Veri Eşleme Seçenekleri

Sunucu Tabanlı: Sunucu tabanlı veri eşlemesi, uygulama sunucusu üzerinde gerçekleştirilir.  Her uygulama ya da sunucu için ayrı ayrı çalışması gerekeceğinden, ek yönetimsel iş yükü ve şifreleme için kullanılacak sertifikaların yönetimi gibi zorluklar getirecektir.
Kutu Cihaz Tabanlı: Sunucu ve depolama aygıtı arasında veri transfer yolunda  seri yada parallel olarak konuşlandırılan kutu bir cihaz yardımı ile veriler eşlenebilir. Kutu cihazın desteklediği bütün işletim sistemleri için merkezi bir eşleme kontrolü bu senaryo ile mümkün olacaktır. Bu yaklaşım birçok yönden avantajlı olmakla beraber, cihaz seri bağlı ise veri trafiği yoğun sistemlerde performans (throughput) sorunu oluşturabilmektedir. Sunucu tabanlı eşlemenin aksine, sunucuya herhangi bir yük getirmez.
Depolama Cihazı Tabanlı: Depolama cihazı bazlı eşleme çözümleri çok daha pratik ve  yönetilmesi kolay merkezi çözümlerdir. İşletim sistemi bağımlılığı yoktur ve herhangi bir performans problemi oluşturmaz. Diğer taraftan, her firma kendi protokollerini geliştirip kullandığından, farklı depolama cihazları arası eşleme çoğunlukla mümkün olmamaktadır.
İşlem Tabanlı: Yukarıdaki seçeneklerde kopyalama işlemi veri bloğu, mantıksal disk alanı ve disk kümesi bazında yapılmakta ve daha sonra detaylandırılacağı üzere, veri tutarlılığının (consistency) ihlal edildiği durumlar ortaya çıkmaktadır.  İşlem tabanlı  seçenek ise, uygulamada (genellikle veritabanı) gerçekleşen mantıksal işlemin eşleme mimarisindeki diğer üye sunuculara gönderilmesini sağlamaktadır. Dolayısıyla,  zeka barındıran bir eşleme yöntemi olarak  görülebilir.
Senkron ve Asenkron Kopyalama: Eşlemeye dahil  üye sunucuların arasında, bir önceki seçenekte açıklandığı üzere, işlemlerin transferinin senkron mu yoksa asenkron mu gerçekleşeceğini  belirlemek gerekecektir. Senkron bir yapıda, her işlemin eşleme mimarisinde bulunan bütün üye sunuculara gönderilmesi ve ancak o sunuculardan gerekli işlemlerin başarılı bir şekilde gerçekleştirildiğine (commit) dair onayın alınması sonrası kaynak sunucuda da işlem (commit) gerçekleştirilir. Herhangi bir sunucudan onay cevabı alınamaz ise bütün işlemler geriye (rollback) çevrilir. Asenkron yapıda ise bütün güncelleme (update) işlemleri diğer üyelerin işlem  onayı beklenmeden gerçekleştirilir ve kullanılan veri eşleme mimarisine uygun olarak tercih edilen metotlar üzerinden, her üye sunucunun hangi sıra ile güncellemeleri yapacağının kararı verilir.  Senkron yapının sadece iletişimin hızlı ve sizin kontrolünüzde olduğu ağ yapılarında kullanılması mümkün olmaktadır. Aksi takdirde, eşleme işlemi büyük bir performans sorunu oluşturacaktır.

Genel Kullanım Alanları

Afet (Felaket) Kurtarma: Veri eşleme ilk çıkış itibari ile de afet durumlarında kullanılmak üzere verinin başka bir yerde korunması amacıyla kullanılmıştır. Kurtarma işlemi gerçekleşme süresi (Recovery Time Objective, RTO) göz önünde bulundurularak  devreye alınan eşleme işlemi istenilen uzak bir mekana verilerin eşlenmesini sağlayacaktır.
Bakım: Test edilmiş ve dokümantasyonu tamamlanmış veri eşleme sistemi, acil durumlar dışında da devreye alınabilir. Sunucu bakımları, elektrik altyapı cihazlarının bakımı gibi ihtiyaçlar oluştuğunda, eşlenik sistemler geçici olarak kullanılabilir.
Backup: Yedekleme işlemi BT yöneticisinin en öncelikli işleri arasındadır. Yedek alınacak verinin büyüklüğü her geçen gün artıyor olmasına rağmen, veri eşleme sayesinde yedekleme süreleri dakikalara hatta saniyelere inebilmektedir.
Veri Göçü: Mevcut depolama cihazının yenilenmesi ve taşınması gibi işlemler nedeniyle oluşacak veri göçü ihtiyacı veri eşleme ile giderilebilir.

Veri Eşleme Mimarileri

Tekil Veri Merkezi (Single Datacenter): Veriler aynı veri merkezinde eşlenir ve saklanır. Bu merkezler altyapı (elektrik, ağ) olarak çok sağlam olsalar da,  savaş yada afet durumlarında veri yada hizmet kaybı  oluşabilir.
Merkezi Yönetimli Mimari (Single Master): Eşleme mimarisinde bir sunucu bütün yazma işlemlerini üstlenir ve diğer üye sunuculara güncellemeler gönderilir. Yönetici sunucu dışındaki düğümler salt okunur durumdadır. Google böyle bir mimari kullanmaktadır.
Dağıtık Yönetimli Mimari (Multi-Master): Mimarideki bütün sunucular hem okuma hem de yazma işlemlerini gerçekleştirebilmektedirler. Çok başlı bir şirkette oluşacak yönetim problemlerine analoji içinde, böyle mimariler veri tutarlılığı konusunda daha riskli olmakla beraber, yüksek derecede performans imkanı sunmaktadır. Örneğin NASDAQ böyle bir strateji uygulamaktadır.

DAĞITIK SİSTEMLERDE VERİ EŞLEME

Bilgi sistemleri yapısı ve özellikle ağ teknolojilerinde son yıllarda katedilen yol, önceleri büyük şirketlerin tekelinde (monolithic), takip eden yıllarda açık sistemler (open systems)  ve nihayi olarak da dağıtık (distributed) sistemlere doğru bir geçiş göstermiştir. Verilerin dağıtık bir mimaride paylaşılması; erişim izinlerinin korunması, veri tutarlılığı ve güvenlik gibi tasarım sorunlarına yol açmıştır. Veri eşleme, dağıtık halde tutulması gereken veriye en etkili erişim ve yönetim yöntemi olarak karşımıza çıkmaktadır.  Veri eşlemenin geniş kabul görmüş olmasının nedenleri şöyle sıralanabilir:

• Sürekli erişilebilirliği sağlaması
• Performans artışı ve ölçeklemeye imkan sunması
• İleri seviyede güvenilirlik

Diğer taraftan, bu avantajlar da,  veri eşleme altyapısının oluşturulması, yürütülmesi ve yönetilmesi gibi, ek iş yükü harcamadan gerçeklenememektedir. Verilerin daha çok okuma amaçlı erişildiği sistemler veri eşleme sistemlerinin devreye alınması ile ileri seviyede performans sunabilmekte, yazma işleminin yoğun olduğu sistemlerde ise asenkron  eşleme veri tutarlılığı problemleri doğurmakta, senkron eşlemeler ise performans sorunlarına neden olabilmektedir.

Dağıtık Veritabanları

Dağıtık veritabanı, veritabanı dosyalarının birden fazla sunucuda kopyalarının saklanması ve kullanılması  olarak tanımlanabilir.  Veritabanları özellikle  ardışık ve eş zamanlı veri ekleme ve güncelleme işlemlerini atomik işlem bazlı gerçekleştirdiğinden, verilerin doğruluk ve tutarlılığının korunması önem arzetmektedir. Veri eşlemesi  bu anlamda kısmi bir zeka içermelidir. Disk yada veri bloğu bazında yapılan eşlemeler,  birbiriyle tam eşlenik olmayan veritabanlarının oluşmasına neden olacaktır. Dağıtık veritabanı mimarisi, aynı anda gerçekleşebilen veri yazma ve okuma işlemleri sonrası farklı sunucular üzerinde dağıtık da olsa tek kopya gibi gözükmesi gerektiğinden,  one-copy serializability (1SR)  prensibine uymalıdır.

Tekli Oku – Çoklu Yaz (ROWA)

Birden fazla üye sunucunun bulunduğu veri eşleme yapılarında, aynı anda gerçekleşen yazma işlemlerinin kontrolü ve sunucuların işlemlerin doğru sırasını çözmesini sağlamak amacıyla, kontrol protokollerinin kullanılmasına ihtiyaç duyulmuştur. Bunlardan en basiti, tekli oku – çoklu yaz protokolüdür.  Okuma istekleri en yakın sunucuya yönlendirilir yazma işlemleri ise bütün sunuculara gönderilir.

Çoğunluk Tabanlı Eşleme  (Quorum-based)

Eşleme sisteminde bulunan üye sunucuların sadece bir kısmında yazma işlemlerinin yeterli olabileceğini ve doğruluk, tutarlılık prensiplerinin ihlal edilmeyeceği savını sunan protokoldür. Teoride gerçeklenebilmekle beraber, pratikte kullanımı bulunmamaktadır. Bazı ticari ürünlerin eşleme bilgilerini tuttuğu quorum cihazı  ile karıştırılmamalıdır.

İki Basamaklı Onay

Çoğunluk tabanlı eşleme protokolüne benzer  bir yapıda, sunucuların işlemler için oylarını belirtmesi ve  işlemin kaynağı olan yada bu iş için seçilebilecek olan sunucunun bu oyları değerlendirip, işlemin gerçekleşip gerçekleşmeyeceğine karar vermesidir. Oy toplama basamağının varlığı nedeniyle iki basamaklı onay olarak adlandırılmaktadır.  Halihazırda veritabanlarının bir çoğu bu yöntemi kullanarak  kümeleme hizmeti sunmaktadır. Senkron eşleme kullanılmaktadır.

Dağıtık Veri Depolama Sistemleri (Dosya Sistemleri)

Coda, ağ tabanlı ve dağıtık bir işletim sistemidir. Aynı anda birkaç sunucunun okuyup yazmasına izin vermektedir. Modern linux çekirdeklerinin bir parçasıdır. İleri seviyede erişim listelerinin kontrolüne imkan tanımaktadır.
Deceit, ISIS dağıtık sisteminin üzerine kurulmuş bir dosya sistemidir. Halen Fransız hava trafik kontrol uygulamaları ve Newyork ve İsveç borsaları tarafından kullanılmaktadır. Eş zamanlı okumaya ve yazmaya izin veren NFS dosya sistemi gibi görülebilir.
GFS (Google File System), Google firması tarafından oluşturulmuş dağıtık bir dosya sistemidir. 64 Mbyte veri blokları kullanmaktadır.  Son derece performslıdır ve dağıtık uygulamarı desteklemek amacıyla, uygulama geliştirme kütüphaneleri mevcuttur.

Eşler Arası İletişim (P2P) Sistemleri

P2P ağları, katılımcılarının kaynaklarını kullanırlar. Eş tabirinin kullanılması, istemci-sunumcu modelinin aksine, bütün uçların kapasiteleri ile orantılı olarak eşit şartlar ile katılımcı olabileceğini belirtmektedir. P2P sistemlerinde yazma işlemi tek katılımcı üzerinde gerçekleşmekle beraber okuma işlemi birkaç katılımcıdan aynı anda yapılabilmektedir.  Bunu başarım için P2P sistemleri indeksleme ve arama hizmetleri sunan yönetici katılımcılar kullanabilmektedir.

Veri Izgaraları / Izgara Mimarisi

Veri ızgaraları, hetorojen yapıda bulunan kaynakların (işlemci, işlem modeli, depolama sistemi, işletim sistemi)  ortak kullanımını sağlayan sistemler olarak tanımlanabilir. Veri ızgarasina katılan sunucular (yada ev bilgisayarları) heterojen yapılarına rağmen,  büyük miktarlarda verinin saklanması ve işlenmesi için, sanki tek bir sunucu gibi çalışmaktadırlar. Bu mimariyi mümkün kılan açık kaynak kodlu BOINC uygulaması,  2009 başlarında CERN tarafından gerçekleştirilen LHC (parçacık hızlandırma) deneyinde, 2009 temmuz ayına kadar olan süreçte 40000 kişinin katılımını sağlamış ve bu deney kapsamında oluşturulan verilerin saklanması, kalibrasyonu ve hesaplamaların yapılması için kullanılmıştır. Toplamda tek bir bilgisayarın 3000 yılda yapabileceği işlem gerçekleştirilmiş ve 2 petaflops işlem gücüne ulaşılmıştır. Şu anda mevcut en güçlü bilgisayar olan IBM Roadrunner 1,026 peteflops işlem gücüne sahiptir.

VERİ EŞLEME VE GÜVENLİK

BGYS (Bilgi Güvenliği Yönetim Sistemleri)’yi başarı ile uygulamış kurum ve kuruluşlarda bile BT işlemlerinin tamamen güvenli gerçekleştirildiğini söylebilmek güçtür. Dağıtık mimarilerde ise bu durum daha da kritik hale gelmiş ve farklı güvenlik seviyesindeki sunucuların yada katılımcıların dahil olması ile beraber katılımcıların prototipine göre değişmek koşulu ile özelleşmiş güvenlik uygulamalarına gidilmek durumunda kalınmıştır.  Özellikle uzak bir yerde bulunan bir veri merkezi ile yapılan eşlemelerde sadece veri transferinin güvenli gerçekleştiğinden emin olmak yetmeyecektir, aynı zamanda uzakta bulunan verilere doğru erişim yetkilerinin de eşlendiğini doğrulamak gerekmektedir. Uzak ofislerde fiziksel güvenliğin sağlanması gibi ihtiyaçlar da yan etki olarak ortaya çıkmaktadır.
Farklı güvenlik seviyelerine sahip olabilecek bu sistemlerin  bütünsel güvenliğinin korunması büyük önem arz etmektedir. Farklı güvenlik etki alanlarına ve güvenilirlik oranlarına sahip veri kaynaklarının ortak bir veri eşleme yapısında nasıl güvenli çalışabileceği ile ilgili teoriler üzerinde çalışılmaktadır. Bu gibi sistemlerde

• Gizlilik
• Veri bütünlüğü

konuları ön plana çıkmaktadır. Gizlilik, şifreleme ile mümkün olmakla beraber,  kullanılacak şifreleme mekanizmaları, sağlamlık dereceleri ve anahtar paylaşımı gibi konuları içermekte, veri bütünlüğü ise, verilerin iletişim yollarında değişmezliğinden emin olmayı öngörmektedir.
En basit senaryolarda bile IPSEC VPN, SSL bağlantısı çözüm olarak kullanılmalıdır.

YEDEKLERİN GÜVENLİĞİ

Şifrelemede Kullanılan Anahtarların Yönetimi

Yedeklerin şifrelenmesi vazgeçilmez bir ihtiyaçtır.  Profesyonel anlamda yaygın olarak kullanılan veritabanlarının dosyaları bile, yanlış kişilerin eline geçmesi sonrası,  yardımcı araçlar aracılığı ile okunabilmektedir.  Diğer taraftan, kullanılacak şifreleme metotları ve düzenli aralıklarla değiştirilmesi gereken şifrelerin yönetimi için mutlaka anahtarların yönetimini sağlayan merkezi bir cihazın kullanılması faydalı olacaktır.  Kutu şeklinde sunulan cihazlar tercih edilmeli ve bu sayede her sunucu üzerinde anahtar yönetimi yapmak yerine merkezi bir yönetimin sağlanması yoluna gidilmedilir.

Yedekler

Özellikle uzak ofislerde konuçlandırılan yedeklerin güvenliği sağlanmalıdır. Bu ofislerde bulunan fiziksel ve sayısal giriş sistemleri, mümkün ise merkezi bir kimlik yönetim sistemi üzerinden yapılmalıdır. Ayrıca kartuş üzerine alınan yedeklerin de şifreli tutulması gerekmektedir. Bölüm 4.1’de  bu konuya değinilmiştir.

VERİ EŞLEMEDE OLASI SORUNLAR

Veri eşleme ortamlarında, veriye erişim eş zamanlı ve birkaç düğümden eşzamanlı gerçekleşebilmektedir. Herhangi bir uygulama yüklü miktarda veriyi daha hızlı indirebilmek için farklı sunuculardan çekmek isteyebilir,  eşlenen verilerin belli aralıklara merkezi bir yerde toplanması yada kablosuz cihazlar ve dizüstü bilgisayarların da eşleme senaryolarına katılması gerekebilir. (Örn. PDA istemciler, dosya sunucusuna ulaşan ve dosyaları çevrimdışı kullanmak isteyen dizüstü bilgisayarlar) Buna ek olarak birden fazla eş zamanlı ve kesişim kümesi boş olmayan güncelleme işlemleri gerçekleşebilir.
Bu senaryoları 3 grupta toplamak mümkündür:

• Salt okunur sorgular
• Güncelleme işlemleri
• Kablosuz  cihazlar

Salt okunur sorguların doğruluğundan endişe edilmesine gerek yoktur. En güncel olduğunun garantisi olmamakla beraber, veri tutarlılığı olacağından rahatlıkla ve hızlı veriye erişim sağlanır. Erişimin en yakın sunucuya yapılması yönlendirmeler ve dengeleyici cihazlar kullanılarak gerçekleştirilebilir. Salt okunan sorgulardan farklı olarak, güncelleme işlemleri, veri eşleme sistemi  uygulamaya alınmasından önce mutlaka doğru şekilde dizayn edilmelidir. Tek bir sunucunun bütün güncellemeleri alması ve diğer üye sunucuların salt okunur olması durumunda tutarlılık sorunu bulunmamaktadır. (Bkz. 1.3).  Fakat aynı mantıksal güncelleme işleminin birden fazla sunucu üzerinden yapılması tercih ediliyor ise, verinin tutarlılığı her zaman gerçeklenemeyebilir. Böyle bir yapıda veri tutarlılığının nasıl sağlanacağı ile ilgili birkaç yöntem bulunmaktadır.
Sanal Senkronite (Virtual Syncrony),  farklı sunuculardaki işlemlerin gruplandırılması ve grupların kendi aralarında anlaşarak güncellemeleri numaralandırmasını öngörür. Senkron eşleme üzerine kurulmuştur.
Oybirliği (State-Machine, Consensus) yöntemi, Paxos olarak da anlandırılmaktadır ve asenkron eşleme üzerine bina edilmiştir. Google Chubby işlem-kilit sunucusu (lock server) bu yapıyı kullanmaktadır.
Oluşabilecek genel sorunlar ise aşağıdaki gibi listelenebilir.
Veri Tutarlılığı: Veri eşleme ortamlarında, birden fazla atomik işlem (özellikle güncelleme işlemleri) aynı anda birkaç sunucudan gelebileceğinden, güncellemelerin sıralanması problemi oluşmaktadır.  Merkezi yönetimli mimari  (Bkz. 1.3) kullanılması durumunda tutarlılık problemi büyük oranda çözümlenmiş olacaktır.
Yeni Üye Sunucu Eklenmesi: Senkron çalışan sistemlerde, yeni bir üye sunucun eklenmesi sırasında uzun bekleme süreleri oluşmaktadır ve bu sırada sistem devre dışı kalmak durumundadır. Zira, güncellemelerin yeni sunucu üzerinde işlenmesi bitmeden bütün sistem kilitli kalacaktır.
Bakım Masrafı: Veri eşleme mimarisi içinde bulunan üye sunucuların farklı yerlerde olması durumunda, bu yerlerdeki depolama cihazlarının da hem güvenlik hem de bakım bağlamında yönetilmesi gerekmektedir.
Düşük Yazma Hızları: Özellikle senkron çalışan eşlemelerde yazma işlemi, bütün üye sunucuların aynı işlemi yazıp onay vermesini bekleyeceğinden, yavaşlayacaktır. Uzak ve bağlantının tutarlı olmadığı ofislerin bulunması bu durumu daha da kötü hale getirecektir.  Yüksek yazma hızlarının sağlanması için veritabanı işlemleri içermeyen verileri depolama cihazı yada kutu cihaz çözümleri ile eşlemek daha doğru olacaktır. Finansal işlemler mutlaka atomik işlemler içereceğinden ve bu işlemlerin veriyi tutarlı halde bırakması gerekli olduğundan, işlem bazlı eşleme senaryoları kullanacak fakat yazma işleminin sistemi yavaşlatmaması için de merkezi yönetimli mimariler tercih edilmek durumunda kalınacaktır.

GÜNCEL TEKNOLOJİLER

Dağıtık Bellek Ürünleri: Dağıtık sistemler, doğal olarak dağıtık dosya sistemleri üzerinde çalışmakta ve dosya sistemleri ile depolama cihazı arasındaki veri aktarım hızı ile sınırlı kalmaktadır. Dağıtık bellek ürünleri, eşleme mimarisi içindeki sunucu üzerinde çalışan uygulamaların sadece kendi sunucusunun belleğini değil, mimarideki diğer sunucuların da belleğini kullanabilmesini sağlamaktadır. 2006 yılında kullanılmaya başlayan bu tür uygulamalar, büyük firmaların da girişi ile hareketlenmiştir. Örneğin Infinispan uygulaması açık kaynak kodlu olup, bu amaç için kullanılabilir.
Sanallaştırma: Sanallaştırma her geçen gün yönetimsel rahatlığı sebebiyle veri merkezlerinde artarak kullanım bulmaktadır. İşletim sistemlerinin üzerinde yeni bir tabaka oluşturması nedeniyle farklı eşleme senaryoları ortaya çıkmıştır. Sunucu bazlı uygulamalar ile eşlemeler yapılabileceği gibi, işletim sistemi yada depolama cihazı bazlı eşlemeler de yapılabilmektedir. Hem sanallaştırma uygulamasının üretici firması hem de üçüncü taraf firmalar veri eşleme ürünleri sunmaktadır. Diğer taraftan, bu tür eşlemeler işlem bazlı olmadığından, eşlenik sistemlerin gerçek zamanlı tutarlılığından emin olunamayacaktır. Eşlenik sistemlerin tutarlı hale gelmesi için gerekli işlemleri taşıyan kütüklerin taşınıp diğer üye sunucularda tamamıyla uygulanması gerekmektedir.
Kablosuz Ortamlar: 3G teknolojisi ve onu takip edecek teknolojilerin hizmete alınması ile beraber, kablosuz ortamlarda kullanılan cihazların da daha fazla veri tutmaya başlaması sonrası, çevrimdışı çalışma yetisine sahip olabilecek ve tekrar çevrimiçi olduğunda eşlemeyi gerçekleyebilecek sistemlerin (Örn. Code Dosya Sistemi) kurulması ihtiyacı doğacaktır. Örneğin kablosuz veri akışı sağlayan kablosuz askeri bir cihazın, merkezi bir yapı ile sürekli veri eşlemesi ve bu amaçla kullanılan kablosuz cihazların veri eşleme yapısında üye sunucular olarak hizmet vermesi gerekebilir.

Kaynaklar

[1] Ailamaki, Anastasia, Cecchet, Emmanuel and  Candea, George. Middleware-based Database Replication: The Gaps Between Theory and Practice
[2] Beloued, Abdelkrim, Andre, Francoise, Gilliot, JeanMarie and Segarra, Maria-Teresa. Dynamic Data Replication and Consistency in Mobile Environments
[3] Fred B. Schneıder, Implementing Fault-Tolerant Services Using The State Machine
[4] Garcia, Hector and  Barbara, Daniel. The Cost Of Data Replıcatıon
[5] Herlihy, Maurice P. and J. D. Tygar, How to Make Replicated Data Secure, August 1987, CMU-CS-87-143
[6] Pereira, José, Rodrigues, Luís and Oliveira, Rui. Database Replication and Clustering, ACM SAC 2008
[7] Stoyanov, Borislav, Vasileva, Svetlana and  Milev, Petar. Some Models of a Distributed Database Management System with Data Replication
[8] Zheng, Lantian, Chong, Stephen, Myers, Andrew C. and Zdancewic, Steve. Using Replication and Partitioning to Build Secure Distributed Systems
Yılmaz Çankaya, TÜBİTAK-UEKAE

Kurumsal Veri Eşleme ve Güvenlik yazısı ilk önce Ertan Dönmez üzerinde ortaya çıktı.