数据库应用技术 其它数据库技术简介.ppt

1 数据库技术与其他相关技术的结合是当前数据库技术发展的重要特征 计算机领域中其他新兴技术的发展对数据库技术产生了重大影响 面对传统数据库技术的不足和缺陷 人们自然而然地想到借鉴其他新兴的计算机技术 从中吸取新的思想 原理和方法 将其与传统的数据库技术相结合 以推出新的数据库模型 从而解决传统数据库存在的问题 通过这种方法 人们研制出了各种各样的新型数据库 例如 数据库技术与分布处理技术相结合 出现了分布式数据库 数据库技术与人工智能技术相结合 出现了演绎数据库 主动数据库和知识库等 数据库技术与多媒体技术相结合 出现了多媒体数据库 下面我们将对其中的几个新型数据库中以介绍 数据库技术与其他相关技术的结合 2 1 8 1分布式数据库 DistributedDatabase 1 8 1 1集中式系统和分布式系统到目前为止 我们所介绍的数据库系统都是集中式数据库系统 所谓集中式数据库就是集中在一个中心场地的电子计算机上 以统一处理方式所支持的数据库 这类数据库无论是逻辑上还是物理上都是集中存储在一个容量足够大的外存储器上 其基本特点是 集中控制处理效率高 可靠性好 数据冗余少 数据独立性高 易于支持复杂的物理结构 去获得对数据的有效访问 但是随着数据库应用的不断发展 人们逐渐地感觉到过份集中化的系统在处理数据时有许多局限性 例如 不在同一地点的数据无法共享 系统过于庞大 复杂 显得不灵活且安全性较差 存储容量有限不能完全适应信息资源存储要求等等 3 正是为了克服这种系统的缺点 人们采用数据分散的办法 即把数据库分成多个 建立在多台计算机上 这种系统称为分散式数据库系统 由于计算机网络技术的发展 才有可能并排分散在各处的数据库系统通过网络通信技术连结起来 这样形成的系统称为分布式数据库系统发展起来了 近年来 分布式数据库已经成为信息处理中的一个重要领域 它的重要性还将迅速增加 1 8 1 2分布式数据库的定义分布式数据库是一组结构化的数据集合 它们在逻辑上属于同一系统而在物理上分布在计算机网络的不同结点上 网络中的各个结点 也称为 场地 一般都是集中式数据库系统 由计算机 数据库和若干终端组成 4 数据库中的数据不是存储在同一场地 这就是分布式数据库的 分布性 特点 也是与集中式数据库的最大区别 表面上看 分布式数据库的数据分散在各个场地 但这些数据在逻辑上却是一个整体 如同一个集中式数据库 因而 在分布式数据库中就有全局数据库和局部数据库这样两个概念 所谓全局数据库就是从系统的角度出发 指逻辑上一组结构化的数据集合或逻辑项集 而局部数据库是从各个场地的角度出发 指物理结点上各个数据库 即子集或物理项集 这是分布式数据库的 逻辑整体性 特点 也是与分散式数据库的区别 5 例如 假设一个银行有三个支行 图8 1中的三个场地分别代表一个支行所在地 在一般情况下 一个支行的用户所提出的各种应用 只需要通过访问该支行的帐目数据库即可实现 也就是说 这些应用完全由该支行的计算机进行处理 我们把这些应用称之为局部应用 局部应用的典型例子就是银行的借贷业务 它只需要存取某一支行的数据库就可完成 如果分布式数据库只限于局部应用 那么还只是起了分散式数据库的作用 而银行中的很多业务 并非只限于某一支行的数据库 如银行中的通兑业务 即场地1存款的用户可能到场地2或场地3去取款 银行中的转帐业务 要求从一个支行的帐户中转出若干金额到另一个支行的帐户中去 这些应用要求就要同时更新两个支行 场地 上的数据库 我们把这些应用称为全局应用 或分布应用 6 7 1 8 1 3分布式数据库的特点分布式数据库可以建立在以局域网连接的一组工作站上 也可以建立在广域网 或称远程网 的环境中 但分布式数据库系统并不是简单地把集中式数据库安装在不同的场地 而是具有自己的性质和特点 1 自治与共享分布式数据库有集中式数据库的共享性与集成性 但它更强调自治及可控制的共享 这里的自治是指局部数据库可以是专用资源也可以是共享资源 这种共享资源体现了物理上的分散性 这是由按一定的约束条件被划分而形成的 因此 要由一定的协调机制来控制以实现共享 同时可以构成很灵活的分布式数据库 它的两个极端分别是完全集中式或者完全分散式 8 2 冗余的控制在研究集中式数据库技术时强调减少冗余 但在研究分布式数据库时允许冗余 物理上的重复 这种冗余 多副本 增加了自治性 即数据可以重复地驻留在常用的结点上以减少通信代价 提供自治基础上的共享 冗余不仅改善系统性能 同时也增加了系统的可用性 即不会由于某个结点的故障而引起全系统的瘫痪 但这无疑增加了存储代价 也增加了副本更新时的一致性代价 特别当有故障时 结点重新恢复后保持多个副本一致性的代价 3 分布事务执行的复杂性逻辑数据项集实际上是由分布在各个结点上的多个关系片段 子集 所合成的 一个项可以物理上被划分为不相交 或相交 的片段 一个项 或片段 可以有多个相同的副本且存储在不同的结点上 9 所以 对分布式数据库存取的事务是一种全局性事务 它是由许多在不同结点上执行对各局部数据库存取的局部子事务所合成的 如果仍应保持事务执行的原子性 则必须保证全局事务的原子性 当多个全局事务并发时 则必须保持全局可串行性 也就是说 这种全局事务具有分布执行的特性 分布式数据库的状态一致性和可恢复性是面向全局的 所有子事务提交后全局事务才能提交 不仅要保证子事务的可串行化 而且应该保证全局事务的可串行化 10 4 数据的独立性数据库技术的一个目标是使数据与应用程序间尽量独立 相互之间影响最小 也就是数据的逻辑和物理存储对用户是透明的 在分布式数据库中数据的独立性有更丰富的内容 使用分布式数据库时 应该像使用集中式数据库时一样 即系统要提供一种完全透明的性能 具体包括以下内容 1 逻辑数据透明性 某些用户的逻辑数据文件改变时 或者增加新的应用使全局逻辑结构改变时 对其它用户的应用程序没有或尽量少的影响 2 物理数据透明性 数据在结点上的存储格式或组织方式改变时 数据的全局结构与应用程序无需改变 3 数据分布透明性 用户不必知道全局数据如何划分的细节 4 数据冗余的透明性 用户无需知道数据重复 即数据子集在不同结点上冗余存储的情况 11 1 8 1 4分布式数据库的应用及展望一个完全分布式数据库系统在站点分散实现共享时 其利用率高 有站点自治性 能随意扩充逐步增生 可靠性和可用性好 有效且灵活 用户完全像使用本地的集中式数据库一样 分布式数据库已广泛应用于企业人事 财务 库存等管理系统 百货公司 销售店的经营信息系统 电子银行 民航定票 铁路定票等在线处理系统 国家政府部门的经济信息系统 大规模数据资源如人口普查 气象预报 环境污染 水文资源 地震监测等信息系统 12 此外 随着数据库技术深入各应用领域 除了商业性 事务性应用以外 在以计算机作为辅助工具的各个信息领域 如CAD CAM CASE OA AI 军事科学等 同样适用分布式数据库技术 而且对数据库的集成共享 安全可靠等特性有更多的要求 为了适应新的应用 一方面要研究克服关系数据模型的局限性 增加更多面向对象的语义模型 研究基于分布式数据库的知识处理技术 另一方面可以研究如何弱化完全分布 完全透明的概念 组成松散的联邦型分布式数据库系统 这种系统不一定保持全局逻辑一致 而仅提供一种协商谈判机制 使各个数据库维持其独立性 但能支持部分有控制的数据共享 这对OA等信息处理领域很有吸引力 总之 分布式数据库技术有广阔的应用前景 随着计算机软 硬件技术的不断发展和计算机网络技术的发展 分布式数据库技术也将不断地向前发展 13 1 8 2主动数据库 ActiveDatabase 1 8 2 1主动数据库的定义主动数据库是相对传统数据库的被动性而言的 在传统数据库中 当用户要对数据库中的数据进行存取时 只能通过执行相应的数据库命令或应用程序来实现 数据库本身不会根据数据库的状态主动做些什么 因而是被动的 然而在许多实际应用领域中 例如计算机集成制造系统 管理信息系统 办公自动化中常常希望数据库系统在紧急情况下能够根据数据库的当前状态 主动 适时地作出反应 执行某些操作 向用户提供某些信息 例如 前面提到的仓库管理系统就是这样 这类应用的特点是事件驱动数据库操作以及要求数据库系统支持涉及时间方面的约束条件 14 为此 人们在传统数据库的基础上 结合人工智能技术研制和开发了主动数据库 所谓主动数据库就是除了完成一切传统数据库的服务外 还具有各种主动服务功能的数据库系统 1 8 2 2主动数据库的实现主动数据库的目标旨在提供对紧急情形及时反应的功能 同时又提高数据库管理系统的模块化程度 一般的方法是在传统数据库系统中嵌入ECA规则 即事件 条件 动作 Event Conditon Action ECA规则可以表示为以下形式 WHENIFTHEN 或后跟一组IF THEN规则 15 系统提供一个 自动监视 机构 一般可以是一个直接由操作系统控制的独立进程或某种硬件设施等 它主动地不时地检查着这些规则中包含的各种事件是否已经发生 一旦某事件被发现 系统就主动触发执行相应的IF THEN规则 或规则组 显然 此时DBMS本身就可主动履行一些预先由用户设定的动作 可把诸如完整性约束 存取控制 例外处理 触发警告 主动服务 状态开关切换乃至复杂的演绎推理功能等以一种统一的机制得以实现 为了有效地支持ECA规则 在主动数据库中需要有以下实现技术的支持 1 知识模型所谓知识模型是指在主动数据库管理系统中描述 存储 管理ECA规则的方法 为此 必须扩充传统的数据模型 使之能支持对ECA规则的定义 操作及规则本身的一致性保证 此外 知识模型还应支持有关时间的约束条件 16 传统数据库系统中 数据模型的描述能力有限 尽管为了实现完整性制而引入了触发器机制 但触发器和主动数据库中规则相比表达能力低 只能描述 更新单个关系 这类事件 也不区分事件和条件 条件的检查 动作的执行总是在触发之后立即执行或事物提交前执行 执行方式简单 因此主动数据库必须扩充传统的数据模型 增加规则部分 即知识模型 2 执行模型执行模型指ECA规则的处理 执行方式 包括ECA规则中事件 条件 条件 动作之间各种耦合方式及其语义描述 规则的动作和用户事务的关系 执行模型是对传统事务模型的发展和扩充 在主动数据库中研究并提出了立即执行 延时执行 紧耦合 松耦合等等多种多样的执行ECA规则的方式 丰富多样的执行模型使用户可以灵活地定义主动数据库的行为 克服了传统数据库管理系统中触发器事务只能顺序执行其规则的不足 17 3 条件检测主动数据库中条件检测是系统的关键技术之一 主动数据库中条件复杂 可以是动态的条件 多重条件 交叉条件 所谓交叉是指条件可以互相覆盖 即其中某些子条件可以属于其他主条件 因此高效地对条件求值是系统的目标之一 4 事务调度一般地 事务调度是指如何控制事务的执行次序 使的事务满足一定的约束条件 在传统DBMS中并发事务的调度执行应满足可串行化要求以保证数据库的一致性 在主动数据库中 对事务的调度不仅要满足并发环境下的可串化要求而且要满足对事务时间方面的要求 例如事务中操作的开始时间 终止时间 所须的执行时间等 18 要同时满足两方面要求的调度是一个困难的技术问题 它要综合传统数据库的并发控制技术和实时操作系统中与时间要求有关的调度技术 由于主动数据库中执行模型的复杂性更增加事务调度的技术难度 为此要研究一种新的框架或新的调度模型 以此为基础来建立调度策略 调度算法 由于事务调度要满足时间方面的要求 因而调度机制常常是执行时间的谓词 而对执行时间估计的代价模型同样是尚未解决的难题 5 体系结构主动数据库系统的体系结构应该是具有高度的模块性和灵活性 由于目前大部分主动数据库是在传统DBMS或面向对象数据库管理系统上研制的 其体系结构大多是扩充DBMS的事务管理部件 对象管理部件以支持执行模型和知识模型 19 6 系统效率对主动数据库的研究必须包括对不同体系结构 算法运行效率的比较和评价 为了提高系统效率 正在研究的课题有如 把条件计算和动作执行从触发事务中分离出来 启发式事务调度算法 条件检测方法 以及在分布环境和多处理机环境下的系统资源分布策略 负载平衡的研究等等 系统效率是主动数据库研究中一个重要问题 由于上面讨论中可以发现 在设计各种算法和在体系结构的选择方面 系统效率是主要的设计目标 主动数据库是一个正在研究探索的新领域 许多概念尚不成熟 不少技术难题尚未解决 20 1 8 3多媒体数据库 MultimediaDatabase 多媒体 译自20世纪80年代初产生的英文词 multimedia 多媒体是在计算机控制下把文字 声音 图形 图象 视频等多种类型数据的有机组集成 其中数字 字符等称为非格式化数据 文本 声音 图形 图象 视频等称为非格式化数据 数据库从传统的企业管理扩展到CAD CAM等多种非传统的应用领域 这些领域中要求处理的数据不仅包括一般的格式化数据 还包括大量不同媒体上的非格式化数据 在字符型媒体中 信息是由数字与字母组成的 要按照数学字母的特征来处理 在图形媒体中 信息用有关图形描绘 其中包括几何信息与非几何信息 以及描述各几何体之间相互的拓朴信息 这些不同媒体上的信息具有不同的性质与特性 因此 如何组织存在于不同媒体上的信息 就要建立多媒体数据库系统 21 多媒体数据库是指能够存储和管理相互关联的多媒体数据的集合 这些数据集合语义丰富 信息量特别大 管理过程复杂 因而要求多媒体数据库能够支持多种数据模型 能够存储多种类型的多媒体数据 并针对多媒体数据的特点采用数据压缩与解压缩等特殊存储技术 同时 要提供对多媒体数据进行处理的功能 包括查询 播放 编辑等功能 可以将物理存储的信息以多媒体方式向用户表现和支付 多媒体数据库目前有三种结构 第一种结构 由单独一个多媒体数据库管理系统来管理不同媒体的数据库以及对象空间 第二种结构 主辅DBMS体系结构 每一个媒体数据库由一个辅DBMS管理 另外有一个主DBMS来一体化所有的辅DBMS 用户在DBMS上使用多媒体数据库 对象空间由主DBMS来管理 22 第三种结构 协作DBMS体系结构 每个媒体数据库对应