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多數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)互聯(lián)機制的設計與實現(xiàn)
多數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)互聯(lián)機制的設計與實現(xiàn) 華中理工大學計算機學院 吳永英 李逸 李東摘要： 隨著企業(yè)規(guī)模的不斷擴大，各部門所需信息既相互交錯，又相對獨立。這就要求各部門所用的數(shù)據(jù)庫既能高度自治地工作，又能進行信息共享。本文主要介紹多DM3數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)間的信息共享機制。 不同DM3數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)間的信息共享通過協(xié)調(diào)器實現(xiàn)。所有這些被協(xié)調(diào)器連接在一起的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)組成了一個聯(lián)邦數(shù)據(jù)庫。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。
關鍵詞： DBMS 復制 聯(lián)邦數(shù)據(jù)庫
1.引言
隨著經(jīng)濟的發(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立性要求對所處理的數(shù)據(jù)進行分類，使各部門既能獨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。在這種情況下，對整個企業(yè)建立一個完全的緊密耦合的分布式數(shù)據(jù)庫是很困難的，也是沒必要的，特別是大型企業(yè)，這樣的數(shù)據(jù)庫的效率往往是很低的。
為解決這個問題，我們采用以下策略：每個部門使用一套緊密耦合的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，而在存在跨部門事務處理的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)間用一個協(xié)調(diào)器聯(lián)起來。這樣就組成了一個橫跨整個企業(yè)，各部門高度自治的聯(lián)邦數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。
DM2是由華中理工大學數(shù)據(jù)庫多媒體技術研究所研制的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。它采用客戶/服務器模型，客戶機與服務器，服務器與服務器均通過網(wǎng)絡互連，通過消息相互通訊，組成一個緊密耦合的分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。它的工作流程如下：客戶機登錄到一臺服務器上，這臺服務器便成為它的代理服務器；它接收來自客戶機的消息，然后根據(jù)全局數(shù)據(jù)字典決定是自己獨立完成該操作，還是與其它服務器協(xié)作處理這條消息，處理完成之后，再由代理服務器將處理結(jié)果返回給客戶機。
而數(shù)據(jù)字典，作為記錄數(shù)據(jù)庫所有元數(shù)據(jù)的系統(tǒng)表，它向以上過程中提供各類有用的信息，引導它們向正確的方向運行，起著“指南針”的作用。它分為局部數(shù)據(jù)字典和全局數(shù)據(jù)字典。其中，局部數(shù)據(jù)字典用于記錄一個服務器站點中數(shù)據(jù)庫的控制信息，如表的模式，視圖的模式及各個數(shù)據(jù)區(qū)的的文件名等信息。全局數(shù)據(jù)字典用于記錄分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中各個服務器站點上有關全局數(shù)據(jù)的控制信息，如服務器站點信息，各服務器站點的全局表名及表內(nèi)碼記錄，各服務器站點上的全局數(shù)據(jù)視圖名及視圖內(nèi)碼記錄，用戶名及口令記錄，用戶權限記錄等信息。各個局部數(shù)據(jù)字典可以各不相同，但為了保證在各個服務器上所看到的全局數(shù)據(jù)庫是一致的，因此，全局數(shù)據(jù)字典必須一致。我們所關心的是全局數(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)，每個全局基表名和其對應的表內(nèi)碼，該基表所在的服務器站點的編號等信息。它的功能是將各個服務器站點號與存儲在其上的表名及表內(nèi)碼聯(lián)系起來。這樣，代理服務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服務器上，以便將相關消息發(fā)給該服務器。
由于DM2上各個服務器站點的全局字典完全相同，任何全局表的信息都會記入全局字典。若用它來構建一個企業(yè)的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，則大量只對企業(yè)某部門有用的信息將會充斥在各部門所有服務器的全局字典中，增加了冗余。而且，當對全局表進行DDL操作時，為了確保全局字典的一致性，須對所有服務器的全局字典進行加鎖。DM2對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)（非實環(huán)）傳輸，某個服務器想對全局字典進行操作，必須等令牌到達該服務器才可以執(zhí)行。每個部門建立的全局表絕大多數(shù)只對本部門有用，當對這些表進行DDL操作時，卻要對所有服務器的全局字典進行封鎖，通過令牌來實現(xiàn)對全局字典的互斥訪問。假如，兩個部門都要分別對本部門的內(nèi)部表進行DDL操作，這應該是可以并行處理的操作，現(xiàn)在卻只能串行執(zhí)行。而且，當服務器數(shù)目龐大時，每個服務器等待令牌的時間將會很長。這嚴重損害了數(shù)據(jù)庫的效率。
為彌補以上不足，在DM2的改進版本DM3中增加了協(xié)調(diào)器，用以聯(lián)接各個獨立的DM3數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)，并協(xié)調(diào)各子系統(tǒng)間的各種關系，使各子系統(tǒng)既能高度自治地工作，又能進行有效的信息共享。
2.體系結(jié)構
本系統(tǒng)可看作多個數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)被協(xié)調(diào)器聯(lián)起來的，高度自治的一個聯(lián)邦數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。其中，每個子系統(tǒng)獨立處理本系統(tǒng)內(nèi)部的事務，而子系統(tǒng)間的信息共享由復制技術提供，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寫入?yún)f(xié)調(diào)器的組間數(shù)據(jù)字典中。當對某子系統(tǒng)中的一份數(shù)據(jù)副本進行修改時，該子系統(tǒng)會將修改通知協(xié)調(diào)器，由協(xié)調(diào)器對該數(shù)據(jù)的其它副本進行修改，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，當子系統(tǒng)對副本進行修改時，不必關心相應的子系統(tǒng)處于何種狀態(tài)，也不必等待回應消息，以及異常處理，所有這些都由協(xié)調(diào)器進行管理。因此，既提高了系統(tǒng)運行的效率，也保證了子系統(tǒng)的獨立性。其體系結(jié)構如下圖所示。
協(xié)調(diào)器主要有三大功能，首先，它對協(xié)調(diào)器和服務器進行初始化，并將有關信息存入組間字典；其次，它管理不同子系統(tǒng)間的通信，維護副本的一致性；最后，它在子系統(tǒng)出現(xiàn)崩潰時，進行異常管理及恢復工作。
圖1 DM3多數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)體系結(jié)構
3.主要策略
多個DM3系統(tǒng)間的信息共享是通過副本實現(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)庫系統(tǒng)間的一致性是通過協(xié)調(diào)器周期性地訪問服務器的日志來完成的。由于副本的更新帶有隨機性，因此，若采用這種方法，可能數(shù)據(jù)被修改多次，但其相對應的副本仍未被修改，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)采用的方法是當數(shù)據(jù)被修改時，由服務器通知協(xié)調(diào)器有關信息，再由協(xié)調(diào)器通知相關系統(tǒng)，修改相關數(shù)據(jù)。這樣，數(shù)據(jù)的修改及時（仍然是弱一致性），而協(xié)調(diào)器也不會在數(shù)據(jù)未被修改的情況下訪問服務器，提高了準確性。
為了使協(xié)調(diào)器正常工作，我們對底層數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)DM2進行了修改。在基表控制塊TV_CTRL_BLOCK中增加一項IsReplication。建表時，該項初始化為false；當為該表建立一個副本時，該項賦值為true。具體算法如下。
3.1初始化算法。
協(xié)調(diào)器：
從用戶或應用程序接收待連接的兩個系統(tǒng)中的服務器名，需復制的表名；
分別登錄到兩個系統(tǒng)的服務器上；
向存有待復制表的服務器發(fā)預復制消息；
等待服務器消息；
若失敗，發(fā)一條失敗的消息給服務器和用戶或應用程序，轉(zhuǎn)11）；
若成功，從消息中取出待復制表的有關信息，根據(jù)這些信息，發(fā)一條建表消息給另一個系統(tǒng)的服務器；
等待服務器消息；
若失敗，發(fā)一條失敗的消
息給服務器和用戶或應用程序，轉(zhuǎn)11）；
若成功，調(diào)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移程序，進行數(shù)據(jù)復制；
將有關信息寫入組間字典。
退出。
服務器：
當服務器收到預復制消息后，將基表控制塊TV_CTRL_BLOCK中的IsReplication賦為true。同時，取出待復制表的有關信息，組成應答消息發(fā)給協(xié)調(diào)器。
當服務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維護算法。
協(xié)調(diào)器：
從組間字典讀出相關信息，根據(jù)這些信息，登錄到相應系統(tǒng)上；
等待消息；
從某系統(tǒng)的服務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，定時重發(fā)；
轉(zhuǎn)2）；
服務器：
1）等待消息；
2）當收到某客戶或應用程序的消息后，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)行服務器程序的其它部分。
3.3恢復算法。
若協(xié)調(diào)器所聯(lián)接的系統(tǒng)中有一個跨掉了，則對副本的修改無法及時地反映到跨掉的系統(tǒng)中來。這時，需要恢復算法來進行處理。
協(xié)調(diào)器：
當協(xié)調(diào)器發(fā)現(xiàn)有一個系統(tǒng)已經(jīng)崩潰后，采取以下步驟。
將與該系統(tǒng)相關的變量open賦值為false；
打開記時器；
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起來，轉(zhuǎn)3）；
若收到的消息是記時器發(fā)出的時間到的消息，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
我們曾在三個DM3數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)上，用兩個協(xié)調(diào)器進行聯(lián)接。結(jié)果，運行情況良好，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
1.周龍驤等，分布式數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)實現(xiàn)技術，科學出版社，1998。
2.鄭振楣，于戈，郭敏，分布式數(shù)據(jù)庫，科學出版社，1998。
3.王珊等，數(shù)據(jù)倉庫技術與聯(lián)機分析處理，科學出版社，1998。
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