分布式数据库系统体系结构
分布式数据库 标准
分布式数据库是指将数据分散存储在多个节点上的数据库系统，以提高数据访问和处理效率。
分布式数据库标准主要包括以下几个方面：
1. 分布式数据库架构：定义了分布式数据库系统的体系结构，包括节点类型、连接方式、数据复制等。
2. 数据一致性：定义了分布式数据库系统中数据一致性的概念和保证方法，包括故障恢复、数据同步、数据冲突解决等。
3. 数据访问：定义了分布式数据库系统中数据的访问方式，包括数据查询、数据更新等，以及如何实现数据的并发控制。
4. 安全性：定义了分布式数据库系统中数据的安全性要求，包括数据加密、访问控制、身份认证等。
5. 性能优化：定义了分布式数据库系统中性能优化的方法，包括数据分片、数据分区、负载均衡等。
综上所述，分布式数据库标准为分布式数据库的设计、实现和运维提供了指导和规范，有助于提高分布式数据库系统的
性能和可靠性。
分布式数据库技术的研究与应用前景
分布式数据库技术的研究与应用前景引言随着互联网、物联网、人工智能等技术的快速发展，数据的产生和处理速度呈现指数级增长。
在这个背景下，传统的集中式数据库系统已经无法满足数据处理需求。
分布式数据库系统应运而生，成为了解决大规模数据处理问题的重要手段。
本文将介绍分布式数据库技术的研究和应用前景，主要包括以下几个方面的内容：1. 分布式数据库的概念和特点2. 分布式数据库的系统体系结构3. 分布式数据库的数据一致性问题4. 分布式数据库的应用前景第一章：分布式数据库的概念和特点分布式数据库（Distributed Database）是一种将数据分布在多个物理节点上，节点间通过网络互联，形成一个逻辑上统一的数据库系统的技术。
它的发展目的在于解决数据处理的性能、可用性、扩展性和安全性等问题。
与传统的集中式数据库系统相比，分布式数据库有以下几个特点：1.1 分布式性分布式数据库的数据分布在不同的物理节点上，相当于一个大规模的数据库集群。
不同的节点可以在不同的位置，由不同的组织管理，节点间通过网络连接互通，形成一个逻辑上统一的系统。
1.2 高可用性由于数据可以分布在多个节点上，当其中一个节点出现故障后，其他节点可以继续提供服务。
这样可以避免单点故障（SinglePoint of Failure）的问题，提高系统的可用性。
1.3 高扩展性由于分布式数据库是由多个节点组成的，可以根据需要随时增加或减少节点，实现系统的弹性扩展和收缩。
1.4 高性能当数据量较大时，分布式数据库无疑比传统的集中式数据库系统具有更高的处理性能。
因为分布式数据库可以将数据分布在多个节点上，并行处理数据，提高系统的吞吐量和响应速度。
1.5 高安全性分布式数据库可以采用分布式数据备份和数据加密等安全措施，保证数据的安全性。
此外，由于数据分布在多个节点上，攻击者难以通过攻击单一节点来窃取数据，从而提高了系统的安全性。
第二章：分布式数据库的系统体系结构分布式数据库通常由以下几个组件组成：2.1 分布式数据库管理系统（Distributed Database Management System，简称DDBMS）分布式数据库管理系统是整个分布式数据库系统的核心，它负责将数据分片并存储在不同的物理节点上，处理用户的请求，维护数据的一致性和安全性等。
简述数据库系统的体系结构特点
简述数据库系统的体系结构特点
数据库系统的体系结构一般被分为三级，即外层的用户层、中间的应用程序层和内层的数据库管理系统层。
这三层之间通过接口进行通信和交互，协同完成数据库系统的各项任务。
2. 数据库系统是一个客户/服务器架构
数据库系统是基于客户/服务器架构的，其中客户端和服务器端通过网络进行通信。
客户端向服务器端发送请求，服务器端将请求处理后返回结果给客户端。
3. 数据库系统是一个分布式系统
数据库系统将数据库分布在多台计算机上，这些计算机通过网络连接起来，协同工作，提供服务。
分布式系统可以提高数据库系统的可用性、可扩展性和性能。
4. 数据库系统是一个模块化系统
数据库系统由多个模块组成，每个模块负责不同的任务。
模块之间通过接口进行通信和交互，实现数据库系统的各项功能。
5. 数据库系统是一个高度安全的系统
数据库系统的数据具有高度的机密性和安全性，需要采用多种安全措施来保护数据的安全。
这些措施包括访问控制、数据加密、备份和恢复等。
- 1 -。
《分布式数据库原理与应用》课程教案
《分布式数据库原理与应用》课程教案第一章：分布式数据库概述1.1 课程介绍介绍分布式数据库课程的基本概念、目的和意义。
1.2 分布式数据库基本概念解释分布式数据库的定义、特点和分类。
1.3 分布式数据库系统结构介绍分布式数据库系统的常见结构及其组成。
1.4 分布式数据库系统的研究和发展概述分布式数据库系统的研究背景和发展历程。
第二章：分布式数据库的体系结构2.1 分布式数据库的体系结构概述介绍分布式数据库的体系结构及其功能。
2.2 分布式数据库的体系结构类型讲解分布式数据库的体系结构类型及其特点。
2.3 分布式数据库的体系结构设计原则探讨分布式数据库的体系结构设计原则和方法。
2.4 分布式数据库的体系结构实现技术分析分布式数据库的体系结构实现技术及其应用。
第三章：分布式数据库的数据模型3.1 分布式数据库的数据模型概述解释分布式数据库的数据模型及其重要性。
3.2 分布式数据库的分布式数据模型介绍分布式数据库的分布式数据模型及其特点。
3.3 分布式数据库的分布式数据模型设计方法讲解分布式数据库的分布式数据模型设计方法及其应用。
3.4 分布式数据库的分布式数据模型实现技术分析分布式数据库的分布式数据模型实现技术及其应用。
第四章：分布式数据库的查询处理4.1 分布式数据库的查询处理概述介绍分布式数据库的查询处理及其重要性。
4.2 分布式数据库的查询处理策略讲解分布式数据库的查询处理策略及其特点。
4.3 分布式数据库的查询优化技术分析分布式数据库的查询优化技术及其应用。
4.4 分布式数据库的查询处理实现技术探讨分布式数据库的查询处理实现技术及其应用。
第五章：分布式数据库的安全性与一致性5.1 分布式数据库的安全性概述解释分布式数据库的安全性及其重要性。
5.2 分布式数据库的安全性机制介绍分布式数据库的安全性机制及其特点。
5.3 分布式数据库的一致性概述解释分布式数据库的一致性及其重要性。
5.4 分布式数据库的一致性机制讲解分布式数据库的一致性机制及其特点。
分布式数据库系统
答
P
场地A
场地B
在场地B选出红色零件的元组（10个），然后对每一 个元组逐一检查场地A，看北京供应商的装运单中是否有 这个零件装运单（若有则选出S#），每做这样一次检查 包括2次消息，共问答10次，通信时间为：
T[4]=2*10=20秒
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查询处理和优化
策略5：
传（S#,P#）
(S)SP
P
场地A
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分布透明性----包括分片透明性、位置透明性和局部数 据模型透明性。
分片透明性----分布透明性的最高层次。指用户或 应用程序只对全局关系进行操作而不考虑关系的分 片。当分片模式改变了，由于全局到分片模式的映 像、全局模式不变，应用程序不必改写。
位置透明性----分布透明的下一层次。指用户或应用 程序不必了解片段的场地，当存储场地改变了，由于 分片模式到分布模式的映像，应用程序不必改变。 局部数据模型透明性----用户或应用程序不必了解局 部场地上使用哪种数据模型，模型转换以及数据库语 言的转换由映像4完成。
分布式数据库系统中全局应用要涉及到两个以上结点的 数据，全局事务可能由不同场地的多个操作组成。所以应 该保证数据库的全局一致性、全局并发事务的可串行性和 系统的全局可恢复性。 当一个结点发生故障，操作失败后如何使全局事务回滚？ 如何使另一个结点撤销已执行的操作或不必再执行其他操作。
采用的技术比集中式数据库系统更复杂和困难。
•提高系统的可靠性、可用性 当某一场地出现故障时，系统可以对另一场地上的相同 副本进行操作，不至于造成整个系统的瘫痪。
•提高系统性能 系统可选择用户最近的数据副本进行操作，减少通
信代价，改善整个系统性能。
存在的问题： 冗余副本之间存在数据不一致，必须着力解决。
分布式数据库的系统结构
首先应注意，分布式数据库中数据的分 布 是 DBA（Data Base Administrator） 决定的；但目录的分布是由系统决定 的。数据目录的分布是DBMS设计问题， 不是分布式数据库设计所处理的问题。
因DDBMS结构不同，数据目录有如
下五种分布策略：
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1、Centralized 集中式
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❖2、全局事务一般用某种数据库操作语 言（DML，如SQL）表示。DDBMS首先对 其进行词法，语法分析，可解释（无 错误），将事务由DML形式转为内部表 示形式，如相应关系代数表达式或查 询语法树。
❖这时的语法树所表示的查询，还没有 考虑数据分布问题，即它是面向全局 数据库和全局关系的，故称全局查询 （global query）和全局查询语法树5 。
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2、 Extended—centralized
扩展的集中式
❖开始与集中式目录一样，数据目录集中 存放在一个结点上。
❖其他结点从集中数据目录提取的数据目 录，用完后不丢弃，而是留做本结点的 局部目录，这样随数据库应用展开，各 结点逐步建立起自己的局部目录。
❖注意：集中目录所在结点管理目录，各 结点局部目录只是集中目录的部分复本。
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6、这时实际上就把一个查询构成 的事务分解为一组相关联的子查 询构成的子事务。并将它们通过 网络发送相应结点，由各结点 LDBMS（Local database management system 局部数据库 管理系统）再对子查询语法树进 行优化，并完成查询。
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❖ 一个事务，分解为一组相关子事 务，分别在相应结点上并行执行。但 DDBMS的分布式事务管理软件，必须 对它们进行全程管理和监控。
❖因为一个事务虽然被分解成一组子事 务，由各自相应结点执行，但仍须保 证全局事务在并发和故障情况下，遵 守ACID准则。
分布式数据库系统(DDBS)概述.
分布式数据库系统(DDBS概述一个远程事务为一个事务,包含一人或多个远程语句,它所引用的全部是在同一个远程结点上.一个分布式事务中一个事务,包含一个或多个语句修改分布式数据库的两个或多个不同结点的数据.在分布式数据库中,事务控制必须在网络上直辖市,保证数据一致性.两阶段提交机制保证参与分布式事务的全部数据库服务器是全部提交或全部回滚事务中的语句.ORACLE分布式数据库系统结构可由ORACLE数据库管理员为终端用户和应用提供位置透明性,利用视图、同义词、过程可提供ORACLE分布式数据库系统中的位置透明性.ORACLE提供两种机制实现分布式数据库中表重复的透明性：表快照提供异步的表重复;触发器实现同步的表的重复。
在两种情况下，都实现了对表重复的透明性。
在单场地或分布式数据库中，所有事务都是用COMMIT或ROLLBACK语句中止。
二、分布式数据库系统的分类：(1 同构同质型DDBS：各个场地都采用同一类型的数据模型(譬如都是关系型，并且是同一型号的DBMS。
(2同构异质型DDBS：各个场地采用同一类型的数据模型，但是DBMS的型号不同，譬如DB2、ORACLE、SYBASE、SQL Server等。
(3异构型DDBS：各个场地的数据模型的型号不同，甚至类型也不同。
随着计算机网络技术的发展，异种机联网问题已经得到较好的解决，此时依靠异构型DDBS就能存取全网中各种异构局部库中的数据。
三、分布式数据库系统主要特点：DDBS的基本特点：(1物理分布性：数据不是存储在一个场地上，而是存储在计算机网络的多个场地上。
逻辑整体性：数据物理分布在各个场地，但逻辑上是一个整体，它们被所有用户(全局用户共享，并由一个DDBMS统一管理。
(2场地自治性：各场地上的数据由本地的DBMS管理，具有自治处理能力，完成本场地的应用(局部应用。
(3场地之间协作性：各场地虽然具有高度的自治性，但是又相互协作构成一个整体。
DDBS的其他特点(1数据独立性(2集中与自治相结合的控制机制(3适当增加数据冗余度(4事务管理的分布性四、分布式数据库系统的优点：(1更适合分布式的管理与控制。
分布式数据库
分布式数据库由于分布式数据库克服了集中式数据库的许多缺点，并且自然地适应于许多单位地理上分散而逻辑上统一的组织结构，因此，20多年以来从理论到实践都得到了迅速发展，并取得了决定性成果。
分布式数据库结构分布式数据库的典型定义是:分布式数据库是一个数据集合，这些数据在逻辑上属于同一个系统，但物理上却分散在计算机网络的若干站点上，并且要求网络的每个站点具有自治的处理能力，能执行本地的应用。
每个站点的计算机还至少参与一个全局应用的执行。
所谓全局应用，要求使用通讯子系统在几个站点存取数据。
这个定义强调了分布式数据库的两个重要特点:分布性和逻辑相关性。
图1给出了典型的分布式数据库系统(DDBS)的物理结构。
其中在不同地域的3台计算机分别控制本地数据库及各终端用户T;每台计算机及其本地数据库组成了此分布式数据库的一个站点，各站点用通讯网络连接起来，可以是局域网或广域网。
图1 DDBS的物理结构图图2给出了分布式数据库的逻辑结构。
其中，DDBMS是分布式数据库管理系统，用来支持分布式数据库的建立和维护。
LDBMS是局部数据库管理系统，也就是通常的集中式数据库管理系统，用来管理本站的数据。
图2 DDBS的逻辑结构DDBS的工作原理DDBMS是分布式数据库系统的核心部分，就其性质可分为匀质和异质两种。
若每个站点的LDBMS相同，则是匀质的;若至少有两个LDBMS不同，则是异质的。
异质DDBMS要在不同LDBMS的不同数据模型间进行转换，因而比匀质DDBMS更复杂。
一般来说，若从头开始研制一个DDBS，则选择匀质较方便，且通常都选用关系模型。
这是由于关系模型易于分布管理，但若DDBS是建立在已有的若干数据库之上，则这些数据库很可能有的是基于关系模型的，有的是基于层次或网络模型的，即它们是不同质的，因此要建立异质的DDBMS。
图3给出了分布式数据库管理系统DDBMS的工作原理的参考模型。
图3 DDBMS工作原理参考模型用户处理器根据外模式和概念模式把用户命令翻译成格式更适合于机器的规范化命令，并实施完整性约束，同时它负责将规范化格式的数据转换成用户结果格式。
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§2.2 组件结构
DP功能
➢局部查询处理：实现全局命令到局部命令的转换； 访问路径选择器，选择最好的路径执行。
➢局部恢复管理器： 维护本地数据库一致性的故障 恢复。
➢运行支持处理器（存储管理器）：按调度命令访 问数据库；控制数据库缓存管理器；返回局部执行 结果；保证子事务执行的正确性。
§2.3 模式结构
我国分布式数据库系统标准草案中给定的抽象为四层的 模式结构：全局外层、全局概念层、局部概念层和局部 内层。模式与模式之间是映射关系。
全局 外层
ES1
全局概念 层
ES2 …… ESn GCS
映射
全局模式 映射模式
分片模式 分配模式
局部 概念层 LCS1
局部
内层
LIS1
LCS2 LIS2
全局日志 局部概念模式
系统日志 局部内模式
数据库
应用处理器 数据处理器
§2.2 组件结构
应用处理器（AP）功能：
➢ 用户接口：检查用户身份，接受用户命令，如： SQL命令。
➢ 语义数据控制器： 视图管理、安全控制、语义完 整性控制（全局概念模式）。这些约束定义在字典 中。
➢全局查询处理器:将用户命令翻译成数据库命令； 生成全局查询的分布执行计划；收集局部执行结果 并返回给用户。
DBMS系统结构
客户端软件
用户
用户
AP
AP
局部请求
CM
服务器端软件
DP
DP
DB
DB
其中：AP：应用处理器 DP：数据处理器 CM：通信处理器
应用处理器(AP) 用于完成分布数 据处理的软件， 如：处理访问多 用户 个场地的请求， 查询全局字典中 AP 分布信息等。
数据处理器(DP) 负责进行数据管 理的软件，类似 DP 于一个集中式数 据库管理系统 DB （DBMS）。
§2.1 系统结构
不同系统的系统结构图
AP
AP
D
D
P
P
c. 多客户/多服务器 (mc/ms)
§2.1 系统结构
不同系统的系统结构图
AP
AP
DP
DP
d. 服务器结构
§2.4 组件结构
系统响应
用户 用户接口
语义数据控制器
全局查询处理器
用户请求 外模式
全局概念模式
全局执行监控器monitor 局部查询处理器 局部恢复管理器 存储管理器
Global DB
§2.4 功能结构 Administrator
Enterprise Administrator
GCS Processor
GD/D
Local Data Manager
Local DBA
GCS Processor-1
Application System
Administrator
ES Processor
LCSn LISn
局部模式
局部模式
ES：全局模式 GCS：全局概念模式 局部概念模式 LIS：局部内模式
LCS：
§2.3 模式结构
➢ 全局模式（ES）:全局模式定义全局用户视图，是分布
式数据库的全局用户对分布式数据库的最高层抽象。全局 用户使用视图时，不必关心数据的分片和具体的物理分配 细节。 ➢ 全局概念模式（GCS）: 全局概念模式定义全局概念视 图，是分布式 数据库的整体抽象，包含了全部数据特性和 逻辑结构。像集中式数据库中的概念模式一样，是对数据 库全体的描述。全局概念模式再经过分片模式和分配模式 映射到局部模式。 ➢分片模式是描述全局数据的逻辑划分视图。即全局数据 逻辑结构根据某种条件的划分，将全局数据逻辑结构划分 为局部数据逻辑结构。每一个逻辑划分成一个分片。在关 系数据库中，一个关系中的一个子关系称该关系的一个分 片。 ➢分配模式是描述局部数据逻辑的局部物理结构，即划分 后的分片的物理分配视图。
参考体系结构的目的
➢ 讨论的框架 ➢ 标准
DBMS 标准化
➢ 基于组件 ➢ 基于功能 ➢ 基于数据
最早的 是 基于数据组织的 ANSI/SPARC Architecture（ external view, conceptual view， internal view, ）的三级 模式结构
§2.1 系统结构
Local Data Manager
Local IS Processor
Int. Storage Int. DB
Transformation
LD/D … …
Internal DB Conceptual Transformation
§2.5 分布式数据库系统分类
分布式数据库系统的分类很多。为全面、系统 地对分布式数据库系统进行分类，采用分布式 数据库的三个特性（分布性、异构性、自治性） 组成的三维空间图来描述分布式数据库的类型。
§2.3 模式结构
➢ 局部概念视图（LCS）：局部概念模式定义局部概念
视图，是全局概念模式的子集。局部概念模式用于描述 局部场地上的局部数据逻辑结构。当全局数据模型与局 部数据模型不同时，还涉及数据模型转换等内容。
➢ 局部内模式定义局部物理视图，是对物理数据库的描 述，类似集中数据库的内层。
➢ 分布式数据库的四层结构及模式定义描述了分布式数 据库是一组用网络联结的局部数据库的逻辑集合。它将 数据库分为全局数据库和局部数据库。全局数据库到局 部数据库由映射（1：N）模式描述。全局数据库是虚拟 的，由全局概念层描述。局部数据库是全局数据库的内 层，由局部概念层和局部内层描述。全局用户只关心全 局外层定义的数据库用户视图，其内部数据模型的转换、 场地分配节等由系统自动实现。体系结构 §2.2 系统结构 §2.3 模式结构 §2.4 功能结构 §2.5 分布式数据库系统分类 §2.6 MDBS体系结构 §2.7字典信息的组织
§2.1 系统结构
系统的体系结构（ Architecture）指按组件、组件
功能以及它们的交互作用定义系统的结构(structure ）。
通信管理器(CM) 负责为AP和DP在多个场地之间传送命令和数据。
§2.1 系统结构
不同系统的系统结构图
AP DP
a. 集中库
§2.1 系统结构
不同系统的系统结构图
AP AP DP
b. 多客户/单服务器(c/s)
§2.1 系统结构
不同系统的系统结构图
AP AP DP
b. 多客户/单服务器(c/s)