[데이터베이스 설계] 회복 시스템(Recovery System)

1. 회복 시스템 개요 (Recovery System Overview)

• 기본 개념
  • 컴퓨터 시스템은 디스크 충돌, 전원 차단, 소프트웨어 오류 등 다양한 원인으로 장애가 발생할 수 있음
  • 데이터베이스 시스템은 원자성(Atomicity)과 지속성(Durability)을 보장하기 위한 조치를 취해야 함
  • 회복 기법(Recovery scheme)을 통해 장애 발생 이전의 일관된(Consistent) 상태로 복구하고 고가용성(High Availability)을 제공함
• 회복 알고리즘의 구성
  • 정상 수행 중 조치: 장애 복구를 위해 필요한 정보를 기록
  • 장애 후 조치: 데이터베이스 내용을 원자성, 일관성, 지속성이 보장된 상태로 복구

2. 장애 유형 분류 (Failure Classification)

• 트랜잭션 실패 (Transaction Failure)
  
  • 논리적 오류 (Logical errors): 잘못된 입력, 데이터 부재, 오버플로우 등 내부 로직 오류로 인해 트랜잭션 수행 불가
  • 시스템 오류 (System errors): 트랜잭션 자체는 문제없으나 교착 상태(Deadlock) 등 DBMS의 문제로 인해 시스템이 트랜잭션을 중단시키는 경우
• 시스템 붕괴 (System Crash)
  • 하드웨어 오작동, 소프트웨어 오류, 전원 문제 등으로 시스템이 멈추는 현상
  • Fail-stop 가정: 비휘발성 저장 장치의 내용은 손상되지 않았다고 가정함
• 디스크 실패 (Disk Failure)
  • 헤드 충돌 등으로 디스크 저장 장치의 일부 또는 전체가 파괴되는 현상
  • 체크섬(Checksum) 등을 통해 감지 가능하다고 가정함

3. 저장 장치 구조 (Storage Structure)

• 휘발성 저장 장치 (Volatile Storage)
  • 시스템 붕괴 시 데이터가 손실됨 (예: 메인 메모리, 캐시 메모리)
• 비휘발성 저장 장치 (Non-volatile Storage)
  • 시스템 붕괴 후에도 데이터가 유지되나, 디스크 실패 시 데이터 손실 가능 (예: 디스크, 테이프, 플래시 메모리)
• 안정 저장 장치 (Stable Storage)
  • 어떤 장애에도 데이터가 손실되지 않는 이상적인 저장 장치
  • 물리적으로 독립된 여러 비휘발성 매체에 복제본을 유지하여 근사적으로 구현

4. 안정 저장 장치 구현 (Stable-Storage Implementation)

• 데이터 전송 실패 유형
  
  • 성공 (Successful completion): 정상적으로 정보가 전송됨
  • 부분 실패 (Partial failure): 전송 중 장애로 인해 목적지 블록에 부정확한 정보가 기록됨
  • 전체 실패 (Total failure): 목적지 블록이 전혀 업데이트되지 않음.
• 보호 기법 (블록 복제 방식)
  • 각 블록의 복제본을 유지하며 다음과 같은 순서로 쓰기(output) 작업을 수행
   

  1. 첫 번째 물리 블록에 정보를 쓴다.
  2. 첫 번째 쓰기가 성공하면, 두 번째 물리 블록에 동일한 정보를 쓴다.
  3. 두 번째 쓰기까지 성공해야 output 작업이 완료된 것으로 간주한다.
  

• 복구 알고리즘 (Recover from failure)
  • 두 블록 간 불일치 발견 시 해결 방법:

  1. 한쪽 복제본에 오류(Bad checksum)가 감지되면, 다른 쪽 정상 복제본으로 덮어쓴다.
  2. 둘 다 오류는 없으나 내용이 다를 경우, 첫 번째 블록의 내용을 두 번째 블록에 덮어쓴다.
     (첫 번째 블록의 쓰기가 성공했다면 그것이 최신 데이터일 가능성이 높기 때문)
  

5. 데이터 접근 (Data Access)

• 블록 구조
  • 물리 블록 (Physical blocks): 디스크에 존재하는 블록
  • 시스템 버퍼 블록 (System buffer blocks): 메인 메모리에 임시로 존재하는 블록.
  • 블록 이동 연산:

  input(B): 물리 블록 B를 메인 메모리로 전송
  output(B): 버퍼 블록 B를 디스크로 전송하고 교체
  

• 트랜잭션 작업 공간 (Private Work-Area)
  • 각 트랜잭션 T_i는 접근하는 데이터 항목의 로컬 사본을 저장하는 개별 작업 공간을 가짐
  • x_i: 데이터 항목 $X$의 로컬 사본 (트랜잭션 내 변수)
  • B_X: X를 포함하고 있는 블록
  • 데이터 전송 연산:

  read(X): 데이터 항목 X의 값을 로컬 변수 x_i에 할당
  write(X): 로컬 변수 x_i의 값을 버퍼 블록의 데이터 항목 X에 할당
  

• 접근 규칙 및 절차
  • Read 동작 (read(X)):
    
    1. 블록 B_X가 메인 메모리에 없으면 input(B_X) 수행.
    2. 버퍼 블록에서 값을 가져와 x_i에 할당
  • Write 동작 (write(X)):
    
    1. 블록 B_X가 메인 메모리에 없으면 input(B_X) 수행 (쓰기 작업이라도 버퍼에 없으면 디스크에서 읽어와야 함).
    2. x_i의 값을 버퍼 블록 B_X의 X에 반영
  • 실행 시점:
    
    • write(X)는 트랜잭션 커밋(Commit) 전 언제든 실행 가능.
    • output(B_X) (디스크 기록)가 write(X) 직후에 수행될 필요는 없음 (시스템이 적절한 시점에 수행)