, а значит, неавторизированные пользователи не смогут получить к ним доступ.
Механизму фрагментации свойственны два основных недостатка.
– Производительность.
Производительность приложений, требующих доступа к данным из нескольких фрагментов, расположенных на различных сайтах, может оказаться недостаточной.
– Целостность данных. Поддержка целостности данных может существенно осложняться, поскольку функционально зависимые данные могут оказаться фрагментированными и размещаться на различных сайтах.
При проведении фрагментации следует обязательно придерживаться трех следующих правил [7].
1. Полнота. Если экземпляр отношения К разбивается на фрагменты, например R1,R2, ..., Rn,
то каждый элемент данных, присутствующий в отношении К, должен присутствовать, по крайней мере, в одном из созданных фрагментов.
Выполнение этого правила гарантирует, что какие-либо данные не будут утрачены в результате выполнения фрагментации.
2. Восстановимость. Должна существовать операция реляционной алгебры, позволяющая восстановить отношение R из его фрагментов. Это правило гарантирует сохранение функциональных зависимостей.
3. Непересекаемость. Если элемент данных di присутствует во фрагменте Ri, то он не должен одновременно присутствовать в каком-либо ином фрагменте. Исключением из этого правила является операция вертикальной фрагментации, поскольку в этом случае в каждом фрагменте должны присутствовать атрибуты первичного ключа, необходимые для восстановления исходного отношения. Данное правило гарантирует минимальную избыточность данных во фрагментах.
В случае горизонтальной фрагментации элементом данных является кортеж, а в случае вертикальной фрагментации – атрибут.
Существуют два основных типа фрагментации (рис. 5.5, а,
б):
– горизонтальная,
– вертикальная.
Горизонтальные фрагменты представляют собой подмножества кортежей отношения, а вертикальные – подмножества атрибутов отношения.
Кроме того, различают смешанную (рис. 5.5, в,
г) и производную (вариант горизонтальной) фрагментации.
Рис. 5.5. Типы фрагментации: а) горизонтальная; б) вертикальная; в) горизонтально разделенные вертикальные фрагменты; г) вертикально разделенные горизонтальные фрагменты
Горизонтальный фрагмент - выделенный по горизонтали фрагмент отношения, состоящий из некоторого подмножества кортежей этого отношения.
Горизонтальный фрагмент создается посредством определения предиката, с помощью которого выполняется отбор кортежей из исходного отношения. Данный тип фрагмента определяется с помощью операции выборки (селекции) реляционной алгебры (см. гл. 4). Операция выборки позволяет выделить группу кортежей, обладающих некоторым общим для них свойством, – например, все кортежи, используемые одним из приложений, или все кортежи, применяемые на одном из сайтов.
В одних случаях целесообразность использования горизонтальной фрагментации вполне очевидна. Однако в других случаях потребуется выполнение детального анализа приложений. Этот анализ должен включать проверку предикатов (или условий) поиска, используемых в транзакциях или запросах, выполняемых в приложении. Предикаты могут быть простыми, включающими только по одному атрибуту, или сложными, включающими несколько атрибутов. Для каждого из используемых атрибутов предикат может содержать единственное значение или несколько значений. В последнем случае значения могут быть дискретными дли задавать диапазон значений.
Стратегия определения типа фрагментации предполагает поиск набора минимальных
(т.е. полных и релевантных) предикатов, которые можно будет использовать как основу для построения схемы фрагментации [7].
Набор предикатов является полным тогда и только тогда, когда вероятность обращения к любым двум кортежам одного и того же фрагмента со стороны любого приложения будет одинакова.
Предикат является релевантным, если существует, по крайней мере, одно приложение, которое по-разному обращается к выделенным с помощью этого предиката фрагментам.
Вертикальный фрагмент - выделенный по вертикали фрагмент отношения, состоящий из подмножества атрибутов этого отношения.
При вертикальной фрагментации в различные фрагменты объединяются атрибуты, используемые отдельными приложениями. Определение фрагментов в этом случае выполняется с помощью операции проекции реляционной алгебры (см. гл.4).
Вертикальные фрагменты определяются путем установки родственности
одного атрибута по отношению к другому. Один из способов решить эту задачу состоит в создании матрицы, содержащей количество обращений с выборкой каждой из пар атрибутов. Например, транзакция, которая осуществляет доступ к атрибутам А1, А2, и А4 отношения R, состоящего из набора атрибутов (А1, А2, А3, А4), может быть представлена следующей матрицей.
Эта матрица является треугольной, поскольку диагональ ее не заполняется, а нижняя часть является зеркальным отражением верхней части.
Единицы в матрице означают наличие доступа с обращением к соответствующей паре атрибутов и, в конечном счете, должны быть заменены числами, отражающими частоту выполнения транзакции. Подобная матрица составляется для каждой транзакции, после чего строится общая матрица, содержащая суммы всех показателей доступа к каждой из пар атрибутов. Пары атрибутов с высоким показателем родственности должны присутствовать в одном и том же вертикальном фрагменте. Пары с невысоким показателем родственности могут быть разнесены в разные вертикальные фрагменты. Очевидно, что обработка сведений об отдельных атрибутах для всех важнейших транзакций может потребовать немало времени и вычислений. Следователь но, если заранее известно о родственности определенных атрибутов, может оказаться целесообразным обработать сведения сразу о группах атрибутов.
Подобный подход носит название расщепления (splitting) и впервые был предложен группой разработчиков в 1984 году [7]. Он позволяет выделить неперекрывающихся фрагментов, которые гарантированно будут отвечать определенному выше правилу непересекаемости. Фактически требование непересе- каемости касается только атрибутов, не входящих в первичный ключ отношения. Атрибуты первичного ключа должны присутствовать в каждом из выделенных вертикальных фрагментов, а потому могут быть исключены из анализа.
В некоторых случаях применения только лишь горизонтальной и вертикальной фрагментации элементов схемы базы данных оказывается недостаточно для адекватного распределения данных между приложениями. В этом случае приходится прибегать к смешанной (или гибридной) фрагментации.
Смешанный фрагмент образуется либо посредством дополнительной вертикальной фрагментации созданных ранее горизонтальных фрагментов, либо за счет вторичной горизонтальной фрагментации предварительно определенных вертикальных фрагментов.
Смешанная фрагментация определяется с помощью операций выборки и проекции реляционной алгебры.
Некоторые приложения включают операции соединения двух или больше отношений.
Если отношения сохраняются в различных местах, то выполнение их соединения создаст очень большую дополнительную нагрузку на систему. В подобных случаях более приемлемым решением будет размещение соединяемых отношений или их фрагментов в одном и том же месте. Данная цель может быть достигнута за счет применения производной горизонтальной фрагментации.
Производный фрагмент – горизонтальный фрагмент отношения, созданный на основе горизонтального фрагмента родительского отношения.
Термин «дочернее» используется для ссылок на отношение, содержащее внешний ключ, а термин «родительское» – для ссылок на отношение с соответствующим первичным ключом. Определение производных фрагментов осуществляется с помощью операции полусоединения реляционной алгебры (см. гл. 4).
Если отношение включает больше одного внешнего ключа, то может потребоваться выбрать в качестве родительского только одно из связанных отношений. Выбор может быть сделан в соответствии с чаще всего используемым типом фрагментации или с целью достижения оптимальных характеристик соединения – например, соединения, которое включает более мелкие фрагменты или соединения, выполняемого с большей степенью распараллеливания.
Последний вариант возможной стратегии при разработке распределенных БД состоит в отказе от фрагментации отношения [7].
