第11章數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

第11章系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)本章學(xué)習(xí)目標(biāo)理解不同數(shù)據(jù)庫的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；了解并行數(shù)據(jù)庫的基本概念；掌握分布式數(shù)據(jù)庫的基本概念和基本特點(diǎn)以及數(shù)據(jù)分片；理解主動(dòng)數(shù)據(jù)庫的概念；理解多媒體數(shù)據(jù)庫的基本概念2第11章系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

11.1數(shù)據(jù)庫體系結(jié)構(gòu)11.2并行數(shù)據(jù)庫11.3分布式數(shù)據(jù)庫11.4主動(dòng)數(shù)據(jù)庫

11.5多媒體數(shù)據(jù)庫

3第11章系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

11.1數(shù)據(jù)庫體系結(jié)構(gòu)11.1.1客戶/服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)集中式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是運(yùn)行在一臺(tái)計(jì)算機(jī)上，不與其他計(jì)算機(jī)系統(tǒng)交互的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。這樣的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)范圍很廣，既包括運(yùn)行在個(gè)人計(jì)算機(jī)上的單用戶數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，也包括運(yùn)行在高端服務(wù)器系統(tǒng)上的高性能數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。而另一方面，客戶－服務(wù)器系統(tǒng)在功能上劃分為一個(gè)服務(wù)器系統(tǒng)和多個(gè)客戶端系統(tǒng)。4第11章系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

11.1數(shù)據(jù)庫體系結(jié)構(gòu)11.1.2并行系統(tǒng)并行系統(tǒng)通過并行地使用多個(gè)CPU和磁盤來提高處理速度和I/O速度。并行計(jì)算機(jī)正變得越來越普及，相應(yīng)的，并行數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的研究變得更加重要。有些應(yīng)用需要查詢非常大型的數(shù)據(jù)庫（TB數(shù)量級，1012字節(jié)），有些應(yīng)用需要在每秒鐘里處理很大數(shù)量的事務(wù)，這些應(yīng)用的需求推動(dòng)了并行數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的發(fā)展。

5第11章系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)11.1.3分布式系統(tǒng)在分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)在幾臺(tái)計(jì)算機(jī)中。分布式系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)之間通過各種通信媒介相互通信。這些計(jì)算機(jī)不共享主存儲(chǔ)器或磁盤。分布式系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)的規(guī)模和功能可大可小，小到工作站，大到大型機(jī)系統(tǒng)。

6第11章系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

11.2并行數(shù)據(jù)庫11.1.1概述計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢是從單處理器結(jié)構(gòu)向多處理器結(jié)構(gòu)過渡。因?yàn)樘岣邌翁幚砥鞯男阅茉絹碓嚼щy，單處理器性能有物理極限，盡管高性能處理器價(jià)格昂貴，可以用廉價(jià)的多處理器來代替，因此能否為越來越多的用戶維持高事務(wù)吞吐量和低響應(yīng)時(shí)間以成為衡量DBMS性能的重要指標(biāo)。并行數(shù)據(jù)庫以高性能、高可用性、高擴(kuò)充性為指標(biāo)，充分利用多處理器平臺(tái)的能力，通過多種并行性，在聯(lián)機(jī)事務(wù)處理與決策支持應(yīng)用兩種典型環(huán)境中提供優(yōu)化的響應(yīng)時(shí)間和事務(wù)吞吐量。7第11章系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

11.2并行數(shù)據(jù)庫11.1.2并行系統(tǒng)并行系統(tǒng)通過并行地使用多個(gè)CPU和磁盤來提高處理速度和I/O速度。并行計(jì)算機(jī)正變得越來越普及，相應(yīng)的，并行數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的研究變得更加重要。有些應(yīng)用需要查詢非常大型的數(shù)據(jù)庫（TB數(shù)量級，1012字節(jié)），有些應(yīng)用需要在每秒鐘里處理很大數(shù)量的事務(wù)，這些應(yīng)用的需求推動(dòng)了并行數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的發(fā)展。

8第11章系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

11.3分布式數(shù)據(jù)庫

11.3.1概述“分布式數(shù)據(jù)庫是一組數(shù)據(jù)組成，這些數(shù)據(jù)物理上分布在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的不同結(jié)點(diǎn)上，邏輯上屬于同一系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)結(jié)點(diǎn)（也稱為“場地”）一般都是集中式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，由計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)庫和若干終端組成?！边@個(gè)定義強(qiáng)調(diào)了下面兩點(diǎn)：（1）分布性。數(shù)據(jù)庫中的設(shè)計(jì)不是存儲(chǔ)在同一場地上，更確切地講，不存儲(chǔ)在同一計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)設(shè)備上，這就可以和集中式數(shù)據(jù)庫相區(qū)別。（2）邏輯整體性。這些數(shù)據(jù)邏輯上是相互聯(lián)系的，是一個(gè)整體（邏輯上如同集中數(shù)據(jù)庫）。這就可以和分散在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)不同結(jié)點(diǎn)上的那些集中式數(shù)據(jù)庫和文件的集合相區(qū)別。后者各結(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)之間沒有內(nèi)在的邏輯聯(lián)系。因而，在分布式數(shù)據(jù)庫中就有全局?jǐn)?shù)據(jù)庫和局部數(shù)據(jù)庫這樣兩個(gè)概念。第11章系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

11.3分布式數(shù)據(jù)庫分布式數(shù)據(jù)庫應(yīng)具有的特點(diǎn)：1．?dāng)?shù)據(jù)獨(dú)立性2．集中與自治共享結(jié)合的控制方式3．適當(dāng)增加數(shù)據(jù)冗余度4．全局的一致性、可串行性和可恢復(fù)性第11章系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

11.3分布式數(shù)據(jù)庫11.3.2分布式數(shù)據(jù)庫的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分布式數(shù)據(jù)庫的系統(tǒng)模式見教材圖11-4，在圖11-4的模式結(jié)構(gòu)從整體上可以分為兩大部分：下部是集中式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的模式結(jié)構(gòu)，代表了各局部場地上局部數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)；上部式分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)增加的模式級別，其中包括：1．全局外模式(GlobalExternalSchema)

2．全局概念模式(GlobalConceptualSchema)3．分片模式(FragmentationSchema)4．分布模式(AllocationSchema)第11章系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

11.3分布式數(shù)據(jù)庫11．3．3數(shù)據(jù)分片將數(shù)據(jù)分片，使數(shù)據(jù)存放的單位事實(shí)關(guān)系而是片段，這既有利于按照用戶的需求較好地組織數(shù)據(jù)的分布，也有利于控制數(shù)據(jù)的冗余度。分片的方式有多種，水平分片和垂直分片是兩種基本的分片方式，混合分片和導(dǎo)出分片是較復(fù)雜的分片方式。水平分片是指按一定的條件將關(guān)系按行（水平方向）分為若干不相交的子集，每個(gè)子集為關(guān)系的一個(gè)片段。

垂直分片是指將關(guān)系按列（垂直方向）分為若干子集。垂直分片的諸片段必須能夠重構(gòu)原來的全局關(guān)系，即可以用連接的方法恢復(fù)原關(guān)系，因此垂直分片的諸片段通常都包含關(guān)系的碼。

第11章系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

11.3分布式數(shù)據(jù)庫導(dǎo)出分片是指導(dǎo)出水平分片，即水平分片的條件不是本身屬性的條件而是其他關(guān)系的屬性的條件。例如學(xué)生選課關(guān)系SC(Sno,Cno,Grade),若不是按照學(xué)號和課程號或成績的某類條件分片，而是按照學(xué)生年齡>18歲和≤18歲來分片，則這類分片稱為導(dǎo)出分片，可以用SQL語句來表達(dá)這兩個(gè)片段。年齡>18歲的學(xué)生選課片段SC_A-（Sno,Cno,Grade）由下面的查詢結(jié)果組成：SELECTSno,Cno,Grade

FROMS,SCWHERES.Sno=SC.SnoANDS.Sage>18;年齡≤18歲的片段SC_B由下面的查詢結(jié)果組成：SELECTSno,Cno,Grade

FROMS,SCWHERES.Sno=SC.SnoANDS.Sage≤18;第11章系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

11.3分布式數(shù)據(jù)庫混合分片是指按上述三種分片方式得到的片段繼續(xù)按另一種方式分片。例如，先按水平分片得到的某一片段再進(jìn)行垂直分片，或者按垂直分片得到的某一分片段又按水平分片方式繼續(xù)分為若干片段。無論哪種分片方式都應(yīng)滿足以下條件：（1）完全性。一個(gè)全局關(guān)系中的數(shù)據(jù)必須完全地劃分為若干片段，不允許某些數(shù)據(jù)屬于全局關(guān)系但不屬于任何一個(gè)片段。（2）不相交性。不允許一個(gè)全局關(guān)系地某些數(shù)據(jù)既屬于該全局關(guān)系的某一個(gè)片段又屬于該全局關(guān)系的另一個(gè)片段（垂直分片中的碼屬性除外）。（3）可重構(gòu)性。可以由片段重構(gòu)全局關(guān)系，對于垂直分片可以用連接操作重構(gòu)全局關(guān)系。第11章系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

11.3分布式數(shù)據(jù)庫11．3．4分布式數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)分布式數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（DistributedDataManagementSystem,D-DBMS）是建立、管理和維護(hù)分布式數(shù)據(jù)庫的一組軟件。D-DMBS由四部分組成：（1）LDBMS（LocalDBMS）,局部場地上的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，其功能是建立和管理局部數(shù)據(jù)庫，提供場地自治能力，執(zhí)行局部應(yīng)用及全局查詢的子查詢。（2）GDBMS（GlobalDBMS）,全局?jǐn)?shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，主要功能是提供分布透明性，協(xié)調(diào)全局事務(wù)的執(zhí)行，協(xié)調(diào)各局部DBMS以完成全局應(yīng)用，保證數(shù)據(jù)庫的全局一致性，執(zhí)行并發(fā)控制，實(shí)現(xiàn)更新同步，提供全局恢復(fù)功能等。（3）全局?jǐn)?shù)據(jù)字典（GlobalDataDirectory,GDD）,存放全局概念模式、分片模式、分布模式的定義以及各模式之間映像的定義，存放有關(guān)用戶存取權(quán)限的定義，以保證用戶的合法權(quán)限和數(shù)據(jù)庫的安全性，存放數(shù)據(jù)庫完整性約束條件的定義，其功能與集中式數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)庫字典類似。（4）通信管理（CommunicationManagement,CM）通信管理系統(tǒng)在分布式數(shù)據(jù)庫各場地之間傳遞消息和數(shù)據(jù)，完成通信功能。第11章系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

11.3分布式數(shù)據(jù)庫11.3.5分布式查詢處理分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中的查詢處理較集中式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)復(fù)雜，查詢優(yōu)化較集中數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)更重要，效果更顯著。絕大多數(shù)分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)都是關(guān)系型的，由于關(guān)系查詢的語義級別較高，為查詢優(yōu)化提供了可能。第11章系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

11.3分布式數(shù)據(jù)庫1．查詢處理和優(yōu)化要解決的問題分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中的三類查詢：局部查詢、遠(yuǎn)程查詢、全局查詢。局部查詢和遠(yuǎn)程查詢優(yōu)化采用的技術(shù)是集中式數(shù)據(jù)庫的查詢優(yōu)化技術(shù)(代數(shù)優(yōu)化和非代數(shù)優(yōu)化)。全局查詢處理和優(yōu)化將涉及多個(gè)結(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，因此查詢處理和優(yōu)化要復(fù)雜得多，是我們討論的主要內(nèi)容。為了執(zhí)行全局查詢和確定一個(gè)好的查詢處理策略，要做許多判斷和計(jì)算工作，但總體上可以分為三類：查詢分解、選擇操作執(zhí)行的次序、選擇執(zhí)行操作的方法。第11章系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

11.3分布式數(shù)據(jù)庫（1）查詢分解：對于全局查詢必須把它們分為若干子查詢，每個(gè)查詢只涉及某一結(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，可以由局部DBMS處理。在分布式數(shù)據(jù)庫中一個(gè)關(guān)系可分為若干邏輯片段，這些片段又可以在系統(tǒng)的多個(gè)結(jié)點(diǎn)上存放。所以，對一個(gè)查詢中所涉及的關(guān)系需要確定一個(gè)物理片段，選擇不同的物理片段執(zhí)行查詢操作會(huì)直接影響查詢執(zhí)行的效率。因此必須選擇查詢開銷最省的那些物理片段。（2）選擇操作執(zhí)行的次序:主要是確定連接和并操作的次序，其他的操作順序是不難確定的，例如選擇和投影操作總是應(yīng)盡量提前執(zhí)行。這個(gè)原則和集中數(shù)據(jù)庫中代數(shù)優(yōu)化的策略相同。但是，涉及不同的結(jié)點(diǎn)上關(guān)系的連接和并操作的次序是必須認(rèn)真考慮的。（3）選擇執(zhí)行操作的方法：這包括將若干操作組合在對數(shù)據(jù)庫的一次存取中執(zhí)行，選擇可用的存取路徑，以及選擇某一種算法等問題。連接是查詢種最費(fèi)時(shí)的操作，因此連接的執(zhí)行方法是研究的重點(diǎn)，在分布式數(shù)據(jù)庫中提出了半連接的方法。第11章系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

11.3分布式數(shù)據(jù)庫2．查詢優(yōu)化的目標(biāo)無論是在集中式數(shù)據(jù)庫中還是在分布式數(shù)據(jù)庫中一個(gè)查詢處理策略的選擇都是以執(zhí)行查詢的預(yù)期代價(jià)為依據(jù)的。不同的只是構(gòu)成一個(gè)查詢代價(jià)的主要因素在兩類系統(tǒng)中不完全一樣。集中式數(shù)據(jù)庫的查詢開銷主要是：I/O代價(jià)+CPU代價(jià)。而分布式數(shù)據(jù)庫的查詢開銷主要是：I/O代價(jià)+CPU代價(jià)+通信代價(jià)。對于分布式數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)傳輸代價(jià)應(yīng)區(qū)分不同情況考慮。在遠(yuǎn)程通信網(wǎng)和數(shù)據(jù)傳輸率較低的系統(tǒng)中，通信代價(jià)可能會(huì)比查詢執(zhí)行中的I/O及CPU代價(jià)大得多，因而作為首要的優(yōu)化目標(biāo)來考慮。在局域網(wǎng)且傳輸效率高的系統(tǒng)中，通信代價(jià)和局部處理的開銷差不多，此時(shí)就應(yīng)在優(yōu)化中將它們平等對待。第11章系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

11.3分布式數(shù)據(jù)庫查詢優(yōu)化首要目標(biāo)：通信代價(jià)最省通信代價(jià)可以用下面的公式粗略計(jì)算：

TC(X)＝C0+X*C1X：數(shù)據(jù)傳輸量，這里以b(位)為單位計(jì)算；C0：兩結(jié)點(diǎn)之間初始化一次傳輸所花費(fèi)的開銷，它由通信系統(tǒng)決定，近似為一個(gè)常數(shù)，單位為s(秒)；C1：單位數(shù)據(jù)(b)傳輸?shù)拇鷥r(jià)，單位為(s/b)。20第11章系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

11.4主動(dòng)數(shù)據(jù)庫

主動(dòng)數(shù)據(jù)庫是相對傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的被動(dòng)性而言的。在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，當(dāng)用戶要對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行存取時(shí)，只能通過執(zhí)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫命令或應(yīng)用程序來實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)庫本身不會(huì)根據(jù)數(shù)據(jù)庫的狀態(tài)主動(dòng)做些什么，因而是被動(dòng)的。

所謂主動(dòng)數(shù)據(jù)庫就是除了完成一切傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的服務(wù)外，還具有各種主動(dòng)服務(wù)功能的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。主動(dòng)數(shù)據(jù)庫的目標(biāo)旨在提供對緊急情形及時(shí)反應(yīng)的功能，同時(shí)又提高數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的模塊化程度。第11章系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

11.4主動(dòng)數(shù)據(jù)庫一般的方法是在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中嵌入ECA規(guī)則，即事件－條件－動(dòng)作（Event－Condition－Action）。ECA規(guī)則可以表示為以下形式：WHEN<事件>IF<條件>THEN<動(dòng)作>（或后跟一組IF-THEN規(guī)則）系統(tǒng)提供一個(gè)“自動(dòng)監(jiān)視”機(jī)構(gòu)（一般可以是一個(gè)直接由操作系統(tǒng)控制的獨(dú)立進(jìn)程或某種硬件設(shè)施等），它主動(dòng)地不時(shí)地檢查著這些規(guī)則中包含的各種事件是否已經(jīng)發(fā)生，一旦某事件被發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)就主動(dòng)觸發(fā)執(zhí)行相應(yīng)的IF-THEN規(guī)則（或規(guī)則組）。第11章系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

11.4主動(dòng)數(shù)據(jù)庫為了有效地支持ECA規(guī)則，在主動(dòng)數(shù)據(jù)庫中需要有以下實(shí)現(xiàn)技術(shù)的支持：1．知識(shí)模型所謂知識(shí)模型是指在主動(dòng)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)中描述、存儲(chǔ)、管理ECA規(guī)則的方法。2．執(zhí)行模型執(zhí)行模型指ECA規(guī)則的處理、執(zhí)行方式，包括ECA規(guī)則中事件—條件、條件—?jiǎng)幼髦g各種耦合方式及其語義描述，規(guī)則的動(dòng)作和用戶事務(wù)的關(guān)系。執(zhí)行模型是對傳統(tǒng)事務(wù)模型的發(fā)展和擴(kuò)充。3．條件檢測主動(dòng)數(shù)據(jù)庫中條件檢測是系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。主動(dòng)數(shù)據(jù)庫中條件復(fù)雜，可以是動(dòng)態(tài)的條件、多重條件、交叉條件。所謂交叉是指條件可以互相覆蓋，即其中某些子條件可以屬于其他主條件。因此高效地對條件求值是系統(tǒng)的目標(biāo)之一。第11章系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

11.4主動(dòng)數(shù)據(jù)庫4．事務(wù)調(diào)度在主動(dòng)數(shù)據(jù)庫中，對事務(wù)的調(diào)度不僅要滿足并發(fā)環(huán)境下的可串化要求而且要滿足對事務(wù)時(shí)間方面的要求。5．體系結(jié)構(gòu)主動(dòng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)應(yīng)該是具有高