第二章 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。
常用的分布式体系结构
常用的分布式体系结构分布式体系结构是指将一个系统划分为多个相互独立的模块，并将这些模块部署在不同的计算节点上，通过消息传递或远程调用等方式进行协作，从而形成一个分布式的整体系统。
常用的分布式体系结构有以下几种：1. 客户-服务器体系结构（Client-Server Architecture）：该体系结构是最常见的一种，将系统划分为客户端和服务器端两个部分。
客户端负责发送请求并接收返回的数据，而服务器端负责处理请求并返回结果。
这种体系结构适用于对于响应时间和资源利用率要求较高的系统，如网站和应用程序。
2. 三层架构（Three-Tier Architecture）：该体系结构将系统划分为表示层、应用层和数据层三个部分。
表示层负责处理用户界面交互，应用层负责处理业务逻辑，数据层负责持久化数据。
这种体系结构可以提高系统的可维护性和可扩展性，并且可以将处理逻辑和数据逻辑分离，使得系统更加灵活。
3. 微服务架构（Microservices Architecture）：该体系结构将系统划分为多个小型的、独立的服务。
每个服务都可以独立地开发、部署和扩展，并且通过轻量级的通信机制进行协作。
这种体系结构可以提高系统的可伸缩性和可灵活性，并且可以根据需求独立地进行服务的添加和修改。
4. 面向消息的体系结构（Message-Oriented Architecture）：该体系结构将系统划分为多个组件，这些组件通过消息队列进行通信。
每个组件都可以独立地生产和消费消息，从而实现了松耦合的组件之间的通信。
这种体系结构适用于异步通信和解耦系统各部分的场景，如事件驱动系统和消息传递系统。
5. 多层体系结构（Multi-Tier Architecture）：该体系结构将系统划分为多个层次，每个层次都具有不同的功能。
例如，前端层负责处理用户界面，业务逻辑层负责处理业务逻辑，数据访问层负责与数据库交互。
这种体系结构可以提高系统的可扩展性和可复用性，并且可以将不同的功能独立地进行开发、部署和测试。
分布式数据库总结(申德荣)
第一章分布式数据库系统概述一、分布式数据库的发展1、分布式数据库的发展：①集中式数据库管理系统的局限性：a.通讯瓶颈；b.响应速度。
②推动分布式数据库发展的动力：a.应用需求；b.硬件环境的发展。
二、分布式数据库系统的定义：分布式数据库系统，通俗地说，是物理上分散而逻辑上集中的数据库系统。
分布式数据库系统使用计算机网络将地理位置分散而管理和控制又需要不同程度集中的多个逻辑单位（通常是集中是数据库系统）连接起来，共同组成一个统一的数据库系统。
三、分布式数据库系统的特点：a.物理分布性：数据不是存放在一个站点上b.逻辑整体性：是与分散式数据库系统的区别c.站点自治性：是与多处理机系统的区别d.数据分布透明性e.集中与自治相结合的控制机制f.存在适当的数据冗余度g.事务管理的分布性四、分布式数据库系统的分类按局部数据库管理系统的数据模型分类：同构性（homogeneous）（分为同构同质型和同构异质型）DDBS和异构性(heterogeneous)DDBS按分布式数据库系统的全局控制系统类型分类：全局控制集中型DDBS，全局控制分散型DDBS，全局控制可变型DDBS。
五、分布式数据库中数据的独立性和分布透明性所谓数据独立性是指用户或用户程序使用分布式数据库如同使用集中式数据库那样，不必关心全局数据的分布情况，包括全局数据的逻辑分片情况、逻辑片段站点位置的分配情况，以及各站点上数据库的数据模型等。
也就是说，全局数据的逻辑分片、片段的物理位置分配，各站点数据库的数据模型等情况对用户和用户程序透明。
所以，在分布式数据库中分布独立性也称为分布透明性。
六、分布式数据库系统的体系结构、组成成分集中式数据库管理系统结构：a. DB（数据库）b. DBMS(集中式数据库管理系统)c. DBA(数据库管理员)分布式数据库管理系统（DDBMS）结构：a. LDB（局部数据库）b. GDB（全局数据库）c. LDBMS (局部数据库管理系统)d. GDBMS (全局数据库管理系统)e. LDBA（局部数据库管理员）f. GDBA (全局数据库管理员)七、分布式数据库系统的特性：1. 数据透明性：a.分布透明性b. 分片透明性c. 复制透明性2. 场地自治性：a. 设计自治性b. 通信自治性c. 执行自治性八、分布式数据库系统的优点:分布式数据库系统是在集中式数据库系统的基础上发展来的，比较分布式数据库系统与集中式数据库系统，可以发现分布是数据库系统具有下列优点：1.更适合分布式的管理与控制。
分布式数据库系统的结构的特点 数据分片技术 连接技术 范式 基本流程 MapReduce 模型
注：考生属哪种类别请划“√”（博士、在校硕士、工程硕士、师资硕士、同等学力、研究生班）√研究生考试试卷考试时间：考试科目：分布式数据库考生姓名：评卷人：考试分数：注意事项1、考前研究生将上述项目填写清楚2、字迹要清楚，保持卷面清洁3、试题、试卷一齐交监考老师4、教师将试题、试卷、成绩单，一起送研究生学院；专业课报所在院、系分布式数据库课程考试题签一、说明分布式数据库系统的结构的特点（不低于 6 个）。
(1)物理分布性(2)场地自治性(3)场地之间协作性(4)数据独立性(5)集中与自治相结合的控制机制(6)适当增加数据冗余度(7)事务管理的分布性二、分布式查询处理的查询时间如何计算，根据数据在不同的场地分布分别说明。
查询涉及多个库或者多张分表：1.排序，即多个来源的数据查询出来以后，在应用层进行排序的工作。
查出来如果是已经排序号的，则对多路进行归并排序否则就要进行一个全排序。
2.函数处理，即使用Max,Min,Sum,Count 等函数对多个数据来源的值进行相应的函数处理3.求平均值，从多个数据来源进行查询时，需要把SQL改为查询SUM和Count，然后对多个数据来源的Sum求和，count求和后，计算平均值，这是需要注意的地方。
4非排序分页，这需要看具体实现所采取的策略，是同等步长地在多个数据源上分页处理，还是同等比例地分页处理。
5排序后分页。
二、分布式数据库系统的数据分片技术有哪些？分别说明。
三种分片方式：hash方式、一致性hash、按照数据范围（range based）。
hash方式：哈希表（散列表）是最为常见的数据结构，根据记录（或者对象）的关键值将记录映射到表中的一个槽（slot），便于快速访问。
绝大多数编程语言都有对hash表的支持，如python中的dict，C++中的map，Java中的Hashtable，Lua中的table等等。
在哈希表中，最为简单的散列函数是 mod N（N为表的大小）。
《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
26
查询处理和优化
策略5：
传（S#,P#）
(S)SP
P
场地A
14
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。
分布式数据库总结
%%%%%%%%%%%%%%%第一章：分布式数据库系统概述数据库：长期存储在计算机内的有组织的，可共享的相关数据的集合。
数据库管理系统：DBMS是介于用户与操作系统之间的一层数据管理软件。
为用户或应用程序提供访问DB的方法，包括DB的建立、查询、更新及各种数据控制。
DBMS基于某种数据模型。
数据库系统：数据库系统（DBS）通常是指带有数据库的计算机应用系统。
包括数据库、相应的硬件、软件和各类人员。
数据库技术：数据库技术是研究数据库的结构、存储、设计、管理和使用的一门软件学科；是一门综合性较强的学科。
数据抽象：视图抽象——外模式；概念抽象——概念模式；物理抽象——内模式数据模型：数据模型三要素：数据结构；数据操作；完整性约束模式/内模式映象：该映象存在于模式与内模式之间，用于定义模式与内模式之间的对应性。
本映象一般在内模式中描述。
外模式/模式映象：该映象存在于外模式与模式之间，用于定义外模式和模式之间的对应性。
本映象一般在外模式中描述。
物理独立性：在数据库系统的三级模式结构中，存在模式/内模式的映象，当内模式发生变化时，只要修改模式/内模式的映象，就可以保持模式不变，从而保证程序与数据的物理独立性。
逻辑独立性：在数据库系统的三级模式结构中，存在外模式/模式的映象，当模式发生变化时，只要修改外模式/模式的映象，即可保持外模式不变，从而保证程序和数据的逻辑独立性。
DDBS具有如下四个基本特点：物理分布性逻辑整体性场地自治性场地之间协作性计算机网络：定义为相互联接、彼此独立的计算机系统的集合。
相互联接指两台或多台计算机通过信道互连，从而可进行通信；彼此独立则强调在网络中，计算机之间不存在明显的主从关系，即网络中的计算机不具备控制其他计算机的能力，每台计算机都具有独立的操作系统。
计算机网络的组成：通信子网和资源子网分布式数据库定义：物理上分散而逻辑上集中的系统，它使用计算机网络将地理位置分散而管理和控制又需要不同程度集中的多个逻辑单位（通常是集中式数据库系统）连接起来，共同组成一个统一的数据库系统。
数据库分布式系统的说明书
数据库分布式系统的说明书一、引言数据库分布式系统是一种基于分布式计算和存储的数据库系统，可以将数据和计算任务分散到多个节点上进行并行处理，从而提高系统的性能与可扩展性。
本文将详细介绍数据库分布式系统的原理、架构以及应用场景。
二、原理与架构1. 分布式数据存储数据库分布式系统中的数据通常被分散存储在多个节点上，每个节点负责管理一部分数据。
这样的分布方式可以提高数据的可用性和容错性，同时也增加了系统的并行处理能力。
2. 分布式数据访问为了实现对分布式存储的数据的高效访问，数据库分布式系统采用了一些常用的技术手段，如数据划分、数据复制、数据分片等。
这些技术可以提高数据的可靠性、查询效率和负载均衡能力。
3. 分布式事务处理在分布式环境下，事务处理变得更加复杂。
数据库分布式系统通过引入分布式事务协调器来协调多个节点上的事务执行，保证数据的一致性和可靠性。
4. 分布式查询与计算数据库分布式系统支持将查询和计算任务分发到多个节点上进行并行处理，从而提高系统的查询性能和计算能力。
常用的分布式查询与计算技术包括MapReduce、Spark等。
三、应用场景数据库分布式系统在许多领域都有广泛的应用，以下是几个典型的应用场景。
1. 大规模数据分析对于大规模的数据分析任务，传统的单机数据库往往无法满足性能要求。
通过将数据分散存储在多个节点上，并使用分布式查询和计算技术，可以大幅提高数据分析的效率和速度。
2. 云计算平台云计算平台需要支持大规模用户的数据存储和查询需求，因此数据库分布式系统是其基础设施之一。
通过将数据库分布在多个物理节点上，可以提供高可用性和扩展性的数据服务。
3. 实时数据处理对于实时数据处理场景，数据库分布式系统可以通过数据的并行处理和分布式计算来实现对实时数据的快速处理和分析。
这在金融、物联网等领域有着重要的应用价值。
四、总结数据库分布式系统是一个基于分布式计算和存储的数据库架构，可以提高系统的性能、可靠性和可扩展性。
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LIS1
LIS2
LIS3
第二章 分布式数据库系统体系结构
MDBS (多库数据库系统)System responses
MDBS 的组件结构
USER
User requests
第二章 分布式数据库系统体系结构
MDBS（多库数据库系统）
具有全局概念模式的模型
GES1 LES11 LES12 LES13 GES2 GCS GES3 LESn1 LESn2 LESnm
LCS1 LIS1
LCSn LISn
第二章 分布式数据库系统体系结构
MDBS （多库数据库系统）
没有全局概念模式的模型
求委员会 基于功能 基于组件 基于数据 最早的是基于数据组织ANSI/SPARC Architecture（external view, conceptual view， internal view, ）的三级模式结构
第二章 分布式数据库系统体系结构
应用处理器(AP) 用于完成分布数 系统结构 据处理的软件， 如：处理访问多 基于层次的DBMS系统结构 个场地的请求， 用户 用户 用户 客户端软件 查询全局字典中 AP AP AP 分布信息等。
第二章 分布式数据库系统体系结构
模式结构
局部概念视图（LCS）：局部概念模式为局部概念视图，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。
通常，分布式数据库系统是自上而下（top-down）地 设计数据库，可灵活地进行分片和分配设计。用户可得 益于其“集中控制”和数据库系统具有的数据处理能力。 但分布式数据库系统具有数据库组件数量的限制，通常 不多于数十个数据库组件。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
数据集成系统通过约束数据管理能力（只支持只读）， 可将数据库组件数量扩展到数百个。在数据集成系统中， 通常数据和数据库已存在，是遵循自下而上（bottomup）地集成各局部场地上的数据。
全局用户 MDBMS 局部用户 LDBMS1 DB1 …… LDBMSn DBn 局部用户
多数据库系统逻辑结构
第二章 分布式数据库系统体系结构
数据集成系统
DDB 和 MDB的不同
MDB：本地数据管理器（data manager ）都 是完备的DBMS，具有它自己的DDL, DML和 TM。 DDB：只有一个数据管理器和依赖于该管理 器的存在于各局部场地上组件数据管理器 （component-data-manager）。
局部模式
查询优化
存取路径
优化的局部查询
第二章 分布式数据库系统体系结构
MDBS （多库数据库系统）
多数据库事务管理的系统结构
全局事务 管理 (GTM) 全局事务 管理 (GTM)
第二章 分布式数据库系统体系结构
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。 局部事务管理器：以局部子事务为单位调度执行，保证 子事务执行的正确性。 局部调度管理器：负责局部场地上的并发控制，按可串 行化调度和执行数据操作。
第二章 分布式数据库系统体系结构
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 全局概 念层 ES1 ES2 …… ESn 全局模式 分片模式 GCS 映射 映射模式 分配模式
局部 LCS1 概念层 局部 内层 LIS1
§2.2 系统结构
不同系统的系统结构图
AP
DP
a. 集中库
第二章 分布式数据库系统体系结构
系统结构
不同系统的系统结构图
AP DP
AP
b. 多客户/单服务器(c/s)
第二章 分布式数据库系统体系结构
系统结构
不同系统的系统结构图
AP DP
AP
b. 多客户/单服务器(c/s)
第二章 分布式数据库系统体系结构
Multi-DBMS Layer Query DBMS Processor Transaction Manager Scheduler Recovery Manager … Query DBMS Processor Transaction Manager Scheduler Recovery Manager Runtime Support Processor
第二章 分布式数据库系统体系结构
数据库集成系统
数据库集成的模式结构
全局概念模式 模 式 集 成
集成器
局部集成模式(LIS1) …… 局部集成模式(LISn) 翻译器1 局部模式(LS1)
……
……
翻译器n 局部模式(LSn)
模 式 翻 译
第二章 分布式数据库系统体系结构
数据库集成系统
多数据库系统（MDB） MDBS 是在己经存在的数据库系统 (称为局部数据库系 统:LDBs) 之上为用户提供一个统一的存取数据的环境。
数据库
数据库
第二章 分布式数据库系统体系结构
MDBS （多库数据库系统）
多数据库查询处理信息
控制场地 查询分裂 一个场地上一个 数据库的子查询
数据定位信息
每个场地上的多 数据库管理层
分片 多数据库上 的子查询 翻译 局部数据库系 统处理的查询
数据目录信息
辅助库
局部数据库系统
局部查询分解 代数查询
LCS2
LCSn
局部模式
LIS2 LISn
局部模式
ES ： 全 局 模 式 GCS ： 全 局 概 念 模 式 LCS：局部概念模式 LIS：局部内模式
第二章 分布式数据库系统体系结构
模式结构
全局模式或外模式（ES）:全局外模式即全局用户视图，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）: 全局概念模式即全局概念视图，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片段。 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。
Runtime Support Processor
第二章 分布式数据库系统体系结构
MDBS （多库数据库系统）
一种多数据库系统的实现结构
用户
请求 多数据库 管理层 系统层 回答 全局字典 管理器 全局目录 多数据库查询处理器
多数据库事务管理器
多数据库操作执行器
Internet
局部系统层 数据库管理系统 …… 数据库管理系统
AP
系统结构
不同系统的系统结构图
AP AP
DP
DP
DP
DP
c. 多客户/多服务器 (mc/ms)
第二章 分布式数据库系统体系结构
§2.2 系统结构
不同系统的系统结构图
AP AP
DP
DP
d. 服务器结构
系统结构
不同系统的系统结构图 负载平衡监测:负责监控 数据库服务器的状态及 性能，调度依据 数据处理:负责处理从数 据库返回的数据，按一 定的方式将数据传送给 AP。 数据库管理器:负责接收 客户请求队列中的客户 请求，调用相应的驱动 程序管理器，完成相应 的数据库查询任务。 驱动程序管理器:负责调 度相应的数据库驱动程 序，实现与相应的数据 库的连接。
Local Data Manager
Local IS Processor
LD/D … … Internal DB Conceptual Transformation
Int. Storage Int. DB Transformation
第二章 分布式数据库系统体系结构
数据库集成系统
DDB 和 数据库集成系统
物理结构和逻辑结构
场地m 全局用户 DDBMS 网络 场地4
场地1
LDBMS1 …… LDBMSn
DB1
场地2
场地3
DBn
DDBS的物理结构
DDBS的逻辑结构
第二章 分布式数据库系统体系结构
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） 参考体系结构的目的 讨论的框架 American National Standards Institute, Standards Planning And Requirements 标准 Committee：美国国家标准协会的计算 DBMS 标准化 机与信息处理委员会中的标准计划与需
分布式数据库系统原理与应用
第二章 分布式数据库系统体系结构
第二章 分布式数据库系统体系结构
主要内容
物理结构和逻辑结构 体系结构 系统结构 模式结构 功能结构 数据集成系统 MDBS体系结构 P2PDBS 分布式数据库系统分类 字典信息的组织