（测试计量技术及仪器专业论文）面向体系仿真的异构数据库及通用集成环境的研究.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 随着分布交互仿真d i s 和高层体系结构h l a 的出现，计算机仿真从单一 的仿真系统走向综合的、网络分布的仿真环境。各仿真系统在计算机设备及接 口、数据库系统、网络操作系统、开发工具等方面产生了异构，给交互仿真系 统资源的共享带来了困难。因此，研究面向体系仿真的异构数据库的集成具有 重要意义。 论文结合体系仿真的应用，探讨了数据库系统产生异构的主要原因、异构 数据库集成的内容和方法以及异构数据库集成的关键技术；构造了具有三层c s 结构的分布计算模式的异构仿真系统的集成体系结构，该体系结构将业务逻辑 放在中间层的应用服务器上；研究了基于组件技术的联邦数据库模式，实现了 分布式异构数据库的信息集成和数据访问，并将系统功能模块封装为组件，方 便了各成员仿真系统的调用和组件发布，该异构系统具有良好的可重构性。 以a b e _ c i m s 示范工程f c s c i m s 为例，实现了一个基于仿真系统的异构 数据库集成通用交互环境( 简称，h d b s u i e ) 。该环境为用户提供了动态注册 和注销成员数据库及对各成员数据库进行维护的平台，实现用户对不同的异构 数据库进行完全透明的访问和操作；提供了动态创建、修改联邦集成模式和联 邦属性映射的功能，使用户可同时查询不同的集成信息。该通用交互环境的实 现验证了本文所研究技术的可行性。 关键字：体系仿真；分布式异构数据库；联邦数据库集成模式；三层体系结构 面向体系仿真的异构数据库及通用集成环境的研究 a b s t r a c t w i t ht h ea p p e a r a n c eo f d i sa n d h l a ，c o m p u t e r s i m u l a t i o ng r o w sf r o m s i n g l e s i m u l a t i o ns y s t e m st os y n t h e t i c a la n dn e t w o r kd i s t r i b u t e ds i m u l a t i o n a le n v i r o n m e n t a l m o s ta l ls i m u l a t i o ns y s t e m s b r i n gh e t e r o g e n e i t yi nc o m p u t e r h a r d w a r ea n di n t e r f a c e ，d b m s ，n e t w o r k o s ，d e v e l o p m e n t t o o l se t c ，m a k e st h ed i f f i c u l t i e si nr e s o u r c e s h a r i n go f a l li n t e r a c t i v es i m u l a t i o ns y s t e m s i nv i e wo f t h es i m u l a t i o n a p p l i c a t i o n i nm i l i t a r ya f f a i r s ，h e t e r o g e n e i t yo f d b m s ， i n t e g r a t i o no fh e t e r o g e n e o u s d a m b a s ea n d i t sk e yt e c h n o l o g i e sa r es t u d i e do n f l s r t l y s e c o n d l y ，h e t e r o g e n e o u s d a t a b a s es y s t e m su n i v e r s a li n t e g r a t i v ee n v i r o n m e n t w i t h t h r e et i e r e dc l i e n t s e r v e ra r c h i t e c t u r ei nd i s t r i b u t e d c o m p e e r m o d e la r eb u i l tu p ，i n w h i c h o p e r a t i o nl o g i em o d e l s a i ed i s t r i b u t e di nm i d d l e t i e ra p p l i c a t i o ns e r v e r a tl a s t ak i n do ff e d e r a t e dd a t a b a s em o d e lb a s e do n c o m p o n e n tt e c h n o l o g y i sp r e s e n t e dt o i n t e g r a t ei n f o r m a t i o na n dd a t aa m o n gd i s t r i b u t e dh e t e r o g e n e o u s - d a t a b a s e s ，a n dt h e s y s t e mf u n c t i o nm o d u l e sc o m p o n e n t sa r ee n c a p s u l a t e d s ot h a tt h e yc a r lb er e u s e d c o n v e n i e n t l y i nc a s eo f f c s c i m s ，h e t e r o g e n e o u s d a t a b a s e s u n i v e r s a l i n t e g r a t i v e e n v i r o n m e n tf o rs i m u l a t i o ns y s t e m si si m p r o v e d ，i nw h i c hu s e r sc a nl o gi na n dl o g o u tt h ei n t e g r a t e de n v i r o n m e n t d y n a m i c a l l y ，m a i n t a i na l lm e m b e r d a t a b a s e s ，a c c e s s a n d o p e r a t ed i f f e r e n th e t e r o g e n e o u s d a t a b a s e st r a n s p a r e n t l y m e a n w h i l e ，f e d e r a t e d i n t e g r a t i o n m o d e l sa n da t t r i b u t a t i o n m a p p i n g c a n b ec r e a t e da n dm o d i f i e d d y n a m i c a l l y ，a n d d i f f e r e n ti n t e g r a t i v ei n f o r m a t i o nc a nb ec h e c k e da tt h es a m et i m e i nt h ee n v i r o n m e n t k e y w o r d s ：a r c h i t e c t u r es i m u l a t i o n ，d i s t r i b m e dh e t e r o g e n e o u sd a t a b a s e ，f e d e r a t e d d a t a b a s ea r c h i t e c t u r e ，t h r e e t i e r e dc l i e n t s e r v e ra r c h i t e c t u r e 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的 研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出 贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许论文被查 阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名 日 期：2 q q 垒! 旦 南京航空航天大学硕士学位论文 d i s h l a 注释表 d i s t r i b u t e di n t e r a c t i v es i m u l a t i o n h i g h l e v e la r c h i t e c t u r e h d b s u i e h e t e r o g e n e o u s d a t a b a s es y s t e m s u n i v e r s a l i n t e g r a t e de n v i r o n m e n t f d b m sf e d e t a t e dd a t a b a s em a n a g e n e n t s y s t e m s i d l o d b c i n t e r f a c ed e f i n i t i o nl a n g u a g e o p e n d a t a b a s ec o n n e c t i v i t y 分布交互仿真 高层体系结构 异构数据库系统通用集成环 境 联邦数据库管理系统 接口定义语言 开放数据库互联 c o r b ac o m m o n o b j e c tr e q u e s t b r o k e ra r c h i t e c t u r e 通用对象请求代理体系结构 o r b x m l c o m d c o m o b j e c tr e q u e s tb r o k e r对象请求代理 e x t e n s i b l em a r k u pl a n g u a g e 可扩展标记语言 c o m p o n e n to b j e c tm o d e l组件对象模型 d i s t r i b u t e dc o m p o n e n t o b j e c tm o d e l分布式组件对象模型 e a s e r v e r e n t e r p r i s ea p p l i c a t i o n s e r v e r企业应用服务器 c o m p o n e n t t r a n s a c t i o ns e r v e r 组件事务服务器 f - s q m l f e d e r a t e ds t r u c t u r e d q u e r ya n d 联邦数据查询操纵语言 m u l t i m u l a t i o nl a n g u a g e 南京航空航天大学硕士学位论文 1 1 课题研究的背景 第一章绪论 计算机仿真( c o m p u t e rs i m u l a t i o n ) 是在模拟环境下利用计算机软件结合 相似原理、信息系统技术及其应用领域有关的专业技术，对系统模型的性能和 特征进行科学试验的技术【1 】。随着军事需求和计算机技术的发展及仿真应用的 变化，计算机仿真技术在军事领域的应用越来越广。目前，计算机仿真技术在 军事上的应用已经从单武器平台的仿真计算机系统走向多兵种多武器综合的、 具有网络分布特点的体系攻防对抗仿真。特别是分布交互仿真( d i s t r i b u t e d i n t e r a c t i v e s i m u l a t i o n ，d i s ) 和高层体系结构( h i g h l e v e l a r c h i t e c t u r e ，h l a ) 的出现，使得广域环境下的仿真系统涉及的仿真对象变得更为复杂，各种硬件 设备、不同厂家和型号的计算机设备及接口的不一致，在硬件方面已完全改变 了计算机仿真技术研究和应用的格局。 分布式数据库系统是数据库技术和计算机网络技术相结合的产物，是分布 交互仿真的基础。近几十年来，随着微型计算机性能价格比的提高和计算机网 络的推广和应用，数据库技术得到了迅速发展，计算机硬件日新月异，数据库 产品和网络产品琳琅满目，使得网络环境下的数据库系统相对独立。目前数据 库开发人员和广大最终用户面对的大多都是网络上多个分布的异构数据库系 统。由此可见，软硬件环境的不一致，使得体系仿真与传统的分布交互仿真有 了本质差异。要实现各交互仿真系统资源的共享，就必须实现对各单一的仿真 计算机系统的透明访问，目前还很难用一个通用的d b m s 来解决这样的问题。 因此依赖信息集成技术和异构数据库技术的研究基础，对体系仿真下异构数据 库的互操作的研究势在必行，对解决信息资源的共享具有重要意义。 面向体系仿真的异构数据库及通用集成环境的研究 1 1 1 计算机仿真技术概述 1 1 1 、1 分布交互仿真技术 随着复杂系统仿真应用需求的增加以及计算机技术的发展，现代仿真应用 显示出一个重要的特点：从集中式仿真发展到分布交互仿真，仿真体系结构的 研究越来越受到重视。其中，分布式交互仿真的基本思想是通过建立一致的结 构、标准和算法，通过网络将分散在各地的、不同类型的仿真系统互联，形成 一个在时间和空间上一致的综合环境，实现平台( 飞机、导弹、舰艇、坦克) 与环境( 地形、天气、海洋) 之间、平台与平台之间、环境与环境之间的交互 作用和相互影响1 2 j 。在美国的仿真器联网s i m n e t ( s i m u l a t o rn e t w o r k i n g ) 计 划成功的基础上，分布交互仿真技术得以迅速发展。正是在应用需求和技术发 展的共同作用下，计算机仿真技术也得到了飞速发展，呈现出以下几个方面的 变化：仿真规模从过去的设各仿真、单系统仿真，发展到今天的多系统仿真 和复杂系统联合仿真，其特点主要表现为分布性、异构性、互操作性、可重用 性、强实时性和可交互性；在d i s 的体系结构、数据通信方面，i e e e 已提出 系列标准。目前，仿真不仅在军事部门得到较广泛的应用，而且在政府部门 和商业领域也得到了应用，已开始向产业方向发展，可以作为各行业服务的公 用手段。 d i s 系统集成必须从系统的原型设计开始就进行全面的考虑，并在软件开 发过程中全面实施，从而保证了系统集成的效率和可靠性。它的特征集中体现 在： ( 1 ) d i s 系统的集成是在系统工程的框架下，以软件工程为核心，从原型 设计开始，t a 顶向下建进行系统分解，分系统设计，逐步细化，分步实施，而 后自底向上地进行系统综合与集成。 ( 2 ) d i s 具有开放性。d i s 系统的运行是以分布的网络环境为基础的，随 着d i s 系统的扩展，网络也要作相应的扩展，一个仿真应用可自由地加入或离 开d i s 系统，而不影响其他应用的运行。 ( 3 ) d i s 具有实时异构互操作性。应用领域和分工的不同，以及参与仿真 的各实体充当的角色和效能参数不同，造成了各仿真系统平台的差异。d i s 就 是在这种多个异构仿真节点上进行联合仿真仿真系统以及实际的c 4 i ( c o m m a n d ，c o n t r o l ，c o m m u n i c a t i o n ，c o m p u t e r a n di n f o r m a t i o n ，指挥、控制、 2 南京航空航天大学硕士学位论文 通信、计算机和情报) 系统集成到一个分布交互的综合环境中。由于已有的协 议不能满足越来越复杂的作战仿真需求，为了在更高层次上通，通过计算机局 域网和广域网进行数据传输。这种结构主要有两方面作用：是通过仿真数据 交互将分散的单武器仿真器集于一体，便于协同仿真；是将全局任务分散到 各个仿真器上单独处理。 ( 4 ) 友好的人机交互界面。d i s 环境必须提供针对人的特点使用多维化信 息要求的友好人机界面，以满足人感官综合传递和接受信息的需求，使参与者 产生身临其境的感觉。 但随着d i s 需求的发展，人们在研究过程中逐步发现，d i s 技术正面临着 诸多问题。目前的d i s 还不能将更广范围的仿真系统集成到个综合环境中， 如将基于d i s 2 x 标准的平台级实时连续系统仿真器、基于a l s p 标准 ( a g g r e g a t el e v e ls i l m u l a t i o np r o t o c o l ，聚合级仿真协议) 的聚集级作战过保证 建模与仿真的可重用性和互操作性，最大限度地共享建模和仿真技术及其成果， 满足国防领域对建模与仿真的需要，为此美国国防部建模与仿真办公室d m s o 于t 9 9 5 年l o 月发布了建模与仿真主计划m s m p ( m o d e l i n ga n ds i m u l a t i o n m a s t e r p l a n ) ，提出了六大目标，其核心包括三个方面：高层体系结构h l a ； 任务空间概念模型c m m s ( c o n c e p t u a l m o d e lo f m i s s i o ns p a c e ) ；数据标准 d s ( d a t as t a n d a r d ) 。 1 1 1 2 高层体系结构概述 从d i s 的发展过程中可以知道，实际上h l a 并不是独立于d i s 的，它是 d i s 的一种新的体系结构，它具有面向对象技术所具有的所有优点，使不同仿 真实体间实现互操作，并使仿真部件能多次重复使用，真正实现将结构仿真、 虚拟仿真和实物仿真集成到一个综合环境中，它与d i s 原有的体系结构相比有 了比较大的变化。h l a 并不是一个系统的实现，而是一种仿真应用系统的框架 体系标准。 在h l a 中，为实现某种特定的仿真目的而组织到一起，并且能够彼此进行 交互作用的仿真系统、支撑软件和其他相关的部件就构成了一个联邦 ( f e d e r a t i o n ) ：所有参与到一个联邦中的应用系统被称为联邦成员( f e d e r a t e s ) 。 实际上，联邦成员还包括联邦成员管理器、数据收集器、真实的实体代理仿真、 观察器等。一个联邦中的各个成员之间的交互作用是通过h l a 中一个重要部件 面向体系仿真的异构数据库及通用集成环境的研究 运行时间支撑系统( r t i ：r u n t i m ei n t e r f r a s t r u c t u r e ) 提供的服务来实现的。 r t i 是h l a 运行的基础。r t i 提供开始和暂停仿真执行，在联邦成员之间传送 数据，控制联邦成员时间上的一致性等接口规则所规定的六大服务。h l a 中的 各联邦成员可以使用不同的程序语言、操作系统和设备：加入联邦的联邦成员 数不受限止，即连接于r t i 的联邦成员不受限止。 h l a 给仿真开发者提供了一个描述和构造他们自己的仿真应用的通用框 架。灵活性是定义h l a 体系结构的目标。特别是h l a 熏点解决两个关键问题： 是要促进仿真系统之间的互操作：是要有利于仿真模型在不同的仿真应用 的重用。h l a 通过引入运行时间支撑结构r t i ，明确的将仿真应用模型、仿 真支撵功能和数据分布及传递服务分离开来，使仿真应用的开发者主要集中于 仿真功能的开发，而不必涉及有关网络通信和仿真管理等的实现细节。h l a 的 联邦构成的逻辑表示如图1 1 所示。 联邦成员1 联邦成员2联邦成员1 内部功能实现 内部功能实现内部功能宴现 外部接口外部接口 外部接口 上土上上上土 运行时间支撑系统( h l a l r t i ) l1 联邦管理4 所有权管理 2 声明管理5 。封闭管理 13 ，对象管理6 数据分发管理 l网络 1 1 2 数据库发展现状 图1 1h l a 仿真系统联邦结构 人类的活动，离不开对信息和数据的收集、保存、传输、处理和利用。随 着电子计算机的发展，人们对信息、数据的利用和处理逐步实现自动化、网络 化和社会化，整个人类社会已成为信息化的社会。大致说来，数据库可以定义 为以某种方式组织起来，使之可以检索和利用的信息的集合。数据管理是数据 库的核心任务，到目前共经历了人工管理阶段、文件系统阶段和数据库系统阶 4 南京航空航天大学硕士学位论文 段。数据模型是数据库系统的核心。按照数据模型发展的主线，数据库技术的 发展可分为以下三个阶段：层次和网状数据库管理系统、关系数据库管理系统 ( r d b m s ) 和面向对象数据库管理系统。 随着信息时代的到来，企业的信息管理也在发生着重大的改变，呈现出集 团化、多元化的发展趋势，同一企业往往跨越不同的国家和地区。企业不但要 访问网络中各个数据库服务器上的数据，还要访问分布在网络上的电子邮件、 h t m l 文件、电子表格以及一般文件系统等非数据库数据源。由于地理、历史、 人为和技术的原因，造成了当前企业内部各网络节点具有各自不同的应用系统。 在企业中各部门使用不同的数据库系统现象经常出现，造成信息资源的异构性 在企业的管理信息系统中无处不在。 计算机体系结构的发展，使传统的软件系统也面临着新的挑战从集中 走向分布，从同构走向异构。从数据管理的角度出发，通常认为有两种异构形 式：平台( p l a t f o r m ) 异构和语义( s e m a n t i c ) 异构1 3j 。平台异构包括主机、设 备、操作系统、d b m s 、网络、支持a p i 等方面，也包括并发控制。语义异构 包括数据逻辑表示和数据库互操作两个方面。在应用系统的进一步开发和集成 过程中，大多会采用两种或两种以上不同的数据库管理系统，从而造成了异构 信息源的客观存在。 1 2 课题研究的目的和意义 由上述所知，计算机仿真从单一的仿真机系统到d i s 、h l a ，已经形成了体 系仿真的新格局。从d i s 、h l a 的发展和需求空间来看，要求各仿真子系统分布 在不同的部门和各不同的地区，能通过互联网络独立操控各个分布的成员系统， 支持多个成员仿真应用合作完成同一项工作。同时d i s 、h l a 的进一步扩展也对 支撑其数据库系统提出了新的要求。在传统仿真中，各仿真系统是独立的、封 闭的：而在网络环境下的现代体系仿真系统是一个分布异构的，涉及不同的目 的、不同年代的技术、不同领域的专业知识、不同厂商的产品、不同领域的应 用和不同的实验操作平台等。对系统的实时性、可交互性、可重用性、集成性、 可伸缩性和协同性提出了更高的要求，追切需要建立一个新的数据库系统来支 持快捷的建模和验模的能力，并能满足异构分布交互仿真的各种需要。 5 面向体系仿真的异构数据库及通用集成环境的研究 d i s 的集成性突出表现在对已有系统的集成。它将实现把地域上分散、不 同制造商生产的产品、系统的硬件和软件结构配置各不相同、实体表示方法与 描述精度各异的仿真节点连接起来并实现互操作。分布计算模式提供一个与平 台和地理位置无关的信息处理环境，使得异构仿真系统在网络环境下可以容易 地实现互操作和系统集成。 从本质上讲，各仿真应用系统呈现异构的根本原因是其相对应的数据库系 统产生的异构所致。异构分布式数据库联合使用技术是近年发展起来的一个领 域，经历了十多年的研究，在数据库集成方法和策略上取得了一定的成果，并 产生了一些应用系统。但这些异构数据库系统却不具备开放性及动态性。如美 国的i n g r e s s t a r 、d a t a p l e x 、m e r m a i d 等原型系统：国内清华大学研制的c i m s 系统中使用了异构数据库的互操作，东南大学研制了联邦数据库管理系统”1 ： 主要实现了o r a c l e 、i n g r e s 、及d b a s e 三者之间的数据接口等。然而现有的异 构数据库集成技术和方法都局限于某种特定的环境下实现的，在现实的异构环 境下还很难得以推广，其通用性能还有待于改进。 从理论上讲，分布异构环境下的体系仿真集成技术已经成熟，但是在实现 技术上还有一定的复杂性。要实现各分布异构交互仿真系统资源的共享，就必 须实现对各单一的仿真计算机系统的透明访问，实现系统的互操作。异构体系 仿真系统和异构数据源的存在给各分布交互仿真系统的协同工作和信息资源的 共享带来了困难。目前还很难用一个通用的数据库产品( 如关系型数据库) d b m s 来解决平台异构和语义异构的问题。传统的关系型数据库系统在性能上难以满 足体系仿真所需要的实时性要求，其事务模型不适合交互的、异构的、分布协 作环境下所需的长事务处理。 因此，针对d i s 和h l a 体系仿真的要求，结合数据库新的技术和目前计算 机的发展，将分布式异构数据库技术应用于d i s 和h l a 体系仿真中，以适应d i s 体系仿真的分布性、异构性、实时性、交互性、集成性，从而满足d i s 网络环 境下的分布异构结构和集成查询、各节点的自治需求；同时将解决其异构数据 库数据库集成作为本项目的研究目标。 本课题所完成的工作和任务将作为d i s 、h l a 系统进一步扩展和延伸的突 破点，实现了一个以异构数据库系统支撑的体系仿真通用集成环境。 6 南京航空航天大学硕士学位论文 1 3 课题的主要研究内容 本课题是国防预研基金项目支持体系仿真的面向对象的分布实时交互数 据库技术研究的子课题异构数据库集成技术的研究及其通用集成环境的 实现。将着重于集成方法的研究，并探讨如何将其用于分布式异构体系仿真的 通用集成环境中，实现了一个体系仿真集成的通用平台。 针对不同数据类型的互操作以及交互仿真的分布性、异构性和交互性等特 点，课题的任务是异构数据库集成的关键技术研究和方法实现。主要完成以下 几方面的内容： ( 1 ) 数据模型的转换、模式转换和集成。对不同的数据库管理系统的不同 数据类型、数据库模式以及不同的字段名进行映射和转换，以便实现系统之间 的数据集成。 ( 2 ) 不同分布事务管理、并发控制机制和查询优化方法的协作。当进行数 据信息集成时，需要对各个数据库管理系统的事务管理、并发控制、查询优化 等进行协调合作，使数据集成和访问能快速进行，提高系统的运行效率。 ( 3 ) 三层分布式异构数据库集成体系结构的构建，并将组件技术应用于其 中。使此集成平台具有重构性，方便了功能模块的维护和完善。 ( 4 ) 基于联邦体系结构的数据集成关键功能模块的实现。完成了一个完整 的联邦数据集成的原型模型。 本课题结合d i s 、h l a 的系统结构特点，为了减小网络负荷、支持数据过滤 和可靠的数据传输，达到数据与体系结构相分离、通讯数据可由客户定制的目 的，本文采用三层c s 结构的分布计算模式；在体系结构上，考虑到用户交互接 口和统一全局模式方案的不足，本文采用联邦体系结构来管理分布异构数据库； 同时，引入组件技术，将各成员仿真应用发布到应用服务器上，使之更能满足 d i s 、h l a 系统结构需要。通过上述工作，实现了异构数据库通用集成环境的设 计目标，此集成平台具有以下特点： ( 1 ) 自治性保障系统中各成员数据库系统的自治性。 ( 2 ) 透明性在此异构的集成环境中，用户可对不同的异构数据库系统进 行完全透明的访问和操作，以实现浏览、查询、创建、修改等操作的透明性。 ( 3 ) 可扩充性和开放性由于体系仿真系统可能需要增加新的数据库系统 或注销原有数据库子系统，需系统具有具备数据库增减功能，而非修改源程序。 7 面向体系仿真的异构数据库及通用集成环境的研究 ( 4 ) 支持在各种不同数据库系统之间进行数据转存和数据交换，实现异构 数据库表的动态连接，按联邦集成模式将异构数据库信息进行集成。 ( 5 ) 动态建立和修改联邦集成模式和联邦属性映射，实现各成员仿真系统 中数据库信息的实时动态集成，以增加异构数据库集成的灵活性和可操作性。 1 4 论文的组织结构 本文内容的结构如下： 第章绪论，综述课题研究的技术背景，并探讨应用需求和研究方向。 第二章分布式异构数据库集成的关键技术，探讨分布式异构数据库集成的 方法和关键技术。 第三章h d b s u i e 的分布式体系结构，构造仿真系统集成的分布式体系结 构，探讨组件技术在仿真系统集成中的应用。 第四章h d b s u i e 的联邦体系结构设计与数据集成，构造仿真集成环境的 联邦数据库体系结构，研究联邦数据库信息集成的过程和实现方法。 第五章f c s f d b m s 联邦集成系统的实现，介绍了利用异构仿真通用集成 环境建立f c s f d b m s 的应用程序。其中通用集成环境中的成员数据库的注册 和注销操作，各成员数据库信息动态集成技术，动态创建和维护中心虚拟数据 库是论文的重点和难点。 第六章总结与展望，对全文的工作进行总结，并提出进一步的硕究方向。 8 南京航空肮犬大学硕士学位论文 第二章分布式异构数据库集成的关键技术 异构数据库系统是由分布式数据库管理系统演化而来的。由于数据、资源 及控制的分布性，分布式数据库在数据处理等诸多方面占据了优势。随着数据 库的异构性与自治性、网络技术的快速发展以及移动计算技术的出现，对分布 式数据库技术提出了新的挑战1 5 l 。当与远程的己存数据库系统集成时，我们会 遇到很多其它问题。诸如，数据库d b m s 产品可能不是同一种数据模型( 如关 系、网状、面向对象) ，即使是同种数据模型，在实现方法上也有很大差异：数 据库应用的设计方法可能不同。这些都可能导致分布数据库系统的异构。 2 1 异构现象的产生原因和现状 随着计算机技术的不断进步和应用领域的不断拓展，现代管理信息系统的 数据构成呈现出多元和分布的趋势。原有的信息管理系统由于成员数据库增加、 用户扩充、使用范围扩大以及新业务拓展的需要，不同数据库的联合使用显得 日趋迫切，并将长期存在。同对原有的数据库管理系统己趋成熟且包含了丰富 的历史资料，可以不加修改的纳入网络系统中进行统一管理和使用，这样新旧 系统的联合，也产生了异构问题。异构主要体现应用系统的异构和数据库信息 源的异构两方面。从本质上讲，数据库系统的异构正是建立在此基础上的应用 系统呈现异构的根本原因。全面了解数据库系统的差异并解决其异构性，是实 现异构系统集成的数据基础。 在一个复杂的分布异构环境里，数据库系统的异构性主要体现几个方面： ( 1 ) 计算机硬件平台多样化从台式机、工作站到大型主机等： ( 2 ) 操作系统多样化客户机上的操作系统从d o s 、到w i n d o w s 、w i n d o w s n t 、u n i x 、o s 2 、l i n u x ；服务器端的网络操作系统有w i n d o w sn t 、n e t w a r e 、 u n i x 、l a n m a n a g e r 、v i n e s 等； ( 3 ) 网络平台多样化不同种类的网络结构，如m a p t o p 体系结构、t c p i p 体系结构、n t 体系结构等；由l a n 或w a n 支撑，存在多种网络传输协议， 如t c p i p 、n e t b e u i 、i p ) ( s p x 等； ( 4 ) 数据模型的异构有层次、网状、关系和面向对象四种。即使具有相 9 面向体系仿真的异构数据库及通用集成环境的研究 同数据模型的数据库系统，在物理级和逻辑级上也会产生差异，如查询语言的 异构、事务管理、并发控制机制的异构和查询优化方法的异构等； ( 5 ) 数据语义的不一致各成员数据库应用系统对数据的描述、命名和理 解的不一致； ( 6 ) 计算模式冲突有文件服务器模型、终端朋匣务器模型、c s 和n t i e r 模型； ( 7 ) 数据库系统的开发环境和运行环境的不同，开发工具由结构化语言发 展到面向对象语言，如d e l p h i 、p o w e r b u i l d e r 、v i s u a l 系列开发语言等。 对于信息系统的使用人员来说，使用多种数据库语言分别访问不同的数据 库以获得信息，将过于繁琐而复杂，他们希望能使用单一的标准语言访问多个 异构数据库中的数据；而信息系统的开发人员在开发新的应用系统时需要访问 现有的多个异构数据库系统，他们希望通过统一的标准接口访问这些数据。这 样既可以减轻软件开发的复杂程度以提高效率，又可以使开发的应用独立于特 定的数据库产品以便于推广。由此可见，异种数据库问互联成为人们越来越迫 切的需求。 上述的诸多因素造成了数据库系统间的差异性，使得异构数据库间的互操 作变得更为复杂。2 0 世纪8 0 年代以来，数据库的异构问题已经引起了各数据 库厂家及数据库专家的注意。国外业界对异构数据库互操作的研究集中在以下 两个方向：是发展数据库集成的有关标准。国际标准化组织和各数据库厂商 积极参与国际标准的制定，并制定了一系列的规范，如s a g ( s q l a c c e s sg r o u p ) 规范、d r d a ( d i s t r i b u t e dr e l a t i o n a ld a t a b a s ea r c h i t e c t u r e ) 规范以及基于s a g 的c l i ( c a l ll e v e li n t e r f a c e ) 规范( o d b c 技术) 等。是承认各厂商数据库 产品的差别，建立关系数据库互操作的支撑软件。国内近几年来，对异构数据 库的研究工作也上了一个台阶，有关异构数据库的文献和产品也层出不穷。如 空军电讯工程学院研制的c i ( 指挥自动化系统) 实现了一个对异构数据库有很 强的互操作能力的集成化平台：北京大学遥感与地理信息系统研究所研制的矿 山数据库管理系统就具备了异构数据库访问的能力 6 】。在数据转换、数据语义 不一致以及模式集成方面也进行了大量的研究工作，同时提出了许多解决异构 数据集成的镱略和方法：应用系统集成框架从紧密耦合全局式多数据库系统到 松耦合的联邦数据库系统和多数据库语言系统：集成方案从客户端解决方案和 服务器端解决方案到分布对象技术以及建立了标准构件的核心技术。 1 0 南京航空航天大学硕士学位论文 2 2 异构数据库集成的基本概念 ( 1 ) 异构数据库所谓的异构数据库是指结构相异的数据库。从数据管理 角度出发有两个级别的含义【7 】：系统级的异构和语义级的异构。系统级的异构 主要表现在数据库运行环境和各数据库d b m s 的不同。语义异构包括数据逻辑 表示和数据库互操作两个方面。其中数据逻辑表示涉及到所使用的数据模型、 数据模式以及数据类型等。 ( 2 ) 异构分布式数据库系统异构分布式数据库系统是一个逻辑上完整而 又具有站点自治性，物理上分散在若干台互相连接的计算机上的、具有相同或 不同数据模型的多个数据库系统的集合【8 1 。它屏蔽了各成员数据库在物理上和 逻辑上的差异，整体上实现了各成员数据库的信息共享和透明访问。在异构分 布式数据库系统中，不同节点上的数据库系统具有独立性、自治性和分布透明 性，每个成员数据库系统在加入异构数据库系统之前本身就已经存在，并拥有 自己的d b m s 。异构数据库系统可以分为一下几种纠： 全局多数据库系统( g l o b a ls c h e m am u l t i d a t a b a s e s ) ：各成员数据库间耦合 较为紧密，在此基础上建立个全局数据模式f 1 0 1 ，从而对整个系统实施统一控 制。该全局模式由所有成员数据库模式集成，可以针对不同的数据库进行统一 访问。 联邦数据库系统( f d b s ) ；耦合较松一些，没有单的全局模式。它将 各彼此协作却又相互独立的成员数据库系统进行局部数据集成【l “，对系统整体 提供控制和协同操作。它代表没有集成和完全集成的折中方案。各个独立的成 员数据系统的d b m s 可以是集中控制式的，也可以是分布式的，或者是另外一 个f d b m s 。 多数据库系统( m u l t i d a t a b a s es y s t e m s ，m d b s ) ：耦合更松散些，它没有 全局模式，是多个已存的异构数据库系统和文件系统的联合。m d b s 可划分为 非联邦数据库系统和联邦数据库系统，前者由非独立的单元d b s 集成。m d b s 在所有局部数据库系统( l d b s ) 之上构成全局系统管理层，屏蔽了不同数据库在 物理上和逻辑上的差异，提供外部用户接口，使用户能实现对异种数据库的透 明访问。在m d b s 中没有定义全局模式，使基于m d b s 的集成子系统便于扩 充和修改，保证了系统的开放性。 数据仓库( d a t aw a r e h o u s e ) ：它是分布式异构数据库系统集成较为先进 面向体系仿真的异构数据库及通用集成环境的研究 的解决方案。数据仓库之父w h i l t l m o l q 将其定义为：是支持管理决策过程的、 面向主题的、集成的、与时间有关的、持久的数据集合。它将与决策支持相关 的各信息源数据，预先经过提取、转换、过滤并与相应源中的数据进行合并， 按主题存放在一个中央数据库中。用户直接访问中央数据库获取信息，不必访 问其它数据源【i ”。 ( 3 ) 应用系统集成：就是在总体规划的基础上、在统一的软件平台和网络 环境下，把各个部门不同的应用系统作为企业的有机组成部分加以集成和优化 运行，将分散的予系统形成一个统一的整体，达到系统间的功能互操作及信息 融合与通信，以取得系统的协同效益。系统集成强调的是“系统”，是系统的 相互作用和内在联系、系统的一致与协调，不是简单的组合或叠加。基于软件 总线和软件构件技术的应用，在系统集成上基本实现了各子系统的即插即用功 能 1 3 1 。 ( 4 ) 数据库集成( 亦被称为数据库联合使用) ：是指在计算机网络环境中， 实现用户对多个异构数据库完全透明的访问，且支持不同数据库系统间的相互 操作，即各数据库应用系统在集成环境下，能对另个数据库应用系统的数据 进行访问。 上述基本概念的定义，概述了异构数据库集成的内容、要解决的问题以及 实现的技术和方法等几个方面。论文的后续部分将逐一对相关内容进行探讨和 研究。 2 3 异构数据库系统集成的关键技术和方法 应用系统集成的根本目的就是减少物理层和逻辑层上的异构。系统集成的 任务就是要屏蔽这些异构，包括用户接口、应用通讯、数据共享、系统管理等 方面l l ，为用户提供一个完整的集成化的环境，确保各成员子系统中不同的软 硬件产品、通讯网络、应用软件之间的接口和内部互操作的一致性，使用户得 到适合其要求的最佳方案。系统集成的原则就是充分利用原有的硬件和软件等 资源，尽可能使用当前的新技术，从实用出发，建立一个整体最优的系统，实 现系统集成与全局性能的优化，降低系统集成实施的复杂度，保证系统的开放 性和标准化，实现单一接口提供多用户应用。 南京航空航天大学硕士学位论文 系统集成是一项涉及多个方面的复杂过程，主要有两个内容：一个是硬件 集成，实现( 各种物理) “设备集成”( 一体) 的系统互联技术和网络技术等； 另一个是软件集成，实现“信息集成”的软件集成技术和数据集成技术。其中 软件集成是系统集成的核心内容，涉及到两方面内容：一方面是应用程序集成； 另一方面是数据集成。数据的集成是软件集成的关键，最终使得原有的成员子 系统中的数据实现共享，避免数据冗余和数据的重复输入。 由此可见，数据集成是异构应用系统集成的重要内容，解决异构应用系统 的各数据库之间的数据集成是实现异构系统集成的关键。 2 3 1 异构数据库集成的内容和要解决的问题 对普通用户而言，希望屏蔽掉系统中各种层次的异构特性，而不必知道各 物理数据库系统的分布和各物理数据库的结构组成，也不必自己去进行数据转 换和结果汇总，只需要通过简便的全局查询得到一个综合结果，这就是异构数 据库集成( 联合使用) 技术的主要研究内容。如何实现不同数据库之间的连接、 数据交换和数据共享，已经成为基于异构数据库的应用系统开发是否成功的关 键【1 5 】。 实现异构数据库系统信息资源的共享关键是要解决它们在系统级的异构和 语义级的异构。具体要解决几方面的问题i 1 6 j ： ( 1 ) 平台和网络的透明性异构数据库系统可能运行在多种机型上，操 作系统也不一样。要实现它们之间的互联，应对用户和开发人员提供透明的平 台，使锝依赖于平台的不同数据存储格式、浮点表示、国际字符格式、字符集 等能自动进行转换。互联的异构数据库是在网络中进行通讯的，因此网络应该 透明，能支持常用的网络拓扑结构和协议，如d e c n e t 、t c p i p 、s p x i p x 、 x 2 5 等。 ( 2 ) 数据模型的转换异构数据库互联涉及到关系、网状、层次和面向对 象等多种数据模型的数据库互联，这就需要在不同数据模型间进行静态或动态 的转换，使得用户能用与本地数据库一致的方式访问远程数据库中不同数据模 型的数据。在数据库模型转换过程中需要解决以下几个问题m 】： 全局数据模式( g l o b a ld a t am o d e l )建立能够描述各l d b ( l o c a l d a t a b a s e ) 间的数据类型及计量单位间的对应关系，以便向用户提供统一的数 据视图( 数据库、表及属性) 。 3 面向体系仿真的异构数据库及通用集成环境的研究 命名服务( n a m es e r v i c e ) 为异构数据库各成员结点提供统一的名字注 册、地址查询、结点位置与配置信息等服务。这些信息都存放在一个公共服务 器的名字数据库中。 全局数据字典( d a t ad i c t i o n a r y ) 描述异构分布式数据库系统的核心， 涉及联邦查询语言定义、查询分解、查询翻译、查询优化、调度执行、查询结 果集成等。 ( 3 ) 分布环境下的全局事务处理与并发控制异构数据库互联应支持分布 式查询语句，并具有自动优化分布式语句的功能，以提高数据库访问的效