TSC: uma abordagem para o controle de restrições de integridade em bancos de dados eventualmente consistentes

Abstract

Com a crescente demanda para armazenamento de dados provenientes de sistemas computacionais, os bancos de dados NoSQL surgiram como uma opção de Bancos de Dados Distribuídos (BDDs) para lidar com grandes massas de dados sem comprometer o desempenho do sistema. Porém, diferentemente dos bancos de dados relacionais, os bancos de dados NoSQL não suportam transações ACID (Atomicidade, Consistência, Isolamento e Durabilidade) que visam garantir a consistência dos dados, dificultando o desenvolvimento de aplicações que necessitam manter algumas invariâncias do sistema. Diferentes abordagens surgiram na literatura com o intuito de manter a integridade em BDDs: o uso de Replicated Data Types (RDTs) para controlar o conflito de operações de atualização; e o uso de diferentes modelos de consistência para cada tipo de operação, empregando lógica de primeira ordem (FOL) e provadores de teoremas (TP). Não obstante, o uso de RDTs e a descrição de Restrições de Integridade (RIs) através de FOL ainda são de difícil utilização para os desenvolvedores. Com o objetivo de simplificar a construção de aplicações que necessitam de consistência em BDDs, esta dissertação define uma abordagem para a construção de RIs na camada de aplicação utilizando RDTs com base nos possíveis estados de transição das operações, denominada Transition State Consistency (TSC). A abordagem TSC extrai as operações de uma RI em um RDT e define a consistência de cada operação, levando em consideração a semântica das invariâncias e as possíveis anomalias dessas invariâncias quando utilizadas em BDDs. Nos experimentos realizados em um BDD com consistência eventual, em cenários em que diversas operações impactam RIs, foi justificado o uso da abordagem TSC para o controle da consistência, já que a diferenciação das operações pelo estado de transição permitiu reduzir a quantidade de operações executadas com consistência forte, causando uma melhora significativa no desempenho do sistema.

Abstract : With the increasing demand for data storage from computational systems, NoSQL databases have emerged as an option of Distributed Databases (BDD) in order to handle a significant amount of data without compromising system's performance. However, unlike relational databases, NoSQL databases mostly have no ACID transactions (Atomicity, Consistency, Isolation, and Durability) designed to ensure data consistency, hindering the development of applications that need to maintain some system invariance. Different approaches have emerged in the literature to support integrity in BDDs: the use of replicated data types (RDTs) to control conflicting updates; and the use of different consistencies models for each type of operation, using first-order logic (FOL) and theorem provers (TP). Notwithstanding, the use of RDT or the integrity constraints (RI) descriptions through languages using FOL is still difficult to be used by programmers. Aiming to simplify the construction of applications that require consistency in BDDs, this work proposes an approach to the creation of RIs at the application layer, using RDTs based on the possible states of transition of operations, called Transition State Consistency (TSC). The TSC approach extracts the operations of an RI in an RDT and defines the consistency of each operation, taking into account the semantics of the invariances and the possible anomalies of those invariances when using BDDs. In the experiments carried out in a BDD with eventual consistency with scenarios in which several operations impact RIs, the use of the TSC approach for consistency control was justified since the differentiation of operations by the transition state allowed to reduce the number of operations performed with strong consistency, causing a significant improvement in system performance.