[데이터베이스] 회복과 병행제어 (회복 기법)

본 포스팅은 "데이터베이스 개론 [2판]" 도서로 공부한 내용을 요약하기 위한 포스팅입니다.

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장애와 회복 (Failure & Recovery)

  트랜잭션의 특성을 보장하고, 데이터베이스를 모순이 없는 일관된 상태로 유지하기 위해 데이터베이스 관리 시스템은 회복 기능을 제공한다.

 

  회복(Recovery)은 장애가 발생했을 때 데이터베이스를 장애가 발생하기 전의 일관된 상태로 복구시키는 것이다.

먼저 어떤 경우에 회복 기능이 필요한지, 데이터베이스가 저장 장치에 어떤 연산을 통해 저장되는지 이해하기 위해 데이터베이스 시스템에서 발생할 수 있는 장애의 유형과 데이터베이스의 저장 연산을 살펴본다.

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1. 장애의 유형 (Failure)

시스템이 제대로 동작하지 않는 상태를 장애라고 한다.

장애가 발생하는 원인은 매우 다양하며, 데이터 베이스 시스템에서 발생할 수 있는 장애는 아래와 같이 세 가지 유형으로 분류할 수 있다.

 

유형	설명
트랜잭션 장애	의미	트랜잭션 수행 중 오류가 발생하여 정상적으로 수행을 계속할 수 없는 상태
	원인	트랜잭션의 논리적 오류, 잘못된 데이터 입력, 시스템 자원의 과다 사용 요구 처리 대상 데이터의 부재 등
시스템 장애	의미	하드웨어의 결함으로 정상적으로 수행을 계속할 수 없는 상태
	원인	하드웨어 이상으로 메인 메모리에 저장된 정보가 손실되거나 교착 상태가 발생한 경우 등
미디어 장애	의미	디스크 장치의 결함으로 디스크에 저장된 데이터베이스의 일부 혹은 전체가 손상된 상태
	원인	디스크 헤드의 손상이나 고장 등

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2. 데이터베이스의 저장 연산

  일반적으로 데이터베이스는 비휘발성 저장 장치인 디스크에 상주한다. 하지만 트랜잭션이 데이터베이스의 데이터를 처리하려면, 데이터를 디스크에서 메인 메모리로 가져와 이를 처리한 후 그 결과를 다시 디스크로 보내는 작업이 필요하다.

 

디스크와 메인 메모리 간의 데이터 이동은 다음 두 연산을 통해 수행된다.

• input(X) : 디스크 블록에 저장되어 있는 데이터 X를 메인 메모리 버퍼 블록으로 이동시키는 연산
• output(X) : 메인 메모리 버퍼 블록에 있는 데이터 X를 디스크 블록으로 이동시키는 연산

 

  사용자의 요구에 따라 응용 프로그램에서 트랜잭션의 수행을 지시하면 메인 메모리 버퍼 블록에 있는 데이터를 프로그램의 변수로 가져오고, 데이터 처리 결과를 저장한 변수 값을 메인 메모리 버퍼 블록으로 옮기는 작업이 추가로 필요하다.

 

  메인 메모리의 버퍼  블록과 프로그램 변수 간의 이동은 다음 두 연산으로 수행된다.

• read(X) : 메인 메모리 버퍼 블록에 저장되어 있는 데이터 X를 프로그램의 변수로 읽어오는 연산
• write(X) : 프로그램의 변수 값을 메인 메모리 버퍼 블록에 있는 데이터 X에 기록하는 연산

 

응용 프로그램이 실행한 트랜잭션의 수행을 위해 필요한 데이터 이동 연산

  

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3. 회복 기법

  회복은 데이터베이스에 장애가 발생했을 때 장애가 발생하기 전의 모순이 없고 일관된 상태로 복구시키는 것으로, 데이터베이스 관리 시스템에 있는 회복 관리자가 담당한다.

 

대개 장애가 일어난 데이터베이스를 복구하는 동안에는 데이터베이스에 접근하여 업무를 처리할 수 없으므로, 데이터베이스를 회복시키는 작업은 빠른 시간 내에 이루어져야 한다.

 

  데이터베이스의 회복 기법을 크게 분류하면 아래와 같다.

 

데이터베이스 회복 기법의 분류

 

3-1. 회복을 위한 연산

  데이터 회복의 핵심 원리는 데이터 중복이다. 데이터를 별도의 장소에 미리 복사해두고, 장애로 문제가 발생했을 때 복사본을 이용해 원래의 상태로 복원하는 것이다. 이를 위해 덤프 또는 로그 방법을 사용해 데이터를 복사해두었다가 회복시킬 때 복사본을 사용한다.

 

덤프 (dump)	데이터베이스 전체를 다른 저장 장치에 주기적으로 복사하는 방법
로그 (log)	데이터베이스에서 변경 연산이 실행될 때마다 데이터를 변경하기 이전 값과 변경한 이후의 값을 별도의 파일에 기록하는 방법

 

  장애가 발생했을 때, 덤프나 로그 방법으로 중복 저장한 데이터를 이용해 데이터베이스를 복구하는 가장 기본적인 방법은 redo나 undo 연산을 실행하는 것이다.

 

redo (재실행)	가장 최근에 저장한 데이터베이스 복사본을 가져온 후 로그를 이용해 복사본이 만들어진 이후에 실행된 모든 변경 연산을 재실행하여 장애가 발생하기 직전의 데이터베이스 상태로 복구 (전반적으로 손상된 경우에 주로 사용)
undo (취소)	로그를 이용해 지금까지 실행된 모든 변경 연산을 취소하여 데이터베이스를 원래의 상태로 복구 (변경 중이었거나 이미 변경된 내용만 신뢰성을 잃은 경우에 주로 사용)

 

데이터베이스에 대한 변경 연산은 트랜잭션 단위로 실행되므로 로그 레코드도 트랜잭션의 수행과 함께 기록된다.

데이터베이스의 로그 레코드를 간단하게 살펴보면 아래와 같다.

 

로그 레코드	설명
<Ti, start>	의미	트랜잭션 Ti가 수행을 시작했음을 기록
	예시	<T1, start>
<Ti, X, old_value, new_value>	의미	트랜잭션 Ti가 데이터 X를 이전 값(old_value)에서 새로운 값(new_value)으로 변경하는 연산을 실행했음을 기록
	예시	<T1, X, 10000, 5000>
<Ti, commit>	의미	트랜잭션 Ti가 성공적으로 완료되었음을 기록
	예시	<T1, commit>
<Ti, abort>	의미	트랜잭션 Ti가 철회되었음을 기록
	예시	<T1, abort>

 

3-2 로그 회복 기법

  로그를 이용한 회복 기법은 데이터를 변경한 연산 결과를 데이터베이스에 반영하는 시점에 따라 두 가지로 나뉜다.

두 가지 경우 모두 장애 발생에 대비하기 위해 데이터 변경에 대한 내용을 로그 파일에 기록하며, 트랜젝션에서 데이터 변경 연산이 실행되었을 때 로그 파일에 로그 레코드를 먼저 기록한 후 데이터베이스에서 변경 연산을 수행한다.

 

• 즉시 갱신 회복 기법 : 트랜잭션 수행 중에 데이터를 변경한 연산의 결과를 데이터베이스에 즉시 반영하는 경우 사용.
• 지연 갱신 회복 기법 : 트랜잭션이 수행되는 동안에는 데이터 변경 연산의 결과를 데이터베이스에 즉시 반영하지 않고 로그 파일에 기록해두었다가, 트랜잭션이 부분 완료(commit)된 후에 로그에 기록된 내용을 이용해 데이터베이스에 한 번에 반영.

 

  두 가지 경우를 그림으로 나타내면 아래와 같다.

 

즉시 갱신 / 지연 갱신 적용 데이터베이스 예시

 

즉시 갱신 회복 기법 (Immediate update)

    즉시 갱신 회복 기법은 장애가 발생하면 로그 파일에 기록된 내용을 참조하여, 장애 발생 시점에 따라 redo나 undo 연산을 실행하여 데이터베이스를 복구한다. 트랜잭션에 redo 연산을 실행할 것인지 undo 연산을 실행할 것인지는 아래와 같은 기준에 따라 결정한다.

 

즉시 갱신 회복 기법의 데이터베이스 회복 전략

 

지연 갱신 회복 기법 (Deferred update)

  지연 갱신 회복 기법은 트랜잭션이 부분 완료된 후에 로그에 기록된 내용을 이용해 데이터베이스 한 번에 반영한다. 트랜잭션이 수행되는 동안 장애가 발생할 경우 로그에 기록된 내용을 버리기만 하면 데이터베이스가 원래 상태를 그대로 유지하게 된다. 따라서, 지연 갱신 회복 기법에서는 undo 연산은 필요 없고 redo 연산만 필요하므로 로그 레코드에 변경 이전 값을 기록할 필요가 없다. 그러므로 변경 연산 실행에 대한 로그 레코드는 <Ti, X, new_value> 형식으로 기록된다.

 

지연 갱신 회복 기법의 데이터베이스 회복 전략

 

예시

아래와 같은 트랜잭션 예제에서 7,8번 로그 레코드 사이 시점에 장애가 발생했다고 가정하자.
이 경우에 각 기법의 트랜잭션 회복 전략은 아래와 같다.
(지연 갱신 적용의 경우 로그를 단순히 버리기만 하면 되기 때문에 로그 레코드에 이전 값을 기록할 필요가 없다.

 

회복 기법 비교

 

3-3 검사 시점 회복 기법

  로그를 이용한 회복 기법은 로그 전체를 분석하여 로그에 기록된 모든 트랜잭션을 대상으로 redo나 undo 중에서 적용할 회복 연산을 결정해야 된다. 그런데 로그 전체를 대상으로 회복 기법을 적용하면 데이터베이스 회복에 너무 많은 시간이 걸리고 redo 연산을 수행할 필요가 없는 트랜잭션에도 redo 연산을 실행하는 일이 발생하기도 한다. 이러한 비효율성을 해결하기 위해 제안된 방법이 검사 시점 회복 기법이다.

 

  검사 시점 회복 기법은 로그 회복 기법과 같은 방법으로 로그 기록을 이용하되, 일정 시간 간격으로 검사 시점(Checkpoint)을 만들어둔다. 그리고 장애가 발생하면 가장 최근 검사 시점 이전의 트랜잭션에는 회복 작업을 수행하지 않고, 이후의 트랜잭션에만 회복 작업을 수행한다.

 

  일정 시간 간격으로 검사 시점이 되면 메인 메모리에 있는 모든 로그 레코드를 안정 저장 장치에 있는 로그 파일에 기록하고, 트랜잭션의 데이터 변경 내용을 데이터베이스에 반영한다. 로그 파일에는 <checkpoint L> 형식의 로그 레코드를 기록한다.

 

3-4 미디어 회복 기법

  미디어 회복 기법은 전체 데이터베이스의 내용을 일정 주기마다 다른 안전한 저장 장치에 복사해두는 덤프를 이용한다. 디스크 장애가 발생하면 가장 최근에 복사해둔 덤프를 이용해 장애 발생 이전의 일관된 데이터베이스 상태로 복구한다. 그런 다음 필요에 따라 로그의 내용을 토대로 redo 연산을 실행한다.

 

  전체 데이터베이스를 다른 저장 장치에 복사하는 것은 비용이 많이 들고 복사하는 동안에 트랜잭션 수행을 중단해야 하므로 미디어 회복 기법은 CPU가 낭비된다는 단점이 있다.

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