respaldo y recuperacion

Administración de Bases de Datos

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Ing. Ronald Pérez

Respaldo y Recuperación


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.

(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.

Introducción


Tipos de Almacenamiento

Almacenamiento volátil: no sobrevive a las

caídas del sistema.

Almacenamiento no volátil: disco, cinta.

Almacenamiento estable frente al no

estable: la información no se pierde “nunca”

se repite en varios medios volátiles(disco) con

modos de fallos independientes

La BD requiere de almacenamiento no volátil


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.

Errores del sistema: una transacción es abortada

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

Caída del sistema: la falta de alimentación u otro

problema hardware (excepto de discos) detiene el

funcionamiento normal y produce la pérdida de la

información en memoria volátil.

Fallo del disco: se produce una destrucción total o

parcial de los datos almacenados en un disco.

Tipos de fallos


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:

1) Acciones que se realizan durante el

funcionamiento normal para disponer de la

información necesaria en caso de tener que

recuperarse de un fallo;

2) Acciones que se realizan para recuperar la base

de datos después de producirse un fallo.

Funcionamiento del módulo de

recuperación


El sistema de recuperación se ocupa de que se cumplan dos de las propiedades ACID de las transacciones:

La atomicidad implica sólo dos posibilidades para las transacciones:

abortar (ninguno de sus acciones tiene efecto, y debe reiniciarse).

confirmar (sus acciones tienen efecto permanente).

Transacción activa: si ha empezado pero no ha alcanzado un estado final (aborto o confirmación).

Atomicidad:

se ejecutan todas las

acciones o ninguna

Durabilidad:

cuando una T se completa

los cambios realizados deben

permanecer en el sistema

Almacenamiento

estable

Conceptos básicos


El sistema de recuperación se apoya en una

serie de elementos para realizar su función

Realización de copias de seguridad.

completas o incrementales

Almacenamiento de una traza

que guarda las acciones (actualizaciones)

realizadas

(también llamada diario o log )

Almacenamiento estable

Estructuras de datos para la

recuperación


Copia de seguridad:

es una copia total de la BD realizada en un

momento en que la BD está en un estado

consistente.

o es una copia de seguridad incremental,

formada sólo por las modificaciones realizadas

desde la última copia de seguridad incremental.

Se utiliza tras un fallo del medio (fallo catastrófico).

Se puede realizar con la BD detenida o en

funcionamiento.

Estructuras de datos: copia de

seguridad


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):

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 en el disco antes que sus efectos.

[Comenzar_Trans, T]

[Confirmar, T] [Abortar, T]

[T, g, BFIM, AFIM]

BFIM: BeFore IMage

para deshacer

AFIM: AFter IMage

para rehacer



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:

[T1 init][T1,A,2,4][T1,B,2,1][T1 commit] ([pto control])

Valores previos: A=2, B=2

P1: T1: lee A, A=A+2,esc(A),lee(B),B=B-1,esc(B),commit



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 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.



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.



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.

estrategia robar: una página sucia puede ser escrita y

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 robar/no-forzar para reducir las

necesidades de memoria y agilizar el funcionamiento sin fallos.



Para garantizar la atomicidad de las

transacciones:

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.

Regla de confirmación: todos los registros de la

traza correspondientes a una transacción

deben escribirse en el disco antes de que se

confirme dicha transacción.

Se asegura la Durabilidad. Evita pérdidas de

imagen posterior AFIM

Evita pérdidas de

imagen anterior BFIM


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:

escribir en BD la

imagen anterior desde

la traza

Rehacer actualización:

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.

Localiza las transacciones confirmadas y las 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.activas (La), tr.abortadas (Lb), tr.confirmadas (Lc).

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,

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.



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

recuperación.



Si la traza en tres instantes de tiempo al fallar es:

la recuperación en cada caso es como sigue

Caso (a): no se debe rehacer ninguna transacción

Caso (b): se debe rehacer T0 (y se ignoran los registros de T1)

Caso (c): se debe rehacer T0 y T1



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);

}

Los algoritmos para las diferentes funciones

con esta técnica son:

La gestión de buffers se produce según lo indicado en el apartado correspondiente, trayendo de disco a caché cuando se necesita, sin necesidad de indicarlo explícitamente en los algoritmos.


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);

}

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


A=2 4

B=3 6

init lee A

[T1 init][T1,A,4][T1 commit][T2 init][T2,B,6][T2 commit]!FALLO!

esc A A=A+2

init lee B

commit

esc B B=B+3

T2

T1

FALLO

Ejemplo:

commit

Guarda imagen posterior



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.



{

inserta_imag_ant_buffer_traza(p);

escribe_buffer_en_pagina(p,b);

}

void lee( transac t,pagina p, buffer b)

{


}






{ pagina p;


escribe_en_disco(p);



}


{ pagina p;

buffer b;


for(p=pagina_actualizada(t); p!=NULL; P=pagina_sig(t,p))

escribe_en disco_imagen_ant_de_p_desde_traza(); //deshace


}

void rearranque()

{

transac t;


aborta(t); //donde deshace

}

Sólo aborta

transacciones



A=2 4

B=3 6

init lee A

[T1 init][T1,A,2][T1 commit][T2 init][T2,B,3]!FALLO!

esc A A=A+2

init lee B

commit

esc B B=B+3

T2

T1

FALLO

Ejemplo: Guarda imagen anterior



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 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.



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.

Se realizan primero las operaciones de Deshacer y luego las de Rehacer



Si la traza en tres instantes de tiempo al fallar es:

la recuperación en cada caso es como sigue

Caso (a): se deshace T0, restaurando A=1000 y 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



Uso de los Puntos de control (checkpoints)

Los puntos de 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. <checkpoint La>



Uso de los Puntos de control (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,

si se encuentra <Ti commit> se incluye Ti en la redo-list,

si se encuentra <Tj start> y Tj no está en la redo-list se incluye Tj en la undo-list,

al llegar a un <checkpoint La>, si se encuentra Tk en La y Tk no está en la redo-list se incluye en la undo-list,

se sigue la traza hacia atrás hasta encontrar todos los <Tu start> de las Tu que estén 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 registradas correspondientes a las Ti en la redo-list.


Algoritmo deshacer/rehacer Uso de los Puntos de control (checkpoints)

Ejercicio: deshacer/rehacer con la siguiente traza:

<T0 start>

<T0, A, 0, 10>

<T0 commit>

<T1 start> /* Scan at step 1 comes up to here */

<T1, B, 0, 10>

<T2 start>

<T2, C, 0, 10>

<T2, C, 10, 20>

<checkpoint {T1, T2}>

<T3 start>

<T3, A, 10, 20>

<T3, D, 0, 10>

<T3 commit>



{

inserta_imag_ant_buffer_traza(p);

inserta_imag_post_buffer_traza(p);

}

void lee( transac t,pagina p, buffer b)

{

if ( esta_actualizada_por(p,t) )

lee_img_post_en_buffer(p,b);

else


}






{ pagina p;



if (esta_sucia(p))

escribe_post_imag_traza_en_disco(p); //rehace


}


{ pagina p;

bufer b;



lee_en_buffer_img_ant_de_p_desde_traza(p,b); //deshace

elimina_de_lista(La_t);

}

void rearranque()

{

transac t;


if( esta_en_lista(Lc,t)

confirma(t);

else aborta(t);

}

Aborta y

confirma

Alg

ori

tmo

desh

acer-

reh

acer


A=2 4

B=3 6

init lee A

[T1 init][T1,A,2,4][T1 commit][T2 init][T2,B,3,6][T2 commit]!FALLO!

esc A A=A+2

init lee B

commit

esc B B=B+3

T2

T1

FALLO

Ejemplo:

commit

Guarda imagen posterior y anterior



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) 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”.

Si se produce un fallo, la tabla “sombra” se copia en la “actual”.

No es necesario ni rehacer ni deshacer



paginación en la sombra



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.



{ pagina p;


if (esta_sucia(p))

escribe_post_imag_traza_en_disco(p);


}

void rearranque()

{

transac t;


aborta(t);

}


Los algoritmos específicos con esta técnica

son:

respaldo y recuperacion

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