Реферат: Принципы реализации машин БД

В качестве наиболее типичных примеров таких МН МВД можно рассмотреть DELTA и GRACE. Японский проект МВД (рис. 3) лежит в основе вычислительной системы 5-го поколения. Действующий в настоящее время прототип состоит из двух подсистем:

подсистемы вторичной обработки в составе четырех реляционных процессоров (РП), одного процессора управления (УП), одного коммуникационного процессора (КП) и одного процессора технического обслуживания (НТО), выполняющего функции диагностики системы, поддержки БД, связи с операторам и т. п.;

подсистемы иерархической памяти (ИЛ), содержащей системную буферную память (электронный кэш-диск емкостью 128 Мбайт), массовую память с восемью НМД (с контроллером магнитного диска КМД) общей емкостью 20 Гбайт и четырьмя НМЛ (с контроллером магнитной ленты - КМЛ) , а также универсальную микроэвм в качестве управляющего процессора иерархической памяти (УПИП) и процессора ввода-вывода (ПЕВ). Связь между подсистемами осуществляется высокоскоростным каналом со стандартным интерфейсом со скоростью передачи до 3 Мбайт/с. Все процессоры подсистемы вторичной обработки подключаются к этому каналу посредством ПВВ через специальные адаптеры иерархической памяти (АИП).

Основным функциональным узлом МЕД DELTA является реляционный процессор (РП) баз данных, назначение которого-выполнение операций реляционной алгебры над отношениями произвольного объема с высокой производительностью. Каждый из четырех РП может выполнять отдельную операции:

процессора (КП) и одного процессора технического обслуживания (НТО), вы­полняющего функции диагностики системы, поддержки БД, связи с операто­ром и т. п.;

подсистемы иерархической памяти (ИЛ), содержащей системную буфер­ную память (электронный кэш-диск емкостью 128 Мбайт), массовую память
с восемью НМД (с контроллером магнитного диска КМД) общей емкостью
20 Гбайт и четырьмя НМЛ (с контроллером магнитной ленты - КМЛ) , а так­
же универсальную микроэвм в качестве управляющего процессора иерархиче­ской памяти (УДИЛ) и процессора ввода-вывода (НЕЕ). Связь между под­системами осуществляется высокоскоростным каналом со стандартным интер­фейсом со скоростью передачи до 3 Мбайт/с. Все процессоры подсистемы вторичной обработки подключаются к этому каналу посредством ПВВ через специальные адаптеры иерархической памяти (АИП).

Основным функциональным узлом МЕД DELTA является реляционный
процессор (РП) баз данных, назначение которого-выполнение операций ре­ляционной алгебры над отношениями произвольного объема с высокой произ­водительностью. Каждый из четырех РП может выполнять отдельную операцию реляционной алгебры независимо от других или все они могут выполнять одну операцию параллельно (например, сортировку отношений в ИЛ). РП имеет регулярную структуру (см. рис. 3) для облегчения его реализации в виде СБИС. Кроме этого он в своем составе имеет центральный процессор (ЦП) с памятью 512 Кбайт для реализации операций с обширной логикой (например, агрегатных функций типа min, mах и т. п.). Для облегчения входного (ВП) и выходного (ВЫП) потока данных РП содержит два адаптера иерархической памяти (АИП), а также входной модуль для подготовки кортежей отношений (например, перестановки значений атрибутов). Собственно операция реляционной алгебры реализуется в РП. Процессор слияния (ПСЛ) сортированных сегментов отношений предназначен для слияния сортированных сегментов отношений, а также в нем реализуются операции естественного соединения двух отношений и селекции отношения. Двенадцать процессоров сортировки (ПСО) предназначены для реализации конвейерной однопроходовой сортировки сегмента отношения объемом 64 Кбайт. ПСО и ПСЛ реализованы полностью аппаратно.

Иерархическая память в DELTA является наиболее сложной подсистемой, в функции которой входят:

управление СЕЛ и УМП;

стадирование данных (в виде сегментов отношений) из УМП в СБП в соответствии с заявками РП;

селекция и вертикальная фильтрация отношений при помещении их в СБП с привлечением специального (атрибутного) метода хранения отношений в УМП;

поддержка индексных структур, кластеризация отношений в УМП и организация с их помощью быстрого поиска в УМП.

Рис. 4. Структурная схема МВД GRACE

Вторым примером МН МВД является также японский проект GRACE, структурная схема которого приведена на рис. 4. СБП реализована здесь набором электронных дисков на цилиндрических магнитных доменах. В качестве УМП использованы многоканальные НМД, в каждый канал которых встроены, кроме устройств чтения-записи (Уч/з), процессоры первичной обработки, названные фильтрами потока кортежей (ФПК). Каждый ФПК содержит:

процессор фильтрации (ПФ), осуществляющий в пределах дорожки МД собственно псевдоассоциативный поиск кортежей, удовлетворяющих заданному условию;

процессор проекции (ПП) и преобразования кортежей;

процессор хэширования (ПХ), реализующий динамическую сегментацию
кортежей читаемого отношения.

Фильтр потока кортежей работает в конвейерном режиме и позволяет обрабатывать поступающие из УМП кортежи со скоростью их чтения (обработка «в полете»).

На уровне вторичной обработки применяются процессоры вторичной обработки (ПВО) и ФПК. Назначение ФПК - выполнять описанную выше обработку кортежей результирующих отношений, поступающих из ПВО в СЕЛ. ПВО содержит наряду с процессором реляционной алгебры (ПРА), реализованным на основе универсального микропроцессора со своей локальной памятью, также аппаратный процессор сортировки отношений (ПСО) и процессор выдачи результата (ПВР) в канал главной ЭВМ. ПСО осуществляет потоковую сортировку сегмента отношения, поступающего из банка СЕЛ в процессор реляционной алгебры. Двухпортовые банки СЕЛ подсоединяются к процессорам обработки обоих уровней посредством специальных петлевых шин (СПШ). Эти многоканальные шины с разделением времени осуществляют на каждом уровне обработки коммутацию любого процессора обработки к любому банку памяти и одновременную обработку нескольких банков памяти.

Отличительными особенностями данного проекта являются следующие структурные решения.

1. Метод опережающей подкачки кортежей из УМП в СБП сочетает здесь не только с первичной фильтрацией, но и со специальным распределением кортежей по банкам СЕЛ. Эта так называемая динамическая хэш-сегментация позволяет выполнять операции реляционной алгебры на уровне вторичной обработки параллельно и без обменов несколькими ПPA, так что каждый ПРА реализует бинарную операцию над парой соответствующих сегментов отношений-операндов. Это является одним из источников повышения производительности МБД при выполнении операций реляционной алгебры.

2. Включение в цикл вторичной обработки фильтров потока кортежей, используемых в цикле первичной обработки, позволяет обрабатывать промежуточные отношения в СБП, так же как и исходные отношения БД, единообразно интерпретировать последовательность операций реляционной алгебры. Таким образом, выполнение транзакции, соответствующей сложному запросу к реляционной БД, заключается в многократном выполнении циклов первичной и вторичной обработки.

3. Предварительная и параллельная фильтрация данных со скоростью их поступления из УМП позволяет снизить объем перемещаемых из УМП в СБП данных, что является существенным источником повышения производительности МБД в целом. Этот механизм используется во многих (если не во всех) проектах МН МБД и считается признанным решением.

Как показали многочисленные исследования, СУБД не может быть эффективной, если большая часть ее работает под управлением операционной системы общего назначения. Поэтому повышение эффективности МБД связано с полной изоляцией СУБД в рамках МВД, т. е. реализацией функционално-полных МВД, выполняющих все функции управления транзакциями. Учитывая сложность соответствующей операционной системы МБД, реализовать функционально полную и высокопараллельную МН МВД сложно.

Вторая основная проблема в создании высокопараллельных МН МБД, названная «дисковым парадоксом», заключается в том, что скорость ввода-вывода современных УМП (одноканальные и многоканальные НМД с перемещающимися головками) является узким местом и ограничивает достижение высокого параллелизма в обработке. В МН МБД для решения этой проблемы в качестве кэш-диска применяется большая полупроводниковая буферная память.

Для решения этой проблемы некоторые авторы предлагают сетевые МБД в которых распределенное хранение больших БД осуществляется на большем количестве НМД.

Сетевые МВД (см. рис. 1,б) воплощают принципы однородности структуры, сегментации данных в устройствах массовой памяти и распределения процессоров обработки по УМП. Таким образом, основная идея сетевых MBД - приближение дешевой обрабатывающей логики (в виде универсальных микропроцессоров) к УМП и связывание таких «обрабатывающих хранилищ» в сеть. Учитывая быстро снижающуюся стоимость процессоров oбработки и жестких НМД и успехи в технике коммуникации процессоров, в ее составе такой сети может быть сотни УМП, с каждым из которых соединен свой обрабатывающий процессор. Примерами таких проектов являются МВО; GAMMA. В перспективе развития сетевых MB.Д некоторые авторы видят создание МВД на основе вычислительной систолической среды. Так, проект NODD, схема которого изображена на рис. 5, реализован в виде регулярной решетки, в узлах которой размещены процессорные элементы (ПЭ). С каждым ПЭ связаны своя локальная память (ЛП) и устройство массовой памяти (УМП) в виде жесткого НМД.

Предполагается также замена УМП энергонезависимой полупроводниковой памятью соответствующей емкости («силиконовая» систолическая МВД). Назначение ЛП в каждом узле-хранение программ обработки, копии управляющей программы, буфера для обмена сообщениями и кэш-памяти для своего УМП (3% каждого локального УМП находится в этой локальной кэш-памяти). Для целей надежности пространство на каждом УМП разделено на части: одна часть для хранения части БД, принадлежащей своему узлу, другая-дублирует данные четырех соседних узлов. Особенностью является и то, что управление выполнением транзакций в таких сетевых МВД полностью распределено, так что каждый процессор может взять на себя роль управляющего.

Особый интерес приобретает создание систолических МВД в связи с появлением серийных однокристальных транспьютеров, содержащих наряду с процессором и памятью каналы (порты ввода-вывода). Например, промышленный транспьютер фирмы INMOS IMS Т414 имеет следующие характеристики. В одном кристалле реализован 32-разрядный процессор быстродействием до 10 млн. опер./с, статическое ОЗУ на 2 Кбайт, четыре канала связи, 32-разрядный интерфейс памяти и контроллер динамического ОЗУ. Конструктивно транспьютерная матрица, являющаяся основным элементом систолических транспьютерных МВД (см. рис. 5), может быть реализована посредством серийных транспьютерных плат IMS ВОООЗ той же фирмы. Эта двойная европлата содержит четыре транспьютера Т414, связанных между собой портами связи, четыре устройства динамической памяти по 256 Кбайт каждое и четыре внешних порта ввода-вывода. Возможно, в ближайшее время применение таких транспьютерных плат переведет проекты систолических МВД из области теоретических исследований в область практической реализации.

Основной проблемой в распределенных (сетевых) МБД является оптимальная кластеризация данных по локальным УМП и поддержка соответствующей распределенной индексации. В GAMMA, например, предлагается кластеризация каждого отношения по всем УМП (в соответствии с хешированием значенийключевых атрибутов и созданием распределенного по УМП индекса этих значений). В NODD предлагается равномерное распределение отношений по узлам решетки. Между конкретными кортежами разных отношений, для которых действуют семантические связи, существуют указатели, задающие расположение связанных кортежей (номера узлов и их адреса в УМП). Таким образом, запрос в БД возбуждает связи между кортежами в узлах решетки и порождает поток данных между ними. Это позволяет реализовать в такой МВД потоковую обработку сложных запросов на основе модели «активного графа»