分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)2024前言 隨著傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫技術(shù)日趨成熟、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展和應(yīng)用范圍的擴(kuò)充，數(shù)據(jù)庫應(yīng)用已經(jīng)普遍建立于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)之上。這時(shí)集中式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)表現(xiàn)出它的不足：數(shù)據(jù)按實(shí)際需要已在網(wǎng)絡(luò)上分布存儲(chǔ)，再采用集中式處理，勢(shì)必造成通信開銷大；應(yīng)用程序集中在一臺(tái)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，一旦該計(jì)算機(jī)發(fā)生故障，則整個(gè)系統(tǒng)受到影響，可靠性不高；集中式處理引起系統(tǒng)的規(guī)模和配置都不夠靈活，系統(tǒng)的可擴(kuò)充性差。在這種形勢(shì)下，集中式DB的“集中計(jì)算”概念向“分布計(jì)算”概念發(fā)展。分布計(jì)算主要體現(xiàn)在客戶機(jī)／服務(wù)器模式和分布式數(shù)據(jù)庫體系結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面。本章將分別介紹這兩種技術(shù)。11.1集中計(jì)算與分布計(jì)算（一）“集中計(jì)算”概念11.1集中計(jì)算與分布計(jì)算（二）“分布計(jì)算”概念處理分布數(shù)據(jù)分布功能分布11.1集中計(jì)算與分布計(jì)算（三）客戶機(jī)／服務(wù)器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)11.2.1C/S系統(tǒng)的計(jì)算模式C／S結(jié)構(gòu)的工作模式C／S環(huán)境下應(yīng)用成分的分布C／S主要技術(shù)特征11.2.2C／S系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)服務(wù)器客戶機(jī)中間件11.2.3C／S結(jié)構(gòu)的演變（一）兩層C／S結(jié)構(gòu)11.2.3C／S結(jié)構(gòu)的演變（二）三層C／S結(jié)構(gòu)11.2.3C／S結(jié)構(gòu)的演變（三）多層C／S結(jié)構(gòu)11.2.4網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的類型DB服務(wù)器文件服務(wù)器事務(wù)服務(wù)器文檔服務(wù)器Web服務(wù)器電子郵件服務(wù)器其他應(yīng)用服務(wù)器11.3分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概述 隨著傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫技術(shù)日趨成熟、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展和應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，以分布式為主要特征的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的研究與開發(fā)受到人們的注意。分布式數(shù)據(jù)庫是數(shù)據(jù)庫技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，在數(shù)據(jù)庫領(lǐng)域已形成一個(gè)分支。分布式數(shù)據(jù)庫的研究始于20世紀(jì)70年代中期。世界上第一個(gè)分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)SDD-1是由美國計(jì)算機(jī)公司（CCA）于1979年在DEC計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)。20世紀(jì)90年代以來，分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)進(jìn)入商品化應(yīng)用階段，傳統(tǒng)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品均發(fā)展成以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及多任務(wù)操作系統(tǒng)為核心的分布式數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品，同時(shí)分布式數(shù)據(jù)庫逐步向客戶機(jī)／服務(wù)器模式發(fā)展。11.3.1從集中式、分散式到分布式隨著數(shù)據(jù)庫應(yīng)用的不斷發(fā)展，規(guī)模的不斷擴(kuò)大，逐漸感覺到集中式系統(tǒng)也有不便之處。如大型DBS的設(shè)計(jì)和操作都比較復(fù)雜，系統(tǒng)顯得不靈活并且安全性也較差。因此，采用將數(shù)據(jù)分散的方法，把數(shù)據(jù)庫分成多個(gè)，建立在多臺(tái)計(jì)算機(jī)上，這種系統(tǒng)稱為分散式系統(tǒng)。在這種系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)庫的管理、應(yīng)用程序的研制等都是分開并相互獨(dú)立，它們之間不存在數(shù)據(jù)通信聯(lián)系。由于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信的發(fā)展，有可能把分散在各處的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)通信連接起來，這樣形成的系統(tǒng)稱為分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)（DDBS）。DDBS兼有集中式和分散式的優(yōu)點(diǎn)。這種系統(tǒng)有多臺(tái)計(jì)算機(jī)組成，各計(jì)算機(jī)之間由通信網(wǎng)絡(luò)相互連系著。11.3.2DDBS的定義分布式系統(tǒng)是用通信網(wǎng)絡(luò)連接起來的結(jié)點(diǎn)（亦稱為“場(chǎng)地”）的集合，每個(gè)結(jié)點(diǎn)都是擁有集中式數(shù)據(jù)庫的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。定義9.1DDBS是物理上分散邏輯上集中的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)分布存放在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的不同場(chǎng)地的計(jì)算機(jī)中，每一場(chǎng)地都有自治處理（即獨(dú)立處理）能力并能完成局部應(yīng)用，而每一場(chǎng)地也參與（至少一種）全局應(yīng)用，程序通過網(wǎng)絡(luò)通信子系統(tǒng)執(zhí)行全局應(yīng)用。定義9.2DDB是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中各場(chǎng)地上數(shù)據(jù)庫的邏輯集合。定義9.3DDBMS是DDBS中的一組軟件，它負(fù)責(zé)管理分布環(huán)境下邏輯集成數(shù)據(jù)的存取、一致性和完備性。11.3.3DDBS的特點(diǎn)DDBS的基本特點(diǎn)物理分布性：數(shù)據(jù)不是存儲(chǔ)在一個(gè)場(chǎng)地上，而是存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的多個(gè)場(chǎng)地上。邏輯整體性：數(shù)據(jù)物理分布在各個(gè)場(chǎng)地，但邏輯上是一個(gè)整體，它們被所有用戶（全局用戶）共享，并由一個(gè)DDBMS統(tǒng)一管理。場(chǎng)地自治性：各場(chǎng)地上的數(shù)據(jù)由本地的DBMS管理，具有自治處理能力，完成本場(chǎng)地的應(yīng)用（局部應(yīng)用）。場(chǎng)地之間協(xié)作性：各場(chǎng)地雖然具有高度的自治性，但是又相互協(xié)作構(gòu)成一個(gè)整體。11.3.3DDBS的特點(diǎn)DDBS的其他特點(diǎn)數(shù)據(jù)獨(dú)立性集中與自治相結(jié)合的控制機(jī)制適當(dāng)增加數(shù)據(jù)冗余度事務(wù)管理的分布性11.3.3DDBS的特點(diǎn)DDBS的優(yōu)點(diǎn)具有靈活的體系結(jié)構(gòu)適應(yīng)分布式的管理和控制機(jī)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性能優(yōu)越系統(tǒng)的可靠性高、可用性好局部應(yīng)用的響應(yīng)速度快可擴(kuò)展性好，易于集成現(xiàn)有的系統(tǒng)11.3.3DDBS的特點(diǎn)DDBS的缺點(diǎn)系統(tǒng)開銷較大，主要花在通信部分。復(fù)雜的存取結(jié)構(gòu)（如輔助索引、文件的鏈接技術(shù)），在集中式DBS中是有效存取數(shù)據(jù)的重要技術(shù)，但在分布式系統(tǒng)中不一定有效。數(shù)據(jù)的安全性和保密性較難處理。11.3.4DDBS的分類同構(gòu)同質(zhì)型DDBS：各個(gè)場(chǎng)地都采用同一類型的數(shù)據(jù)模型（譬如都是關(guān)系型），并且是同一型號(hào)的DBMS。同構(gòu)異質(zhì)型DDBS：各個(gè)場(chǎng)地采用同一類型的數(shù)據(jù)模型，但是DBMS的型號(hào)不同，譬如DB2、ORACLE、SYBASE、SQLServer等。異構(gòu)型DDBS：各個(gè)場(chǎng)地的數(shù)據(jù)模型的型號(hào)不同，甚至類型也不同。隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，異種機(jī)聯(lián)網(wǎng)問題已經(jīng)得到較好的解決，此時(shí)依靠異構(gòu)型DDBS就能存取全網(wǎng)中各種異構(gòu)局部庫中的數(shù)據(jù)。11.4.1數(shù)據(jù)分片水平分片：按一定的條件把全局關(guān)系的所有元組劃分成若干不相交的子集，每個(gè)子集為關(guān)系的一個(gè)片段。垂直分片：把一個(gè)全局關(guān)系的屬性集分成若干子集，并在這些子集上作投影運(yùn)算，每個(gè)投影稱為垂直分片。導(dǎo)出分片：又稱為導(dǎo)出水平分片，即水平分片的條件不是本關(guān)系屬性的條件，而是其他關(guān)系屬性的條件?；旌戏制阂陨先N方法的混合?？梢韵人椒制俅怪狈制蛳却怪狈制偎椒制?，或其他形式，但他們的結(jié)果是不相同的。11.4.1數(shù)據(jù)分片完備性條件：必須把全局關(guān)系的所有數(shù)據(jù)映射到片段中，決不允許有屬于全局關(guān)系的數(shù)據(jù)卻不屬于它的任何一個(gè)片段?？芍貥?gòu)條件：必須保證能夠由同一個(gè)全局關(guān)系的各個(gè)片段來重建該全局關(guān)系。對(duì)于水平分片可用并操作重構(gòu)全局關(guān)系；對(duì)于垂直分片可用聯(lián)接操作重構(gòu)全局關(guān)系。不相交條件：要求一個(gè)全局關(guān)系被分割后所得的各個(gè)數(shù)據(jù)片段互不重疊（對(duì)垂直分片的主鍵除外）。11.4.2數(shù)據(jù)分配集中式：所有數(shù)據(jù)片段都安排在同一個(gè)場(chǎng)地上。分割式：所有數(shù)據(jù)只有一份，它被分割成若干邏輯片段，每個(gè)邏輯片段被指派在一個(gè)特定的場(chǎng)地上。全復(fù)制式：數(shù)據(jù)在每個(gè)場(chǎng)地重復(fù)存儲(chǔ)。也就是每個(gè)場(chǎng)地上都有一個(gè)完整的數(shù)據(jù)副本?；旌鲜剑哼@是一種介乎于分割式和全復(fù)制式之間的分配方式。11.5分布式數(shù)據(jù)庫的體系結(jié)構(gòu)11.5.1體系結(jié)構(gòu)全局外模式全局概念模式分片模式分配模式局部概念模式局部?jī)?nèi)模式11.5.1體系結(jié)構(gòu)11.5.1體系結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)分片和數(shù)據(jù)分配概念的分離，形成了“數(shù)據(jù)分布獨(dú)立型”概念。數(shù)據(jù)冗余的顯式控制。數(shù)據(jù)在各個(gè)場(chǎng)地的分配情況在分配模式中一目了然，便于系統(tǒng)管理。局部DBMS的獨(dú)立性。這個(gè)特征也稱為“局部映射透明性”。此特征允許我們?cè)诓豢紤]局部DBMS專用數(shù)據(jù)模型的情況下，研究DDB管理的有關(guān)問題。11.5.2分布透明性11.5.2分布透明性分片透明性位置透明性局部數(shù)據(jù)模型透明性11.5.3分布式數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)DDBS的組成框架11.5.3分布式數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)接受用戶請(qǐng)求，并判定把它送到哪里，或必須訪問哪些計(jì)算機(jī)才能滿足該要求。訪問網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)字典，了解如何請(qǐng)求和使用其中的信息。如果目標(biāo)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于系統(tǒng)的多個(gè)計(jì)算機(jī)上，就必須進(jìn)行分布式處理。通信接口功能。在用戶、局部DBMS和其他計(jì)算機(jī)的DBMS之間進(jìn)行協(xié)調(diào)。在一個(gè)異構(gòu)型分布式處理環(huán)境中，還需提供數(shù)據(jù)和進(jìn)程移植的支持。這里的異構(gòu)型是指各個(gè)場(chǎng)地的硬件、軟件之間存在著差別。11.5.3分布式數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)11.6.3基于半聯(lián)接的優(yōu)化策略數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中傳輸時(shí)，都是以整個(gè)關(guān)系（也可以是片段）傳輸，顯然這是一種冗余的方法。在一個(gè)關(guān)系傳輸?shù)搅硪粓?chǎng)地后，并非每個(gè)數(shù)據(jù)都參與聯(lián)接操作或都有用。因此，不參與聯(lián)接的數(shù)據(jù)或無用的數(shù)據(jù)不必在網(wǎng)絡(luò)中來回傳輸。這個(gè)思想引出了基于半聯(lián)接的優(yōu)化策略。這個(gè)方法的基本原理是采用半聯(lián)接操作，在網(wǎng)絡(luò)中只傳輸參與聯(lián)接的數(shù)據(jù)。11.6.3基于半聯(lián)接的優(yōu)化策略 假設(shè)關(guān)系R在場(chǎng)地1，關(guān)系S在場(chǎng)地2，在場(chǎng)地2需要獲得R?S的結(jié)果。如果在場(chǎng)地2直接計(jì)算R?S的值，那么需要先把關(guān)系R從場(chǎng)地1傳輸?shù)綀?chǎng)地2，其執(zhí)行示意圖見圖9.16。顯然，傳輸R的數(shù)據(jù)量較大。 可以采用半聯(lián)接方法計(jì)算聯(lián)接操作的值。方法如下(設(shè)R和S的公共屬性為B)：R?S=（R?πB（S））?S=（R?S）?S。等式右邊的式子稱為“半聯(lián)接程序”。11.6.3基于半聯(lián)接的優(yōu)化策略

11.6.4基于聯(lián)接的優(yōu)化方法兩個(gè)關(guān)系在同一場(chǎng)地嵌套循環(huán)法：順序掃描外層關(guān)系R，對(duì)R的每一個(gè)元組掃描內(nèi)層關(guān)系S，查找在聯(lián)接屬性上一致的元組，把匹配的元組組合起來使之成為聯(lián)接結(jié)果的一部分。這種方法要求掃描一次關(guān)系R和掃描card（R）次關(guān)系S（可見S的元組越少越好），以查找匹配的元組。排序掃描法：先把兩個(gè)關(guān)系按聯(lián)接屬性進(jìn)行排序，然后按照聯(lián)接屬性值的順序掃描這兩個(gè)關(guān)系，使匹配的元組成為聯(lián)接結(jié)果的一部分。這種方法對(duì)兩個(gè)關(guān)系都只掃描了一次。但增加了排序代價(jià)。11.6.4基于聯(lián)接的優(yōu)化方法兩個(gè)關(guān)系在不同場(chǎng)地整體傳輸：若有聯(lián)接操作R?S，R為外層關(guān)系，S為內(nèi)層關(guān)系。如果傳送的是內(nèi)層關(guān)系S，則在目的地必須把它存入一個(gè)臨時(shí)關(guān)系中（因?yàn)镾將被多次掃描，但傳輸量少）。如果傳送的是外層關(guān)系R，則內(nèi)層關(guān)系S可直接使用依次到來的R元組，而無需保存R（但傳輸量大）。按需傳輸：只傳輸所需聯(lián)接的元組，一次一個(gè)元組，無需臨時(shí)存儲(chǔ)器。因?yàn)槊看翁崛《家蠼粨Q一次信息，所以傳輸代價(jià)較高，只有在高速局部網(wǎng)絡(luò)中才是合理的。11.7.1DDB中的問題數(shù)據(jù)項(xiàng)的多拷貝問題：由于DDB存在著冗余，有可能一個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在多個(gè)場(chǎng)地，因此并發(fā)控制方法和恢復(fù)方法都應(yīng)保證這些拷貝間的一致性。單個(gè)場(chǎng)地的故障：當(dāng)系統(tǒng)中一個(gè)或多個(gè)場(chǎng)地發(fā)生故障時(shí)，DDBMS應(yīng)當(dāng)繼續(xù)和其他正在運(yùn)行的場(chǎng)地一起工作。當(dāng)一個(gè)場(chǎng)地得到恢復(fù)時(shí)，它的局部數(shù)據(jù)庫必須在它與系統(tǒng)重連接之前保持和其他場(chǎng)地同步。通訊網(wǎng)絡(luò)的故障：系統(tǒng)必須有能力處理一個(gè)或多個(gè)連接場(chǎng)地的通訊故障。這個(gè)問題的極端情況是發(fā)生網(wǎng)絡(luò)分割，即將網(wǎng)絡(luò)分割成若干分區(qū)，每個(gè)分區(qū)內(nèi)的場(chǎng)地可以相互通訊，而不同分區(qū)內(nèi)的場(chǎng)地不能通訊。分布式提交：如果某些場(chǎng)地在提交過程中發(fā)生故障時(shí)，提交用于訪問存儲(chǔ)在多個(gè)場(chǎng)地?cái)?shù)據(jù)庫的事務(wù)時(shí)也會(huì)產(chǎn)生問題。分布式死鎖：死鎖可能會(huì)在若干場(chǎng)地中發(fā)生，處理死鎖的技術(shù)必須要擴(kuò)充以考慮這種情況。11.7.2基于數(shù)據(jù)項(xiàng)識(shí)別拷貝的分布式并發(fā)控制主場(chǎng)地技術(shù)有備份場(chǎng)地的主場(chǎng)地技術(shù)主拷貝技術(shù)有備份場(chǎng)地的主拷貝技術(shù)發(fā)生故障時(shí)選擇一個(gè)新的協(xié)調(diào)者場(chǎng)地技術(shù)11.8.3基于投票方法的分布式并發(fā)控制在投票方法中，沒有識(shí)別拷貝，而封鎖請(qǐng)求被發(fā)送到所有包含該數(shù)據(jù)項(xiàng)拷貝的場(chǎng)地上。每個(gè)拷貝維護(hù)它自己的鎖并且可以授予或拒絕封鎖。如果一個(gè)請(qǐng)求封鎖的事務(wù)被大多數(shù)的拷貝授予鎖的話，它將持有該鎖并告知所有的拷貝它已經(jīng)獲得鎖。如果一個(gè)事務(wù)在給定的間隔時(shí)間段中沒有獲得授予它鎖的大部分投票的話，它將取消它的請(qǐng)求并把取消決定告知所有的場(chǎng)地。投票方法被認(rèn)為是真正的分布式并發(fā)控制方法，因?yàn)闆Q策的職責(zé)駐留在所有涉及到的場(chǎng)地上。經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明，投票方法在場(chǎng)地間產(chǎn)生的信息通信量比識(shí)別拷貝方法產(chǎn)生的要高。如果算法要考慮投票過程中可能的場(chǎng)地故障時(shí)，它就會(huì)變得很復(fù)雜了。小結(jié)“分布計(jì)算”概念突破了集中式DBS的框架，數(shù)據(jù)分布使系統(tǒng)走上分布式DB的道路，功能分布使系統(tǒng)走上C／S道路。這是DBS的兩個(gè)發(fā)展。C／S系統(tǒng)包括一個(gè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，通常用一個(gè)局域網(wǎng)連結(jié)。幾乎在所有情況下，客戶機(jī)都是微機(jī)；服務(wù)器有時(shí)用小型機(jī)或大型機(jī)，但多數(shù)情況下也使用微機(jī)或高檔微機(jī)。應(yīng)用程序在客戶機(jī)上處理，DBMS和OS的數(shù)據(jù)管理分放在服務(wù)器上。小結(jié)C／S結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了從兩層、三層到多層的演變過程?？偟内厔?shì)是使客戶機(jī)越來越“瘦”，變成瀏覽器；而服務(wù)器的種類越來越多，容易實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的組裝。C／S系統(tǒng)使應(yīng)用與用戶更加貼近，為用戶提供較好的性能和更復(fù)雜的界面。分布式系統(tǒng)是在集中式系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。DDB是數(shù)據(jù)庫技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，DDBS日趨成為數(shù)據(jù)庫領(lǐng)域的主流方向。小結(jié)DDB具有數(shù)據(jù)分布性和邏輯整體性的特點(diǎn)。DDBS能夠支持涉及多個(gè)場(chǎng)地的全局應(yīng)用。DDB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)有數(shù)據(jù)分片和數(shù)據(jù)分配兩種策略。DDB的模式結(jié)構(gòu)為理解DDBS提供了一種通用的概念結(jié)構(gòu)。分布透明性是