[database] 회복시스템

• 회복시스템의 개념
  • 회복의 역할
    • 예상치못한 HW 고장 및 SW 오류가 발생
      • 사용자의 작업에 대한 안정적 디스크 반영 여부 보장이 불가능
    • 오류 발생 이전의 일관된 상태로 데이터베이스를 복원시키는 기법이 요구
      • 시스템 내의 고장 원인 검출, DBMS의 안전성 및 신뢰성을 보장
    • 데이터베이스는 데이터 복원 절차 내재화
  • 시스템 실패(system failure)의 유형
    • 트랜잭션 실패
      • 논리적: 잘못된 데이터 입력, 부재, 버퍼 오버플로, 자원 초과이용
      • 시스템적: 운용 시스템의 교착상태
    • 시스템 장애
      • 시스템의 하드웨어 고장, 소프트웨어의 오류
      • 주기억장치와 같은 휘발성 저장장치의 내용 손실
    • 디스크 실패
      • 비휘발성 디스크 저장장치의 손상 및 고장으로 인한 데이터 손실
  • 회복 데이터의 구성
    • 백업(backup)
      • 데이터베이스의 일부 또는 전체를 주기적으로 복제하는 방식
    • 로그(log)
      • 데이터 변경 이전과 이후의 값을 별도의 파일에 기록하는 방식
  • 데이터 저장 구조
    • 데이터는 디스크와 같은 비휘발성 저장장치에 저장되며, 전체 데이터의 일부만 주기억장치에 상주
    • 데이터베이스는 데이터를 블럭(block)단위로 전송하고 블럭 단위로 기억장소를 분할
    • 트랜잭션은 디스크로부터 주기억장치로 데이터를 가져오며, 변경된 데이터는 다시 디스크에 반영
      • 가져오기, 내보내기 연산은 블럭 단위로 실행
      • 물리적 블록: 디스크 상의 블럭
      • 버퍼 블록: 주기억장치에 임시적으로 상주하는 블럭
  • 데이터베이스 연산
    • 메인 메모리와 디스크 사이의 연산
      • input(X): 물리적 블록 X를 메인 메모리에 적재
      • output(X): 버퍼 블록 X를 디스크에 저장
• 로그 기반 회복
  • 로그 기반 회복의 개념
    • 데이터베이스가 수행한 모든 수정 작업을 기록한 여러 종류의 로그를 사용하여 회복하는 시스템
    • 로그 레코드
      • <Ti, Xj, V1, V2>: Ti가 데이터 항목 변경 연산을 수행하여 Xj의 값을 V1에서 V2로 변경
      • <Ti, start>: Ti가 시작
      • <Ti, commit>: Ti가 커밋
      • <Ti, abort>: Ti가 취소
  • 데이터 항목 변경 과정
    • WAL(Write-Ahead Log)
      • 트랜잭션은 데이터베이스 수정 전, 로그 레코드를 생성하여 기록
    • 데이터 항목 변경 과정
      • 트랜잭션이 메인 메모리의 개인 영역에서 여러 연산을 수행
      • 트랜잭션이 데이터 항목이 존재하는 메인 메모리에 위치한 버퍼 블럭의 데이터를 변경
      • output명령을 실행하여 버퍼 블럭을 디스크에 기록
  • Redo와 Undo 연산
    • 회복 기법은 로그에 대해 두 연산을 사용
      • Redo(Ti)
        • Ti에 의하여 수정된 새로운 값으로 데이터베이스의 데이터 항목값을 수정
      • Undo(Ti)
        • Ti에 의해 수정된 모든 데이터 항목을 이전 값으로 복귀, 완료 후 <Ti, abort> 기록
    • 시스템 장애 발생 시
      • 로그에 <Ti, start>가 있지만 <Ti, commit> 또는 <Ti, abort>를 포함하지 않는 경우 Ti는 Undo
      • 로그에 <Ti, start>가 있지만 <Ti, commit> 또는 <Ti, abort>를 포함하는 경우 Ti는 Redo
  • 데이터베이스 변경과 커밋
    • 데이터베이스 변경 시 복구 알고리즘의 고려 사항
      • 트랜잭션의 일부 변경 사항이 버퍼 블록에만 반영되고 물리 블록에 기록되지 않은 상태에서 트랜잭션이 커밋되는 상황
      • 트랜잭션이 동작 상태에서 데이터베이스를 수정했으나 수정후에 발생한 실패로 취소가 필요한 상황
    • 트랜잭션 커밋 상황
      • <Ti, commit> 로그 레코드가 안정된 저장장치에 기록 완료시 트랜잭션 커밋으로 간주
      • <Ti, commit> 로그 레코드가 기록되기 전에 장애가 발생하면 롤백
    • 회복의 유형
      • 회복은 트랜잭션에 의해 요청된 갱신 작업이 디스크에 반영되는 시점에 따라 구분
      • 지연 갱신 회복(deffered update restore)
        • 부분 커밋까지 디스크 반영을 지연시키고 로그에만 기록
        • 실패 시, 별도의 회복 작업 필요 없이 로그만 수정
      • 즉시 갱신 회복(immediate update restore)
        • 갱신 요청을 디스크에 반영
        • 실패 시, 디스크에 반영된 갱신 내용을 로그를 바탕으로 회복
      • 체크포인트의 필요
        • 로그 기반 회복 시스템의 한계
          • 로그의 크기는 시간이 지남에 따라 계속 증가하므로 대용량 로그의 탐색 비용이 매우 커짐
          • Redo를 해야 하는 트랜잭션 중 대부분은 이미 데이터베이스에 반영
          • 반영된 트랜잭션의 재실행은 시스템 자원의 낭비
      • 체크포인트 기법
        • 현재 시점에 메인 메모리의 버퍼 블럭에 존재하는 모든 로그 레코드를 안정 저장장치로 기록
        • 수정된 모든 버퍼 블럭을 디스크에 반영
        • 로그 레코드 <chekpoint ListT>를 안정한 저장장치에 기록
          • ListT는 체크포인트 시점에 실행 중인 트랜잭션 목록
      • 체크포인트를 이용한 외복
        • 체크포인트 기법을 이용한 회복 과정
          • 로그의 마지막부터 역방향으로 탐색하여 <checkpoint ListT> 레코드를 찾음
          • ListT에 존재하는 <checkpoint ListT>이후에 실행된 트랜잭션에 대하여 Redo와 Undo 연산만 수행
            • 로그에 <Ti, commit> 또는 <Ti, abort>가 없는 ListT안의 모든 트랜잭션을 Undo
            • 로그에 <Ti, commit> 또는 <Ti, abotr>가 있는 ListT안의 모든 트랜잭션을 Redo
• 회복 알고리즘
  • 트랜잭션 Ti의 롤백 알고리즘
    • 1단계: 로그를 역방향으로 탐색
    • 2단계: Ti의 로그 레코드 <Ti, Xj, V1, V2>에 대하여 
      • 데이터 항목 Xj에 V1 기록
      • 로그 레코드 <Ti, Xj, V1>을 로그에 기록
    • 3단계: <Ti, start>를 찾은 이후
      • 역방향 탐색을 중단
      • 로그 레코드 <Ti, abort>를 로그에 기록
  • 시스템 장애 후 회복 알고리즘
    • 시스템 장애 이후 재시작 시 다음 두 단계를 거침
      • Redo, Undo 단계
    • Redo 단계
      • 최근의 체크포인트에서부터 순방향 로그 탐색
      • 롤백 대상할 트랜잭션의 Undo 리스트인 ListofUndo를 ListT로 초기화
      • <Ti, Xj, V1, V2>, <Ti, Xj, V1>형태의 모든 레코드를 재실행
      • <Ti, start> 발견 시, Ti, 를 ListofUndo에 추가
      • <Ti, abort>, <Ti, commit>발견시 Ti를 Undo리스트에서 제거
    • Undo 단계(역방향 로그 탐색)
      • ListofUndo의 트랜잭션의 로그레코드를 찾으면 트랜잭션 롤백 알고리즘 1단계 수행
      • ListofUndo의 트랜잭션 Ti에 대해 <Ti, start>를 만나면 로그에 <Ti, abort>를 기록하고 ListofUndo에서 제거
      • ListofUndo에 트랜잭션이 존재하지 않는 상태가 되면 Undo 단계를 종료