分布式數(shù)據(jù)庫特點及其設計方法

祁　迪（91336部隊,河北　秦皇島　066326）

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分布式數(shù)據(jù)庫特點及其設計方法

祁迪
（91336部隊,河北秦皇島066326）

摘 要：分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的誕生為現(xiàn)代化企業(yè)的數(shù)據(jù)存儲提供了新的思路。本文闡述了分布式數(shù)據(jù)庫的概念、架構及其典型特征，在此基礎上討論了分布式數(shù)據(jù)庫的設計方法。

關鍵詞：分布式；數(shù)據(jù)庫；設計

0　引言

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，許多大企業(yè)、大集團等在許多區(qū)域甚至全球設立分支機構，對于這樣的企業(yè)或單位，數(shù)據(jù)按實際需要已在網(wǎng)絡上分布存儲，當采用集中式數(shù)據(jù)庫存儲時，其他地點對數(shù)據(jù)進行訪問會產(chǎn)生大量的網(wǎng)絡傳輸，網(wǎng)絡會變得非常擁擠，進而產(chǎn)生延遲、錯誤等問題。分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)正是在計算機、網(wǎng)絡等相關技術的不斷發(fā)展和實際應用需求日益強烈等因素推動下產(chǎn)生的，它是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和計算機網(wǎng)絡相結合的產(chǎn)物，網(wǎng)絡可以將各地分散的數(shù)據(jù)連接起來，從而實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的“分散管理，集中控制”，達到不同層次的數(shù)據(jù)共享。

1　分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的概念

分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是通過網(wǎng)絡將物理上分散的數(shù)據(jù)庫連接起來，并使用分布式數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)對其進行集中管理和控制。這些物理上分散的數(shù)據(jù)庫可能相隔甚遠，但在邏輯上卻是一個統(tǒng)一的整體，并統(tǒng)一由一個分布式數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)進行管理。

2　分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)架構

與集中式數(shù)據(jù)庫不同，分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中與網(wǎng)絡聯(lián)結的每一個數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)稱為一個站點，每個站點都是獨立的完整的數(shù)據(jù)庫應用系統(tǒng)，由數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和用戶構成。每個站點擁有的數(shù)據(jù)庫稱為局部數(shù)據(jù)庫，所有站點的數(shù)據(jù)庫共同構成邏輯上統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫，稱為全局數(shù)據(jù)庫，局部數(shù)據(jù)庫由局部數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)進行管理，全局數(shù)據(jù)庫由全局數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)進行管理。只訪問本地站點的用戶稱為局部用戶，訪問兩個或兩個以上站點數(shù)據(jù)的用戶稱為全局用戶。

3　分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的典型特征

通過了解分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的概念與架構，可以看出分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)應該具有以下特征：

（1）物理上分布但邏輯上整體。分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)不是存儲在一個站點上的，而是分散地存儲在由計算機網(wǎng)絡連接起來的若干個站點上，只是這種分散存儲對用戶來說是感覺不到的。這些分布存儲的數(shù)據(jù)在邏輯上構成一個整體，并由一個統(tǒng)一的分布式數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)管理，且被所有的用戶共享。正是因為邏輯的統(tǒng)一性，才使得數(shù)據(jù)的物理分布對用戶來說是透明的。

（2）站點自治與集中控制相結合。站點自治是指各站點上的數(shù)據(jù)均由本地的DBMS管理，并完成基于本地的應用。這一層次的數(shù)據(jù)共享發(fā)生在站點內，即該站點的所有用戶均可訪問本站點的數(shù)據(jù)庫，稱為局部數(shù)據(jù)共享。另一方面，系統(tǒng)中的所有數(shù)據(jù)庫均授受一個統(tǒng)一的全局數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的管理。全局用戶可以通過全局數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)訪問其他站點上存儲的數(shù)據(jù)，完成全局應用。

（3）數(shù)據(jù)分片和分布的透明性。數(shù)據(jù)分片和分布的透明性是分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中實現(xiàn)數(shù)據(jù)獨立性的基本要求。數(shù)據(jù)分片與分布的獨立性是指數(shù)據(jù)庫中各表的邏輯分片及在各站點上的分布對于用戶來說是透明的，用戶不必知道自己訪問的數(shù)據(jù)是從哪個具體站點中得來的，會認為自己訪問的是一個數(shù)據(jù)庫。

（4）系統(tǒng)中保留適當?shù)臄?shù)據(jù)冗余。數(shù)據(jù)庫設計需要減少冗余以降低維護數(shù)據(jù)完整性的代價，但在分布式數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)中提倡冗余存儲，以保證系統(tǒng)的可靠性。當把數(shù)據(jù)片段存儲在多個站點上時，當一個站點發(fā)生故障時，其余站點仍能繼續(xù)支持數(shù)據(jù)訪問操作。當然，數(shù)據(jù)冗余帶來的問題是副本的一致性問題，因此需要制定合理的冗余策略及相應的一致性保證機制。

（5）事務管理的分布性。數(shù)據(jù)的分布性形成事務管理的分布性。如果一個查詢涉及的數(shù)據(jù)可能在多個站點中，此時該查詢事務將會分解成在多個站點執(zhí)行的子查詢事務。如果一個更新操作多個站點，則更新事務也會分解成在多個站點執(zhí)行的子事務。當事務需要分解成在多個站點執(zhí)行的子事務時，則事務的原子性、一致性、持久性和隔離性就會面臨新的問題。如何對事務進行分布管理便成了必須著力解決的問題，否則無法保證系統(tǒng)的可用性。

4　分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設計

4.1設計目標

（1）盡量保證應用的本地性。對于分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，各站點之間的通信次數(shù)及數(shù)據(jù)傳輸量對訪問效率的影響很大，因此訪問數(shù)據(jù)盡量在本地獲取，如果本地站點沒有，則盡量在離其最近的通信狀態(tài)最好的站點獲取，從而減少站點間的通信次數(shù)和數(shù)據(jù)傳輸量。在設計數(shù)據(jù)庫時，要將數(shù)據(jù)分配在與其密切相關的應用站點上或者靠近這些站點，使應用最大程度地本地化。

（2）適當?shù)臄?shù)據(jù)冗余。數(shù)據(jù)冗余保證系統(tǒng)的可用性和可靠性的同時，也是保證應用本地性的重要途徑。但數(shù)據(jù)冗余太多，會使維護各站點同步更新的開銷增加，因此分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)在設計時需要對數(shù)據(jù)冗余把握有度。

（3）站點負載平衡。負載平衡即將工作負荷合理地分布在網(wǎng)絡中的各個站點上，不讓某些站點過于疲憊，也不讓其他一些站點過于閑置，從而充分發(fā)揮每個站點的計算能力，提高應用執(zhí)行和數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟⑿谐潭龋鰪娤到y(tǒng)的整體性能。因此，如何最合理地利用各個節(jié)點的運算存儲資源是平衡負載的關鍵。

（4）存儲能力。在分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，各站點的存儲能力并不相同，有的站點存儲容量大，有的站點存儲能力有限，所以必須考慮各站點可用存儲空間的條件，合理分配有限的空間資源。

4.2構建方法

根據(jù)是否基于各站點已有的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的構建方法有兩種：組合法和重構法。

（1）組合法。組合法是利用現(xiàn)有的計算機網(wǎng)絡和獨立存在于各站點的原有數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，構建一個分布式協(xié)調管理系統(tǒng)，并將這些獨立的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)集成在一起，形成邏輯上統(tǒng)一的分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。組合法是基于各站點已有的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)進行的一種自底向上的創(chuàng)建方法。此方法需要對原有的網(wǎng)絡系統(tǒng)進行剖析，對各站點上原有的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)進行剖析，還要對數(shù)據(jù)的一致性、完整性及可靠性進行剖析，并且一般針對的是異構型數(shù)據(jù)系統(tǒng)，即它們的DBMS或數(shù)據(jù)模型不同，需要解決數(shù)據(jù)模型的轉換問題以及各DBMS的互聯(lián)問題。

（2）重構法。重構法是從無到有建立分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的方法。該方法與集中式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的建立過程極為相似，均從對用戶的需求分析開始，設計數(shù)據(jù)庫的全局概念模式、分布模式、局部概念模式等，一步一步完成分步式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的設計和創(chuàng)建。重構法采用自頂向下的建立方法，按統(tǒng)一的思想考慮分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中的各種問題，從而能夠較好地解決分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的完整性、一致性和可靠性。重構法具有建設周期長、花費的人力物力大的特點，這種方法建立的分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)一般是同構同質型或同構異質型，同構同質型是數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)模型和DBMS都相同，同構異質型是數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)模型相同而DBMS不全相同。

4.3設計方法

根據(jù)分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的構建方法，相對應的分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的設計方法有兩種：自頂向下的設計和自底向上的設計。

自頂向下的設計是設計者通過理解用戶的應用需求實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫從邏輯到物理的轉變過程。在此過程中，數(shù)據(jù)庫設計者經(jīng)歷概念模型的設計、邏輯模型的設計、物理設計等，并逐步將數(shù)據(jù)從現(xiàn)實中抽取出來，進行從高級格式到低級格式直到與計算機系統(tǒng)相關的格式描述。

自底向上的方法則是設計者通過理解各站點原有的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的規(guī)格說明，產(chǎn)生一個全局的數(shù)據(jù)規(guī)格說明，從而設計出系統(tǒng)的全局概念模型。

以上兩種方法并不是孤立的，在一個分布式數(shù)據(jù)庫設計過程中，設計者一般會結合兩種方法進行數(shù)據(jù)庫的設計，首先從總體上進行自頂向下的分析設計，然后自底向上進行考察，以確定設計中是否存在不合理的地方，從而進行修改，如此反復進行，最終得到一個完美的解決方案。

5　結束語

分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)近年來一直是人們關注的熱點問題，如何通過網(wǎng)絡建立起既能自治又能共享、具有高可靠性、能相互協(xié)作處理訪問的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，是下一步需要思考與解決的問題。隨著研究的深入，分布式數(shù)據(jù)庫技術一定會越來越完善，在實際應用中發(fā)揮更大的作用。

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作者簡介：祁迪（1991-），男，陜西涇陽人，本科，助理工程師，研究方向：數(shù)據(jù)庫設計以及軟件開發(fā)分布式數(shù)據(jù)庫特點及其設計方法。

DOI :10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.01.137