概述自顶向下设计分布式数据库DATAID-D方法实例研究
分布式数据库设计与实现
分布式数据库设计与实现随着互联网的发展，数据量不断增长。
在大数据时代，如何高效地管理和处理海量数据成为了一个重要的问题。
而分布式数据库是解决这个问题的有效方法之一。
下面将介绍分布式数据库的设计与实现。
一、分布式数据库的概念和特点分布式数据库是指将数据存储在不同位置的多台计算机上，并通过网络连接实现数据共享和协作管理的一种数据库系统。
分布式数据库的特点包括：1.高可靠性：通过数据备份和多节点冗余，数据的安全性和可靠性得到了提高；2.可扩展性：由于数据可以分布在多个节点上，因此系统的性能可以随着节点的增加而线性扩展；3.地理位置灵活性：不同节点的数据可以存储在不同的地理位置上，可以根据具体需求进行部署和管理。
二、分布式数据库的设计和实现1.数据库划分在分布式数据库的设计中，需要考虑如何将数据进行划分和分配至不同的节点。
通常可以使用分区和分片的方法实现。
分区是指将数据按照某种规则划分为多个区域，并将每个区域分配到不同的节点上。
例如，可以按照城市或者地区进行分区，将相同城市的数据分配到同一个节点上。
分片是指将数据按照某个属性进行划分，并将每个分片存储在不同的节点上。
例如，可以按照用户名进行分片，将用户名以A-M开头的数据存储到一个节点上，N-Z开头的数据存储到另外一个节点上。
2.数据一致性分布式数据库中，由于数据分散在不同的节点上，因此需要保证数据的一致性。
常用的方法包括：2.1. ACID事务在分布式数据库中，可以使用ACID事务来确保数据的一致性。
ACID是指原子性、一致性、隔离性和持久性，它保证了事务的安全性和可靠性。
2.2. BASE理论BASE理论是对ACID的补充，它是指基本可用、软状态和最终一致性。
在BASE理论中，数据一致性不是立即保证的，而是通过异步调整实现的。
3.数据冗余和备份在分布式数据库中，数据的冗余和备份是确保数据安全性和可靠性的重要手段。
数据的冗余可以在多个节点上备份一份相同的数据，保证一旦出现节点故障，数据能够得到恢复。
分布式数据库系统设计
分布式数据库系统设计分布式数据库系统是一种能够将数据分散存储在不同的计算机节点上，并通过网络互联的数据库系统。
相比传统的集中式数据库系统，分布式数据库系统具有更好的可扩展性、高可用性和性能优势。
本文将详细介绍分布式数据库系统的设计原理和关键技术。
一、分布式数据库系统的设计原理1.数据分片：分布式数据库系统将数据划分为多个片段，每个片段存储在不同的节点上。
数据分片的目的是使得数据能够分散存储并且能够并行处理。
通常采用哈希函数对数据进行分片，使得每个片段的负载均衡。
3.数据复制：分布式数据库系统中节点之间的数据复制是保证数据可用性和故障容忍性的重要手段。
常见的复制策略有主备复制、主从复制和多主复制等。
4.查询优化：分布式数据库系统需要考虑到节点之间网络传输的延迟和带宽限制，因此需要对查询进行优化。
常见的查询优化技术包括查询重写、查询推送、查询分析和索引优化等。
二、分布式数据库系统的关键技术1.数据一致性：在分布式数据库系统中，数据一致性是一个核心问题。
为了保证数据的一致性，可以采用强一致性和弱一致性两种策略。
强一致性保证了任意时刻多个副本之间的数据完全一样，但可能会导致网络延迟和可用性问题；而弱一致性则允许副本之间的数据不一致，但能够快速响应请求。
2.数据分片：数据分片是分布式数据库系统的重要组成部分。
通过将数据划分为多个片段，并在不同的节点上存储和处理，可以实现横向扩展和并行处理。
数据分片需要考虑到数据的均衡性、一致性和容错性等问题。
3.数据复制：数据复制是提高分布式数据库系统可用性和容错性的重要手段。
通过将数据复制到多个节点上，即使一些节点发生故障，系统依然能够提供服务。
数据复制需要解决数据一致性、复制延迟和数据冲突等问题。
4.多级缓存：多级缓存是分布式数据库系统提高读取性能的重要技术。
通过在各个节点上配置缓存，可以减少对底层存储的读取压力，提高读取性能。
多级缓存需要考虑到缓存一致性和缓存管理的问题。
分布式ID篇生成算法详解
分布式之分布式ID篇生成算法详解一、分布式ID概述分布式ID的定义，可什么时候需要它呢？有人会回答分布式系统需要，可真的需要吗？并不一定，不是所有分布式系统都需要，回想以前单体架构时代，ID通常是作为数据的唯一标识，比如用户会有用户ID、订单会有订单ID……，这些ID在对应的业务模块中都是唯一的，通常依靠数据库自增序列来实现。
换到分布式系统里，尽管内部的技术架构天翻地覆，可是外层的业务却始终如一，因此，业务数据并不会随着技术架构的演进而消失。
以用户数据为例，从单体架构转到分布式架构时，需要将用户ID从数据库自增ID换成分布式ID吗？显然不用。
那么，究竟什么情况下需要用到分布式ID呢？最经典的场景是分库分表，还是以用户数据来举例子，之前只有一张用户表，所以设置表ID自增后，每新增一条数据都会自增ID值，从而确保了ID永远不会重复。
此刻用户表被分成了十张，如果再依靠数据库本身的自增机制来分配ID，显然会导致ID重复，这时分布式ID就派上了用场。
除开分库分表外，通常还会用到分布式ID的场景有：•链路ID：分布式链路中，需要通过全局唯一的traceId来串联所有日志；•请求ID：幂等性处理时，需要通过唯一的ID来判断是否为重复请求；•消息标识：MQ需要基于唯一的msgID来区分数据，确保数据不重复或丢失；•短链码：生成短链接时，需要获取一个全局唯一的值作为Code避免重复；•……因此，并非分布式架构就一定要用到分布式ID，只有强制要求全局唯一的场景才会需要。
PS：普通表自增的ID，也是一种另类的分布式ID，只要自增出来的值不会重复即可。
1.1、分布式ID的特性理解什么场景下需要分布式ID后，下面我们一起来看一些分布式ID应该需要具备的特性：•唯一性：每个ID必须全局唯一，避免因ID重复导致的数据冲突或错误；•顺序性：在某些场景中，ID需要具备单调递增的顺序性，方便排序与记忆；•业务性：某些场景的ID要具备业务特性，如前缀XX开头、包含时间信息等；•精简性：某些场景下的ID不宜过长，所以对位数/长度有所限制，如16位；所以，当咱们设计一个生成分布式ID的方案时，就必须将这几条考虑在内。
分布式数据库与数据管理教程
分布式数据库与数据管理教程随着信息技术的不断发展，大数据已经成为了当下热门的话题。
在大数据背后，分布式数据库和数据管理技术起到了重要的作用。
本文将介绍分布式数据库和数据管理的基本概念、原理和应用，并提供一些实用的教程和案例。
一、分布式数据库的概念与原理1.1 分布式数据库的定义分布式数据库指的是将数据分散存储在多个物理节点上，通过网络连接实现数据的共享和交互。
每个节点都具有独立的计算和存储能力，且能够协同工作以完成各种数据管理任务。
1.2 分布式数据库的原理分布式数据库的实现基于分布式系统和数据库技术。
其中，分布式系统涉及到数据分发、数据复制、数据恢复等技术，用于解决节点间通信、数据一致性、容错等问题；数据库技术包括数据模型、查询语言、事务处理等，用于实现数据的结构化存储和高效访问。
1.3 分布式数据库的优势和挑战与单机数据库相比，分布式数据库具有以下优势：数据容量无限扩展、高可靠性和高性能、负载均衡和故障容错等。
然而，分布式数据库也面临一些挑战，如数据一致性、容错处理、网络通信等问题，需要有效的管理和解决方案。
二、数据管理技术与实践2.1 数据库设计与建模数据库设计是指根据应用需求，将现实世界中的数据抽象为逻辑模型，并通过概念设计和物理设计转化为数据库结构。
数据库建模是指通过实体-关系模型、层次模型、网络模型等方法描述数据的关系和约束。
2.2 数据库查询与优化数据库查询是指通过查询语言（如SQL）来检索和操作数据库中的数据。
为了提高查询效率，需要进行查询优化，通过索引、视图、分区等技术来提高查询的速度和响应时间。
2.3 数据库事务与并发控制数据库事务是指数据库中一组操作的逻辑单元，要么全部成功，要么全部失败。
并发控制是为了解决多用户并发访问数据库时可能出现的数据一致性问题，通过锁定机制、并发控制算法等技术来保证数据的正确性和一致性。
2.4 数据备份与恢复对于分布式数据库来说，数据备份与恢复是非常关键的环节。
分布式数据库分析
分布式数据库分析分布式数据库是一种数据库管理系统，将数据存储在多个独立的计算机上，并通过网络连接进行数据交换和共享。
与传统的单点数据库相比，分布式数据库具有更高的可扩展性、高性能和高可用性。
它可以用于处理大规模的数据以及高并发的数据访问请求。
本文将从可扩展性和性能两个方面对分布式数据库进行分析。
首先，分布式数据库具有良好的可扩展性。
传统的单点数据库在数据量增加、用户并发量增加的情况下，会面临性能下降和容量限制等问题，而分布式数据库可以通过增加节点来扩展存储空间和计算能力。
分布式数据库可以将数据分布到不同的节点上，每个节点负责一部分数据的存储和处理，通过增加节点的数量可以有效地提高存储容量和计算性能。
此外，分布式数据库还支持自动数据分片和数据迁移，可以根据数据的特性和业务需求进行灵活的分配和调整。
其次，分布式数据库具有较高的性能。
传统的单点数据库在面临高并发的数据访问请求时，容易成为性能瓶颈。
而分布式数据库可以将数据分散到多个节点上，并行地处理数据访问请求，从而提高了系统的吞吐量和响应速度。
此外，分布式数据库还可以利用缓存、负载均衡、读写分离等技术来优化系统性能。
例如，可以通过在节点上添加缓存，存储常用的数据和计算结果，减少数据库的访问次数，提高响应速度。
同时，可以通过负载均衡来均衡不同节点的负载，避免单个节点成为性能瓶颈。
然而，分布式数据库也存在一些挑战和问题。
首先是数据一致性的保证。
由于数据分布在多个节点上，节点之间可能存在网络延迟、故障和数据同步等问题，导致数据的一致性难以保证。
为了解决这个问题，分布式数据库引入了一致性协议和分布式事务等技术，确保数据在分布式环境下的一致性。
其次是数据操作的并发控制。
在多个节点上并发地处理数据访问请求时，可能会产生数据冲突和竞争条件等问题。
为了解决这个问题，分布式数据库引入了锁机制、并发控制算法、分布式锁等技术，确保数据操作的正确性和一致性。
总结来说，分布式数据库具有良好的可扩展性和高性能，可以满足大规模数据处理和高并发的数据访问需求。
分布式数据库系统的设计
第37页，此课件共60页哦
局部模式重新构造
局部模式的重新构造是重新构造片段分配站点上的局部模式 ，这一阶段也负责ER全局模型中的联系分配．大多数联系是 作为对应实体标识符间的结合实现的，DATAID-D方法建议 把联系放置在具有最大基数性的实体或片段的站点上，使得 必须传送的实体标识符尽可能少．
2.3.3数据库片段的位置分配设计
数据片段分配的费用和得益估算
假定
i 表示片段的下标 j 表示站点的下标
k 表示应用的下标 Fkj 表示应用k在站点j上被激活的频率
Rki 表示应用k被激活一次，对片段i进行检索访问的次数
Uki表示应用k被激活一次，对片段i进行更新访问的次数 Nki= Rki+ Uki表示应用k被激活一次，访问片段i的总次数
第11页，此课件共60页哦
2.2.2构造全局模式的解决方法
1 识别相似性 2 识别冲突：
命名冲突/域差异/定标差异/结构差异
3 处理操作期间的不一致性
4 经典解法是生成三个实体：
一个具有共同属性 另两个具有非相交属性
12 12
第12页，此课件共60页哦
2.2.3自底向上综合的一个示例
问题：
假设已存在两个飞机订票系统A和B，可供查询各自班机的可 用情况。二者有不同的概念模型。现需要将这两个系统合为 一个分布式数据库系统，以便从两个公司的任一办公室能查 询班机的可用情况。
第8页，此课件共60页哦
2.1.5分布式数据库设计的方法
自顶向下方法：从头开始设计 自底向上方法：聚集现存数据库 然而！
许多情况下，设计者都是一部分使用自顶向下方法， 另一部分使用自底向上方法
GO ON：分别详述这些方法
D方法实例研究飞机订票系统自底向上设计分布式数据库
– Define fragment SC1 as Select * From SC Where S# in (Select SF.S from SF)
Define fragment SC2 as Select * From SC Where S# in (Select SM.S from SM)
局部概念模式
物理设计
物理模式
观察与监视
自顶向下设计过程
视图设计
外部模式定义
用户 输入
反馈
2 自顶向下设计DDB
2.2 数据的分片设计
分片原则
• 假若有全局关系R 被分片为子关系(片段)集合 R = {R1, R2, …, Rn}, 则 R满足
– 完整性 ?x R, RiR 必有 xRi ，i=1,2,…,n
因此 R2好... R3不好 ...
2 自顶向下设计DDB 2.2 数据的分片设计
导出水平分片
• 导出分片 从另一个关系的属性性质或水平分片推导出来
• 例子 SC(S#, C#, GRADE) S ( S#, SNAME, AGE, SEX)
要求： 将SC划分为男生各门课成绩和女生的各门成绩
2 自顶向下设计DDB 2.2 数据的分片设计
基本水平分片
• 基本水平分片
以关系自身的属性性质为基础，执行“选 择”操作，将关系分割成若干个不相交的 片段。
R = { R1, R2 }
R1 = loc=Sa(E)
R2 = loc=Sb(E)
2 自顶向下设计DDB
2.2 数据的分片设计
基本水平分片
• 若 R = {R1, R2, …, Rn}, 则
分片数量信息
分布式习题
数据库控制和通信子系统的组成和功能。 7. 分布式数据库系统潜在的优点是什么？存在哪些技术问题？
第二章习题
2.1 概述分布式数据库的创建方法、方法特点和适用范围。 2.2 分布式数据库设计的主要目标是什么？ 2.3 概述分布式数据库设计的关键问题及解决方法。 2.4 考虑为局域网设计的分布式数据库系统和为广域网设计的分布式数
假定关系employee按plant-number水平分片，且每个片段本地存放在 它所对应的工厂站点；关系machine没有被分片，整个关系存放在 Armonk站点（整个系统站点的个数等于工厂的个数+1），并且假定 存放machine关系的Armonk站点就是提出查询和需要结果的站点。 请为下列的查询设计一个好的处理策略：
3
3.6 设有关系R，S，T 如图3.13所示。
（1）设计连接R∞S ∞T。
（2）计算半连接R ∝S, S ∝R,S∝T,T ∝R,T
∝S,
R ∝AT。
R
B
C
S
T
B
C
D DEI
2
3
5
3
5
6
669
5
3
6
3
5
9
878
1
6
8
6
8
3
856
3
4
6
5
9
6
389
5
3
5
4
1
6
2
6
8
5
8
4
图3.13 习题3.6中的三个关系 4
48为什么说两阶段提交协议在不丢失运行日志信息的情况下可以从任何故障恢49分布式数据库系统中对多副本数据更新通常采用什么方法
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
– 最小的：集合P中的所有谓词与应用密切相关。(不同分 片中的元组被访问的概率是不同的)
– 具有完整性和最小性不是必要条件, 但是对于简化分配 问题有好处
2 自顶向下设计DDB
2.2 数据的分片设计
基本水平分片
• 例子
EMP ( E#, NAME, DEPT, JOB, SAL, TEL, …) DEPT={1,2} JOB={‘P’, ‘-P’} 假定，应用经常查询的内容是属于部门1且是程序员 的职员。
e.g., R1 = loc=‘Sa’ E ; R2 = loc=‘Sb’ E
• 生成具有满足分段原则的限定谓词
2 自顶向下设计DDB 2.2 数据的分片设计
谓词生成举例
• 设有关系 E (e#,name,Loc,sal,A,…), 查询使用的简 单谓词（Ai Value）是: A<10, A>5, Loc = Sa, Loc = Sb
• 下一步: - 生成 “小项” 谓词 - 消除无用谓词
• 给定简单谓词集 Pr= { p1, p2,.. pn }, 则“小项”谓 词（minterm predicate）形式: p1* p2* … pn* 这里 pk* 是 pk 或是 ¬pk
2 自顶向下设计DDB 2.2 数据的分片设计
局部概念模式
物理设计
物理模式
观察与监视
自顶向下设计过程
视图设计
外部模式定义
用户 输入
反馈
2 自顶向下设计DDB
2.2 数据的分片设计
分片原则
• 假若有全局关系R 被分片为子关系(片段)集合 R = {R1, R2, …, Rn}, 则 R满足
– 完整性 ?x R, RiR 必有 xRi ，i=1,2,…,n
第2章 分布式数据库系统设计
1. 分布式数据库系统设计概述 2. 自顶向下设计分布式数据库 3. DATAID-D方法 4. 实例研究：飞机订票系统 5. 自底向上设计分布式数据库
1 分布式数据库设计概述
1.1 创建方法
组合法
1. 剖析网络 功能
2. 剖析原有 数据库系 统
3. 解决数据 的一致性、 完整性和 可靠性
4. 难度较大
通常是异 构或者同 构异质 DDBS
用户1 DBMS1
用户2 分布式协调管理系统 DBMS2
网络
用户n DBMSm
1 分布式数据库设计概述
1.1 DDBS创建方法
重构法
1. 根据实现环境 和用户需求
2. 按照DDBS的 设计思想和方 法
3. 从总体设计做 起，包括 LDBS,重新建 立一个DDBS
– 可重构性 ? 存在函数 g 使得R = g(R1, R2, …, Rn) 即，R=∪ Ri (水平分片）,R=∞ Ri （垂直分片）
– 不相交性 Ri ∩ Rj =空集,i≠j,i,j=1,2,…,n(水平分片) Ri ∩ Rj =主键属性,i,j=1,2,…,n(垂直分片)
2 自顶向下设计DDB 2.2 数据的分片设计
• 则可能有的水平分段限定
– P={ DEPT=1} （不是完整的） – P={DEPT=1, JOB=‘P’} （是完整的、最小的） – P={DEPT=1, JOB=‘P’, SAL>500} （完整的，不是
最小的）
2 自顶向下设计DDB 2.2 数据的分片设计
基本水平分片
如何保证分片原则
• “手工”检查!
基本水平分片
• 基本水平分片
以关系自身的属性性质为基础，执行“选 择”操作，将关系分割成若干个不相交的 片段。
R = { R1, R2 }
R1 = loc=Sa(E)
R2 = loc=Sb(E)
2 自顶向下设计DDB
2.2 数据的分片设计
基本水平分片
• 若 R = {R1, R2, …, Rn}, 则
各站点可以分担整个工作任务
工作负荷分布
本地性降低
存储能力和费用
1 分布式数据库设计概述 1.4 DDBS设计方法
自顶向下方法（重构法）
DDBS 设计方法
自底向上方法（组合法）
混合方法
2 自顶向下设计DDB 2.1 步骤和内容
概念设计
全局概念模式
反馈
需求分析
系统需求
用户输入 视图集成
访问模式
分布设计
4. 可有效解决数 据一致性、完 整性和可靠性 问题。
通常是同构异 质或同构同质 DDBS
用户1
用户2 分布式数据库管理系统
网络
用户n
1 分布式数据库设计概述 1.2 DDBS设计内容
DDB设计
全局模式设计 局部数据库设计
分片和分布
各个应用的原发站点
DDBS设计
相关应用需求
各个应用在每个站点的激活频率
举例
e# NM Loc Sal E 5 Joe Sa 1000
7 Sally Sb 2500 8 Tom Sa 500
..
.. ..
e# NM Loc Sal
5 Joe Sa 1000 8 Tom Sa 500
站点Sa
..
F
e# NM Loc Sal
7 Sally Sb 2500
站点 Sb
2 自顶向下设计DDB 2.2 数据的分片设计
举例
职工关系 E (e#, name, loc, sal,…)
查询: select *
from E
from E
where loc=Sa
where loc=Sb
and…
and ...
两个站点 : Sa, Sb
Qa Sa
Sb Qb
2 自顶向下设计DDB 2.2 数据的分片设计
小项谓词选择
(1) A<10 A>5 Loc=SA Loc=SB (2) A<10 A>5 Loc=SA ¬(Loc=SB) (3) A<10 A>5 ¬(Loc=SA) Loc=SB (4) A<10 A>5 ¬(Loc=SA) ¬(Loc=SB) (5) A<10 ¬(A>5) Loc=SA Loc=SB (6) A<10 ¬(A>5) Loc=SA ¬(Loc=SB) (7) A<10 ¬(A>5) ¬(Loc=SA) Loc=SB (8) A<10 ¬(A>5) ¬(Loc=SA) ¬(Loc=SB)
– 完整性 对于每一个元组 tR, RiR 使得 tRi – 不相交性 对tRi, Rj 使得 tRj, i j
– 可重构性 操作是∪ (可以忽略, 因为完整性就蕴含着)
R = ∪{R1, R2, …, Rn} • P = {p1, p2, …, pn}是一简单谓词集合，为保证分片
的正确性，P必须是：
应用设计
各个应用对要求访问数据对象的 访问次数、类型和统计分布
1 分布式数据库设计概述 1.3 DDBS设计目标
尽量减少通信次数和通信量，90/10准则
DDBS 设计目标
本地性或近地性
分片和分布方案（本地和远程访问次数）择优 冗余增加了可靠性、可用性，提高了效率
控制数据适当冗余
维护数据一致性开销增加