分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概述

1、分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概述分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概述分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的由來分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的由來n數(shù)據(jù)庫應(yīng)用需求的拓展n計(jì)算機(jī)硬件環(huán)境的改變n計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與數(shù)字通信的飛速發(fā)展，衛(wèi)星通信，蜂窩通信，計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)，廣域網(wǎng)，激增的intranet及internet得到了廣泛應(yīng)用分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的發(fā)展分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的發(fā)展數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)相結(jié)合的產(chǎn)物20世紀(jì)70年代末進(jìn)入成長階段 例如：德國斯圖加特大學(xué)研制的porel系統(tǒng)等20世紀(jì)90年代進(jìn)入商品化應(yīng)用階段 一些商品化數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)產(chǎn)品如:oracle,ingres,sybase,informix,ibm db2 大都提供對分布式數(shù)據(jù)庫的支持 n銀行的電子資

2、金轉(zhuǎn)移系統(tǒng)。假定一個(gè)分布式系統(tǒng)由三個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，分別分布在北京，上海，成都 ，其中不同區(qū)域的帳戶記錄保存在各自地區(qū)的數(shù)據(jù)庫中，它們通過通信網(wǎng)絡(luò)連接在一起，構(gòu)成 個(gè)統(tǒng)一的分布式數(shù)據(jù)庫。在這樣的系統(tǒng)中任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以存取該節(jié)點(diǎn)的帳戶，稱做局部查詢，同時(shí)也可以存取另一個(gè)節(jié)點(diǎn)的帳戶，稱做遠(yuǎn)程查詢。n分布式數(shù)據(jù)庫的一個(gè)主要的功能就是給用戶提供進(jìn)行復(fù)雜查詢的操作，使用戶就像在一個(gè)單一的數(shù)據(jù)庫上操作一樣。什么是分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)？什么是分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)？n物理上分散而邏輯上集中的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)n使用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)將物理位置分散而管理和控制又需要不同程度集中的多個(gè)邏輯單位連接起來，共同組成一個(gè)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng) 站點(diǎn)，場地

3、，結(jié)點(diǎn)特點(diǎn)特點(diǎn)物理分布性 分散存儲(chǔ)在多個(gè)站點(diǎn)，用戶感覺不到分散邏輯整體性 分散的數(shù)據(jù)邏輯上構(gòu)成一個(gè)整體，可被全局用戶共享站點(diǎn)自治性 各個(gè)站點(diǎn)上的數(shù)據(jù)由本地dbms管理，具有自治處理能力，完成本站點(diǎn)的應(yīng)用。其他特點(diǎn)其他特點(diǎn)n數(shù)據(jù)分布透明性n集中與自治相結(jié)合的控制機(jī)制n存在適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)冗余度n事務(wù)管理的分布性分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的示意圖分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)分類分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)分類n按局部數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型分類 同構(gòu)同質(zhì)型 同構(gòu)型ddbs 同構(gòu)異質(zhì)型 異構(gòu)型ddbsn按分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的全局控制系統(tǒng)類型 全局控制集中型ddbs 全局控制分散型ddbs 全局控制可變型ddbs分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)分布

4、式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)n數(shù)據(jù)庫分為局部db和全局dbn數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)分為局部dbms和全局dbmsn數(shù)據(jù)庫管理員分為局部dba和全局dba分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)組成成分組成成分n應(yīng)用數(shù)據(jù)庫：應(yīng)用所需要的數(shù)據(jù)的集合n描述數(shù)據(jù)庫：關(guān)于數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的定義及全局?jǐn)?shù)據(jù)的分片，分布的描述（數(shù)據(jù)字典，數(shù)據(jù)目錄，元數(shù)據(jù)） 數(shù)據(jù)分片數(shù)據(jù)分片n將全局?jǐn)?shù)據(jù)庫進(jìn)行邏輯分割n分片方法 （1）水平分片 （2）垂直分片 （3）混合分片關(guān)系關(guān)系s(s#,sname,age,sex)定義關(guān)系s的兩個(gè)水平分片define fragment shf1 as select * from s where sex=mdefine

5、 fragment shf2 as select * from s where sex=f關(guān)系關(guān)系s(s#,sname,age,sex)定義關(guān)系s的兩個(gè)垂直分片define fragment svf1 as select s#,age,sex from s define fragment svf2 as select s#,sname from s 全局關(guān)系的每個(gè)屬性至少影射到一個(gè)垂直片段中，且每個(gè)垂直片段都包含該全局關(guān)系的鍵關(guān)系關(guān)系s(s#,sname,age,sex)定義關(guān)系s的兩個(gè)混合分片define fragment sf1 as select s#,sname from shf1de

6、fine fragment sf2 as select * from svf1 wheresex分片遵循規(guī)則分片遵循規(guī)則n完備性條件n可重構(gòu)條件n不相交條件數(shù)據(jù)的分布數(shù)據(jù)的分布 分布式數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)不是存儲(chǔ)在一個(gè)站點(diǎn)的計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)設(shè)備上，而是根據(jù)需要將數(shù)據(jù)劃分成邏輯片段，按某種策略將這些片段分散地存儲(chǔ)在各個(gè)站點(diǎn)上。 數(shù)據(jù)分布的策略有：n集中式n分割式n復(fù)制式n混合式分布式數(shù)據(jù)庫的模式結(jié)構(gòu)分布式數(shù)據(jù)庫的模式結(jié)構(gòu)四層模式結(jié)構(gòu)四層模式結(jié)構(gòu)n全局外層：全局外模式n全局概念層：全局概念模式，分片模式，分配模式n局部概念層：局部概念模式n局部內(nèi)層：局部內(nèi)模式全局外模式全局外模式n是全局應(yīng)用的用戶視圖，也稱全

7、局視圖n是從一個(gè)由各局部數(shù)據(jù)庫組成的邏輯集合中抽取，即全局外模式是全局概念模式的子集。全局概念模式全局概念模式n描述分布式數(shù)據(jù)庫中全局?jǐn)?shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)n如果采用關(guān)系數(shù)據(jù)模型，則n包括一組全局關(guān)系的定義(如關(guān)系名、關(guān)系中的屬性、每一屬性的數(shù)據(jù)類型和長度等等)n完整性定義(關(guān)系的主鍵、外鍵及完整性其他約束條件等)分片模式分片模式n描述全局?jǐn)?shù)據(jù)的邏輯劃分n描述數(shù)據(jù)分片或定義片段，以及全局關(guān)系與片段之間的映象n這種映象是一對多的。即一個(gè)全局關(guān)系可對應(yīng)多個(gè)片段，而一個(gè)片段只能來自一個(gè)全局關(guān)系。分配模式分配模式n根據(jù)選定的數(shù)據(jù)分布策略，定義各片段的物理存放站點(diǎn)。即定義片段映象的類型，確定分布式數(shù)據(jù)庫是冗余的

8、還是非冗余的，以及冗余的程度。n如果一個(gè)片段分配在多個(gè)站點(diǎn)上，則片段的映象是一對多的，分布式數(shù)據(jù)庫是冗余的。局部概念模式局部概念模式n一個(gè)全局概念模式經(jīng)邏輯劃分成一個(gè)或多個(gè)邏輯片段，每個(gè)邏輯片段被分配在一個(gè)或多個(gè)站點(diǎn)上，稱為該邏輯片段在某站點(diǎn)上的物理映象或稱物理片段n對每個(gè)站點(diǎn)來說，在該站點(diǎn)上全部物理映象的集合稱為該站點(diǎn)上的局部概念模式局部內(nèi)模式局部內(nèi)模式n分布式數(shù)據(jù)庫中關(guān)于物理數(shù)據(jù)庫的描述n描述的內(nèi)容不僅包含只局部于本站點(diǎn)的數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)描述，還包括全局?jǐn)?shù)據(jù)在本站點(diǎn)的存儲(chǔ)描述ddbms的功能結(jié)構(gòu)的功能結(jié)構(gòu)除提供集中式dbms提供的功能還有：n數(shù)據(jù)跟蹤n分布式查詢處理n分布式事務(wù)管理n復(fù)制數(shù)據(jù)的管

9、理n安全性n分布式目錄管理ddbms的功能模塊的功能模塊n查詢處理模塊n完整性處理模塊n調(diào)度處理模塊n可靠性處理模塊 分布式數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的一般功能結(jié)構(gòu)介紹介紹ddbms的一種參考模型的一種參考模型n主要成分是處理器和模式n處理器n模式參考模型用戶處理器用戶處理器n它把數(shù)據(jù)操縱語言中的用戶命令，翻譯成為規(guī)范化命令n它把來自數(shù)據(jù)處理器的數(shù)據(jù)，翻譯成用戶理解的格式用戶處理器的組成用戶處理器提供的功能用戶處理器提供的功能n數(shù)據(jù)模型獨(dú)立性n語義完整性約束數(shù)據(jù)處理器數(shù)據(jù)處理器n 數(shù)據(jù)處理器負(fù)責(zé)存取數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)，它主要包括規(guī)范化命令翻譯器、規(guī)范化結(jié)果格式器和運(yùn)行時(shí)支持處理器數(shù)據(jù)處理器的組成數(shù)據(jù)處理器提供的

10、功能數(shù)據(jù)處理器提供的功能 數(shù)據(jù)處理器支持集中式和分布式dbms共同要求:n程序與數(shù)據(jù)的獨(dú)立性n并發(fā)獨(dú)立性n事務(wù)的原子性運(yùn)行時(shí)支持處理器運(yùn)行時(shí)支持處理器模式層次模式層次n數(shù)據(jù)庫的三級模式n一個(gè)或幾個(gè)外部模式：每個(gè)外部模式包含了數(shù)據(jù)庫的一部分的描述，供用戶使用n概念模式：包含了整個(gè)數(shù)據(jù)庫的邏輯描述，供數(shù)據(jù)庫管理員和用戶使用n內(nèi)部模式：包含了物理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的描述，表示物理數(shù)據(jù)的存放位置和格式n數(shù)據(jù)庫管理員使用內(nèi)部模式來調(diào)整數(shù)據(jù)庫以提高其執(zhí)行效率n 這三個(gè)模式以及它們之間的映射，指導(dǎo)著各個(gè)處理器執(zhí)行各自的任務(wù)全局?jǐn)?shù)據(jù)庫控制及通信子系統(tǒng)全局?jǐn)?shù)據(jù)庫控制及通信子系統(tǒng)負(fù)責(zé)通信和控制分布式的執(zhí)行n分解器（分布式執(zhí)

11、行策略）n合并器n分布式執(zhí)行監(jiān)視器（事務(wù)原子性，復(fù)制獨(dú)立性，分布式并發(fā)控制）n通信子系統(tǒng)n本地執(zhí)行監(jiān)視器全局?jǐn)?shù)據(jù)庫控制及通信子系統(tǒng)的組成本地模式本地模式 全局模式全局模式n要與其他站點(diǎn)共享數(shù)據(jù)的每個(gè)站點(diǎn)具有一個(gè)或幾個(gè)本地模式。本地模式描述了站點(diǎn)中可由某類用戶訪問的數(shù)據(jù)子集，每個(gè)站點(diǎn)的dba通過建立本地模式來控制誰可以訪問本地的數(shù)據(jù)。不同類型的用戶使用同一數(shù)據(jù)的不同子集可以用不同的本地模式來描述。n允許用戶訪問數(shù)據(jù)的每個(gè)站點(diǎn)包含一個(gè)或多個(gè)全局模式。全局模式描述了用戶可從一個(gè)或多個(gè)站點(diǎn)訪問的數(shù)據(jù)。在一個(gè)站點(diǎn)中，可以存在幾個(gè)不同的全局模式，每個(gè)對應(yīng)于一類用戶n這種方法非常靈活，因?yàn)樗梢栽试S一類用戶

12、訪問全部數(shù)據(jù)，也可以允許幾類用戶訪問數(shù)據(jù)的不同子集。n還提供了高度的可靠性，這就是說，如果某個(gè)站點(diǎn)出了故障只有該站點(diǎn)的本地模式所描述的數(shù)據(jù)不可使用，不會(huì)影響其他站點(diǎn)的繼續(xù)使用。全局模式與本地模式分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)數(shù)據(jù)的獨(dú)立性分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)數(shù)據(jù)的獨(dú)立性n用戶或用戶程序使用分布式數(shù)據(jù)庫，不必關(guān)心全局?jǐn)?shù)據(jù)的分布情況包括全局?jǐn)?shù)據(jù)的邏輯分片情況、邏輯片段的站點(diǎn)位置分配情況。也稱為分布透明性。n分布透明性包括三個(gè)層次：n分片透明性n位置透明性n局部數(shù)據(jù)模型透明性三個(gè)層次的比較三個(gè)層次的比較分片透明性位置透明性局部數(shù)據(jù)模型透明性層次最高層（完全分布透明性）中間層（中級分布透明性）最底層（低級分布透明性）位置

13、全局概念模式與分片模式之間分片模式與分配模式之間分配模式與局部概念模式之間三個(gè)層次的比較三個(gè)層次的比較全局?jǐn)?shù)據(jù)的邏輯分片邏輯片段的副本邏輯片段及副本的站點(diǎn)位置分配各站點(diǎn)數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)模型分片透明性位置透明性局部數(shù)據(jù)模型透明性分布式數(shù)據(jù)庫簡單查詢與分布透明性分布式數(shù)據(jù)庫簡單查詢與分布透明性n例子：全局關(guān)系supplier(sno,sname,city)被劃分為兩個(gè)邏輯片段1和2,，1存放在站點(diǎn)1上。片斷2有一個(gè)副本，分別存放在站點(diǎn)2和站點(diǎn)3上。現(xiàn)編寫一個(gè)名為supquiry的簡單查詢應(yīng)用程序它將從終端接受一個(gè)供應(yīng)商號(hào)，查詢該供應(yīng)商號(hào)相應(yīng)的供應(yīng)商名，將它顯示在屏幕上分片透明性不同級別下的只讀應(yīng)用分片

14、透明性不同級別下的只讀應(yīng)用inread(teminal,$sno);nselect sname into $sname from supquiry where sno= $sno;nwrite(terminal, $sname ); (a)分段透明性（級別1） supplier2supplier1supplier2ddbms站點(diǎn)站點(diǎn)站點(diǎn)分片透明性不同級別下的只讀應(yīng)用分片透明性不同級別下的只讀應(yīng)用iinread(teminal,$sno);nselect sname into $sname from supquiry1 where sno= $sno;nif not #found thennse

15、lect sname into $sname from supquiry2 where sno= $sno;nwrite(terminal, $sname );(b)位置透明性（級別） supplier2supplier1supplier2ddbms站點(diǎn)站點(diǎn)站點(diǎn)分片透明性不同級別下的只讀應(yīng)用分片透明性不同級別下的只讀應(yīng)用iiinread(teminal,$sno);nselect sname into $sname from supquiry1 at site1 where sno= $sno;nif not #found thennselect sname into $sname from

16、supquiry2 at site3 where sno= $sno;nwrite(terminal, $sname );(c)本地映射透明性（級別）supplier2supplier1ddbms站點(diǎn)站點(diǎn)分片透明性不同級別下的只讀應(yīng)用分片透明性不同級別下的只讀應(yīng)用ivn問題：假定ddbms不提供任何級別的分布透明性，用戶如何編寫應(yīng)用程序supquiry呢？n設(shè)站點(diǎn)1上的本地dbms為ims,站點(diǎn)3上的本地dbms為codasy1。此時(shí)，應(yīng)用程序員必須編寫實(shí)現(xiàn)所需功能的ims程序和codasy1程序，并把這些輔助程序安裝在相應(yīng)的站點(diǎn)上如下圖所示分片透明性不同級別下的只讀應(yīng)用分片透明性不同級別下的

17、只讀應(yīng)用iv站點(diǎn)l1imssupquiry:read(terminal,$sno);execute:$supims($sno,$found,$sname) at l1:if not $foundexecute $supcodasyl($sno,$found,$sname) at l3;write(terminal,$sname); ddbmssupcodasyl($sno,$found,$sname); find supplier_recode : :get unique supplier_degment : :本地dbms(codasl)本地dbms(ims)codasl站點(diǎn)l3(d)無分布

18、透明性分布式數(shù)據(jù)庫復(fù)雜查詢與分布透明分布式數(shù)據(jù)庫復(fù)雜查詢與分布透明性性n例子：考慮應(yīng)用supofpart,該應(yīng)用根據(jù)用戶輸入的零件號(hào)查詢供應(yīng)該零件的供應(yīng)商姓名，若全局關(guān)系supplier(sno,sname,saddr)被劃分為兩個(gè)邏輯片段s1和s，全局關(guān)系supplier(sno,no,quantity)也被劃分為兩個(gè)邏輯片段sp1和sp2.它們的站點(diǎn)位置分配如下： s1存放在站點(diǎn)l1上， s存放在站點(diǎn)l上， sp1存放在站點(diǎn)l上， sp存放在站點(diǎn)l上n這里假設(shè)：每種零件僅由一家供應(yīng)商供給；supply的分片模式基于這樣的事實(shí)：由s1中供應(yīng)商供應(yīng)的零件號(hào)在sp1中，由s中供應(yīng)的零件號(hào)在sp中

19、最高級別：分片透明性最高級別：分片透明性：read(terminal,$pno);select sname into $sname from supplier s,supply sp where s.no=sp.no and sp.pno=$pno ;write(terminal,$sname);2.中等級別：位置透明性中等級別：位置透明性：read(terminal,$pno);select sname into $sname from s1，sp1 where s1.no=sp1.no and sp1.pno=$pno ;if not #found thenselect sname int

20、o $sname from s2，sp2 where s2.no=sp2.no and sp2.pno=$pno ;write(terminal,$sname);3.最低級別：局部數(shù)據(jù)模型透明性最低級別：局部數(shù)據(jù)模型透明性：read(terminal,$pno);select sno into $sno from sp1 at l3 where pno=$pno;if #found then begin send $sno from l3 to l1; select sname into $sname from s1 at l1 where sno=$sno;endelse begin sel

21、ect sno into $sno from sp2 at l4 where pno=$pno; send $sno from l4 to l2; select sname into $sname from s2 at l2 where sno=$sno;end write(terminal,$sname);分布式數(shù)據(jù)庫更新應(yīng)用與分布透明分布式數(shù)據(jù)庫更新應(yīng)用與分布透明性性n注意：查詢操作只對數(shù)據(jù)片段或任一副本進(jìn)行而更新操作必須最數(shù)據(jù)片段及其全部副本進(jìn)行n位置透明性對更新應(yīng)用很重要若ddbms不提供位置透明性，就由應(yīng)用程序來完成片段及全部副本的更新n當(dāng)更新屬性恰好是作為分片模式定義中使用的屬性值

22、時(shí)，可能引起元組從一個(gè)片段移到另一個(gè)片段，這會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)復(fù)雜的影響例子例子n全局關(guān)系emp(eno,ename,dno,sal,tax,mgrno)經(jīng)混合分片：先按dno的值小于10來進(jìn)行水平分片，分為兩個(gè)片段ea和b,后又經(jīng)垂直分片，劃分為如下四個(gè)邏輯片段：nemp1=ea(eno,ename,sal,tax)nemp2=ea (eno,mgrno,dno)nemp3=eb(eno,ename,dno)nemp4=eb (eno,sal,tax,mgrno)全局關(guān)系全局關(guān)系emp的分片樹的分片樹 empheaebvvemp1emp2emp3emp4例子例子-更新操作更新操作n對emp2片段做如

23、下更新:將eno=100的元組中屬性dno=3改變?yōu)?5.這個(gè)更新結(jié)果將上邊emp1和emp2片段的元組eno=100重新組合后，移到了下邊emp3和emp4片段中如下圖所示圖表圖表emp1enomgrnumdno100203enoenamesaltax100smith100001000emp更新前更新后enoenamedno100smith15empenosaltaxmgrnum10010000100020emp4級別級別1：分片透明性：分片透明性nupdate emp set dno=15 where eno=100 n應(yīng)用程序如同數(shù)據(jù)庫不是分布的那樣來執(zhí)行更新操作，編程人員不必知道被更新

24、的屬性是否是分片模式的定義中使用的屬性級別：位置透明性級別：位置透明性nselect ename,sal,tax,into $ename,$sal,$tax from emp1 where eno=100;nselect mgrno into $mgrno from emp2 where eno=100;ninsert into emp3 (eno,ename,dno)values(100,$ename,15);ninsert into emp4(eno,sal,tax,mgrno)values(100, $sal,$tax,$mgrno);ndelete emp1 where eno=100;ndelete emp2 where eno=100;級別：本地映象透明性級別：本地映象透明性n若emp的各片段的分布如下：nemp1:站點(diǎn)l1和站點(diǎn)5; emp2:站點(diǎn)l2和站點(diǎn)6nemp3:站點(diǎn)l3和站點(diǎn)7; emp1:站點(diǎn)l4和站點(diǎn)8編程如下：nselect ename,sal,ta