实时数据库系统及其特征

1、实时数据库系统及其特征实时数据库系统及其特征第1页目录概述实时数据库发展实时数据库与时间实时数据库特征实时系统主要特征实时数据库与其它高级数据库联络实时数据库系统主要技术实时数据库应用与研究 实时数据库系统及其特征第2页概述数据库理论与技术发展极其快速，其应用日益广泛，在当今信息社会中，它几乎无所不在。以关系型为代表三大经典（层次、网状、关系）型数据库在传统（商务和管理事务型）应用领域取得了极大成功，然而它们在当代（非传统）工程和时间关键型应用面前却显得软弱无力，面临着新严峻挑战，由此而造成了实时数据库（RealtimeDatabase，RTDB）产生和发展。实时数据库系统及其特征第3页实时数

2、据库发展数据库应用正从传统领域向新领域扩展，如CAD/CAM、CIMS；数据通信、电话交换、电力调度等网络管理；电子银行事务、电子数据交换与电子商务；交通控制、雷达跟踪、空中交通管制；武器制导、实时仿真、作战指挥自动化或C3I系统，等等。这些应用有着与传统应用不一样特征，首先，要维护大量共享数据和控制数据；实时数据库系统及其特征第4页实时数据库发展其次，其应用活动（任务或事务）有很强时间性，要求在规定时刻和(或)一定时间内完成其处理；同时，所处理数据也往往是“短暂”，即有一定有效时间，过时则有新数据产生，而当前决策或推导变成无效。所以，这种应用对数据库和实时处理二者功效及特征都有需求，既需要数

3、据库来支持大量数据共享，维护其数据一致性，又需要实时处理来支持其任务（事务）与数据定时限制。实时数据库系统及其特征第5页实时数据库发展不过，传统数据库系统意在处理永久、稳定数据，强调维护数据完整性、一致性，其性能目标是高系统吞吐量和低代价，而根本不考虑相关数据及其处理定时限制，所以，传统数据库管理系统（DBMS）不能满足这种实时应用需要。而传统实时系统（RTS）即使支持任务定时限制，但它针正确是结构与关系很简单、稳定不变和可预报数据，不包括维护大量共享数据及它们完整性和一致性，尤其是时间一致性。所以，只有将二者概念、技术、方法与机制无缝集成（SeamlessIntegration）实时数据库（

4、RTDB）才能同时支持定时和一致性。实时数据库系统及其特征第6页实时数据库发展实时数据库定义：是其数据和事务都有显式定时限制数据库，系统正确性不但依赖于事务逻辑结果，而且依赖于该逻辑结果所产生时间。 注意：RTDB并非是数据库和实时系统二者简单结合，它需要对一系列概念、理论、技术、方法和机制进行研究开发 。实时数据库系统及其特征第7页实时数据库与时间1.数据与时间相关按照与之相关时间性质不一样又可分为两类：数据本身就是时间即从时间域中取值，如日期，称为用户定义时间，也就是用户自己知道，而系统并不知道它是时间，系统将毫无区分地把它像其它数据一样处理。 实时数据库系统及其特征第8页实时数据库与时间

5、数据值随时间而改变数据库中数据是对其所服务现实世界中对象状态描述，对象状态发生改变则引发数据库中对应数据值改变，因而与数据值改变相联时间能够是现实对象状态实际时间，称为真实或事件时间，即数据库中对应数据值改变时间，称为事务时间。2实时事务有定时限制经典就是其截止时间。对于RTDB，其结果产生时间与结果本身一样主要，普通只允许事务存取当前有效数据，事务必须维护数据库中数据事件一致性。 实时数据库系统及其特征第9页实时数据库特征如上所述，RTDB特征主要表现在数据和事务定时限制上，下面分别介绍：1.RTDB数据特征：在RTDB中，数据随外部环境状态改变而快速改变，其值只在一定时间内是流行，过时则无

6、效了，故系统除了维护数据库内部状态（数据值）正确性、相容性外，还必须同时维护内部状态与外部环境实际状态一致性，以及数据用来决议或推导新数据时在时间上相互一致性。RTDB中一个数据对象d由三个分量组成（dv，dtp，devi），它们分别为d当前值、采样时间、外部使用期（外部现实对象状态改变时间间隔）， 使用期即自dtp算起dv有效时间长度。对于RTDB中每一d，有内部一致性、外部一致性和相互一致性特征。实时数据库系统及其特征第10页实时数据库特征内部一致性dv满足预先定义数据库内部状态完整性和一致性限制。这就是传统意义下数据正确性。外部一致性设tc为当前或检测时间，当且仅当（tcdtp）devi

7、，则说d是外部一致，即dv和对应外部现实对象状态是一样。相互一致性用来决议或导出新数据一组相关数据称为一个相互一致集，记为R，其中数据必须尽可能地在一个允许公共时间期内被采取（或导出），这个公共时间期就称为R相互使用期，记为Rmvi，对于R中任两个数据d和d,有|dtpdtp|Rmvi，则说R中数据是相互一致。外部一致性和相互一致性都是关于时间，故统称时间一致性。既是内部一致又是时间一致数据才是正确。实时数据库系统及其特征第11页实时数据库特征2.RTDB事务特征因为实时任务往往有内部结构和相互之间联络，有较强定时性。定时性包含两方面含义：定时限制即事务执行有显式时限，如指定开始时间、截止时间

8、等，它要求RTDB必须有时间处理机制。定时正确性即事务能按指定时间要求正确执行，它要求权衡定时限制与数据一致性要求等多方面原因，提供适当调度与并发控制算法 。实时数据库系统及其特征第12页实时系统主要特征实时应用系统主要特征包含及时性、可预测性和可靠性等。实时数据库系统及其特征第13页实时系统主要特征及时性实时系统所产生结果在时间上有着严格要求，只有符合时间约束结果才是正确。在实时系统中，每个任务都有一个截止期，截止期内完成任务所得到结果才是正确结果。详细应用实现时必须落实到实时任务（事务）各项定时特征：事务松缓度、截止期粒度和严格性（事务软、硬性）、优先次序限制、起点到终点定时限制、价值函数

9、形状（任务价值随时间改变情况）等。这些都是定义和处理实时事务以及实现实时数据库系统基本原因。实时数据库系统及其特征第14页实时系统主要特征可预测性实时系统行为必须在一定时间程度内，而这个程度是能够从系统定义取得。这意味着系统对来自于外部输入反应必须全部是可预测，就算在最坏条件下，系统也必须严格恪守时间约束。所以，在出现过载时，系统必须要能以一个可预测方式来降低它性能级别。这就要求事先知道任务（事务）最坏情况执行时间及所需数据与资源，并要求这种最坏情况预测与实际差异尽可能小。实时数据库系统及其特征第15页实时系统主要特征可靠性实时系统可靠性主要是系统正确性，即系统所产生结果不但在值上是正确，而且

10、在时间上也是正确。实时数据库系统及其特征第16页实时系统主要特征分布规律性实时任务（事务）通常是按一定周期执行，但也有非周期或随机，还有一些是长寿（循环或无终止事务）。为了实现有效调度，必须事先知道各种任务（事务）类型及其抵达分布规律。长寿事务和周期事务实现比较轻易，而非周期和随机事务则很困难。处理时能够将一个非周期事务两次执行间最小间隔时间视作其周期，从而将其看成周期事务来调度；而对于随机事务就只能由系统动态地进行处理。实时数据库系统及其特征第17页实时系统主要特征不可逆性实时应用中有很多活动是不可逆，如过程控制器件加工、物料投放等活动，统计飞行体位置、速度、方向事务等，它们都是不可逆。还原

11、或重开启对于不可逆事务是毫无意义，所以必须为实时事务恢复开发新概念、技术和方法。实时数据库系统及其特征第18页实时系统主要特征替换性当实时系统认定某个任务不能按时完成时，能够调用其它活动进行替换或赔偿，这称为实时系统应急计划，它能够提供虽非最正确但可用结果。怎样确定应急计划以及应急计划选择评定及实施都是实时系统应该考虑部分。实时数据库系统及其特征第19页与其它高级数据库联络实时数据库与内存数据库为了实现实时系统中数据和事务实时（及时）性，必须尽可能加紧实时数据库响应和处理速度，同时实时数据库中实时事务要求系统能较准确地预报事务运行时间。但对磁盘数据库而言，因为磁盘存取、内外存数据传递、缓冲区管

12、理、排队等候及锁延迟等使得事务实际平均执行时间与估算最坏情况执行时间相差很大，不能满足部分实时系统“及时性”要求。假如将整个数据库或其主要“工作”部分放入内存;使每个事务在执行过程中没有磁盘I/O，则为系统较准确估算和安排事务运行时间，使之含有很好动态可预报性提供了有力支持，同时也为实现事务定时限制打下了基础。实时数据库系统及其特征第20页与其它高级数据库联络实时数据库与主动数据库今后，实时数据库应用可能越来越复杂，为了满足各种复杂应用要求，有必要使实时数据库系统具备高度动态性、自适应性和智能行为。而主动数据库（ADB）技术与实时数据库（RTDBS）结合为RTDBS自适应性及智能性实现创造了合

13、理机制。主动数据库（ADB）技术现在已经在实时数据库（RTDBS）领域广泛应用。实时数据库系统及其特征第21页与其它高级数据库联络实时数据库与分布式数据库伴随Internet快速推广，实时系统应用范围和规模不停扩大，也对实时数据库系统提出了分布式计算要求，因而有必要将分布式数据库技术利用于实时系统中。为了满足对数据实时和分布要求,分布式实时数据库(DRTDB)将含有执行期限数据和事务分布在不一样结点上，由分布式实时数据库管理系统来统一管理、调度执行。国内实时数据库产品与国外产品相比，都有一定差距,主要表达在其事务处理层并没有实现完全分布式事务处理,与实时数据库理论有一定距离。实时数据库与内存数

14、据库、主动数据库、分布式数据库有效集成才能够满足当代数据库需求。实时数据库系统及其特征第22页与其它高级数据库联络实时数据库与时态数据库与时态数据库相同之处是，实时数据库也包括时间信息。不过，时态数据库与实时数据库存在区分，主要表现在： 时态数据库目标在于处理包含随时间改变信息，维护数据库中对象经历历史改变；而实时数据库则更侧重考虑信息“及时”性，它查询与事务处理都有与之相联络定时限制，结果产生时间与结果本身一样主要。 时态数据库保留数据库对象伴随时间改变特征，但缺乏维护数据有效性机制，不显式考虑查询与事务相关时间限制。在TDB中，随时间改变而改变数据处理是保留“历史”，增加新数据项，能够查询

15、某个过去时间曾经有效数据。RTDB则提供维护数据有效性和事务及时性机制，普通只存取数据库当前“有效”信息。事务必须维护数据库对象“时间一致性”，所以有时间限制与之联络。实时数据库系统及其特征第23页实时数据库系统主要技术实时数据库系统与传统数据库系统有着根本性不一样。实现一个实时数据库系统，除了普通数据库问题外，还要注意以下：1实时数据模型及其语言普通RTDB都使用传统数据模型，还没有引入时间维，而即使是引入了时间维时态数据模型与时态查询语言也没有提供事务定时限制说明机制。实时数据库系统及其特征第24页实时数据库系统主要技术2实时事务模型与特征 实时事务结构复杂，事务之间有各种交互行动和同时，

16、存在结构、数据、行为、时间上相关性以及在执行方面依赖性。3实时事务处理RTDB中事务有各种定时限制，其中最经典是事务截止期，系统必须能让截止期更早或更紧急事务较早地执行，又需要基于截止期和紧迫度来标明事务优先级，然后按优先级进行事务调度。 实时数据库系统及其特征第25页实时数据库系统主要技术4数据存放与缓冲区管理 传统磁盘数据库操作是受I/O限制，其I/O时间延迟及其不确定性对实时事务是难以接收。所以，RTDB中数据存放一个主要问题就是怎样消除这种延迟及其不确定性，这需要底层内存数据库支持，因而内存缓冲区管理就显得更为主要。实时数据库系统及其特征第26页实时数据库系统主要技术5恢复在RTDB中，恢复显得更为复杂。这是因为：(1)恢复过程影响处于活跃状态事务，使有事务超截止期，这对硬实时事务是不能接收。(2)RTDB中数据不一定总是永久，为了确保实时限制满足，也不一定是一致和绝对正确，而有是短暂，有是暂时不一致或非绝对正（准）确。(3)有事务是不可逆，所以，传统