معماریهای مختلف پایگاه داده ها

معماری پایگاه داده ها به چند دسته مختلف تقسیم می شوند:

سیستم های متمرکز

سیستم های  مشتری/خدمتگزار

سیستم های موازی

سیستم های توزیع شده 

1.     سیستمهای متمرکز

در این نوع سیستم ها تمامی اطلاعات در یک پایگاه ذخیره و همچنین بازیابی می شوند بدین ترتیب که کاربران برای استفاده از اطلاعات ذخیره شده فقط باید به دستگاهی که پایگاه در آن ذخیره شده است مراجعه کنند.

از این نوع سیستم امروزه کمتر استفاده می شود .

این نوع معماری پایگاه داده در یک کامپیوترقرار دارد. بدین معنی که در این معماری یک یا بیشتر پردازنده و یک حافظه مشترک بین پایگاه داده و سیستم عمل وجود دارد.

از مزایای این نوع معماری می توان موارد زیر را گفت :

·          سادگی در طراحی

·          سادگی در استفاده

·          عدم نیاز به امکانات سخت افزاری یا نرم افزاری خاص

همچنین از معایب آن می توان به موارد زیر گفت:

·          تک کاربره بودن

·          مشکل بودن استفاده در سازمانهای بزرگ

2.     سیستم های مشتری/خدمتگزار

این نوع معماری بعد از معماری متمرکز و به علت نا کارآمدی معماری متمرکز در سیتم های بزرگتر بوجود آمد. در این نوع معماری قسمت های مختلف پایگاه داده در کامپیوتر های مختلف قرار می گیرند. در این روش یک کامپیوتر نقش سرور را به عهده می گیرند و کاربران می توانند با استفاده از کامپیوتر های دیگر و متصل شدن به سرور از پایگاه داده استفاده کنند. همانطور که مشخص است کاربران و کامپیوترها برای اتصال به سرور نیازمند به شبکه کامپیوتری هستند پس در واقع شبکه های کامپیوتری یکی از ملزومات این نوع معماری به حساب می آید.

بخش های مختلف پایگاه داده ها در این نوع معماری بر حسب کاربری به دو بخش تقسیم می شود:

·          Back-end : این قسمت وظیفه بررسی و کنترل دسترسی ها، بررسی و بهینه سازی پرس و جوها و کنترل همزمانی ها و سالم بودن پایگاه داده ها را به عهده دارد.

·           Front-end: شامل ابزار هایی برای نمایش و زیباسازی نتایج پرس و جو ها مثل ابزارهای تولید فرم ها و ابزار های گزارش گیری می باشد.

برای ارتباط این بستر میتواند از دو طریق دستورات SQL و یا API ها برقرار شود.

در مقایسه این نوع معماری با معماری متمرکز با استفاده از Mainframe ها می توان به مزایای زیر اشاره کرد:

·          افزایش میزان کاربری سیستم با توجه به هزینه

·          راحت تر شدن گسترش دادن و توزیع کردن منابع

·          تولید واسط های کاربر بهتر

·          راحت تر شدن نگهداری سیستم

در این نوع معماری، سرورها از لحاظ عملکردی به دو بخش مجزا تقسیم می شود:

سرورهای داده ای: این نوع سرور ها بیشتر در سیستم های شی گرا مورد استفاده قرار می گیرند.

  سرور های تراکنشی: این نوع سرور ها بیشتر در سیستم های رابطه ای مورد استفاده قرار می گیرند.

3.    معماری موازی

معماری موازی به نوعی از معماری گفته می شود که در این نوع معماری سعی شده است که با پیاده سازی روش های کار موازی کارایی سیستم را افزایش دهیم. پردازش های موازی می تواند در بخش های مختلف و  وظایف مختلف از قبیل خواندن داده ها، تولید فهرست ها و پردازش پرس و جو ها پیاده سازی شود. همچنین در این نوع سیستم ها داده ها می توانند از لحاظ قرار گیری فیزیکی در قسمت های مختلف قرار گرفته باشند.

ایده اصلی در معماری موازی استفاده از پردازش های موازی در مراحل مختلف تا آنجا که امکان دارد برای بهبود کارایی سیستم است.

چهار نوع معماری مختلف برای این سیستم ها وجود دارد. معماری نوع اول معماری بر پایه حافظه مشترک است در این معماری چند پردازنده که از طریق یک یک شبکه پرسرعت به هم متصل هستند داده های مورد استفاده خود را در یک حافظه مشترک بین هم قرار می دهند.

نوع دیگر این معماری، معماری بر پایه دیسک سخت مشترک است. دز این روش چند پردازنده با حافظه های مخصوص خود متصل شده به هم توسط شبکه پرسرعت و با یک دیسک سخت مشترک با هم در ارتباطند.

نوع سوم معماری، معماری بدون عنصر مشترک بین پردازنده هاست. هر پردازنده در این روش حافظه و دیسک سخت خود را دارند و هیچ حافظه ای را به اشتراک نمی گذارند. تمامی ارتباطات میان پردازنده ها از طریق شبکه بین آنها ایجاد می شود.

نوع چهارم استفاده از معماری چمد سطی است که درواقع ترکیبی از حالت های فوق است که بخش بخش به هم از طریق روش بدون اشتراک گذاشتن منابع به هم متصل شده اند ولی درون هر بخش پردازنده ها با هم منابع را به اشتراک می گذارند.

دو روش به اشتراک گذاشتن حافظه و دیسک سخت دارای مشکلی هستند که با افزایش تعداد کاربران مشخص می شود. در این دو روش با بالارفتن تعداد پردازنده ها استفاده از فضای مشترک هم بیشتر می شود، از آنجایی که داده های منتقل شده در شبکه زیادتر می شود سرعت و در نتیجه کارایی کل هم کاهش پیدا می کند.

4.    معماری پایگاه داده توزیع شده

در این معماری، داده ها در محلهای مختلفی نگهداری می شود. دو خاصیت مهم این نوع از پایگاه داده ها :

1.     استقلال داده های توزیع شده[6]: کاربران باید بتوانند بدون اطلاع از محل ذخیره داده ها، از پایگاه داده ها پرس و جو کنند.

2.     عدم تفاوت تراکنشهای توزیع شده[7]: کاربران باید بتوانند دقیقاً مشابه روشی که در مورد تراکنشهای محلی(local) عمل می کردند، تراکنشهایی بنویسند که به داده ها در محلهای مختلف دسترسی داشته باشد و آنها را بروز کند.

اگرچه این دو خاصیت مطلوب هستند ولی در عمل در بعضی موارد عملی کردن آنها مهم نیست و حتی وقتی که داده ها در سراسر جهان توزیع شده اند این دو خاصیت مطلوب هم نیستند.

انواع پایگاه داده های توزیع شده:

اگر داده ها توزیع شده باشند و تمام DBMSها از یک نوع بودند، یک سیستم پایگاه داده های توزیع شده همگن داریم. اگر داده ها در محلهای مختلف باشند ولی نوع DBMSها مختلف باشند در این حالت یک سیستم پایگاه داده های توزیع شده ناهمگن داریم. کلید ایجاد سیستم های ناهمگن داشتن استانداردهای مقبول برای پروتکلهای گذرگاهها می باشد.

معماریهای مختلف برای سیستم مدیریت پایگاه داده های توزیع شده:

1.     سیستمهای مشتری/خدمتگزار: در این معماری وظایف مشتری و خدمتگزار کاملاً از هم جداست و در هر لحظه یک یا چند پردازه مشتری و یک یا چند پردازه خدمتگزار در سیستم موجود است و پردازه های مشتری می توانند به هر یک از پردازه های خدمتگزار پرس و جو بفرستند. این معماری به دلیل سادگی نسبی پیاده سازی و متمرکز بودن خدمتگزار خیلی رایج است. در این سیستم کاربر می تواند با استفاده از واسط کاربر گرافیکی در سیستم مشتری کار کند و نیازی به کار کردن با واسطهای کاربر نامأنوس در سیستم خدمتگزار نیست.

2.     سیستم تشریک مساعی خدمتگزار : سیستم مشتری/خدمتگزار به یک پرس و جو اجازه پوشش چند خدمتگزار را نمی دهد زیرا در این صورت مشتری باید پرس و جو را به بخشهای مختلف تقسیم کرده تا در خدمتگزارهای مختلف اجرا شوند و جوابها را با هم ترکیب کند که این کار اصل جدا بودن وظایف مشتری از خدمتگزار را زیر سوال می برد. در سیستم تشریک مساعی مجموعه ای از خدمتگزارها داریم که هر کدام توانایی اجرای تراکنش روی داده های محلی را دارند و با همکاری یکدیگر تراکنشهایی که شامل چند خدمتگزار می شود را اجرا می کنند.

3.     سیستمهای میان افزار: محیطی را در نظر بگیرید که در آن تمام خدمتگزاران قابلیت پشتیبانی از پرس و جوهایی که از چند خدمتگزار استفاده می کنند را ندارند، سیستمهای میان افزار برای این محیط از پایگاه داده های توزیع شده طراحی شده است. ایده اصلی در این روش وجود فقط یک خدمتگزار با قابلیت مدیریت تراکنشهای توزیع شده است و سایر خدمتگزاران فقط پرس و جوهای محلی را پاسخ می هند. می توان این خدمتگزار خاص را یک لایه نرم افزاری در نظر گرفت که به آن میان افزار می گویند. این نرم افزار داده ای درا نگهداری نمی کند.

مزایای این روش عبارتند از :

1-     افزایش دسترس پذیری داده : اگر یک سایت که شامل یک کپی از یک رابطه است خراب شود ما همان داده را می توانیم در سایت دیگری پیدا کنیم همچنین اگر یک کپی محلی از رابطه هایی که در سایت های دیگر هستند را داشته باشیم کمتر در معرض تهدید از بین رفتن کانال ارتباطی خواهیم بود. Replication دارای دو نوع مختلف همگام و غیر همگام می باشد، تفاوت این دو نوع در روش به روز رسانی کپی های یک رابطه است در زمانی که یک رابطه تغییر می کند.

2-     پرس و جو ها با سرعت بیشتری قابل اجرا هستند زیرا یک کپی محلی از داده های ذخیره شده درپایگاه داده موجود است.

3-     انجام وظایف بصورت موازی: در موردي كه بيشتر دسترسي هاي به رابطه r براي خواندن از رابطه r مي باشد، چندين سايت مي توانند پرس و جو را به صورت موازي پردازش كنند، نسخه هاي بيشترr شانس اينكه داده مورد نياز در سايتي كه تراكنش در حال اجراست، يافته شود را بالا مي برد از اين رو تکرار داده انتقال داده بين سايتها را حداقل مي كند.

4-     افزایش سربار بروز کردن: سيستم بايستي مطمئن شود كه تمام نسخه هاي رابطه r سازگار هستند. بنابراين هرگاه r، بروز شود اين بروز رسانی بايستي در تمامي سايتهايي كه حاوي نسخه ها هستند منتشر شود. در نتيجه overhead زياد مي شود. اگر رابطه r ، نسخه برداري شده باشد، يك كپي از رابطه r در دو يا بيش از دو سايت ذخيره مي شود. در بيشتر موارد، با تکرار داده کامل روبرو هستیم، به اين منظور كه هر نسخه بر روي تمامي سايتها ذخيره مي شود. كنترل update هاي همزمان توسط چندين تراكنش روي داده هاي نسخه برداري شده مشكلتر از سيستمهاي متمركز است. ما مي توانيم مديريت نسخه هاي رابطه r را با انتخاب يكي از آنها به عنوان كپي اصلي r ساده كنيم.