数据库技术新进展

：第8章数据库技术新进展

••8.1数据库技术发展概述

:・8.2数据模型及数据库系统的发展

,・8.3数据库技术与其它相关技术相结合

:•8.4面向应用领域的数据库新技术

：第8章数据库技术新进展

•e8.1数据库技术发展概述

:・8.2数据模型及数据库系统的发展

♦・8.3数据库技术与其它相关技术相结合

:•8.4面向应用领域的数据库新技术

：8」数据库技术发展概述

••数据库系统已从第一代的网状、层次数

:据库系统，第二代的关系数据库系统，

.发展到第三代以面向对象模型为主要特

•征的数据库系统。

:•数据库技术与网络通信技术、人工智能

•技术、面向对象程序设计技术、并行计

•算技术等互相渗透，互相结合，成为当

•前数据库技术发展的主要特征。

:数据库技术发展概述（续）

••下图从数据模型、新技术内容、应用领域三个方面，通过

一个三维空间的视图，阐述了新一代数据库系统及其相互

数据模型

：第8章数据库技术新进展

，•8.1数据库技术发展概述

Z•8.2数据模型及数据库系统的发展

J•8.3数据库技术与其它相关技术相结合

:•8.4面向应用领域的数据库新技术

:8.2数据模型及数据库系统的发展

••数据模型是数据库系统的核心和基础

1-格式化数据模型（包括层次数据模型和网状

.数据模型）

1-关系数据模型

•-面向对象的数据模型等非传统数据模型

:数据模型及数据库系统的发展

:（续）

♦・1、第一代数据库系统（层次数据库系统和网

,状数据库系统）

•-格式化模型，层次模型是网状模型的特例

••2、第二代数据库系统（关系数据库系统）

•-关系模型简单、清晰，关系代数作为语言模型，关

♦系数据理论作为理论基础。关系数据库系统具有形

•式基础好、数据独立性强、数据库语言非过程化等

.•特色。

•・3、第三代数据库系统

■-更加丰富的数据模型、更强大的数据管理功能、满

・足新应用要求

:8.2数据模型及数据库系统的发展

••8.2.1第一代数据库系统

；•8.2.2第二代数据库系统

♦•8.2.3新一代数据库技术的研究和发展

:8.2数据模型及数据库系统的发展

♦•8.2.1第一代数据库系统

:•8.2.2第二代数据库系统

♦•8.2.3新一代数据库技术的研究和发展

：821第一代数据库系统

••第一代数据库系统指层次和网状数据库

:系统，其代表是：

•-1969年IBM公司研制的层次模型的数据库管

•理系统IMS(InformationManagement

・System)。

“数据库任务组DBTG(DataBaseTask

•Group)于20世纪60年代末70年代初提出的

!DBTG报告，数据库网状模型的典型代表。

:第一代数据库系统（续）

••两种数据库系统具有下列共同特点：

:1.支持三级模式的体系结构

♦2.用存取路径来表示数据之间的联系

:3.独立的数据定义语言

•4.导航的数据操纵语言

:8.2数据模型及数据库系统的发展

••8.2.1第一代数据库系统

:•8.2.2第二代数据库系统

♦•8.2.3新一代数据库技术的研究和发展

：8.2.2第二代数据库系统

••1970年IBM公司SanJose研究室的研究

:员E.F.Codd发表了题为“大型共享数据

•库数据的关系模型”论文，为关系数据

,库技术奠定了理论基础。

:第二代数据库系统（续）

:•20世纪70年代是关系数据库理论研究和原型开

•发的时代。其中以IBMSanJose研究室开发的

.SystemR和Berkeley大学研制的INGRES为典

:型代表。

发展过程：

:-奠定了与系模型的理论基础，关系模型的规范说明。

:-研究了关系数据语言

:-攻克了系统实现中查询优化、并发控制、故障恢复

•等一系列关键技术。促进了RDBMS产品的蓬勃发

•展和广泛应用。

:第二代数据库系统（续）

关系模型具有以下主要特点：

•关系模型的概念单一，实体以及实体之间的联

・系都用关系来表示

关

系代

以数为基础，形式化基础好

独

据

立

数

隐

户

蔽

用性强，数据的物理存储和存取路径对

・关系数据库语言是非过程化的，将用户从编程

数据库记录的导航式检索中解脱出来，大大减

小了用户编程的难度

:8.2数据模型及数据库系统的发展

••8.2.1第一代数据库系统

:•8.2.2第二代数据库系统

♦•8.2.3新一代数据库技术的研究和发展

：8.2.3新一代数据库技术的研究

:和发展

••一、应用领域的需求

:•二、传统数据库系统的局限性

♦•三、第三代数据库技术的特点

:一、应用领域的需求

:•新的数据库应用领域，如计算机辅助设计/管

•理（CAD/CAM）、计算机集成制造（CIM）、办

,公信息系统（OIS）、地理信息系统（GIS）、

:知识库系统和实时系统等

.•新应用需求需要数据库系统支持以下功能：

.-（1）存储和处理复杂对象

:-（2）支持复杂的数据类型

二-（3）需要常驻内存的对象管理以及支持对大量对

•象的存取和计算

•,（4）实现程序设计语言和数据库语言无缝地集成

■-（5）支持长事务和嵌套事务的处理

::二、传统数据库系统的局限性

,••传统数据库系统的局限性主要表现在以下几个

■方面：

-1.面向机器的语法数据模型

:-2.数据类型简单、固定

；-3.结构与行为分离

；-4.阻抗失配（编程模式不同、类型系统不匹配）

-5.被动响应

-6.存储、管理的对象有限

-7.事务处理能力较差（只能支持非嵌套事务）

三、第三代数据库技术的特点

•支持面向对象数据模型

•面向对象模型的概念是：

-对象标识

-封装

-类和类层次

-继承

:第三代数据库技术的特点（续）

多•一个面向对象的数据库系统是一个持久

:的、可共享的对象库的存储和管理者

・•一个对象库是由一个面向对象数据模型

:所定义的对象的集合体

:第三代数据库技术的特点（续）

••一个数据库可称为OODBS,必须满足以

:下条件

•-支持一核心的面向对象数据模型

•-支持传统数据库系统所有的数据库特征

:第三代数据库技术的特点（续）

••在研究热潮中，许多厂商推出的产品粗

♦糙，质量低，导致OODBS有某种回归到

•人工导航系统的倾向

:•面向对象数据库的实现方式

♦-一种是在面向对象的设计环境中加入数据库

・功能，如ORIEN,CLOS等

♦-另一种是对传统数据库系统进行改进，使其

•支持面向对象的数据模型，如

,ORACLE8.0JNFORMIX9.0等

:第三代数据库技术的特点（续）

••与传统数据库系统相比有许多优点，如

:包含更多数据语义信息，对复杂数据对

•象的表达能力更强等

••面向对象数据库还只是一种新兴的技术,

:它的发展远不如关系数据库成熟

♦•是一项具有重大理论意义和应用前景的

•数据库技术

：第8章数据库技术新进展

，•8.1数据库技术发展概述

Z•8.2数据模型及数据库系统的发展

J•8.3数据库技术与其它相关技术相结合

:•8.4面向应用领域的数据库新技术

-8.3数据库技术与其他相关技术相结合

••数据库技术与其他学科的内容相结合，是新一代数据

♦库技术的一个显著特征，涌现出各种新型的数据库系

.•统，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系

].统；

L-数据库技术与并行处理技术相结合，出现了并行数据库系统;

I.数据库技术与人工智能技术相结合，出现了知识库系统和主

动数据库系统；

•数据库技术与多媒体技术相结合，出现了多媒体数据库系统;

-数据库技术与模糊技术相结合，出现了模糊数据库系统等。

:8.3数据库技术与其他相关技术相结合

••8.3.1分布式数据库系统

:•8.3.2并行数据库

•8.3.3多媒体数据库

:•8.3.4主动数据库

•8.3.5对象一关系数据库

.

:8.3数据库技术与其他相关技术相结合

••8.3.1分布式数据库系统

:•8.3.2并行数据库

•8.3.3多媒体数据库

:•8.3.4主动数据库

•8.3.5对象一关系数据库

.

：831分布式数据库系统

••随着地理上分散的用户对数据共享的要

:求日益增强，以及计算机网络技术的发

•展，在传统的集中式数据库系统基础上

•产生和发展了分布式数据库系统

：831分布式数据库系统

•.分布式数据库系统的特点

:•2.分布式数据库的体系结构

831分布式数据库系统

•1.分布式数据库系统的特点

•2.分布式数据库的体系结构

L分布式数据库系统的特点

分布式数据库应具有以下特点：

(1)数据的物理分布性

(2)数据的逻辑整体性

(3)数据的分布独立性(也称分布透明

性)

(4)场地自治和协调

(5)数据的冗余及冗余透明性

:分布式数据库系统的特点（续）

••例子：

，假设一个大公司拥有四个子公司，总公司与各子公司

•各有一台计算机，并已联网，每台计算机带有若干终

.端。场地A为公司的总部，位于场地B的公司负责制造

:和销售其产品，位于场地CDE的公司负责销售其产品。

•各场地都存储了本场地雇员的数据，场地B存储了产

•品制造情况的数据，场地BCDE存储了本场地销售、

•库存情况的数据。可执行的全局应用包括：总公司总

•销售情况、总公司总库存情况、公司间的人员调动，

•等等；可执行的局部应用包括：场地B检查产品制造

.情况、场地E统计本子公司雇员的平均工资等等。这

・是一个典型的分布式数据库系统。

网络

场地

场地Dc

分布式

一分布式DBMSDBMS

:分布式数据库系统的特点（续）

••分布式系统的优点

:-分布式控制

♦-数据共享

♦-可靠性和可用性得到加强

:-性能得到改善

•-可扩充性好

:分布式数据库系统的特点（续）

••分布式系统缺点

:-复杂

♦-增加开销

••硬件开销

••通信开销

♦•冗余数据的潜在开销

••保证数据库全局并行性、并行操作的可串行性、

•安全性和完整性的开销

831分布式数据库系统

•1.分布式数据库系统的特点

•2.分布式数据库的体系结构

：2.分布式数据库的体系结构

••原则

:（若干个）局部数据模式+

•（一个）全局数据模式

••全局数据模式四个层次

:-全局外模式

.-全局概念模式

.-分片模式

,-分布模式

:分布式数据库的体系结构（续）

••分片模式

:-水平分片

Q-垂直分片

g-混合分片

:分布式数据库的体系结构（续）

••分片时必须遵守的准则

:-完全性

产-可重构性

•-不相交性

4

.

:分布式数据库的体系结构（续）

••分布模式的分配方案

:-划分式

Q-全副本式

♦-部分重复式

:分布式数据库的体系结构（续）

••四层模式之间的联系和转换由三层映象

:实现

♦-映象1定义全局外模式与全局概念模式之间

♦的对应关系

--映象2定义全局关系与片段之间的对应关系

，-映象3定义片段与网络结点之间的对应关系

:分布式数据库的体系结构（续）

••分布透明性式分布式数据库系统的一个

:显著特点

♦•分布透明性三个层次从高到低依次为：

•分片透明性、位置透明性和局部数据模

:型透明性

:8.3数据库技术与其他相关技术相结合

••8.3.1分布式数据库系统

:•8.3.2并行数据库

•8.3.3多媒体数据库

:•8.3.4主动数据库

•8.3.5对象一关系数据库

.

：832并行数据库

••计算机体系结构的一个明显发展趋势是

:从单处理器结构向多处理器结构过渡

产•原因:

，-提高单处理器的性能越来越困难，单处理器

:性能有物理极限

:•-高性能处理器价格昂贵，可以用廉价的多处

理器来代替

:并行数据库（续）

••能否为越来越多的用户维持高事务吞吐

:量和低响应时间以成为衡量DBMS性能

•的重要指标

••并行数据库以高性能、高可用性、高扩

:充性为指标，充分利用多处理器平台的

•能力，通过多种并行性，在联机事务处

•理与决策支持应用两种典型环境中提供

•优化的响应时间和事务吞吐量

:并行数据库（续）

•并行数据库系统的体系结构

:•2.并行处理技术

:1.并行数据库系统的体系结构

••目前并行计算机的体系结构主要有以下

:几类：

.-紧耦合全对称多处理器(SMP)系统，所有

■CPU共享内存与磁盘

■-松耦合群集机系统，所有CPU共享磁盘

:-大规模并行处理(MPP)系统，所有CPU

\均有自己的内存和磁盘

:并行数据库系统的体系结构（续）

••相应并行数据库系统的体系结构:

:-共享内存结构

♦-共享磁盘结构

•-无共享资源结构

并行数据库系统的体系结构（续）

•图共享内存结构

并行数据库系统的体系结构（续）

••图无共享资源结构

・

:并行数据库系统的体系结构（续）

----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

多•图共享磁盘结构

:并行数据库系统的体系结构（续）

一•三种结构各有利弊

f-共享内存结构相对来说容易实现，各处处理

♦器的负载较平衡；但存在访问内存和磁盘的

•瓶颈，可伸缩性不佳，可用性不太好

:-共享磁盘结构消除了访问内存的瓶颈；但存

:在访问磁盘的瓶颈，分布式缓存器也是一个

:瓶颈，可扩充性不佳

•-无共享资源结构不易做到负载平衡；具有极

[:佳的可伸缩性

.

：2.并行处理技术

••采用多线程多线索结构，提供四种不同

:粒度的并行性

♦-不同用户事务间的并行性

•-同一事务内不同查询间的并行性

:-同一查询内不同操作间的并行性（垂直并行,

:或流水线并行）

•-同一操作内的并行性（水平并行，或划分并

•行）

:并行处理技术（续）

••水平并行性要求物理地将数据库划分为

:小分片，并存放在不同磁盘上——并行

•数据库中的数据划分

♦•划分时依据一个属性的值，就是一维数

:据划分

♦•划分时依据多个属性的值，就是多维数

•据划分

:并行处理技术（续）

:•一维数据划分有以下几种方法

-Round-robin（轮转）划分法

:-Range（值域）划分法

..-Hash（杂凑）划分法

9-User—defined（用户定义）划分法

，-Schema（模式）划分法

••目前商用并行数据库系统都只提供了一

:种或多种一维数据划分法

:3.并行数据库系统与分布式数据

:库系统的区别

■•应用目标不同

:•实现方式不同

•各结点的地位不同

:8.3数据库技术与其他相关技术相结合

••8.3.1分布式数据库系统

：•8.3.2并行数据库

•8.3.3多媒体数据库

:•8.3.4主动数据库

•8.3.5对象一关系数据库

.

：8.3.3多媒体数据库

••多媒体数据库实现对格式化和非格式化的多媒

♦体数据的存储、管理和查询，其主要特征有：

•-(1)多媒体数据库应能够表示多种媒体的数据。

:-(2)多媒体数据库应能够协调处理各种媒体数据，

:正确识别各种媒体数据之间在空间或时间上的关联。

.-(3)多媒体数据库应提供比传统数据管理系统更

:强的适合非格式化数据查询的搜索功能。

••多媒体数据库应提供特种事务处理与版本管理

•能力。

:8.3数据库技术与其他相关技术相结合

••8.3.1分布式数据库系统

:•8.3.2并行数据库

•8.3.3多媒体数据库

:•8.3.4主动数据库

•8.3.5对象一关系数据库

.

：8.3.4主动数据库

♦主动数据库(ActiveDataBase)是相对于传统

♦数据库的被动性而言的。在传统数据库基础上,

•结合人工智能技术和面向对象技术提出了主动

:数据库。

■•主动数据库的主要目标是提供对紧急情况及时

•反应的能力，同时提高数据库管理系统的模块

•化程度。主动数据库通常采用的方法是在传统

,数据库系统中嵌入ECA(即事件-条件-动作)

・规则

:主动数据库（续）

••为了有效地支持ECA规则，主动数据库的

♦研究主要集中于解决以下问题：

:主动数据库的数据模型和知识模型

.-执行模型

--条件检测

•-事务调度

:-体系结构

•-系统效率

:8.3数据库技术与其他相关技术相结合

••8.3.1分布式数据库系统

:•8.3.2并行数据库

•8.3.3多媒体数据库

:•8.3.4主动数据库

♦•8.3.5对象一关系数据库

.

：835对象一关系数据库

••是将关系数据库和面向对象的数据库相

:结合的产品

••特点

•-运行用户扩充基本数据类型

:-能够在SQL中支持复杂对象

•-能够支持子类对超类的各种特性的继承

•-能够提供功能强大的通用规则系统

:对象一关系数据库（续）

:•实现方法

,-从头开始对象一关系DBMS

-在现有的关系型DBMS基础上进行扩展

■-将现有的关系型DBMS与其他厂商的对象一关

,系型DBMS连接在一起，使现有的关系型

.DBMS直接而迅速具有对象一关系型DBMS的

;特征

-将现有的面向对象型DBMS与其他厂商的对象

•一关系型DBMS连接在一起，使现有的面向对

,象型的DBMS直接而迅速地具有对象一关系型

,♦DBMS的特征

•-扩充现有的面向对象型DBMS,使之成为对象

■一关系型DBMS

：第8章数据库技术新进展

••8.1数据库技术发展概述

:・8.2数据模型及数据库系统的发展

•・8.3数据库技术与其它相关技术相结合

:•8.4面向应用领域的数据库新技术

：8.4面向应用领域的数据库新

_______________________

••数据库技术被应用到特定的领域中，出现了数据仓库、

.工程数据库、统计数据库、空间数据库、科学数据库

*等多种数据库，使数据库领域的应用范围不断扩大。

♦

特定领域.

►

♦A数据库

技术

A

A

•••

•8.4面向应用领域的数据库新技

--------------------------------------

••8.4.1数据仓库

:•8.4.2工程数据库

♦•8.4.3统计数据库

:•8.4.4空间数据库

•8.4面向应用领域的数据库新技

--------------------------------------------------

••8.4.1数据仓库

:•8.4.2工程数据库

♦•8.4.3统计数据库

：8.4.1数据仓库

••1.从数据库到数据仓库

:•2.数据仓库的特点

♦•3.分析工具

:•4.基于数据库技术的DSS解决方案

:1.从数据库到数据仓库

••操作型处理和分析型处理的区分

:•这种分离，划清了数据处理的分析型环

•境与操作型环境之间的界限，从而由原

•来的以单一数据库为中心的数据环境发

•展为一种新环境：体系化环境。

♦•体系化环境由操作型环境和分析型环境

•（全局级数据仓库、部门级数据仓库、

:个人级数据仓库）构成。

:从数据库到数据仓库（续）

••事务处理环境不适宜DSS应用：

:-（1）事务处理和分析处理的性能特性不同

♦-（2）数据集成问题

•-（3）数据动态集成问题

:-（4）历史数据问题

•-（5）数据的综合问题

：2.数据仓库的定义和特点

:数据仓库概念的创始人w.H.Inmon在其

《BuildingDataWarehoused-书中，

•列出了操作型数据与分析型数据之间的

•区别（见P262）o

:•数据仓库的定义：数据仓库就是一个面

•向主题的、集成的、不可更新的、随时

•间不断变化的数据集合，用以支持企业

,或组织的决策分析处理。

:数据仓库的定义和特点（续）

,•分析型数据的特点可以概括为四点，也

:就是数据仓库数据的四个基本特征：

♦-数据仓库的数据是面向主题的

•-数据仓库的数据是集成的

:-数据仓库的数据是不可更新的

•-数据仓库的数据是随时间不断变化的

：3.分析工具

••数据仓库系统的重要组成部分

♦（1）联机分析处理技术及工具

:联机分析处理（OLAP与联机事务处理（OLTP）

.从1991年MH.Inmon提出DW概念到

.E.F.Codd于1993年提出OLAP概念仅仅两年，而

.从OLAP概念提出到OLAP工具的推出则时间更短,

、几乎是同时的。

:分析工具（续）

*E.F.Codd在“ProvidingOLAPtoUser

•Analysts”一文（见《PCWorld》1993,

•9）中完整地定义了OLAP的概念，多维分

・析的概念，并给出了数据分析从低级到

:高级的四种模型以及OLAP的十二条准则

:•OLAP工具产品的实现可分为两大类：

・-基于多维数据库的

--基于关系数据库的

:分析工具(续)

•(2)数据挖掘技术和工具

♦数据挖掘(DataMining,简称DM)

•是从超大型数据库(VLDB)或数据仓库

一中发现并提取隐藏在内的信息的一种新

:技术。目的是帮助决策者寻找数据间潜

•在的关联，发现经营者被忽略的要素，

,而这些要素对预测趋势、决策行为也许

•是十分有用的信息。

:分析工具(续)

••数据挖掘技术涉及数据库技术、人工智

:能技术、机器学习、统计分析等多种技

•术，它使DSS系统跨入了一个新阶段。

••综上所述，数据仓库系统是多种技术的

:综合体，它由数据仓库(DW)、数据仓库

•管理系统(DWMS)＞数据仓库工具三个部

•分组成。

综综细细

度度前期

据

高级轻级当级早级

数据=）

型数g合<合u节「节

系维

关多

示示

表表

□

:

注

备

-

用-

终-具

最-工

¥化

视

可

数据

仓库

管理

系统

数

据仓

库工

具层

—

・

(-—

khlk—bLhIF

:4.基于数据库技术的DSS解决方案

••DW+OLAP+DMDSS的可行方案

:•数据仓库、OLAP和数据挖掘是作为三种独立的

•信息处理技术出现的。数据仓库用于数据的存

•储和组织，OLAP集中于数据的分析，数据挖掘

•则致力于知识的自动发现。它们都可以分别应

•用到信息系统的设计利实现中，以提高相应部

•分的处理能力。

*基于数据库技术的DSS解决方案（续）

••三种技术结合起来成为新的DSS构架

-（1）在底层的数据库中保存了大量的事务级

细节数据。

-（2）数据仓库对底层数据库中的事务级数据

进行集成、转换、综合，重新组织成面向全局

的数据视图，为DSS提供数据存储和组织的基础

（3）OLAP从数据仓库中的集成数据出发，构

建面向分析的多维数据模型，再使用多维分析

方法从多个不同的视角对多维数据进行分析、

■比较，分析活动从以前的方法驱动转向了数据

驱动，分析方法和数据结构实现了分离。

-（4）数据挖掘以数据仓库和多维数据库中的

大量数据为基础，自动地发现数据中的潜在模

式，并以这些模式为基础自动地作出预测。

-8.4面向应用领域的数据库新技

---------------------------

，•8.4.1数据仓库

；•8.4.2工程数据库

£•8.4.3统计数据库

[X•8.4.4空间数据库

：8.4.2工程数据库

••工程数据库是一种能存储和管理各种工

:程设计图形和工程设计文档，并能为工

•程设计提供各种服务的数据库。应用于

・CAD/CAM,CIM,CASE等Cax的工程应用领

•域。

:工程数据库（续）

♦•工程数据库管理系统的功能：

-支持复杂对象（如图形数据、工程设计文档）的表示

一和处理；

-可扩展的数据类型；

U-支持复杂多样的工程数据的存储和集成管理；

L-支持变