Efficient and Consistent Transaction Processing in Wireless Data Broadcast Environments
Efficient and Consistent Transaction Processing in Wireless Data Broadcast Environments
Date
2005
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Seifert, André
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Effiziente und Konsistente Transaktionsverarbeitung in Drahtlosen Datenbroadcastumgebungen
Publication type
Dissertation
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Abstract
Die Dissertation stellt zunächst
verschiedene drahtlose Netzwerktypen vor,
welche derzeit zur mobilen Datenkommunikation
zur Verfügung stehen und zeigt anschließend,
daß die Mehrheit heutiger
drahtloser Netze über eine Asymmetrie verfügt. Es wird aufgezeigt, daß
die hybride Datenkommunikation, welche die
traditionelle Pull- und die relativ
neue Pushtechnik vereint, eine attraktive Kommunikationsvariante zur
Schaffung skalierbarer und flexibler mobiler Datendienste darstellt.
Es folgt ein Überblick über die verschiedenen umweltbezogenen und
systemimmanenten Einschränkungen, welche mobile Computersysteme ausgesetzt
sind und wir schlussfolgern daraufhin, daß es in
mobilen Umgebungen wesentlich schwieriger als in traditionellen stationären
Datenübertragungsnetzen ist, gute Performanceergebnisse in Verbindung
mit starken semantischen Konsistenzgarantien für Transaktionen zu erreichen.
Im Anschluß an die Darlegung der praktischen
Notwendigkeit und dem zunehmenden
Interesse an der Gewährleistung
einer zeitnahen und konsistenten Bereitstellung von Masseninformation
über mobile Breitband-Broadcastkanäle, schließt sich
eine Diskussion über die Herausforderungen und vielfältigen
Probleme, welche hiermit
verbunden sind, an.
In diesem Zusammenhang wird behauptet, daß die momentan
vorhandenen Definitionen von Isolationsgraden
nicht für die Implementation
von Transaktionsprotokollen, welche für Nur-Lese-Transaktionen
kreiert werden, geeignet sind, da diese eventuell ungewollte - obwohl
korrekte - Datenzugriffe aufgrund nicht vorhandener
Datenaktualitätsgarantien erlauben.
Um diesem Problem Abhilfe zu schaffen, werden vier
neue Isolationsgrade für Nur-Lese-Transaktionen definiert
und es werden geeignete Implementierungen dieser Isolationsgrade für hybride
Datenkommunikationsnetze präsentiert und deren Performance bestimmt.
Um die Antwortzeiten von mobilen Anwendungen
zu verkürzen und um eine hohe Skalierbarkeit von hybriden
Datenkommunikationssystemen zu erreichen,
spielt die Pufferverwaltung der mobilen Klienten
(d.h. Endgeräten) eine wesentliche Rolle.
Da existierende Pufferverwaltungsstrategien nur eine
ungenügende Unterstützung für
Mehrversions-Transaktionsprotokolle bieten,
stellt diese Arbeit eine neue Pufferersetzungs- und
-vorabrufstrategie vor, die den Namen MICP trägt.
MICP ist eine hybride Pufferverwaltungsmethode, die sowohl Datenseiten
als auch Datenobjekte verwalten kann. Während Datenseiten nach dem
traditionellen LRU-Verfahren ersetzt werden, führt
das MICP-Verfahren Objektersetzungs- und -vorabrufentscheidungen auf
der Basis diverser anderer performance-kritischer Daten durch.
Um zu vermeiden, daß nützliche - jedoch
nicht-wiederbeschaffbare - Objektversionen mit wiederbeschaffbaren
Objektversionen um verfügbare Pufferressourcen konkurrieren müssen,
teilt das MICP-Verfahren den vorhandenen Speicherplatz des
Klientenpuffers in zwei unterschiedlich große Segmente
auf: die sogenannte REC- und NON-REC-Partition.
Zur Beurteilung der Effizienz der MICP-Puffermanagementstrategie
wurden umfangreiche Simulationsstudien durchgeführt, welche zeigen,
daß mobile Klienten, die nicht
das MICP-Verfahren zur Pufferverwaltung einsetzen,
einen durchschnittlichen Performanceverlust von etwa
19% erleiden.
Schließlich widmet sich die Arbeit dem Problem,
Serialisierbarkeit von Lese-Schreib-Transaktionen
in Verbindung mit guten Antwortzeiten und einer niedrigen
Transaktionsabbruchsrate in hybriden drahtlosen Datenkommunikationsnetzen
zu erreichen. Um diese Ziele zu verwirklichen, stellt die Arbeit eine
Familie von
fünf Mehrversions-Transaktionsprotokollen vor, die den Namen
MVCC-* trägt. Die einzelnen Protokolle der
MVCC-*-Familie unterscheiden sich dabei hinsichtlich der
Scheduling-Performance, den
Datenaktualitätsgarantien, welche den Leseoperationen
der Transaktionen zugesichert werden, sowie der Speicher- und
Zeitkomplexität. Es werden die Performanceabweichungen
zwischen den einzelnen Protokollen der
MVCC-*-Familie quantifiziert und
außerdem werden die Performanceergebnisse mit denen, welche für
das bekannte Snapshot Isolation Protokoll entstehen, verglichen.
Da die MVCC-*-Protokollfamilie für Schedulingentscheidungen
nur einfache Lese- und Schreiboperationen zur
Laufzeit und keine semantischen Informationen über ihre
zugrunde liegenden Transaktionen verwendet, skizziert und
evaluiert die Arbeit diverse Möglichkeiten, welche die vorgeschlagenen
Transaktionsprotokolle erweitern, um Datenkonflikte zu vermeiden bzw. zu
reduzieren. Hierzu gehört u.a. die Spezifikation von alternativen
Schreiboperationen für ursprüngliche Änderungsoperationen,
die Reduktion der Datengranularität auf
welcher die Transaktionskontrolle
basiert sowie die Erhöhung der Anzahl der vom System vorgehaltenen
Versionen der Datenobjekte.
verschiedene drahtlose Netzwerktypen vor,
welche derzeit zur mobilen Datenkommunikation
zur Verfügung stehen und zeigt anschließend,
daß die Mehrheit heutiger
drahtloser Netze über eine Asymmetrie verfügt. Es wird aufgezeigt, daß
die hybride Datenkommunikation, welche die
traditionelle Pull- und die relativ
neue Pushtechnik vereint, eine attraktive Kommunikationsvariante zur
Schaffung skalierbarer und flexibler mobiler Datendienste darstellt.
Es folgt ein Überblick über die verschiedenen umweltbezogenen und
systemimmanenten Einschränkungen, welche mobile Computersysteme ausgesetzt
sind und wir schlussfolgern daraufhin, daß es in
mobilen Umgebungen wesentlich schwieriger als in traditionellen stationären
Datenübertragungsnetzen ist, gute Performanceergebnisse in Verbindung
mit starken semantischen Konsistenzgarantien für Transaktionen zu erreichen.
Im Anschluß an die Darlegung der praktischen
Notwendigkeit und dem zunehmenden
Interesse an der Gewährleistung
einer zeitnahen und konsistenten Bereitstellung von Masseninformation
über mobile Breitband-Broadcastkanäle, schließt sich
eine Diskussion über die Herausforderungen und vielfältigen
Probleme, welche hiermit
verbunden sind, an.
In diesem Zusammenhang wird behauptet, daß die momentan
vorhandenen Definitionen von Isolationsgraden
nicht für die Implementation
von Transaktionsprotokollen, welche für Nur-Lese-Transaktionen
kreiert werden, geeignet sind, da diese eventuell ungewollte - obwohl
korrekte - Datenzugriffe aufgrund nicht vorhandener
Datenaktualitätsgarantien erlauben.
Um diesem Problem Abhilfe zu schaffen, werden vier
neue Isolationsgrade für Nur-Lese-Transaktionen definiert
und es werden geeignete Implementierungen dieser Isolationsgrade für hybride
Datenkommunikationsnetze präsentiert und deren Performance bestimmt.
Um die Antwortzeiten von mobilen Anwendungen
zu verkürzen und um eine hohe Skalierbarkeit von hybriden
Datenkommunikationssystemen zu erreichen,
spielt die Pufferverwaltung der mobilen Klienten
(d.h. Endgeräten) eine wesentliche Rolle.
Da existierende Pufferverwaltungsstrategien nur eine
ungenügende Unterstützung für
Mehrversions-Transaktionsprotokolle bieten,
stellt diese Arbeit eine neue Pufferersetzungs- und
-vorabrufstrategie vor, die den Namen MICP trägt.
MICP ist eine hybride Pufferverwaltungsmethode, die sowohl Datenseiten
als auch Datenobjekte verwalten kann. Während Datenseiten nach dem
traditionellen LRU-Verfahren ersetzt werden, führt
das MICP-Verfahren Objektersetzungs- und -vorabrufentscheidungen auf
der Basis diverser anderer performance-kritischer Daten durch.
Um zu vermeiden, daß nützliche - jedoch
nicht-wiederbeschaffbare - Objektversionen mit wiederbeschaffbaren
Objektversionen um verfügbare Pufferressourcen konkurrieren müssen,
teilt das MICP-Verfahren den vorhandenen Speicherplatz des
Klientenpuffers in zwei unterschiedlich große Segmente
auf: die sogenannte REC- und NON-REC-Partition.
Zur Beurteilung der Effizienz der MICP-Puffermanagementstrategie
wurden umfangreiche Simulationsstudien durchgeführt, welche zeigen,
daß mobile Klienten, die nicht
das MICP-Verfahren zur Pufferverwaltung einsetzen,
einen durchschnittlichen Performanceverlust von etwa
19% erleiden.
Schließlich widmet sich die Arbeit dem Problem,
Serialisierbarkeit von Lese-Schreib-Transaktionen
in Verbindung mit guten Antwortzeiten und einer niedrigen
Transaktionsabbruchsrate in hybriden drahtlosen Datenkommunikationsnetzen
zu erreichen. Um diese Ziele zu verwirklichen, stellt die Arbeit eine
Familie von
fünf Mehrversions-Transaktionsprotokollen vor, die den Namen
MVCC-* trägt. Die einzelnen Protokolle der
MVCC-*-Familie unterscheiden sich dabei hinsichtlich der
Scheduling-Performance, den
Datenaktualitätsgarantien, welche den Leseoperationen
der Transaktionen zugesichert werden, sowie der Speicher- und
Zeitkomplexität. Es werden die Performanceabweichungen
zwischen den einzelnen Protokollen der
MVCC-*-Familie quantifiziert und
außerdem werden die Performanceergebnisse mit denen, welche für
das bekannte Snapshot Isolation Protokoll entstehen, verglichen.
Da die MVCC-*-Protokollfamilie für Schedulingentscheidungen
nur einfache Lese- und Schreiboperationen zur
Laufzeit und keine semantischen Informationen über ihre
zugrunde liegenden Transaktionen verwendet, skizziert und
evaluiert die Arbeit diverse Möglichkeiten, welche die vorgeschlagenen
Transaktionsprotokolle erweitern, um Datenkonflikte zu vermeiden bzw. zu
reduzieren. Hierzu gehört u.a. die Spezifikation von alternativen
Schreiboperationen für ursprüngliche Änderungsoperationen,
die Reduktion der Datengranularität auf
welcher die Transaktionskontrolle
basiert sowie die Erhöhung der Anzahl der vom System vorgehaltenen
Versionen der Datenobjekte.
Summary in another language
In this doctoral thesis, we first
discuss the various wireless network types currently available to
provide data communication services and show that the majority
of them exhibit asymmetry in the bandwidth capacity, data volume,
and service load. We then argue that hybrid data delivery
which integrates the traditional
pull and the rather novel push techniques is an attractive communication
mode to create highly scalable and flexible data services. A
brief overview of the environmental and system-immanent constraints
of mobile computing systems follows and we
reason that providing good system throughput
results along with strong semantic guarantees for transactions
is more challenging in mobile, portable environments than in conventional
fixed networks. In the same vein, we present possible techniques
to avoid and reduce the number of data conflicts that may arise and discuss
ways to detect and more importantly, to resolve them once identified.
After motivating the practical need for timely and consistent data
delivery to thousands of information consumers, we discuss the challenges and
problems involved in supporting appropriate consistency and
currency guarantees to dissemination-based applications.
We then argue that current definitions of isolation levels (ILs)
are inappropriate for implementations of CC protocols suitable for
read-only transactions as they allow unwanted, though consistent, data access
patterns due to lack of data currency guarantees. To rectify the problem,
we define four new ILs providing various useful data consistency and currency
guarantees to read-only transactions and present suitable implementations of
the proposed ILs for hybrid data delivery networks.
To evaluate the performance trade-offs among the newly defined ILs and
protocols, respectively, extensive numerical experiments are done,
demonstrating
that the Strict Forward BOT View Consistency level
and its implementation provides the best possible performance results among the
CC protocols studied.
To shorten the response times and to achieve high scalability,
client caching is one, if not the most fundamental technique in order to
achieve these goals. In this thesis, we introduce
a novel client cache replacement and prefetching strategy,
called MICP, that
makes eviction and prefetching decisions
sensitive to various performance-critical factors including the objects'
access recency and frequency
in the recent past, their update likelihood in the
near future, their re-acquisition costs, etc.
On top of that, MICP is tightly-coupled to the
transaction manager in order to obtain and instantly react
on information indicating that locally stored non-current object versions
have become useless from the CC perspective and can
therefore be evicted from the client cache. To prevent that useful, but
non-re-cacheable, object versions compete with re-cacheable object versions
for available cache resources, MICP logically divides the cache
into two variable-sized segments, dubbed REC and NON-REC.
To evaluate MICP's cache management
efficiency, we report on extensive experiments showing that MICP is able to
improve transaction throughput results achieved by state-of-the-art
online cache replacement and
prefetching policies by about 19% if used for executing
read-only transactions.
Finally, we consider the challenging problem of providing serializability
along with good performance and strong semantic data currency and
consistency guarantees to mobile applications
issuing read-write transactions.
To achieve this goal, we present a suite of five multi-version concurrency
control (MVCC) protocols, denoted MVCC-*,
that differ from each other
in terms of their scheduling
performance, data currency guarantees, and space and
time complexity.
We quantify the performance deviations among the protocols of the
MVCC-* suite
due to applying different read rules for servicing read requests
and, additionally, compare
their results with those measured
for the well-known Snapshot Isolation scheme. As the MVCC-* suite
is based only on analyzing read and write operations at runtime and
does not exploit semantic information about their constituent transactions, we
outline and partially evaluate (by means of simulation)
possibilities of extending the proposed protocols by conflict reducing
and avoiding measures such
as specifying alternative write operations, reducing the
data granularity at which CC is applied, increasing the number of versions
managed in the system, etc. Last, but not least, we provide evidence that
MICP is superior to LRFU, being the best cache replacement policy
known so far, if used to improve the response times
of read-write transactions.
discuss the various wireless network types currently available to
provide data communication services and show that the majority
of them exhibit asymmetry in the bandwidth capacity, data volume,
and service load. We then argue that hybrid data delivery
which integrates the traditional
pull and the rather novel push techniques is an attractive communication
mode to create highly scalable and flexible data services. A
brief overview of the environmental and system-immanent constraints
of mobile computing systems follows and we
reason that providing good system throughput
results along with strong semantic guarantees for transactions
is more challenging in mobile, portable environments than in conventional
fixed networks. In the same vein, we present possible techniques
to avoid and reduce the number of data conflicts that may arise and discuss
ways to detect and more importantly, to resolve them once identified.
After motivating the practical need for timely and consistent data
delivery to thousands of information consumers, we discuss the challenges and
problems involved in supporting appropriate consistency and
currency guarantees to dissemination-based applications.
We then argue that current definitions of isolation levels (ILs)
are inappropriate for implementations of CC protocols suitable for
read-only transactions as they allow unwanted, though consistent, data access
patterns due to lack of data currency guarantees. To rectify the problem,
we define four new ILs providing various useful data consistency and currency
guarantees to read-only transactions and present suitable implementations of
the proposed ILs for hybrid data delivery networks.
To evaluate the performance trade-offs among the newly defined ILs and
protocols, respectively, extensive numerical experiments are done,
demonstrating
that the Strict Forward BOT View Consistency level
and its implementation provides the best possible performance results among the
CC protocols studied.
To shorten the response times and to achieve high scalability,
client caching is one, if not the most fundamental technique in order to
achieve these goals. In this thesis, we introduce
a novel client cache replacement and prefetching strategy,
called MICP, that
makes eviction and prefetching decisions
sensitive to various performance-critical factors including the objects'
access recency and frequency
in the recent past, their update likelihood in the
near future, their re-acquisition costs, etc.
On top of that, MICP is tightly-coupled to the
transaction manager in order to obtain and instantly react
on information indicating that locally stored non-current object versions
have become useless from the CC perspective and can
therefore be evicted from the client cache. To prevent that useful, but
non-re-cacheable, object versions compete with re-cacheable object versions
for available cache resources, MICP logically divides the cache
into two variable-sized segments, dubbed REC and NON-REC.
To evaluate MICP's cache management
efficiency, we report on extensive experiments showing that MICP is able to
improve transaction throughput results achieved by state-of-the-art
online cache replacement and
prefetching policies by about 19% if used for executing
read-only transactions.
Finally, we consider the challenging problem of providing serializability
along with good performance and strong semantic data currency and
consistency guarantees to mobile applications
issuing read-write transactions.
To achieve this goal, we present a suite of five multi-version concurrency
control (MVCC) protocols, denoted MVCC-*,
that differ from each other
in terms of their scheduling
performance, data currency guarantees, and space and
time complexity.
We quantify the performance deviations among the protocols of the
MVCC-* suite
due to applying different read rules for servicing read requests
and, additionally, compare
their results with those measured
for the well-known Snapshot Isolation scheme. As the MVCC-* suite
is based only on analyzing read and write operations at runtime and
does not exploit semantic information about their constituent transactions, we
outline and partially evaluate (by means of simulation)
possibilities of extending the proposed protocols by conflict reducing
and avoiding measures such
as specifying alternative write operations, reducing the
data granularity at which CC is applied, increasing the number of versions
managed in the system, etc. Last, but not least, we provide evidence that
MICP is superior to LRFU, being the best cache replacement policy
known so far, if used to improve the response times
of read-write transactions.
Subject (DDC)
004 Computer Science
Keywords
Isolationsgrade,Mobile Computing,Concurrency Control,Client Caching,Broadcasting,Hybrid data delivery,Isolation levels
Conference
Review
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Cite This
ISO 690
SEIFERT, André, 2005. Efficient and Consistent Transaction Processing in Wireless Data Broadcast Environments [Dissertation]. Konstanz: University of KonstanzBibTex
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Endgeräten) eine wesentliche Rolle.<br />Da existierende Pufferverwaltungsstrategien nur eine<br />ungenügende Unterstützung für<br />Mehrversions-Transaktionsprotokolle bieten,<br />stellt diese Arbeit eine neue Pufferersetzungs- und<br />-vorabrufstrategie vor, die den Namen MICP trägt.<br />MICP ist eine hybride Pufferverwaltungsmethode, die sowohl Datenseiten<br />als auch Datenobjekte verwalten kann. Während Datenseiten nach dem<br />traditionellen LRU-Verfahren ersetzt werden, führt<br />das MICP-Verfahren Objektersetzungs- und -vorabrufentscheidungen auf<br />der Basis diverser anderer performance-kritischer Daten durch.<br />Um zu vermeiden, daß nützliche - jedoch<br />nicht-wiederbeschaffbare - Objektversionen mit wiederbeschaffbaren<br />Objektversionen um verfügbare Pufferressourcen konkurrieren müssen,<br />teilt das MICP-Verfahren den vorhandenen Speicherplatz des<br />Klientenpuffers in zwei unterschiedlich große Segmente<br />auf: die sogenannte REC- und NON-REC-Partition.<br />Zur Beurteilung der Effizienz der MICP-Puffermanagementstrategie<br />wurden umfangreiche Simulationsstudien durchgeführt, welche zeigen,<br />daß mobile Klienten, die nicht<br />das MICP-Verfahren zur Pufferverwaltung einsetzen,<br />einen durchschnittlichen Performanceverlust von etwa<br />19% erleiden.<br /><br />Schließlich widmet sich die Arbeit dem Problem,<br />Serialisierbarkeit von Lese-Schreib-Transaktionen<br />in Verbindung mit guten Antwortzeiten und einer niedrigen<br />Transaktionsabbruchsrate in hybriden drahtlosen Datenkommunikationsnetzen<br />zu erreichen. Um diese Ziele zu verwirklichen, stellt die Arbeit eine<br />Familie von<br />fünf Mehrversions-Transaktionsprotokollen vor, die den Namen<br />MVCC-* trägt. Die einzelnen Protokolle der<br />MVCC-*-Familie unterscheiden sich dabei hinsichtlich der<br />Scheduling-Performance, den<br />Datenaktualitätsgarantien, welche den Leseoperationen<br />der Transaktionen zugesichert werden, sowie der Speicher- und<br />Zeitkomplexität. 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Examination date of dissertation
April 27, 2005