祁　迪（91336部隊(duì),河北　秦皇島　066326）

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分布式數(shù)據(jù)庫特點(diǎn)及其設(shè)計(jì)方法

祁迪
（91336部隊(duì),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(chǔ)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(gòu)及其典型特征，在此基礎(chǔ)上討論了分布式數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)方法。

關(guān)鍵詞：分布式；數(shù)據(jù)庫；設(shè)計(jì)

0　引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，許多大企業(yè)、大集團(tuán)等在許多區(qū)域甚至全球設(shè)立分支機(jī)構(gòu)，對于這樣的企業(yè)或單位，數(shù)據(jù)按實(shí)際需要已在網(wǎng)絡(luò)上分布存儲(chǔ)，當(dāng)采用集中式數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)時(shí)，其他地點(diǎn)對數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問會(huì)產(chǎn)生大量的網(wǎng)絡(luò)傳輸，網(wǎng)絡(luò)會(huì)變得非常擁擠，進(jìn)而產(chǎn)生延遲、錯(cuò)誤等問題。分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)正是在計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)等相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展和實(shí)際應(yīng)用需求日益強(qiáng)烈等因素推動(dòng)下產(chǎn)生的，它是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的產(chǎn)物，網(wǎng)絡(luò)可以將各地分散的數(shù)據(jù)連接起來，從而實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的“分散管理，集中控制”，達(dá)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(luò)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(jìn)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(yuǎn)，但在邏輯上卻是一個(gè)統(tǒng)一的整體，并統(tǒng)一由一個(gè)分布式數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)進(jìn)行管理。

2　分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)架構(gòu)

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(luò)聯(lián)結(jié)的每一個(gè)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)稱為一個(gè)站點(diǎn)，每個(gè)站點(diǎn)都是獨(dú)立的完整的數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)，由數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和用戶構(gòu)成。每個(gè)站點(diǎn)擁有的數(shù)據(jù)庫稱為局部數(shù)據(jù)庫，所有站點(diǎn)的數(shù)據(jù)庫共同構(gòu)成邏輯上統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫，稱為全局?jǐn)?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(jìn)行管理，全局?jǐn)?shù)據(jù)庫由全局?jǐn)?shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)進(jìn)行管理。只訪問本地站點(diǎn)的用戶稱為局部用戶，訪問兩個(gè)或兩個(gè)以上站點(diǎn)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(gòu)，可以看出分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)應(yīng)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(chǔ)在一個(gè)站點(diǎn)上的，而是分散地存儲(chǔ)在由計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接起來的若干個(gè)站點(diǎn)上，只是這種分散存儲(chǔ)對用戶來說是感覺不到的。這些分布存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)在邏輯上構(gòu)成一個(gè)整體，并由一個(gè)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?yàn)檫壿嫷慕y(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(diǎn)自治與集中控制相結(jié)合。站點(diǎn)自治是指各站點(diǎn)上的數(shù)據(jù)均由本地的DBMS管理，并完成基于本地的應(yīng)用。這一層次的數(shù)據(jù)共享發(fā)生在站點(diǎn)內(nèi)，即該站點(diǎn)的所有用戶均可訪問本站點(diǎn)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(gè)統(tǒng)一的全局?jǐn)?shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的管理。全局用戶可以通過全局?jǐn)?shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)訪問其他站點(diǎn)上存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，完成全局應(yīng)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)獨(dú)立性的基本要求。數(shù)據(jù)分片與分布的獨(dú)立性是指數(shù)據(jù)庫中各表的邏輯分片及在各站點(diǎn)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(gè)具體站點(diǎn)中得來的，會(huì)認(rèn)為自己訪問的是一個(gè)數(shù)據(jù)庫。

（4）系統(tǒng)中保留適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)冗余。數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)需要減少冗余以降低維護(hù)數(shù)據(jù)完整性的代價(jià)，但在分布式數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)中提倡冗余存儲(chǔ)，以保證系統(tǒng)的可靠性。當(dāng)把數(shù)據(jù)片段存儲(chǔ)在多個(gè)站點(diǎn)上時(shí)，當(dāng)一個(gè)站點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，其余站點(diǎn)仍能繼續(xù)支持?jǐn)?shù)據(jù)訪問操作。當(dāng)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(yīng)的一致性保證機(jī)制。

（5）事務(wù)管理的分布性。數(shù)據(jù)的分布性形成事務(wù)管理的分布性。如果一個(gè)查詢涉及的數(shù)據(jù)可能在多個(gè)站點(diǎn)中，此時(shí)該查詢事務(wù)將會(huì)分解成在多個(gè)站點(diǎn)執(zhí)行的子查詢事務(wù)。如果一個(gè)更新操作多個(gè)站點(diǎn)，則更新事務(wù)也會(huì)分解成在多個(gè)站點(diǎn)執(zhí)行的子事務(wù)。當(dāng)事務(wù)需要分解成在多個(gè)站點(diǎn)執(zhí)行的子事務(wù)時(shí)，則事務(wù)的原子性、一致性、持久性和隔離性就會(huì)面臨新的問題。如何對事務(wù)進(jìn)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(shè)計(jì)

4.1設(shè)計(jì)目標(biāo)

（1）盡量保證應(yīng)用的本地性。對于分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，各站點(diǎn)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(diǎn)沒有，則盡量在離其最近的通信狀態(tài)最好的站點(diǎn)獲取，從而減少站點(diǎn)間的通信次數(shù)和數(shù)據(jù)傳輸量。在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫時(shí)，要將數(shù)據(jù)分配在與其密切相關(guān)的應(yīng)用站點(diǎn)上或者靠近這些站點(diǎn)，使應(yīng)用最大程度地本地化。

（2）適當(dāng)?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(shí)，也是保證應(yīng)用本地性的重要途徑。但數(shù)據(jù)冗余太多，會(huì)使維護(hù)各站點(diǎn)同步更新的開銷增加，因此分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)需要對數(shù)據(jù)冗余把握有度。

（3）站點(diǎn)負(fù)載平衡。負(fù)載平衡即將工作負(fù)荷合理地分布在網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)站點(diǎn)上，不讓某些站點(diǎn)過于疲憊，也不讓其他一些站點(diǎn)過于閑置，從而充分發(fā)揮每個(gè)站點(diǎn)的計(jì)算能力，提高應(yīng)用執(zhí)行和數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟⑿谐潭龋鰪?qiáng)系統(tǒng)的整體性能。因此，如何最合理地利用各個(gè)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)算存儲(chǔ)資源是平衡負(fù)載的關(guān)鍵。

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

4.2構(gòu)建方法

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

（1）組合法。組合法是利用現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和獨(dú)立存在于各站點(diǎn)的原有數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，構(gòu)建一個(gè)分布式協(xié)調(diào)管理系統(tǒng)，并將這些獨(dú)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(diǎn)已有的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)進(jìn)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(luò)系統(tǒng)進(jìn)行剖析，對各站點(diǎn)上原有的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)進(jìn)行剖析，還要對數(shù)據(jù)的一致性、完整性及可靠性進(jìn)行剖析，并且一般針對的是異構(gòu)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(zhuǎn)換問題以及各DBMS的互聯(lián)問題。

（2）重構(gòu)法。重構(gòu)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)和創(chuàng)建。重構(gòu)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(gòu)法具有建設(shè)周期長、花費(fèi)的人力物力大的特點(diǎn)，這種方法建立的分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)一般是同構(gòu)同質(zhì)型或同構(gòu)異質(zhì)型，同構(gòu)同質(zhì)型是數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)模型和DBMS都相同，同構(gòu)異質(zhì)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(shè)計(jì)方法

根據(jù)分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的構(gòu)建方法，相對應(yīng)的分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法有兩種：自頂向下的設(shè)計(jì)和自底向上的設(shè)計(jì)。

自頂向下的設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)者通過理解用戶的應(yīng)用需求實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫從邏輯到物理的轉(zhuǎn)變過程。在此過程中，數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)者經(jīng)歷概念模型的設(shè)計(jì)、邏輯模型的設(shè)計(jì)、物理設(shè)計(jì)等，并逐步將數(shù)據(jù)從現(xiàn)實(shí)中抽取出來，進(jìn)行從高級格式到低級格式直到與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相關(guān)的格式描述。

自底向上的方法則是設(shè)計(jì)者通過理解各站點(diǎn)原有的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的規(guī)格說明，產(chǎn)生一個(gè)全局的數(shù)據(jù)規(guī)格說明，從而設(shè)計(jì)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(gè)分布式數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)者一般會(huì)結(jié)合兩種方法進(jìn)行數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)，首先從總體上進(jìn)行自頂向下的分析設(shè)計(jì)，然后自底向上進(jìn)行考察，以確定設(shè)計(jì)中是否存在不合理的地方，從而進(jìn)行修改，如此反復(fù)進(jìn)行，最終得到一個(gè)完美的解決方案。

5　結(jié)束語

分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)近年來一直是人們關(guān)注的熱點(diǎn)問題，如何通過網(wǎng)絡(luò)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(shù)一定會(huì)越來越完善，在實(shí)際應(yīng)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(shè)計(jì)以及軟件開發(fā)分布式數(shù)據(jù)庫特點(diǎn)及其設(shè)計(jì)方法。

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