分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

第11章分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)1.本章主要內(nèi)容（1）分布計(jì)算的三種形式：處理分布，數(shù)據(jù)分布，功能分布。（2）C/S系統(tǒng)，工作模式，技術(shù)特征，體系結(jié)構(gòu)，兩層、三層、多層C/S結(jié)構(gòu)。（3）DDBS的定義、特點(diǎn)、優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)和分類；分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的兩種形式（分片和分配）。（4）DDB的體系結(jié)構(gòu)：六層模式，分布透明性的三個(gè)層次，DDBS的組成，DDBMS的功能和組成。（5）分布式查詢處理的查詢代價(jià)，基于半聯(lián)接的優(yōu)化策略，基于聯(lián)接的優(yōu)化策略。（6）分布式數(shù)據(jù)庫的并發(fā)控制和恢復(fù)中出現(xiàn)的問題，以及處理機(jī)制。

2.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)。3.11.1集中計(jì)算與分布計(jì)算（一）“集中計(jì)算”概念4.11.1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5.11.1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)6.11.2.1C/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7.11.2.2C／S系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)服務(wù)器客戶機(jī)中間件8.11.2.3C／S結(jié)構(gòu)的演變（一）兩層C／S結(jié)構(gòu)9.11.2.3C／S結(jié)構(gòu)的演變（二）三層C／S結(jié)構(gòu)10.11.2.3C／S結(jié)構(gòu)的演變（三）多層C／S結(jié)構(gòu)11.11.2.4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12.11.3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。13.11.3.1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)相互連接著。14.11.3.2DDBS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11.1DDBS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)的不同場地的計(jì)算機(jī)中，每一場地都有自治處理（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11.2DDB是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中各場地上數(shù)據(jù)庫的邏輯集合。定義11.3DDBMS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。15.11.3.3DDBS的特點(diǎn)和優(yōu)缺點(diǎn)（一）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)場地上，而是存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的多個(gè)場地上。邏輯整體性：數(shù)據(jù)物理分布在各個(gè)場地，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。場地自治性：各場地上的數(shù)據(jù)由本地的DBMS管理，具有自治處理能力，完成本場地的應(yīng)用（局部應(yīng)用）。場地之間協(xié)作性：各場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。

16.11.3.3DDBS的特點(diǎn)和優(yōu)缺點(diǎn)（二）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17.11.3.3DDBS的特點(diǎn)和優(yōu)缺點(diǎn)（三）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)18.11.3.3DDBS的特點(diǎn)和優(yōu)缺點(diǎn)（四）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。19.11.3.4DDBS的分類同構(gòu)同質(zhì)型DDBS：

各個(gè)場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)。20.11.4.1數(shù)據(jù)分片（一）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。混合分片以上三種方法的混合。可以先水平分片再垂直分片，或先垂直分片再水平分片，或其他形式，但他們的結(jié)果是不相同的。21.11.4.1數(shù)據(jù)分片（二）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）。22.水平分片事例

例:下圖所示的工程管理數(shù)據(jù)庫事例中關(guān)系PROJ按工程所在地LOC屬性值進(jìn)行劃分。其水平分片為：PROJ1＝σLOC＝”Montreal”（PROJ）PROJ2＝σLOC＝”NewYork”（PROJ）PROJ3＝σLOC＝”Paris”（PROJ）其水平劃分的分片如圖所示。

PNOPNAMEBUDGETLOCP1Instrumentation150000MontrealP2DatabaseDevelop.135000NewYorkP3CAD/CAM250000NewYorkP4Maintenance310000ParisPROJPROJ1PNOPNAMEBUDGETLOCP1Instrumentation150000MontrealPROJ2PNOPNAMEBUDGETLOCP2DatabaseDevelop.135000NewYorkP3CAD/CAM250000NewYorkPNOPNAMEBUDGETLOCP4Maintenance310000ParisPROJ323.垂直分片事例

例:工程管理數(shù)據(jù)庫事例中關(guān)系PROJ(PNO,PNAME,BUDGET,LOC)劃分成兩個(gè)子關(guān)系：一個(gè)包括工程預(yù)算信息，即對(duì)BUDGET屬性感興趣；一個(gè)包括工程信息，對(duì)PNAME、LOC屬性感興趣。為了保證劃分后重構(gòu)，可將PNO作為公共屬性分別包括在這二個(gè)分片中。這樣PROJ可劃分為：

PROJ1＝ΠPNO,BUDGET（PROJ）PROJ2＝ΠPNO,PNAME,LOC（PROJ）其垂直劃分的分片如圖所示。PROJ1PNOBUDGETP1150000P2135000P3250000P4310000PROJ2PNOPNAMELOCP1InstrumentationMontrealP2DatabaseDevelop.NewYorkP3CAD/CAMNewYorkP4MaintenanceParisPNOPNAMEBUDGETLOCP1Instrumentation150000MontrealP2DatabaseDevelop.135000NewYorkP3CAD/CAM250000NewYorkP4Maintenance310000ParisPROJ

24.誘導(dǎo)分片事例

例:工程管理數(shù)據(jù)庫事例中關(guān)系PROJ按工程所在地LOC屬性值進(jìn)行水平劃分為：PROJ1＝σLOC＝”Montreal”（PROJ）PROJ2＝σLOC＝”NewYork”（PROJ）PROJ3＝σLOC＝”Paris”（PROJ）則使有關(guān)聯(lián)的ASG產(chǎn)生誘導(dǎo)劃分，其誘導(dǎo)分片為：

ASG1＝ASG?PROJ1＝ASG?σLOC＝”Montreal”（PROJ）＝∏ENO,PNO,DESP,DUR(ASG?σLOC＝”Montreal”（PROJ）)=ASG?(∏PNO（σLOC＝”Montreal”（PROJ））同理：ASG2＝ASG?PROJ2＝∏ENO,PNO,DESP,DUR(ASG?σLOC＝”NewYork”(PROJ))ASG3＝ASG?PROJ2＝＝∏ENO,PNO,DESP,DUR(ASG?σLOC＝”Paris”(PROJ))其誘導(dǎo)劃分的分片如圖所示。

25.PNOPNAMEBUDGETLOCP1Instrumentation150000MontrealP2DatabaseDevelop.135000NewYorkP3CAD/CAM250000NewYorkP4Maintenance310000ParisPROJASGENOPNODESPDURE1P1Manager12E2P1Analyst24E2P2Analyst6E3P3Consultant10E3P4Engineer48E4P2Programmer18E5P2Manager24E6P4Manager48E7P3Engineer36E8P3Manager40

ASG1ENOPNODESPDURE1P1Manager12E2P1Analyst24ENOPNODESPDURE2P2Analyst6E3P3Consultant10E4P2Programmer18E5P2Manager24E7P3Engineer36E8P3Manager40ASG2ENOPNODESPDURE3P4Engineer48E6P4Manager48ASG3PROJ1PNOPNAMEBUDGETLOCP1Instrumentation150000MontrealPROJ2PNOPNAMEBUDGETLOCP2DatabaseDevelop.135000NewYorkP3CAD/CAM250000NewYorkPNOPNAMEBUDGETLOCP4Maintenance310000ParisPROJ326.混合分片事例

PROJ1PNOBUDGETP1150000P2135000P3250000P4310000(a)先垂直分片PNOPNAMEBUDGETLOCP1Instrumentation150000MontrealP2DatabaseDevelop.135000NewYorkP3CAD/CAM250000NewYorkP4Maintenance310000Paris全局關(guān)系PROJPROJ2PROJ3PROJ4(b)后水平分片PNOPNAMELOCP1InstrumentationMontrealPNOPNAMELOCP2DatabaseDevelop.NewYorkP3CAD/CAMNewYorkPNOPNAMELOCP4MaintenanceParis27.混合分片重構(gòu)

關(guān)系R的混合分片RR1R2R11R12R21R23HHVR22VVVV∪?R11R12R21R23R22?

關(guān)系R的重構(gòu)

28.11.4.2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)特定的場地上。全復(fù)制式數(shù)據(jù)在每個(gè)場地重復(fù)存儲(chǔ)。也就是每個(gè)場地上都有一個(gè)完整的數(shù)據(jù)副本。混合式這是一種介乎于分割式和全復(fù)制式之間的分配方式。29.11.5分布式數(shù)據(jù)庫的體系結(jié)構(gòu)30.11.5.1體系結(jié)構(gòu)（一）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內(nèi)部式31.11.5.1體系結(jié)構(gòu)（二）32.11.5.1體系結(jié)構(gòu)（三）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”。此特征允許我們在不考慮局部DBMS專用數(shù)據(jù)模型的情況下，研究DDB管理的有關(guān)問題。33.11.5.2分布透明性（一）34.11.5.2分布透明性（二）分片透明性位置透明性局部數(shù)據(jù)模型透明性35.11.5.3分布式數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（一）DDBS的組成框架36.11.5.3分布式數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（二）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)場地的硬件、軟件之間存在著差別。37.11.5.3分布式數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（三）38.11.5.4基于半聯(lián)接的優(yōu)化策略（一）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)搅硪粓龅睾?，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)。39.11.5.4基于半聯(lián)接的優(yōu)化策略（二） 假設(shè)關(guān)系R在場地1，關(guān)系S在場地2，在場地2需要獲得R?S的結(jié)果。如果在場地2直接計(jì)算R?S的值，那么需要先把關(guān)系R從場地1傳輸?shù)綀龅?，其執(zhí)行示意圖見圖11.16。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”。40.11.5.4基于半聯(lián)接的優(yōu)化策略（三）

?

?

?

?

41.本章小結(jié)（一）“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