数据库系统体系结构ppt课件

1、数据库系统体系构造数据库系统体系构造n集中式数据库系统集中式数据库系统n数据库系统数据库系统n三层数据库系统三层数据库系统n并行数据库系统并行数据库系统n分布式数据库系统分布式数据库系统根本定义根本定义n背景背景n数据库系统数据库系统+计算机网络计算机网络DB1DB1DB1计算机1计算机1计算机1通讯网络北京重庆上海银行系统根本定义根本定义n根本特性根本特性n分布性：数据存储在不同场地上。与集中式分布性：数据存储在不同场地上。与集中式数据库不同。数据库不同。n逻辑整体性：数据逻辑上是相互联络的一个逻辑整体性：数据逻辑上是相互联络的一个整体。与分散在计算机网络不同站点上的一整体。与分散在计算机网

2、络不同站点上的一组没有相互联络的本地数据库区别开来。组没有相互联络的本地数据库区别开来。n定义定义n描画定义：描画定义：D-DBS是一个数据集合，这些数是一个数据集合，这些数据在逻辑上属于同一个系统，但在物理上分据在逻辑上属于同一个系统，但在物理上分布在计算机网络的不同结点上。布在计算机网络的不同结点上。根本定义根本定义n准确定义： D-DBS是一个数据集合，这些数据，分布在计算机网络的不同计算机上，网络中每个结点具有独立处置的才干，可以执行部分运用，同时每个结点也能经过网络通讯支持全局运用。n分布式数据库强调场地自治性部分运用以及自治场地之间的协作性全局运用。n“在自治的结点之间协同任务D-

3、DBS的特点的特点n数据独立性数据独立性nD-DBS除了集中式除了集中式DBS的物理独立性及的物理独立性及逻辑独立性，还有数据分布的独立性，也称逻辑独立性，还有数据分布的独立性，也称分布透明性，即用户不用关怀数据物理位置分布透明性，即用户不用关怀数据物理位置的分布。的分布。n集中与自治相结合的控制构造集中与自治相结合的控制构造n集中式集中式DBS中，控制是集中的，一致由中，控制是集中的，一致由DBA维护。维护。nD-DBS中，控制是分层的：中，控制是分层的：n全局全局DBA：管理整个数据库：管理整个数据库n本地本地DBA：管理本地数据库：管理本地数据库D-DBS的特点的特点n适当添加数据冗余适

4、当添加数据冗余n集中式集中式DBS中，尽能够减少数据冗余以防止中，尽能够减少数据冗余以防止不一致性及节省存储空间。不一致性及节省存储空间。nD-DBS中，适当添加冗余，在不同场地存储中，适当添加冗余，在不同场地存储同一数据的多个副本。同一数据的多个副本。n提高系统可靠性、可用性：一场地发生缺点，提高系统可靠性、可用性：一场地发生缺点，可存取另一场地同一副本。可存取另一场地同一副本。n提高系统性能：存取间隔最近的数据副本，提高系统性能：存取间隔最近的数据副本，减少通讯代价。减少通讯代价。n全局的一致性、可串行性、可恢复性。全局的一致性、可串行性、可恢复性。n涉及多个结点。涉及多个结点。D-DBS

5、的优点的优点n经济上和组织上的理由经济上和组织上的理由n数据库的运用单位组织上、地理上是分布的数据库的运用单位组织上、地理上是分布的n既有数据库互连既有数据库互连n历史承继；数据资源共享历史承继；数据资源共享n系统规模逐渐扩展系统规模逐渐扩展n添加结点，不影响现有系统运转添加结点，不影响现有系统运转n减少通讯开销减少通讯开销n提高运用的本地化提高运用的本地化n提高系统的可靠性与可用性提高系统的可靠性与可用性n多副本机制多副本机制D-DBS的体系构造的体系构造G-外方式外方式G-外方式外方式G-概念方式概念方式分片方式分片方式分布方式分布方式L-概念方式概念方式L-概念方式概念方式L-内方式内方

6、式L-内方式内方式L-DBL-DBG-DBMSG-DBMSD-DBS的体系构造的体系构造nG-外方式外方式n全局运用的用户视图。全局运用的用户视图。nG-概念方式概念方式n定义定义D-DBS中数据的整体逻辑构造，数中数据的整体逻辑构造，数据好像没有分布一样。据好像没有分布一样。n分片方式分片方式n每一个关系可以分为假设干互不相交的每一个关系可以分为假设干互不相交的部分，每一部分称为一个片段。部分，每一部分称为一个片段。n分布方式分布方式n定义片段的存放地点。定义片段的存放地点。分布式数据存储分布式数据存储n数据在分布式数据库的存储途径数据在分布式数据库的存储途径n复制复制n系统维护关系的几个完

7、全一样的副本，系统维护关系的几个完全一样的副本，这些副本存储在不同的结点上。这些副本存储在不同的结点上。n分片分片n关系被划分为几个片段，各个片段存储关系被划分为几个片段，各个片段存储在不同的结点上。在不同的结点上。n复制复制+分片分片n关系被划分为几个片段，系统为每个片关系被划分为几个片段，系统为每个片段维护几个副本。段维护几个副本。分布式数据存储分布式数据存储n数据复制数据复制n优点优点n可用性可用性n添加并行度添加并行度n缺陷缺陷n一致性维护一致性维护n结论结论n有利于只读事务，添加更新事务开销。有利于只读事务，添加更新事务开销。分布式数据存储分布式数据存储n数据分片数据分片n优点优点n

8、将关系分片，有利于按用户需求组织数据的分将关系分片，有利于按用户需求组织数据的分布。布。n如产品如产品内销产品，出口产品。内销产品，出口产品。n分片方式分片方式n程度分片程度分片n垂直分片垂直分片n导出分片导出分片n混合分片混合分片分布式数据存储分布式数据存储n程度分片n将关系r按行分为假设干子集r1，r2，rn，每个子集ri称为一个程度片段。n一个程度片段可以看成是关系上的一个选择。nri =Pirn如C_S=DNO=D08Sn关系的重构可以经过并运算来实现。nr= r1 r2rn分布式数据存储分布式数据存储n垂直分片n将关系r按列分为假设干属性子集r1，r2，rn，每个子集ri称为一个垂直

9、片段。n一个垂直片段可以看成是关系上的一个投影。nri =Rirn其中Ri是r的一个属性子集。 n如P_S = PNO，SALPn关系的重构可以经过衔接运算来实现。nr= r1 r2 rnn一切分片都包括每个元组的独一标识码tuple_id。分布式数据存储分布式数据存储n导出分片导出分片n导出程度分片，分片的条件不是关系本导出程度分片，分片的条件不是关系本身属性条件，而是其它关系的属性条件。身属性条件，而是其它关系的属性条件。n如如SCS#，C#，G按学生系别分片。按学生系别分片。n混合分片混合分片n关系按某种方式分片后，得到的片段再按另关系按某种方式分片后，得到的片段再按另一种方式继续分片。

10、一种方式继续分片。n如如SCS#，C#，G按学生系别分片，再按学生系别分片，再对每个片段按成果及格，不及格分片。对每个片段按成果及格，不及格分片。分布式数据存储分布式数据存储n分布网络透明性分布网络透明性n分片透明性分片透明性n用户或运用程序只对全局关系进展操作而不用户或运用程序只对全局关系进展操作而不用思索关系的分片。假设分片方式改动了，经用思索关系的分片。假设分片方式改动了，经过调整全局方式与分片方式之间的映象关系来过调整全局方式与分片方式之间的映象关系来坚持全局方式不变。坚持全局方式不变。n位置透明性位置透明性n用户或运用程序不用了解片段的存储位置。用户或运用程序不用了解片段的存储位置。

11、n部分数据模型透明性部分数据模型透明性n用户或运用程序不用了解部分场地上运用的用户或运用程序不用了解部分场地上运用的是哪种数据模型。是哪种数据模型。分布式数据存储分布式数据存储n例如：设有全局关系例如：设有全局关系S，它被划分为两个片，它被划分为两个片段段S-A本科生，本科生，S-B研讨生，研讨生，S-B有有两个副本。两个副本。SS-AS-BS-AS-BS-BSite-1Site-2Site-3全局关系全局关系片段片段物理存储物理存储分布式数据存储分布式数据存储写一个查询，输入学号，输出学生姓名。系统具有分片透明性scanf (“%s,S_NO);EXEC SQL select SN into

12、 ：S_NAME from S where SNO= :S_NO;printf(“%d, %s,S_NO,S_NAME);分布式数据存储分布式数据存储系统具有位置透明性，但不具有分片透明性系统具有位置透明性，但不具有分片透明性scanf (“%s,S_NO);EXEC SQL select SN into ：S_NAME from S_A where SNO= :S_NO;if(!FOUND) EXEC SQL select SN into ：S_NAME from S_B where SNO= :S_NO;printf(“%d, %s, S_NO, S_NAME);分布式数据存储分布式数据存

13、储系统具有部分模型透明性，但不具有位置透明性系统具有部分模型透明性，但不具有位置透明性scanf (“%s,S_NO);EXEC SQL select SN into ：S_NAME from S_A at Site_1 where SNO= :S_NO;if(!FOUND) EXEC SQL select SN into ：S_NAME from S_B at Site_2(或或Site_3) where SNO= :S_NO;printf(“%d, %s, S_NO, S_NAME);分布式数据存储分布式数据存储n数据项的命名数据项的命名n每个数据项关系、副本、片段必需有独每个数据项关系、

14、副本、片段必需有独一的名字，在分布式数据库系统中必需保证一的名字，在分布式数据库系统中必需保证在不同的结点上不会用同一个名字来代表不在不同的结点上不会用同一个名字来代表不同的数据项。同的数据项。n途径途径1：名字效力器：名字效力器n一切名字都在名字效力器中注册，每个名字一切名字都在名字效力器中注册，每个名字对应一个数据项。对应一个数据项。n缺陷：名字效力器成为名字解析的瓶颈；依缺陷：名字效力器成为名字解析的瓶颈；依赖性大。赖性大。n途径途径2：将结点标识作为前缀加到该结点数：将结点标识作为前缀加到该结点数据项的名字前面据项的名字前面n保证独一性，不须中央控制；不能保证网络保证独一性，不须中央控

15、制；不能保证网络透明性。透明性。分布式数据存储分布式数据存储n途径3：别名n用户运用简单的别名，别名被系统翻译成完好的名字。n别名到真实名字的映射构成一张别名表被存储在系统的每一个结点上。当用户援用别名时，系统经过查找别名表找到实践的数据项。n对照路由表。分布式查询处置分布式查询处置Site-ASite-BS(S#,CITY)104个元组个元组SP(S#,P#)106个元组个元组P(P#,COLOR)105个元组个元组假定每条元组100bit大小求供应红色零件的、北京的供应商号码select S.S# from S, P, SPwhere S.CITY = 北京 and S.S# = SP.S

16、#and SP.P# = P.P# and P.COLOR = 红色网络网络传输速度传输速度104bps传输延迟传输延迟1s分布式查询处置分布式查询处置把关系P从B站传送到A站，在A站进展查询传送时间T=1+105 100 /104=103sS, SPP传传P传送时间T=总传输延迟+总数据量/传输速度分布式查询处置分布式查询处置把关系S，SP从A站传送到B站，在B站进展查询传送时间T=2+(104+106)100/104104sS, SPP传传S,SP分布式查询处置分布式查询处置在A站衔接S与SP，选出城市为北京的元组假定有105个，然后对其中每个元组的P#，讯问B站，看其能否为红色。传送时间

17、T=2 105sS, SPP问问答答分布式查询处置分布式查询处置在B站选出红色零件假定有10个，然后对每个元组讯问A站，看北京的供应商能否供应此零件。传送时间T=2 10=20sS, SPP问问答答分布式查询处置分布式查询处置在A站选出北京的供应商105个，传送到B站，在B站完成查询。传送时间T=1+ 105100/104=103sS, SPP传传(S) SP分布式查询处置分布式查询处置在B站选出红色零件10个，把结果传送到A站，在A站完成查询。传送时间T=1+ 10100/104=1.1sS, SPP传传(P)分布式查询处置分布式查询处置n半衔接运算半衔接运算n定义定义n半衔接半衔接R S=

18、RR SnABa1b1a2b1a2b3a2b4a3b3BCb1c1b2c2b5c1b5c2b6c4b7c2b8c3=ABa1b1a2b1分布式查询处置分布式查询处置n半衔接作用n找出R中可以与S中元组相衔接的元组来，类似于在衔接之前先做选择和投影。nR S = R S SnR S = S R Rn半衔接的非对称性nR S S R分布式查询处置分布式查询处置n半衔接在分布式数据库中的运用nR与S位于不同场地S1，S2上，其属性组分别为R1，R2，要在S1场地求R和S的衔接结果。n在S1场地对R做投影，将R缩减为R，nR=R1R2Rn将R 送往场地S2。n在S2场地完成S与R的半衔接操作，将S缩减

19、为S，nS = S Rn将S送回场地S1 。n在S1场地完成R与S的衔接操作，nR S = R S 分布式查询处置分布式查询处置n通讯代价模型通讯代价模型nTCX= C0+X*C1n其中其中X为数据传输量。为数据传输量。nC0为两结点初始化一次传输所破费的开销。为两结点初始化一次传输所破费的开销。nC1为传输率，即单位数据传输所破费的时间。为传输率，即单位数据传输所破费的时间。n采用半衔接的通讯代价：采用半衔接的通讯代价：nCSJ=2C0+(size(R)*card(R)+size(S)*card(S)*C1n不采用半衔接的通讯代价：不采用半衔接的通讯代价：nCJN=C0+size(S)*ca

20、rd(S) *C1n当当S中参与衔接的元组足够少时采用半衔接战略中参与衔接的元组足够少时采用半衔接战略是有利的。是有利的。分布式事务模型分布式事务模型n分布式事务分布式事务n数据的分布导致事务具有了分布性。一个全数据的分布导致事务具有了分布性。一个全局事务的执行被划分为在许多场地上子事务局事务的执行被划分为在许多场地上子事务的执行。的执行。n例如：银行在两个帐户之间转帐。例如：银行在两个帐户之间转帐。n对集中式数据库，单个事务对集中式数据库，单个事务T：nA：=A - 100，B：=B+100n对于分布式数据库，假定对于分布式数据库，假定A在在S1,S2各有各有一副本，一副本，B在在S3,S4

21、各有一副本，用户恳求各有一副本，用户恳求在在 S 5 发 出 ， 那 么 分 布 事 务发 出 ， 那 么 分 布 事 务 T 由由T1,T2,T3,T4,T5构成：构成：nT1, T2： A：=A - 100 nT3, T4 ：B：=B + 100nT5 ： 结果前往给用户结果前往给用户分布式事务模型分布式事务模型n事务管理模型事务管理模型TC1TM1TCnTMnn事务管理器TM：管理那些访问存储在一个部分结点中的数据的事务。事务可以是部分事务，也可以是全局事务的一部分。n事务协调器TC：协调该结点上发起的各事务部分的或全局的的执行。分布式事务模型分布式事务模型n事务管理器功能n维护一个用于

22、恢复的日志。n参与适当的并发控制方式，以协调在该结点上执行的事务的并发执行。n事务协调器功能n启动事务的执行。n将事务分解为假设干子事务，并将子事务分派到适当的结点上去执行。n协调事务的终止，保证事务在一切的结点上都提交或都中止。n一个全局事务的各个子事务要么全部执行，要么全部中止。分布式事务模型分布式事务模型n系统缺点系统缺点n分布式系统缺点分布式系统缺点n结点缺点，音讯丧失，通讯链路缺点，网络结点缺点，音讯丧失，通讯链路缺点，网络分割。分割。n网络拓扑网络拓扑n性能目的：安装开销，通讯开销，可用性。性能目的：安装开销，通讯开销，可用性。ABCDABCDABCDABCDABCDE分布式事务模

23、型分布式事务模型n事务两阶段提交协议事务两阶段提交协议n假定事务假定事务T在结点在结点Si发起，发起，n阶段阶段1：n事务协调器事务协调器TCi向日志中参与一条记录向日志中参与一条记录，并强迫该日志写入稳存中。，并强迫该日志写入稳存中。nTCi将音讯将音讯发送到执行发送到执行T的一的一切结点上。切结点上。n当某结点接遭到上述音讯时，该结点的当某结点接遭到上述音讯时，该结点的TM回答确定能否提交回答确定能否提交T中属于它的那部分，假中属于它的那部分，假设否，那么设否，那么TM将记录将记录参与到日志中，参与到日志中，并向并向TCi发送音讯发送音讯。假设是，那。假设是，那么么TM将记录将记录参与到日

24、志中，并参与到日志中，并将日志强迫写入稳存中，并向将日志强迫写入稳存中，并向TCi发送音讯发送音讯。分布式事务模型分布式事务模型n阶段2：n当TCi收到一切结点对音讯的回答时，或等待呼应的时间已过，TCi决议事务T是提交还是中止。n假设TCi 收到的都是音讯，事务就可以提交，否那么事务必需被中止。根据结果的不同向日志中写入 或者，并强迫将日志写入稳存中。n 向一切参与的结点发送音讯或。n结点收到此音讯后，就把该音讯记入日志中。向TCi发送音讯； TCi收到该音讯后，将记录参与到日志中。并发控制并发控制n单一锁管理器方式单一锁管理器方式n系统维护位于单一节点系统维护位于单一节点Si上的单一锁管理

25、上的单一锁管理器。器。n假设有事务欲封锁某一数据项，它向假设有事务欲封锁某一数据项，它向Si发送锁发送锁恳求，恳求， Si决议能否可以立刻满足该恳求。决议能否可以立刻满足该恳求。n是，向恳求节点发送音讯。是，向恳求节点发送音讯。n否，推迟发送音讯直至锁可以被授予。否，推迟发送音讯直至锁可以被授予。n读数据可以从存在数据副本的任一个节点读取，读数据可以从存在数据副本的任一个节点读取，写数据时一切包含该数据副本的节点都必需参写数据时一切包含该数据副本的节点都必需参与到写操作中。与到写操作中。n优点：实现简单，死锁处置简单。优点：实现简单，死锁处置简单。n缺陷：锁管理器节点能够成为系统瓶颈；对锁缺陷：锁管理器节点能够成为系统瓶颈；对锁管理器节点依赖大，系统脆弱性大。管理器节点依赖大，系统脆弱性大。并发控制并发控制n多数协议多数协