Respaldo y Recuperación
Ing. Ronald Pérez
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Introducción
Definición de Recuperación de una BD: restablecimiento de un estado correcto de la BD (consistente) después que un fallo del sistema haya ocasionado que el estado actual sea inconsistente.
Principios en los que se fundamenta: redundancia física de los datos. datos. (disco-memoria, incluso disco-disco y redundancia múltiple)
¿Quién se encarga de la recuperación? La recuperación la gestiona el módulo gestor de recuperación del SGBD.
Tipos de Almacenamiento
Almacenamiento volátil: no sobrevive a las caídas del sistema. Almacenamiento no volátil: disco, cinta. Almacenamiento estable frente al no estable: estable: la información no se pierde “nunca” se repite en varios medios volátiles(disco) con modos de fallos independientes independientes
La BD requiere de almacenamiento no volátil
Tipos de fallos Durante la ejecución de las transacciones, una BD puede sufrir diferentes fallos: Fallos de transacción: Errores lógicos: una transacción no puede completarse por algún error interno a la misma. sistema: una transacción es abortada Errores del sistema: por el SGBD (p.e. para asegurar la consistencia o evitar el bloqueo mortal).
Tipos de fallos Durante la ejecución de las transacciones, una BD puede sufrir diferentes fallos: Fallos catastróficos: que afectan al conjunto sistema: la falta de alimentación u otro Caída del sistema: problema hardware (excepto de discos) detiene el funcionamiento normal y produce la pérdida de la información en memoria volátil. disco: se produce una destrucción total o Fallo del disco: parcial de los datos almacenados en un disco.
Funcionamiento del módulo de recuperación Los algoritmos de recuperación son técnicas para asegurar la consistencia de la BD y la atomicidad de las transacciones incluso en presencia de fallos. Para ello, los algoritmos de recuperación tienen dos procedimientos de actuación: Acciones que se realizan durante el 1) funcionamiento normal para disponer de la información necesaria en caso de tener que recuperarse de un fallo; Acciones que se realizan para recuperar la base 2) de datos después de producirse un fallo.
Conceptos básicos
El sistema de recuperación se ocupa de que se cumplan dos de las propiedades ACID de las transacciones: Almacenamiento Atomicidad: se ejecutan todas las acciones o ninguna
Durabilidad: cuando una T se completa los cambios realizados deben permanecer en el sistema
estable
La atomicidad implica sólo dos posibilidades para las transacciones: abortar (ninguno de sus acciones tiene efecto, y debe reiniciarse).
confirmar (sus acciones tienen efecto ef ecto permanente). Transacción activa: si ha empezado pero no ha alcanzado un estado final (aborto o confirmación).
Estructuras de datos para la recuperación El sistema de recuperación se apoya en una serie de elementos para realizar su función
Realización de copias de seguridad.
completas o incrementales
Almacenamiento Almacenamiento estable
Almacenamiento de una traza
que guarda las acciones (actualizaciones) realizadas log ) (también llamada diario o log )
Estructuras de datos: copia de seguridad
Copia de seguridad: es una copia total de la BD realizada en un momento en que la BD está en un estado consistente. es una copia de seguridad incremental, o formada sólo por las modificaciones realizadas desde la última copia de seguridad incremental. Se utiliza tras un fallo del medio (fallo (fa llo catastrófico). Se puede realizar con la BD detenida o en funcionamiento.
Estructuras de datos: traza
La traza (o diario, o log ) guarda información sobre las actualizaciones realizadas en la BD (información necesaria para realizar la recuperación en caso de fallo). Tiene 4 (o 5) tipos de entradas (registros de la traza): [Comenzar_Trans, [Comenzar_Trans, T]
[T,, g, BFIM, AFIM] [T
[Confirmar, [Confirmar, T]
[Abortar, [Abortar, T]
BFIM: BeFore IMage para deshacer AFIM: AFter IMage para rehacer
Si se evita la restauración en cascada (lo habitual, ya que se suele usar bloque en dos fases estricto), no es necesario registrar traza de las lecturas, excepto para auditoría. Se usa la escritura anticipada de la traza: la traza de las acciones se guardan guardan en el disco antes que sus efectos.
Estructuras de datos: traza
La traza es un elemento fundamental para la recuperación, por lo que suele duplicarse o triplicarse en varios discos para evitar su perdida.
Ejemplo de traza para una planificación P1:
Valores previos: A=2, B=2
P1: T1: lee A, A=A+2,esc(A),lee(B),B=B-1,esc(B),commit
[T1 init][T1,A,2,4][T1,B,2,1][T1 commit] ([ pto control pto control]) ])
Estructuras de datos: traza
Puntos de control (o de sincronismo): periódicamente se escribe en la traza un registro especial llamado punto de sincronismo, indicando que en ese momento el sistema escribe en el disco todos los buffers del SGBD que han sido modificados en la base de datos por las transacciones en curso (y que temporalmente estaban en memoria). El SGBD debe decidir el intervalo entre puntos de sincronismo (medido en tiempo o número de transacciones). Realizar un punto de control implica: Suspensión temporal de la ejecución de transacciones. Escritura forzada de todos los buffers buffers modificados modificados a disco. Escribir un registro especial en la traza [punto de control] Reactivar las transacciones en ejecución.
Reglas básicas de gestión de buffers
En general (por velocidad) los sistemas traen los datos a memoria principal y realizan las actualizaciones en memoria (no en disco); para ello existe un conjunto de buffers en la memoria principal, llamado caché del SGBD. La función de la gestión de los buffers es del sistema operativo, pero dada su incidencia en el funcionamiento de la BD los SGBD participan en la gestión de buffers con llamadas de bajo nivel al SO. En la caché del SGBD hay bloques de datos, bloques de índices, bloques de la traza.
Reglas básicas de gestión de buffers
Cuando el SGBD necesita un determinado bloque de datos: primero revisa la caché del SGBD para ver si está en ella; en caso contrario, el elemento se localiza en la BD y se copian las paginas de disco apropiadas a la caché; si la caché está llena se hace necesario desalojar una página que se pueda desalojar, “evacuándola” (a disco) si ha sido modificada (en el lugar o en la sombra). los bits de reserva y de página sucia indican si la página está preparada para ser llevada a disco y si ha sido modificada. Páginas sucias: páginas actualizadas que no han sido todavía escritas en disco.
Reglas básicas de gestión de buffers
Para decidir cuando una página sucia puede/debe ser escrita en disco se puede seguir: estrategia no-robar: una página sucia no puede ser escrita ni desalojada antes de que se confirme la transacción que la actualizó. y estrategia robar: una página sucia puede ser escrita desalojada cuando sea necesario independientemente de que la transacción haya llegado a la confirmación. estrategia forzar: toda página sucia se escribe a disco cuando se confirma la transacción que la actualizó (pequeño sobrecoste de escr.). estrategia no-forzar : no es necesario forzar la escritura cuando se confirma, sólo cuando sea necesario por otras causas. La mayoría de los SGBDs emplean em plean robar/no-forzar para reducir las necesidades de memoria y agilizar el funcionamiento sin fallos.
Reglas básicas de gestión de buffers
Para garantizar transacciones:
la
atomicidad
de
las
Regla de traza por adelantado: la traza que contiene información de una actualización debe escribirse en el disco antes de escribir a disco dicho objeto actualizado de la BD. Se asegura la Atomicidad Atomicidad.. Evita pérdidas de imagen anterior BFIM
Regla de confirmación: todos los registros de la traza correspondientes a una transacción deben escribirse en el disco antes de que se transacción. confirme dicha Evita pérdidas de Se asegura la Durabilidad Durabilidad.. imagen posterior p osterior AFIM
Procedimientos de recuperación
Procedimiento de recuperación: operaciones necesarias para arrancar la BD tras finalizar de modo normal o fallo.
Utiliza las estructuras de datos estudiadas: traza o copia de seguridad, dependiendo del tipo de fallo. El objetivo es alcanzar un estado consistente de la BD minimizando el trabajo perdido. ¿Cómo?
Deshacer actualización:
Rehacer actualización:
escribir en BD la imagen anterior desde la traza
escribir en BD la imagen posterior desde la traza
Procedimientos de recuperación
Tipos de procedimientos de recuperación: Recuperación normal: tras una parada de la BD sin fallos, si el punto de control es el último registro de la traza. Recuperación en caliente: tras un fallo del sistema, si el último registro de la traza no es un punto de control. Busca el último punto de sincronismo en la traza. las transacciones confirmadas y las Localiza transacciones abortadas (o interrumpidas). Deshace o rehace transacciones según las diferentes técnicas.
Recuperación en frío: se usa tras un fallo del medio que no haya afectado a la traza. Se toma una imagen consistente a partir de una copia de seguridad y se procesa la traza desde el punto de sincronismo asociado a la copia de seguridad.
Algoritmos de recuperación
Conceptualmente, podemos distinguir dos técnicas principales para recuperarse frente a fallos no catastróficos: Actualización diferida Actualización inmediata Las técnicas de actualización diferida no actualizan la BD hasta llegar al punto de confirmación. En las técnicas de actualización inmediata las operaciones de una transacción modifican la BD antes de que la transacción confirme. Estudiaremos cuatro algoritmos que se basan en combinar acciones de las técnicas anteriores.
Algoritmos de recuperación
Todos estos algoritmos se describen según realizan las siguientes acciones: begin(t) : introduce la transacción t en el gestor de transacciones. leer(t,p,b): la transacción t lee la página p en el búfer b. esc(t,b,p): la transacción t escribe el búfer b en la página p. confirma(t) : se confirma la transacción t. aborta(t): se aborta la transacción t. rearranca(): realiza la recuperación tras un fallo del sistema. Estos algoritmos mantienen tres listas de transacciones: tr.abortadas (Lb), tr.confirmadas (Lc). tr.activas (La), tr.abortadas En todos los algoritmos la acción begin(t) es idéntica: void begin( transac t) { inserta_en_lista(La,t); }
Algoritmo no deshacer/rehacer
Con esta técnica, basada en la actualización diferida diferida,, nunca es necesario deshacer una transacción después de un fallo del sistema, porque no han llegado a tener efecto. Por ello, no es necesario guardar las imágenes anteriores en la traza. La escritura en disco de las páginas actualizadas se difiere hasta llegar al punto de confirmación de la transacción. Abortar transacciones es muy barato. Sólo es práctico para transacciones cortas y que actualicen pco.
Algoritmo no deshacer/rehacer
Si se produce un fallo, las transacciones deben rehacerse. En esta técnica no es necesario guardar el valor anterior (BFIM), ya que nunca se deshace. Siempre (en todas las técnicas) hay que escribir la traza en disco antes de las propias actualizaciones. Durante el proceso de recuperación después de una caída una transacción debe rehacerse si y sólo si la traza contiene ambas marcas de inicio y de confirmación de dicha transacción. En todas las técnicas las operaciones deben ser idempotentes,, porque puede fallar durante la idempotentes recuperación.
Algoritmo no deshacer/rehacer
Si la traza en tres instantes de tiempo al fallar es:
la recuperación en cada caso es como sigue deb e rehacer ninguna transacción Caso (a): no se debe Caso (b): se debe rehacer T0 (y se ignoran los registros de T1) Caso (c): se debe rehacer T0 y T1
Algoritmo no deshacer/rehacer Los algoritmos para las diferentes funciones con esta técnica son: void lee( transac t, pagina p, buffer b) { if (esta_actualizada_por(p,t) ) lee_img_post_en_buffer(p,b); else lee_pagina_en_buffer(p,b); } void esc( transac t,pagina p, buffer b) { esc_img_post_buffer_traza(p); } La gestión de buffers se produce según lo indicado en el apartado correspondiente, trayendo trayendo de disco a caché cuando se necesita, sin necesidad de indicarlo explícitamente en los algoritmos.
Algoritmo no deshacer/rehacer void rearranque() { transac t; for (t = La ; t!= NULL; t = t->sig) if( esta_en_lista(Lc,t) confirma(t); //donde rehace else aborta(t); //pero no necesita deshacer }
Aborta y confirma
void confirma( transac t) { pagina p; //recorre la traza hacia delante for (p=pagina_actualizada(t); p!=NULL; p=pagina_sig(t,p)) escribe_post_imag_traza_en_disco(p); //rehace inserta_en_lista(Lc,t); elimina_de_lista(La,t); } void aborta( transac t) { pagina p; buffer b; inserta_en_lista(Lb,t); elimina_de_lista(La_t); }
Algoritmo no deshacer/rehacer Guarda imagen posterior
Ejemplo:
[T1 init][T1,A,4][T1 commit][T2 init][T2,B,6][T2 commit]!FALLO! init
lee B
B=B+3
esc B
commit
T2 A=2 B=3
4 6
T1 init
lee A
A=A+2 esc A
commit
FALLO
Algoritmo deshacer/no rehacer
Con esta técnica, basada en la actualización inmediata, nunca es necesario rehacer una transacción después de un fallo del sistema. Por ello, no es necesario guardar las imágenes posteriores en la traza. Las páginas actualizadas se escriben en disco cada vez que se actualizan elementos, sin esperar a la confirmación de la transacción. Abortar transacciones puede ser caro (hay que deshacer las actualizaciones ya escritas en disco). En la práctica no resulta lo más eficiente.
Algoritmo deshacer/no rehacer Los algoritmos para las diferentes funciones con esta técnica son: void lee( transac t,pagina p, buffer b) { lee_pagina_en_buffer(p,b); } void esc( transac t,pagina p, buffer b) { inserta_imag_ant_buffer_traza(p); escribe_buffer_en_pagina(p,b); }
Algoritmo deshacer/no rehacer void rearranque() { transac t; for (t = La ; t!= NULL; t = t->sig) aborta(t); //donde deshace
Sólo aborta transacciones
} void confirma( transac t) { pagina p; for (p=pagina_actualizada(t); p!=NULL; p=pagina_sig(t,p)) escribe_en_disco(p); inserta_en_lista(Lc,t); elimina_de_lista(La,t); } void aborta( transac t) { pagina p; buffer b; inserta_en_lista(Lb,t); for(p=pagina_actualizada(t); p!=NULL; P=pagina_sig(t,p)) escribe_en disco_imagen_ant_de_p_desde_traza(); //deshace elimina_de_lista(La,t); }
Algoritmo deshacer/no rehacer
Guarda imagen anterior
Ejemplo: [T1 init][T1,A,2][T1 commit][T2 init][T2,B,3]!FALLO! init
lee B
B=B+3
esc B
T2 A=2 B=3
4 6
T1 init
lee A
A=A+2
esc A
commit
FALLO
Algoritmo deshacer/rehacer
Esta técnica, basada en la actualización inmediata, combina la habilidad de rehacer con la de deshacer.
Las páginas sucias se vuelcan a disco en cualquier momento que sea necesario, aunque correspondan a transacciones no confirmadas (se ocupa el gestor de buffers ). ).
Se optimiza el funcionamiento funcionam iento normal (sin abortos ni fallos). El procedimiento de abortar es más costoso. El procedimiento de rearranque más costoso. Es el más comúnmente empleado por los SGBDs.
Algoritmo deshacer/rehacer
Es imprescindible que los registros de la traza se escriban a disco antes que los datos actualizados. Procedimientos de recuperación: Con las transacciones que en la traza tengan registrado el inicio pero no la confirmación, se Deshace la transacción, yendo hacia atrás en la traza desde el último registro de la transacción, restaurando las BFIM. Con las transacciones que tengan registrados en la traza el inicio y la confirmación, se Rehace la transacción, yendo hacia delante en la traza, desde el primer registro de la transacción, estableciendo las AFIM. Las operaciones deben ser idempotentes idempotentes.. Se realizan primero las operaciones de Deshacer y luego las de Rehacer
Algoritmo deshacer/rehacer Si la traza en tres instantes de tiempo al fallar es:
la recuperación en cada caso es como sigue (a): se deshace T0, restaurando A=1000 y Caso B=2000 Caso (b): se deshace T1 y se rehace T0, restaurando C=700 y estableciendo A=950 y B=2050 Caso (c): se rehace T0 y T1, poniendo A=950, B=2050, C=600
Algoritmo deshacer/rehacer Uso de los Puntos de control (checkpoints ( checkpoints )
Los puntos de control, control , tanto en deshacer/rehacer como en los demás algoritmos, evitan tener que recorrer toda la traza para la recuperación, lo que resultaría muy costoso y realizaría acciones innecesarias. Cuando se realiza (y registra) un punto de control, se escriben toda la información a disco y se guarda la información de las transacciones activas en ese momento.
Algoritmo deshacer/rehacer Uso de los Puntos de control (checkpoints ( checkpoints ) Cuando el sistema se recupera de una caída se inicializan undo-list y redo-list vacías, se va recorriendo la traza hacia atrás hasta un punto de control, redo-list,, si se encuentra se incluye Ti en la redo-list si se encuentra y Tj no está en la redo-list se incluye Tj en la undo-list undo-list,, al llegar a un , si se encuentra Tk en La y Tk no está en la redo-list se incluye en la undo-list undo-list,, se sigue la traza hacia atrás hasta encontrar todos los de las Tu que estén la La La,, deshaciendo los pasos de las Tu, se avanza en la traza hasta el punto de control más reciente, se sigue avanzando en la traza rehaciendo todas las operaciones operaciones registradas correspondientes correspondientes a las Ti en la redolist.
Algoritmo deshacer/rehacer Uso de los Puntos de control (checkpoints (checkpoints ) Ejercicio: deshacer/rehacer con la siguiente traza: start> commit> /* Scan at step 1 comes up to here */ start> start> start> commit>
Algoritmo deshacer/rehacer Los algoritmos para las diferentes funciones con esta técnica son: void lee( transac t,pagina p, buffer b) { if ( esta_actualizada_por(p,t) ) lee_img_post_en_buffer(p,b); else lee_pagina_en_buffer(p,b); } void esc( transac t,pagina p, buffer b) { inserta_imag_ant_buffer_traza(p); inserta_imag_post_buffer_traza(p); }
r e c a h e r r e c a h s e d o m t i r o g l A
void rearranque() { transac t; for (t = La ; t!= NULL; t = t->sig) Aborta y if( esta_en_lista(Lc,t) confirma(t); confirma else aborta(t); } void confirma( transac t) { pagina p; inserta_en_lista(Lc,t); for (p=pagina_actualizada(t); p!=NULL; p=pagina_sig(t,p)) if (esta_sucia(p)) escribe_post_imag_traza_en_disco(p); //rehace elimina_de_lista(La,t); } void aborta( transac t) { pagina p; bufer b; b; inserta_en_lista(Lb,t); for (p=pagina_actualizada(t); p!=NULL; p=pagina_sig(t,p)) lee_en_buffer_img_ant_de_p_desde_traza(p,b); //deshace elimina_de_lista(La_t); }
Algoritmo deshacer/rehacer
Guarda imagen posterior y anterior
Ejemplo:
[T1 init][T1,A,2,4][T1 commit][T2 init][T2,B,3,6][T2 commit]!FALLO! init
lee B
B=B+3
esc B
commit
T2 A=2 B=3
4 6
T1 init
lee A
A=A+2 esc A commit
FALLO
Algoritmo no deshacer/no rehacer
Existen dos técnicas básicas de actualización:
actualización en el sitio, en la cual cuando es necesario escribir en disco se sobreescriben los objetos de la BD en su posición original. Se utiliza en todos los algoritmos de recuperación vistos anteriormente. El sombreado (paginación en la sombra) sombra) escribe las páginas actualizadas en una nueva posición, y mantiene (provisionalmente) las páginas originales en su ubicación original. La nueva página sólo es visible cuando la transacción se confirma. Esta técnica permite los algoritmos no deshacer/no rehacer.
Algoritmo no deshacer/no rehacer La paginación en la sombra es una alternativa a la recuperación basada en la traza (si no hay concurrencia de transacciones ni siquiera se necesita traza ). ). En ejecuciones serializadas Se mantienen dos tablas de páginas, la tabla de páginas actual y la tabla de páginas en la sombra. Cuando se inicia una transacción se copia la tabla de páginas actual en la tabla “sombra”. Cuando se actualiza una página, se escribe la página actualizada en una página no usada, y se actualiza la tabla actual para apuntar a ésta (dejando la “sombra” sin modificar) Cuando se confirma la transacción, se descarta la tabla “sombra”. “s ombra” se copia en la Si se produce un fallo, la tabla “sombra” “actual”. No es necesario ni rehacer ni deshacer
Algoritmo no deshacer/no rehacer paginación en la sombra
Algoritmo no deshacer/no rehacer Inconvenientes Se debe guardar y copia la tabla de páginas entera. En cualquier caso hay que gestionar la “recolección de basura” de páginas “obsoletas” después de la confirmación de una transacción. Los datos de la BD quedan fragmentados. En caso de ejecuciones concurrentes, hay que guardar y utilizar información en la traza y la recuperación se complica mucho respecto a las planificaciones serializadas. En conjunto, la técnica supone un sobrecoste de operaciones que la hace ineficiente en la práctica.
Algoritmo no deshacer/no rehacer Los algoritmos específicos con esta técnica son: void confirma( transac t) { pagina p; for (p=pagina_actualizada(t); p!=NULL; p=pagina_sig(t,p)) if (esta_sucia(p)) escribe_post_imag_traza_en_disco(p); elimina_de_lista(La,t); } void rearranque() { transac t; for (t = La ; t!= NULL; t = t->sig) aborta(t); }
