Distributed Database Middleware (DDB) com MySQL

Este projeto implementa um middleware de Banco de Dados Distribuído (DDB) baseado no SGBD MySQL, desenvolvido para fins acadêmicos na disciplina de Banco de Dados Distribuídos.

O sistema permite que múltiplos nós, cada um com seu próprio MySQL, atuem de forma coordenada, garantindo replicação total, consistência, tolerância a falhas e transparência ao cliente, utilizando sockets TCP, protocolo próprio, Two-Phase Commit (2PC) e eleição dinâmica de coordenador.

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Objetivo do Projeto

Desenvolver um middleware capaz de:

• Integrar múltiplas instâncias MySQL independentes;
• Fornecer ao usuário uma interface única para execução de queries;
• Garantir propriedades ACID em ambiente distribuído;
• Replicar automaticamente todas as alterações entre os nós;
• Manter alta disponibilidade mesmo em caso de falha do coordenador.

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Conceitos Aplicados

• Banco de Dados Distribuído (DDB)
• DDB homogêneo e autônomo
• Comunicação via sockets TCP
• Protocolo de comunicação customizado
• Checksum (CRC32) para integridade
• Two-Phase Commit (2PC)
• Heartbeat e detecção de falhas
• Eleição de coordenador (Bully Algorithm)
• Balanceamento de carga
• Tolerância a falhas

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Arquitetura

Cada nó do sistema executa:

• Uma instância MySQL local
• Um processo middleware (Node)

Características da arquitetura:

• Todos os nós são iguais (homogêneos)
• Cada nó é autônomo
• Um nó assume dinamicamente o papel de coordenador
• O coordenador pode mudar automaticamente em caso de falha

A comunicação entre os nós ocorre exclusivamente via sockets TCP, dentro de uma rede Docker.

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Execução das Queries

SELECT (Leitura)

• Executado em apenas um nó
• O coordenador escolhe o nó menos carregado
• Implementa balanceamento de carga
• O cliente recebe:
  • o resultado da query
  • a identificação do nó que executou a operação

INSERT / UPDATE / DELETE / DDL (Escrita)

As operações de escrita utilizam o Two-Phase Commit (2PC):

1. PREPARE: todos os nós executam a query dentro de uma transação local
2. COMMIT: se todos responderem positivamente, a transação é confirmada
3. ROLLBACK: se algum nó falhar, todas as transações são revertidas

Esse mecanismo garante atomicidade e consistência distribuída, enquanto as demais propriedades ACID são asseguradas pelo MySQL (InnoDB).

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Heartbeat e Tolerância a Falhas

• Todos os nós enviam heartbeats periódicos informando que estão ativos
• O coordenador monitora a disponibilidade dos nós
• Em caso de falha do coordenador:
  • os nós detectam o timeout
  • uma nova eleição é iniciada
  • um novo coordenador é automaticamente eleito

O sistema continua operando mesmo durante falhas.

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Estrutura do Projeto

ddb/
├── node.py
├── protocol.py
├── client_cli.py
├── requirements.txt
├── Dockerfile
├── docker-compose.yml
├── config/
│   ├── node1.json
│   ├── node2.json
│   └── node3.json
└── mysql-init/
└── 01-init.sql

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Execução com Docker

Pré-requisitos

• Docker
• Docker Compose
• Python 3 (opcional, apenas para o cliente)

Subir o cluster distribuído

docker compose up --build -d

O cluster será iniciado com:

• 3 containers MySQL
• 3 containers do middleware

Um dos nós será automaticamente eleito como coordenador.

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Testando o Sistema

Executar o cliente

python client_cli.py 127.0.0.1 9001

(O cliente pode se conectar a qualquer nó.)

Exemplos de testes

CREATE TABLE pessoas (
  id INT PRIMARY KEY,
  nome VARCHAR(50)
);

INSERT INTO pessoas VALUES (1, 'Ana');
INSERT INTO pessoas VALUES (2, 'Bruno');

SELECT * FROM pessoas;

Exemplo de saída:

executed_on_node: 2

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Teste de Falha do Coordenador

docker stop node3

Outro nó será eleito automaticamente como coordenador e o sistema continuará aceitando queries normalmente.

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Parar o Sistema

Parar os containers mantendo os dados:

docker compose down

Parar e apagar também os dados:

docker compose down -v

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Requisitos Atendidos

• Uso do SGBD MySQL
• Execução em múltiplos nós
• Comunicação via sockets
• Protocolo próprio de comunicação
• Configuração por IP/host
• DDB homogêneo e autônomo
• Replicação total dos dados
• Coordenador com eleição dinâmica
• Garantia das propriedades ACID
• Heartbeat entre os nós
• Checksum para integridade
• Balanceamento de carga
• Log das queries e dados transmitidos
• Interface simples para execução de queries

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Observações Finais

Este projeto possui caráter acadêmico e didático, simulando o funcionamento interno de um banco de dados distribuído real. Ele demonstra conceitos fundamentais da disciplina de Banco de Dados Distribuídos, como coordenação, replicação e tolerância a falhas.