分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)(數(shù)據(jù)庫)

時間：2022-12-21 10:30:01 | 來源：信息時代

時間：2022-12-21 10:30:01 來源：信息時代

    分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng) : 地理上分散而邏輯上集中的一種數(shù)據(jù)庫系統(tǒng),即通過計算機網(wǎng)絡將地理上分散的各局域站點連接起來共同組成一個邏輯上統(tǒng)一的大型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。
1.分布式數(shù)據(jù)庫
分布式數(shù)據(jù)庫(distributed database,DDB)是以分布處理方式支持的一種數(shù)據(jù)庫,其數(shù)據(jù)不是全部存儲在一個地區(qū)的一臺計算機系統(tǒng)上,而是分散在計算機網(wǎng)絡的各個站點(場地)的計算機上。如圖1所示,數(shù)據(jù)分布存儲在四個場地上。但對用戶來說,他們看到的是邏輯上統(tǒng)一的全局模式,用戶的查詢也是基于全局模式的查詢。普通用戶可以以C/S或B/S方式方便地在網(wǎng)上瀏覽和處理數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù),而并不關心或注意到數(shù)據(jù)是存儲在哪個具體場地上。

圖1 分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

(1)分布式數(shù)據(jù)庫的特性: DDB的典型特性是數(shù)據(jù)透明性和場地自治性。DDB是將多個場地的局部數(shù)據(jù)庫在邏輯上集成為一個整體,為分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的所有用戶所使用,這種應用稱為全局應用,其用戶為全局用戶。另外,分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)也允許用戶只使用本地的局部數(shù)據(jù)庫,該應用稱為局部應用,其用戶為局部用戶。DDB實現(xiàn)了應用程序與系統(tǒng)實際數(shù)據(jù)組織相分離,即數(shù)據(jù)具有獨立性或透明性。數(shù)據(jù)透明性具體體現(xiàn)為分布透明性、復制透明性和分片透明性。分布透明性指全局用戶看到的是全局數(shù)據(jù)模型的描述,如同集中數(shù)據(jù)庫一樣,不需考慮數(shù)據(jù)的存儲場地和操作的執(zhí)行場地。復制透明性指分布數(shù)據(jù)庫支持有控制的數(shù)據(jù)冗余,即數(shù)據(jù)可重復存儲在不同的場地上,從而提高系統(tǒng)的可用性和可靠性,加強系統(tǒng)處理的并行性。分片是將一個關系分成幾個子關系。根據(jù)實際需求,一個分片可能存儲在不同的場地上(實際存儲在場地上稱為分段)。邏輯層是用戶語義層,物理層實現(xiàn)物理細節(jié)。分片透明性指邏輯層的語義與物理層的實現(xiàn)相分離,它對高層系統(tǒng)和用戶隱蔽了某些實現(xiàn)細節(jié)。
在分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中,為保證局部場地獨立自主能力,分布場地具有自治性。局部用戶獨立于全局用戶的特性稱為局部數(shù)據(jù)庫的自治性,也稱為場地自治性。場地自治性具體體現(xiàn)為設計自治性、通信自治性和執(zhí)行自治性。設計自治性指局部數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)能獨立決定它自己局部庫的設計。通信自治性指局部數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)能獨立決定是否以及如何與其他場地的DBMS通信。執(zhí)行自治性指局部數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)能獨立決定以何種方式執(zhí)行局部操作。
(2)典型的分布式數(shù)據(jù)庫原型系統(tǒng)(SDD-1): 是美國國防部委托CCA公司設計和研制的分布式數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。它是最早研制并且影響力最大的系統(tǒng)之一。它采用關系數(shù)據(jù)模型,支持類SQL查詢語言;支持對關系的水平和垂直分片及復制分配; 支持單語句事務,提出了半連接優(yōu)化技術; 采用獨創(chuàng)的時間戳技術和沖突分析方法實現(xiàn)并發(fā)控制; 采用目錄數(shù)據(jù)同用戶數(shù)據(jù)一致管理。
分布式Ingres: 是Ingres系統(tǒng)的進一步研究成果,由美國加利福尼亞大學伯克利分校研發(fā)。該系統(tǒng)支持QUEL查詢語言; 支持對關系水平分片,但不支持數(shù)據(jù)副本; 采用基于鎖的并發(fā)控制方法; 目錄分為全局目錄和局部目錄。
R*系統(tǒng):是由IBM公司Jan Jose研究室研發(fā)的分布式數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。它是集中式關系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)System R的后繼成果。它支持SQL查詢語言,不支持關系的分片和副本; 采用基于鎖的并發(fā)控制方法和分布式死鎖檢測方法;采用分布式目錄管理結構。
POREL系統(tǒng):是由德國斯圖加特大學研制的分布式管理系統(tǒng)。它采用SQL-like的關系數(shù)據(jù)庫語言RDBL查詢語言; 支持關系的水平分片和副本; 采用基于鎖的并發(fā)控制方法預防死鎖;目錄結構類似于分布式的Ingres。
SIRIUS-DELTA: 是法國全國性的分布式數(shù)據(jù)庫管理研究計劃(SIRIUS)的研究成果之一。它采用關系模型,支持對關系的水平和垂直分片;采用基于鎖的并發(fā)控制方法和死鎖預防策略;支持數(shù)據(jù)副本,并建立了較完善的恢復機制。
我國對分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的研究始于20世紀80年代初,80年代中期相繼完成了幾個有代表性的原型系統(tǒng):
C-POREL:是由中國科學院數(shù)學所和上?？萍即髮W、華東師范大學合作開發(fā)實現(xiàn)的分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。它以POREL為藍本,支持關系水平分片;采用封鎖和時間戳相結合技術實現(xiàn)并發(fā)控制; 采用全局目錄結構。
WDDBS系列: 是由武漢大學數(shù)據(jù)庫組研制的分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。它支持水平分片、垂直分片、誘導分片、混合分片及數(shù)據(jù)副本。采用半連接優(yōu)化技術、基于鎖的并發(fā)控制方法和無阻塞的改進的2PC協(xié)議。
SUNDDB:是由東南大學計算機系開發(fā)的原型系統(tǒng)。不支持分片,但提供快照技術彌補不分片的不足; 采用主副本2PL和2PC協(xié)議; 目錄管理與R*類似。
DMU/FO: 是以東北大學為主、基于網(wǎng)絡模型的分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。它支持數(shù)據(jù)副本; 采用主副本鎖機制和2PC協(xié)議。
2.分布式數(shù)據(jù)庫模式結構
模式結構是典型的基于數(shù)據(jù)的描述方法。分布式數(shù)據(jù)庫體系結構并沒有一個統(tǒng)一的標準,但我國在研究和開發(fā)分布式數(shù)據(jù)庫中,制定了一個《分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)標準》(草案),提出把分布式數(shù)據(jù)庫抽象為四層的模式結構(見圖2),并得到了國內(nèi)外同行的認可。四層模式劃分為: 全局外層、全局概念層、局部概念層和局部內(nèi)層,其中還有模式與模式之間的映射關系。實際上,劃分為如下六種模式:
(1)全局模式(ES):定義全局用戶視圖,是分布式數(shù)據(jù)庫的全局用戶對分布式數(shù)據(jù)庫的最高層抽象。全局用戶使用視圖時,不必關心數(shù)據(jù)的分片和具體的物理分配細節(jié)。

圖2 分布式數(shù)據(jù)庫模式結構

(2)全局概念模式(GCS): 定義全局概念視圖,是分布式數(shù)據(jù)庫的整體抽象,包含了全部數(shù)據(jù)特性和邏輯結構。全局概念模式再經(jīng)過分片模式和分配模式映射到局部模式。
(3)分片模式: 是描述全局數(shù)據(jù)的邏輯劃分視圖。即根據(jù)分片條件將全局數(shù)據(jù)邏輯結構劃分為局部數(shù)據(jù)邏輯結構。每一個邏輯劃分成一個分片。在關系數(shù)據(jù)庫中,一個關系的一個子關系稱該關系的一個分片。
(4)分配模式: 是描述局部數(shù)據(jù)邏輯的局部物理結構,即劃分后的分片的物理分配視圖。
(5)局部概念模式(LCS): 定義局部概念視圖,是全局概念模式的子集,用于描述局部場地上的局部數(shù)據(jù)邏輯結構。全局概念模式經(jīng)邏輯劃分后,被分配到各局部場地上。
(6)局部內(nèi)模式(LIS): 定義局部物理視圖,是對物理數(shù)據(jù)庫的描述,類似集中數(shù)據(jù)庫的內(nèi)層。
分布式數(shù)據(jù)庫的四層結構及模式定義描述了分布式數(shù)據(jù)庫是一組用網(wǎng)絡聯(lián)結的局部數(shù)據(jù)庫的邏輯集合。它將數(shù)據(jù)庫分為全局數(shù)據(jù)庫和局部數(shù)據(jù)庫。全局數(shù)據(jù)庫到局部數(shù)據(jù)庫由映射(1:N)模式描述。全局數(shù)據(jù)庫是虛擬的,由全局概念層描述。局部數(shù)據(jù)庫是全局數(shù)據(jù)庫的內(nèi)層,由局部概念層和局部內(nèi)層描述。
3.分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的功能結構
分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的功能結構比較典型的是基于客戶/服務器功能的分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的體系結構,又可分為多客戶/單服務器模式和多客戶/多服務器模式。圖3所示的是一種典型的多客戶/多服務器的分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的體系結構。其中,服務器端完成絕大部分的數(shù)據(jù)管理功能,包括查詢處理與優(yōu)化、事務管理、存儲管理等。在客戶端,除了應用和用戶接口外,還包括管理客戶端的緩存數(shù)據(jù)和事務封鎖、用戶查詢的一致性檢查以及客戶與服務器端之間的通信等。

圖3 基于客戶/服務器功能的DBMS系統(tǒng)結構

在圖3中,AP為應用處理器,是用于完成分布數(shù)據(jù)處理的軟件,如: 處理訪問多個場地的請求,查詢?nèi)肿值渲蟹植夹畔⒌?。主要包括用戶接口、查詢處理、全局事務管理、全局字典管理和全局恢復管理。DP為數(shù)據(jù)處理器,負責進行數(shù)據(jù)管理的軟件,類似于一個集中式數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(DBMS)。主要包括局部查詢處理、局部事務管理、局部字典管理和局部恢復管理。CM為通信處理器,負責為AP和DP在多個場地之間傳送命令和數(shù)據(jù)。