第02章 分布式数据库系统体系结构

1、分布式数据库系统原理与应用 第二章第二章 分布式数据库系统体系结构分布式数据库系统体系结构 第二章 分布式数据库系统体系结构 主要内容主要内容 p 物理结构和逻辑结构物理结构和逻辑结构 p 体系结构体系结构 p 系统结构系统结构 p 模式结构模式结构 p 功能结构功能结构 p 数据集成系统数据集成系统 p MDBS体系结构体系结构 p P2PDBS p 分布式数据库系统分类分布式数据库系统分类 p 字典信息的组织字典信息的组织 第二章 分布式数据库系统体系结构 物理结构和逻辑结构物理结构和逻辑结构 场地4 网络 场地1 场地2 场地3 场地m DDBS的物理结构的物理结构 DDBMS 全局用户

2、 LDBMS1LDBMSn DB1DBn DDBS的逻辑结构的逻辑结构 第二章 分布式数据库系统体系结构 系统结构系统结构 p 系统的体系结构（系统的体系结构（ Architecture）指按组件指按组件、组件功能、组件功能 以及它们的交互作用定义系统的结构以及它们的交互作用定义系统的结构(Structure） p 参考体系结构的目的参考体系结构的目的 n 讨论的框架讨论的框架 n 标准标准 p DBMS 标准化标准化 n基于功能基于功能 n基于组件基于组件 n基于数据基于数据 n最早的是基于数据组织最早的是基于数据组织ANSI/SPARC Architecture（external view

3、, conceptual view， internal view, ）的三级模式结构）的三级模式结构 American National Standards Institute, Standards Planning And Requirements Committee：美国国家标准协会的计算 机与信息处理委员会中的标准计划与需 求委员会 第二章 分布式数据库系统体系结构 系统结构系统结构 p 基于层次的基于层次的DBMS系统结构系统结构 CM APAPAP DPDPDP DB DB DB 客户端软件客户端软件 服务器端软件服务器端软件 全局请求全局请求 局部请求局部请求 用户用户用户用户用户

4、用户 其中：AP：应用处理器 DP：数据处理器 CM：通信处理器 应用处理器应用处理器(AP) 用于完成分布数用于完成分布数 据处理的软件，据处理的软件， 如：处理访问多如：处理访问多 个场地的请求，个场地的请求， 查询全局字典中查询全局字典中 分布信息等。分布信息等。 数据处理器数据处理器(DP) 负责进行数据管负责进行数据管 理的软件，类似理的软件，类似 于一个集中式数于一个集中式数 据库管理系统据库管理系统 （DBMS）。）。 通信管理器通信管理器(CM)负责为负责为AP和和DP在多个场地之间传送命令和数据在多个场地之间传送命令和数据。 第二章 分布式数据库系统体系结构 2.2 系统结构

5、系统结构 不同系统的系统结构图不同系统的系统结构图 AP DP a.集中库集中库 第二章 分布式数据库系统体系结构 系统结构系统结构 p 不同系统的系统结构图不同系统的系统结构图 APAP DP b. 多客户多客户/单服务器单服务器(c/s) 第二章 分布式数据库系统体系结构 系统结构系统结构 p 不同系统的系统结构图不同系统的系统结构图 APAP DP b. 多客户多客户/单服务器单服务器(c/s) 第二章 分布式数据库系统体系结构 系统结构系统结构 p 不同系统的系统结构图不同系统的系统结构图 c. 多客户多客户/多服务器多服务器 (mc/ms) APAP DPDP AP DPDP 第二章

6、 分布式数据库系统体系结构 2.2 系统结构系统结构 p 不同系统的系统结构图不同系统的系统结构图 d. 服务器结构 APAP DPDP 第二章 分布式数据库系统体系结构 系统结构系统结构 p 不同系统的系统结构图不同系统的系统结构图 n负载平衡监测负载平衡监测:负责监控负责监控 数据库服务器的状态及数据库服务器的状态及 性能，调度依据性能，调度依据 n数据处理数据处理:负责处理从数负责处理从数 据库返回的数据，按一据库返回的数据，按一 定的方式将数据传送给定的方式将数据传送给 AP。 n数据库管理器数据库管理器:负责接收负责接收 客户请求队列中的客户客户请求队列中的客户 请求，调用相应的驱动

7、请求，调用相应的驱动 程序管理器，完成相应程序管理器，完成相应 的数据库查询任务。的数据库查询任务。 n驱动程序管理器驱动程序管理器:负责调负责调 度相应的数据库驱动程度相应的数据库驱动程 序，实现与相应的数据序，实现与相应的数据 库的连接。库的连接。 基于基于“中间件中间件”的客户的客户/服务器的体系结服务器的体系结 构构 APAP DPDP 数据处理模块数据处理模块客户请求队列客户请求队列负载平衡检测负载平衡检测 驱动程序驱动程序1驱动程序驱动程序2 驱动程序驱动程序n 数据库管理器数据库管理器 驱动程序管理器驱动程序管理器 网络通信接口网络通信接口 数据库访问接口数据库访问接口 数据库连

8、接数据库连接1数据库连接数据库连接2 数据库连接数据库连接n 数据库连接池数据库连接池 客户端软件客户端软件 服务端软件服务端软件 数据库中间件数据库中间件 第二章 分布式数据库系统体系结构 系统结构系统结构 n 不同系统的系统结构图不同系统的系统结构图 Client WebServer 信息请求 信息返回 Server 数据请求 数据返回 Browse/Server 表示层表示层 功能层功能层数据层数据层 第二章 分布式数据库系统体系结构 组件结构组件结构 用户接口 语义数据控制器 全局查询处理器 全局执行监控器monitor 局部查询处理器 局部事务管理器 存储管理器 外模式 全局概念模式

9、 全局日志 局部概念模式 系统日志 局部内模式 数据库 用户 用户请求系统响应 应用处理器 数据处理器 局部调度管理器 锁管理器 局部恢复管理器 系统日志 第二章 分布式数据库系统体系结构 组件结构组件结构 p 应用处理器（应用处理器（AP）功能）功能： n 用户接口：用户接口：检查用户身份，接受用户命令，如：检查用户身份，接受用户命令，如： SQL命令。命令。 n 语义数据控制器：语义数据控制器： 视图管理、安全控制、语义完视图管理、安全控制、语义完 整性控制（全局概念模式）。这些约束定义在字典整性控制（全局概念模式）。这些约束定义在字典 中。中。 n全局查询处理器全局查询处理器:将用户命令

10、翻译成数据库命令；将用户命令翻译成数据库命令； 生成全局查询的分布执行计划；收集局部执行结果生成全局查询的分布执行计划；收集局部执行结果 并返回给用户。并返回给用户。 n全局执行监控器（全局事务管理器全局执行监控器（全局事务管理器):调度协调和监调度协调和监 视视AP和和DP之间的分布执行；保证复制数据的一致之间的分布执行；保证复制数据的一致 性；保证全局事务的原子性。性；保证全局事务的原子性。 第二章 分布式数据库系统体系结构 组件结构组件结构 p DPDP功能功能 n局部查询处理局部查询处理：实现全局命令到局部命令的转换；访问：实现全局命令到局部命令的转换；访问 路径选择器，选择最好的路径

11、执行。路径选择器，选择最好的路径执行。 n局部恢复管理器局部恢复管理器： 维护本地数据库一致性的故障恢复。维护本地数据库一致性的故障恢复。 n运行支持处理器（存储管理器）运行支持处理器（存储管理器）：按调度命令访问数据：按调度命令访问数据 库；控制数据库缓存管理器；返回局部执行结果；保证子库；控制数据库缓存管理器；返回局部执行结果；保证子 事务执行的正确性。事务执行的正确性。 n局部事务管理器局部事务管理器：以局部子事务为单位调度执行，保证：以局部子事务为单位调度执行，保证 子事务执行的正确性。子事务执行的正确性。 n局部调度管理器：局部调度管理器：负责局部场地上的并发控制，按可串负责局部场地

12、上的并发控制，按可串 行化调度和执行数据操作。行化调度和执行数据操作。 第二章 分布式数据库系统体系结构 模式结构模式结构 p我国分布式数据库系统标准草案中给定的抽象为四层的模式结构：我国分布式数据库系统标准草案中给定的抽象为四层的模式结构： 全局外层、全局概念层、局部概念层和局部内层全局外层、全局概念层、局部概念层和局部内层。模式与模式之间是。模式与模式之间是 映射关系。映射关系。 ES1ES2ESn GCS LISnLIS2LIS1 LCS1 LCS2LCSn 映射映射 映射模式 全局模式 局部模式局部模式 分片模式 分配模式 全局 外层 全局概 念层 局部 概念层 局部 内层 ES：全局

13、模式：全局模式 GCS：全局概念模式：全局概念模式 LCS：局部概念模式：局部概念模式 LIS：局部内模式：局部内模式 第二章 分布式数据库系统体系结构 模式结构模式结构 n 全局模式或外模式（全局模式或外模式（ES）:全局外模式全局外模式即即全局用户视图，是分布式全局用户视图，是分布式 数据库的全局用户对分布式数据库的最高层抽象。全局用户使用视图数据库的全局用户对分布式数据库的最高层抽象。全局用户使用视图 时，不必关心数据的分片和具体的物理分配细节。时，不必关心数据的分片和具体的物理分配细节。 n 全局概念模式（全局概念模式（GCS）: 全局概念模式全局概念模式即全局概念视图，是分布式即全局

14、概念视图，是分布式 数据库的整体抽象，包含了全部数据特性和逻辑结构。像集中式数据数据库的整体抽象，包含了全部数据特性和逻辑结构。像集中式数据 库中的概念模式一样，是对数据库全体的描述。全局概念模式再经过库中的概念模式一样，是对数据库全体的描述。全局概念模式再经过 分片模式分片模式和和分配模式分配模式映射到映射到局部模式局部模式。 n分片模式分片模式是描述全局数据的逻辑划分视图。即全局数据逻辑结构根是描述全局数据的逻辑划分视图。即全局数据逻辑结构根 据某种条件的划分，将全局数据逻辑结构划分为局部数据逻辑结构。据某种条件的划分，将全局数据逻辑结构划分为局部数据逻辑结构。 每一个逻辑划分成每一个逻辑

15、划分成一个分片一个分片。在关系数据库中，一个关系中的一个子。在关系数据库中，一个关系中的一个子 关系称该关系的一个片段。关系称该关系的一个片段。 n分配模式分配模式是描述局部数据逻辑的局部物理结构，即划分后的分片的是描述局部数据逻辑的局部物理结构，即划分后的分片的 物理分配视图。物理分配视图。 第二章 分布式数据库系统体系结构 模式结构模式结构 n 局部概念视图（局部概念视图（LCS）：）：局部概念模式局部概念模式为局部概念视图，是全局概为局部概念视图，是全局概 念模式的子集。念模式的子集。局部概念模式局部概念模式用于描述局部场地上的局部数据逻辑结构。用于描述局部场地上的局部数据逻辑结构。 当

16、全局数据模型与局部数据模型不同时，还涉及数据模型转换等内容。当全局数据模型与局部数据模型不同时，还涉及数据模型转换等内容。 n 局部内模式局部内模式定义局部物理视图，是对物理数据库的描述，类似集中数定义局部物理视图，是对物理数据库的描述，类似集中数 据库的内层。据库的内层。 n 分布式数据库的四层结构及模式定义描述了分布式数据库是一组用网分布式数据库的四层结构及模式定义描述了分布式数据库是一组用网 络联结的局部数据库的逻辑集合。它将数据库分为络联结的局部数据库的逻辑集合。它将数据库分为全局数据库全局数据库和和局部数局部数 据库据库。全局数据库到局部数据库由映射（。全局数据库到局部数据库由映射（

17、1：N）模式描述。全局数据）模式描述。全局数据 库是库是虚拟的虚拟的，由全局概念层描述。局部数据库是全局数据库的内层，由，由全局概念层描述。局部数据库是全局数据库的内层，由 局部概念层和局部内层描述。局部概念层和局部内层描述。全局用户全局用户只关心全局外层定义的数据库用只关心全局外层定义的数据库用 户视图，其内部数据模型的转换、场地分配节等由系统自动实现。户视图，其内部数据模型的转换、场地分配节等由系统自动实现。 第二章 分布式数据库系统体系结构 功能结构功能结构 Global DB Administrator Application System Administrator GCS Proc

18、essor ES Processor GD/D Local Data Manager Local Data Manager Local DBA CS Processor-1 LD/D Local IS Processor Internal DB Conceptual Transformation Int. Storage Int. DB Transformation Enterprise Administrator 第二章 分布式数据库系统体系结构 数据库集成系统数据库集成系统 p DDB 和和 数据库集成系统数据库集成系统 n通常，分布式数据库系统是自上而下（通常，分布式数据库系统是自上而下

19、（top-down）地）地 设计数据库，可灵活地进行分片和分配设计。用户可得设计数据库，可灵活地进行分片和分配设计。用户可得 益于其益于其“集中控制集中控制”和数据库系统具有的数据处理能力。和数据库系统具有的数据处理能力。 但分布式数据库系统具有数据库组件数量的限制，通常但分布式数据库系统具有数据库组件数量的限制，通常 不多于数十个数据库组件。不多于数十个数据库组件。 n数据集成系统通过约束数据管理能力（只支持只读），数据集成系统通过约束数据管理能力（只支持只读）， 可将数据库组件数量扩展到数百个。在数据集成系统中，可将数据库组件数量扩展到数百个。在数据集成系统中， 通常数据和数据库已存在，是

20、遵循自下而上（通常数据和数据库已存在，是遵循自下而上（bottom- up）地集成各局部场地上的数据。）地集成各局部场地上的数据。 第二章 分布式数据库系统体系结构 数据库集成系统数据库集成系统 p 数据库集成的模式结构数据库集成的模式结构 全局概念模式全局概念模式 集成器集成器 局部集成模式局部集成模式(LIS1)局部集成模式局部集成模式(LISn) 翻译器翻译器1翻译器翻译器n 局部模式局部模式(LS1)局部模式局部模式(LSn) 模模 式式 翻翻 译译 模模 式式 集集 成成 第二章 分布式数据库系统体系结构 数据库集成系统数据库集成系统 p多数据库系统（多数据库系统（MDB） nMDB

21、S 是在己经存在的数据库系统 (称为局部数据库系 统:LDBs) 之上为用户提供一个统一的存取数据的环境。 多数据库系统逻辑结构多数据库系统逻辑结构 MDBMS 全局用户全局用户 LDBMS1LDBMSn DB1DBn 局部用户局部用户 第二章 分布式数据库系统体系结构 数据集成系统数据集成系统 p DDB 和和 MDB的不同的不同 n MDB：本地数据管理器（：本地数据管理器（data manager ）都）都 是完备的是完备的DBMS，具有它自己的，具有它自己的DDL, DML和和 TM。 n DDB：只有一个：只有一个数据管理器和依赖于该管理数据管理器和依赖于该管理 器的存在于各局部场地

22、上组件数据管理器器的存在于各局部场地上组件数据管理器 （component-data-manager）。 第二章 分布式数据库系统体系结构 MDBS（多库数据库系统）（多库数据库系统） p 具有全局概念模式的模型具有全局概念模式的模型 GCS GES1GES2GES3 LES11LES12LES13LESn1LESn2LESnm LCS1 LIS1 LCSn LISn 第二章 分布式数据库系统体系结构 LCS2 ES1ES2ES3 LCS1 LIS2 LCS3 LIS1LIS3 Multidatabase layer Local system layer p 没有没有全局概念模式的模型全局概念

23、模式的模型 MDBS （多库数据库系统）（多库数据库系统） 第二章 分布式数据库系统体系结构 pMDBS 的组件结构的组件结构 USER Multi-DBMS Layer Query Processor Transaction Manager Scheduler Recovery Manager Runtime Support Processor DBMS User requests System responses Query Processor Transaction Manager Scheduler Recovery Manager Runtime Support Processor

24、DBMS MDBS (多库数据库系统多库数据库系统) ) 第二章 分布式数据库系统体系结构 p一种多数据库系统的实现结构一种多数据库系统的实现结构 MDBS （多库数据库系统）（多库数据库系统） 用户 多数据库查询处理器 多数据库事务管理器 多数据库操作执行器全局目录 全局字典 管理器 数据库管理系统数据库管理系统 数据库数据库 多数据库 管理层 系统层 请求回答 局部系统层 I n t e r n e t 第二章 分布式数据库系统体系结构 p多数据库查询处理信息多数据库查询处理信息 MDBS （多库数据库系统）（多库数据库系统） 查询分裂 分片 翻译 局部查询分解 查询优化 一个场地上一个

25、数据库的子查询 多数据库上 的子查询 局部数据库系 统处理的查询 代数查询 优化的局部查询 控制场地 每个场地上的多 数据库管理层 局部数据库系统 存取路径 局部模式 辅助库 数据目录信息 数据定位信息 第二章 分布式数据库系统体系结构 p多数据库事务管理的系统结构多数据库事务管理的系统结构 MDBS （多库数据库系统）（多库数据库系统） 全局事务 管理 (GTM) 全局事务 管理 (GTM) 局部事务 管理 (LTM) 局部事务 管理 (LTM) 局部事务 管理 (LTM) 局部事务 管理 (LTM) 第二章 分布式数据库系统体系结构 MDBS （多库数据库系统）（多库数据库系统） p在多数

26、据库系统中，不是所有子事务的成功或失败都影响全局事务的 执行结果，多数据库事务中的部分结果也可被其它事务引用。 p因此，在多数据库系统中，需要松弛型事务(relaxed transaction); 通常，多数据库事务是长事务（long transaction。 p多数据库事务管理的目标是要实现对多副本的全局数据的并发操作， 同时，要保证数据的一致性和局部场地的自治性。 p多数据库的并发控制多数据库的并发控制 n能同步全局事务和局部事务。 n若要支持多数据库的任意更新操作，必须牺牲某些场地的 自治性； n若要保证局部场地的自治性，就必须限制全局事务的类型 如只读或单场地更新等。 第二章 分布式数

27、据库系统体系结构 P2P数据库系统数据库系统(P2PDBS) p 对等型对等型 模型模型(又称又称P2P 模型模型)是一种新型的体系结构模型，是一种新型的体系结构模型， 面向大范围的多数据资源点的松散耦合。面向大范围的多数据资源点的松散耦合。 p 特点：特点： n每个点均可贡献数据，系统资源具有丰富性、多样性；每个点均可贡献数据，系统资源具有丰富性、多样性； n可直接访问数据源中的数据资源，即时得到最新鲜的可直接访问数据源中的数据资源，即时得到最新鲜的 数据，不同于如数据仓库等集中的数据资源仓；数据，不同于如数据仓库等集中的数据资源仓； n采用自组织原则，具有健壮性；采用自组织原则，具有健壮性

28、； n每个点可随时加入和退出，系统具有分散性、可扩展每个点可随时加入和退出，系统具有分散性、可扩展 性；性； n以以Web上的资源为上的资源为Peer点，系统部署简单，不需要复点，系统部署简单，不需要复 杂的框架部署实现。杂的框架部署实现。 第二章 分布式数据库系统体系结构 P2P数据库系统数据库系统(P2PDBS) p P2PDBS的数据集成体系结构的数据集成体系结构 Local Schema/Instances Local Schema/Instances Export Schema/Instances Export Schema/Instances P2PDBS1P2PDBS1 Mapp

29、ing Graph/Global Index 第二章 分布式数据库系统体系结构 P2P数据库系统数据库系统(P2PDBS) p PDBS的体系结构的体系结构 Component DBSComponent DBSComponent DBS Local Request 第二章 分布式数据库系统体系结构 P2P数据库系统数据库系统(P2PDBS) pDBS与与DDBS的典型区别的典型区别 P2PDBSDDBS 节点随时加入和离开节点随时加入和离开节点受控加入和退出节点受控加入和退出 没有预定的全局模式没有预定的全局模式共享的模式共享的模式 不能检索到满足查询的全部回答不能检索到满足查询的全部回答检索

30、到满足查询的全部回答检索到满足查询的全部回答 将查询转发到邻居将查询转发到邻居,逐步定位内容逐步定位内容知道可回答查询的节点的位置知道可回答查询的节点的位置 参加的主机数比存储的字节数更重要参加的主机数比存储的字节数更重要扩展性主要指存储的字节数扩展性主要指存储的字节数 第二章 分布式数据库系统体系结构 分布式数据库系统分类分布式数据库系统分类 分布式数据库系统的分类很多。为全面、系统地对分分布式数据库系统的分类很多。为全面、系统地对分 布式数据库系统进行分类，采用分布式数据库的三个特布式数据库系统进行分类，采用分布式数据库的三个特 性（性（分布性、异构性、自治性分布性、异构性、自治性）组成的

31、三维空间图来描）组成的三维空间图来描 述分布式数据库的类型。述分布式数据库的类型。 p 三个基本特性三个基本特性 n分布性分布性是指系统的各组成单元是否位于同一场地上。是指系统的各组成单元是否位于同一场地上。 分布式数据库系统是物理上分散、逻辑上统一的系统，分布式数据库系统是物理上分散、逻辑上统一的系统， 即具有分布性。而集中式数据库系统集中在一个场地上，即具有分布性。而集中式数据库系统集中在一个场地上， 所以不具有分布性。所以不具有分布性。 第二章 分布式数据库系统体系结构 分布式数据库系统分类分布式数据库系统分类 n异构性异构性是指系统的各组成单元是否相同，不同为异构，相是指系统的各组成单

32、元是否相同，不同为异构，相 同为同构。异构主要同为同构。异构主要: 数据异构性：数据异构性：指数据在格式上、语法和语义上存在指数据在格式上、语法和语义上存在 不同。不同。 数据系统异构性：数据系统异构性：指各个场地上的局部数据库系统指各个场地上的局部数据库系统 是否相同。如：均采用是否相同。如：均采用ORACLE数据库系统的同构数数据库系统的同构数 据系统。或某些场地采用据系统。或某些场地采用SYBASE数据库系统，某些场数据库系统，某些场 地采用地采用INFORMIX系统的异构数据库系统。系统的异构数据库系统。 平台异构性：平台异构性：指计算机系统是否相同。如：均为微指计算机系统是否相同。如

33、：均为微 机系统组成的平台同构系统或由机系统组成的平台同构系统或由VAX或或ALPHA系统等系统等 异构平台组成的系统。异构平台组成的系统。 第二章 分布式数据库系统体系结构 分布式数据库系统分类分布式数据库系统分类 n自治性自治性是指每个场地的独立自主能力。自治性通常是指每个场地的独立自主能力。自治性通常 由设计自治性、通讯自治性和执行自治性三方面来描由设计自治性、通讯自治性和执行自治性三方面来描 述。根据系统的自治性，可分为述。根据系统的自治性，可分为集中式系统、联邦式集中式系统、联邦式 系统（系统（Federated DB）和和多数据库系统（多数据库系统（Multi DB）。 集中式系统集中式系统即为传统的数据库系统。即为传统的数据库系统。 联邦式系统联邦式系统：实现需要交互的所有数据库对之实现需要交互的所有数据库对之 间的一对一连接。间的一对一连接。 多数据库系统多数据库系统：是指若干相关数据库的集合。：是指若干相关数据库的集合。 各个数据库可以存在同一场地，也可分布多个场各个数据库可以存在同一场地，也可分布多个场 地。对多数据库系统进行管理的软件称多数据库地。对多数据库系统进行管理的软件称多数据库 管理系统，多数据库管理系统是对一组自治的数管理系统，多数据库管理系统是对一