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多數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)互聯(lián)機(jī)制的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
多數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)互聯(lián)機(jī)制的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 華中理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 吳永英 李逸 李東摘要： 隨著企業(yè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，各部門所需信息既相互交錯(cuò)，又相對(duì)獨(dú)立。這就要求各部門所用的數(shù)據(jù)庫(kù)既能高度自治地工作，又能進(jìn)行信息共享。本文主要介紹多DM3數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)間的信息共享機(jī)制。 不同DM3數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)間的信息共享通過協(xié)調(diào)器實(shí)現(xiàn)。所有這些被協(xié)調(diào)器連接在一起的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)組成了一個(gè)聯(lián)邦數(shù)據(jù)庫(kù)。這樣既能較好地滿足企業(yè)的需要，也能在保證效率的前提下，提高數(shù)據(jù)的可用性。
關(guān)鍵詞： DBMS 復(fù)制 聯(lián)邦數(shù)據(jù)庫(kù)
1.引言
隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，企業(yè)的規(guī)模越來越大，其積累的信息也越來越多。存在著各部門所處理的信息多數(shù)只對(duì)本部門有效，僅有少數(shù)信息需給其它某些部門共享的問題。這種信息的分布性和獨(dú)立性要求對(duì)所處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，使各部門既能獨(dú)立地處理本部門大多數(shù)數(shù)據(jù)，也使部門間能協(xié)調(diào)處理跨部門的事務(wù)。在這種情況下，對(duì)整個(gè)企業(yè)建立一個(gè)完全的緊密耦合的分布式數(shù)據(jù)庫(kù)是很困難的，也是沒必要的，特別是大型企業(yè)，這樣的數(shù)據(jù)庫(kù)的效率往往是很低的。
為解決這個(gè)問題，我們采用以下策略：每個(gè)部門使用一套緊密耦合的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，而在存在跨部門事務(wù)處理的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)間用一個(gè)協(xié)調(diào)器聯(lián)起來。這樣就組成了一個(gè)橫跨整個(gè)企業(yè)，各部門高度自治的聯(lián)邦數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。
DM2是由華中理工大學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)多媒體技術(shù)研究所研制的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)。它采用客戶/服務(wù)器模型，客戶機(jī)與服務(wù)器，服務(wù)器與服務(wù)器均通過網(wǎng)絡(luò)互連，通過消息相互通訊，組成一個(gè)緊密耦合的分布式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。它的工作流程如下：客戶機(jī)登錄到一臺(tái)服務(wù)器上，這臺(tái)服務(wù)器便成為它的代理服務(wù)器；它接收來自客戶機(jī)的消息，然后根據(jù)全局?jǐn)?shù)據(jù)字典決定是自己獨(dú)立完成該操作，還是與其它服務(wù)器協(xié)作處理這條消息，處理完成之后，再由代理服務(wù)器將處理結(jié)果返回給客戶機(jī)。
而數(shù)據(jù)字典，作為記錄數(shù)據(jù)庫(kù)所有元數(shù)據(jù)的系統(tǒng)表，它向以上過程中提供各類有用的信息，引導(dǎo)它們向正確的方向運(yùn)行，起著“指南針”的作用。它分為局部數(shù)據(jù)字典和全局?jǐn)?shù)據(jù)字典。其中，局部數(shù)據(jù)字典用于記錄一個(gè)服務(wù)器站點(diǎn)中數(shù)據(jù)庫(kù)的控制信息，如表的模式，視圖的模式及各個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)的的文件名等信息。全局?jǐn)?shù)據(jù)字典用于記錄分布式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中各個(gè)服務(wù)器站點(diǎn)上有關(guān)全局?jǐn)?shù)據(jù)的控制信息，如服務(wù)器站點(diǎn)信息，各服務(wù)器站點(diǎn)的全局表名及表內(nèi)碼記錄，各服務(wù)器站點(diǎn)上的全局?jǐn)?shù)據(jù)視圖名及視圖內(nèi)碼記錄，用戶名及口令記錄，用戶權(quán)限記錄等信息。各個(gè)局部數(shù)據(jù)字典可以各不相同，但為了保證在各個(gè)服務(wù)器上所看到的全局?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)是一致的，因此，全局?jǐn)?shù)據(jù)字典必須一致。我們所關(guān)心的是全局?jǐn)?shù)據(jù)字典中的基表控制塊TV_CTRL_BLOCK，它的內(nèi)容主要包括：全局基表總數(shù)，每個(gè)全局基表名和其對(duì)應(yīng)的表內(nèi)碼，該基表所在的服務(wù)器站點(diǎn)的編號(hào)等信息。它的功能是將各個(gè)服務(wù)器站點(diǎn)號(hào)與存儲(chǔ)在其上的表名及表內(nèi)碼聯(lián)系起來。這樣，代理服務(wù)器從客戶消息中找到被處理的表名，然后通過查詢基表控制塊TV_CTRL_BLOCK,就能知道該表存在哪個(gè)服務(wù)器上，以便將相關(guān)消息發(fā)給該服務(wù)器。
由于DM2上各個(gè)服務(wù)器站點(diǎn)的全局字典完全相同，任何全局表的信息都會(huì)記入全局字典。若用它來構(gòu)建一個(gè)企業(yè)的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，則大量只對(duì)企業(yè)某部門有用的信息將會(huì)充斥在各部門所有服務(wù)器的全局字典中，增加了冗余。而且，當(dāng)對(duì)全局表進(jìn)行DDL操作時(shí)，為了確保全局字典的一致性，須對(duì)所有服務(wù)器的全局字典進(jìn)行加鎖。DM2對(duì)全局字典的封鎖方式是采用令牌環(huán)方式，即令牌繞虛環(huán)（非實(shí)環(huán)）傳輸，某個(gè)服務(wù)器想對(duì)全局字典進(jìn)行操作，必須等令牌到達(dá)該服務(wù)器才可以執(zhí)行。每個(gè)部門建立的全局表絕大多數(shù)只對(duì)本部門有用，當(dāng)對(duì)這些表進(jìn)行DDL操作時(shí)，卻要對(duì)所有服務(wù)器的全局字典進(jìn)行封鎖，通過令牌來實(shí)現(xiàn)對(duì)全局字典的互斥訪問。假如，兩個(gè)部門都要分別對(duì)本部門的內(nèi)部表進(jìn)行DDL操作，這應(yīng)該是可以并行處理的操作，現(xiàn)在卻只能串行執(zhí)行。而且，當(dāng)服務(wù)器數(shù)目龐大時(shí)，每個(gè)服務(wù)器等待令牌的時(shí)間將會(huì)很長(zhǎng)。這嚴(yán)重?fù)p害了數(shù)據(jù)庫(kù)的效率。
為彌補(bǔ)以上不足，在DM2的改進(jìn)版本DM3中增加了協(xié)調(diào)器，用以聯(lián)接各個(gè)獨(dú)立的DM3數(shù)據(jù)庫(kù)子系統(tǒng)，并協(xié)調(diào)各子系統(tǒng)間的各種關(guān)系，使各子系統(tǒng)既能高度自治地工作，又能進(jìn)行有效的信息共享。
2.體系結(jié)構(gòu)
本系統(tǒng)可看作多個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)子系統(tǒng)被協(xié)調(diào)器聯(lián)起來的，高度自治的一個(gè)聯(lián)邦數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。其中，每個(gè)子系統(tǒng)獨(dú)立處理本系統(tǒng)內(nèi)部的事務(wù)，而子系統(tǒng)間的信息共享由復(fù)制技術(shù)提供，副本間的一致性由協(xié)調(diào)器協(xié)調(diào)處理，處理所需的信息在初始化時(shí)寫入?yún)f(xié)調(diào)器的組間數(shù)據(jù)字典中。當(dāng)對(duì)某子系統(tǒng)中的一份數(shù)據(jù)副本進(jìn)行修改時(shí)，該子系統(tǒng)會(huì)將修改通知協(xié)調(diào)器，由協(xié)調(diào)器對(duì)該數(shù)據(jù)的其它副本進(jìn)行修改，從而保證了所有副本的一致性。
由以上可知，子系統(tǒng)彼此并不直接接觸，而是各自都與協(xié)調(diào)器直接相聯(lián)，由協(xié)調(diào)器統(tǒng)一管理子系統(tǒng)間的通信。這樣，當(dāng)子系統(tǒng)對(duì)副本進(jìn)行修改時(shí)，不必關(guān)心相應(yīng)的子系統(tǒng)處于何種狀態(tài)，也不必等待回應(yīng)消息，以及異常處理，所有這些都由協(xié)調(diào)器進(jìn)行管理。因此，既提高了系統(tǒng)運(yùn)行的效率，也保證了子系統(tǒng)的獨(dú)立性。其體系結(jié)構(gòu)如下圖所示。
協(xié)調(diào)器主要有三大功能，首先，它對(duì)協(xié)調(diào)器和服務(wù)器進(jìn)行初始化，并將有關(guān)信息存入組間字典；其次，它管理不同子系統(tǒng)間的通信，維護(hù)副本的一致性；最后，它在子系統(tǒng)出現(xiàn)崩潰時(shí)，進(jìn)行異常管理及恢復(fù)工作。
圖1 DM3多數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)
3.主要策略
多個(gè)DM3系統(tǒng)間的信息共享是通過副本實(shí)現(xiàn)的，副本的一致性是由協(xié)調(diào)器來維持的，是一種弱一致性。通常，多數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)間的一致性是通過協(xié)調(diào)器周期性地訪問服務(wù)器的日志來完成的。由于副本的更新帶有隨機(jī)性，因此，若采用這種方法，可能數(shù)據(jù)被修改多次，但其相對(duì)應(yīng)的副本仍未被修改，這樣就損害了數(shù)據(jù)的一致性；也可能數(shù)據(jù)并未被修改，但協(xié)調(diào)器已多次訪問了服務(wù)器的日志了，這樣就降低了系統(tǒng)的效率。
所以，本系統(tǒng)采用的方法是當(dāng)數(shù)據(jù)被修改時(shí)，由服務(wù)器通知協(xié)調(diào)器有關(guān)信息，再由協(xié)調(diào)器通知相關(guān)系統(tǒng)，修改相關(guān)數(shù)據(jù)。這樣，數(shù)據(jù)的修改及時(shí)（仍然是弱一致性），而協(xié)調(diào)器也不會(huì)在數(shù)據(jù)未被修改的情況下訪問服務(wù)器，提高了準(zhǔn)確性。
為了使協(xié)調(diào)器正常工作，我們對(duì)底層數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)DM2進(jìn)行了修改。在基表控制塊TV_CTRL_BLOCK中增加一項(xiàng)IsReplication。建表時(shí)，該項(xiàng)初始化為false；當(dāng)為該表建立一個(gè)副本時(shí)，該項(xiàng)賦值為true。具體算法如下。
3.1初始化算法。
協(xié)調(diào)器：
從用戶或應(yīng)用程序接收待連接的兩個(gè)系統(tǒng)中的服務(wù)器名，需復(fù)制的表名；
分別登錄到兩個(gè)系統(tǒng)的服務(wù)器上；
向存有待復(fù)制表的服務(wù)器發(fā)預(yù)復(fù)制消息；
等待服務(wù)器消息；
若失敗，發(fā)一條失敗的消息給服務(wù)器和用戶或應(yīng)用程序，轉(zhuǎn)11）；
若成功，從消息中取出待復(fù)制表的有關(guān)信息，根據(jù)這些信息，發(fā)一條建表消息給另一個(gè)系統(tǒng)的服務(wù)器；
等待服務(wù)器消息；
若失敗，發(fā)一條失敗的消
息給服務(wù)器和用戶或應(yīng)用程序，轉(zhuǎn)11）；
若成功，調(diào)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移程序，進(jìn)行數(shù)據(jù)復(fù)制；
將有關(guān)信息寫入組間字典。
退出。
服務(wù)器：
當(dāng)服務(wù)器收到預(yù)復(fù)制消息后，將基表控制塊TV_CTRL_BLOCK中的IsReplication賦為true。同時(shí)，取出待復(fù)制表的有關(guān)信息，組成應(yīng)答消息發(fā)給協(xié)調(diào)器。
當(dāng)服務(wù)器收到失敗的消息后，將基表控制塊TV_CTRL_BLOCK中的IsReplication賦為false。
3.2維護(hù)算法。
協(xié)調(diào)器：
從組間字典讀出相關(guān)信息，根據(jù)這些信息，登錄到相應(yīng)系統(tǒng)上；
等待消息；
從某系統(tǒng)的服務(wù)器上收到一條修改消息后，通過查找組間字典，確定該消息的目的地，然后將它轉(zhuǎn)發(fā)過去；
若失敗，定時(shí)重發(fā)；
轉(zhuǎn)2）；
服務(wù)器：
1）等待消息；
2）當(dāng)收到某客戶或應(yīng)用程序的消息后，檢查它是否是修改數(shù)據(jù)的操作（如delete，update或insert等）；
若不是，轉(zhuǎn)7）；
若是，檢查基表控制塊TV_CTRL_BLOCK中的IsReplication是否為true；
若不是，轉(zhuǎn)7）；
若是，向協(xié)調(diào)器發(fā)修改消息；
繼續(xù)執(zhí)行服務(wù)器程序的其它部分。
3.3恢復(fù)算法。
若協(xié)調(diào)器所聯(lián)接的系統(tǒng)中有一個(gè)跨掉了，則對(duì)副本的修改無法及時(shí)地反映到跨掉的系統(tǒng)中來。這時(shí)，需要恢復(fù)算法來進(jìn)行處理。
協(xié)調(diào)器：
當(dāng)協(xié)調(diào)器發(fā)現(xiàn)有一個(gè)系統(tǒng)已經(jīng)崩潰后，采取以下步驟。
將與該系統(tǒng)相關(guān)的變量open賦值為false；
打開記時(shí)器；
等待消息；
若收到的消息是其它系統(tǒng)發(fā)出的修改崩潰了的系統(tǒng)上的副本的命令，則依次將這些消息存儲(chǔ)起來，轉(zhuǎn)3）；
若收到的消息是記時(shí)器發(fā)出的時(shí)間到的消息，則向崩潰的系統(tǒng)發(fā)登錄命令；
若登錄成功，將open的值改為true；
將存儲(chǔ)的消息依次發(fā)送過去，轉(zhuǎn)9）；
若登錄失敗，轉(zhuǎn)3）；
退出。
4.結(jié)論
我們?cè)谌齻�(gè)DM3數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)上，用兩個(gè)協(xié)調(diào)器進(jìn)行聯(lián)接。結(jié)果，運(yùn)行情況良好，各副本最終都能保證一致，且各副本間存在差異的時(shí)間間隔很短。另外，在出現(xiàn)異常的情況下，協(xié)調(diào)器也能正常工作。
主要參考文獻(xiàn)
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