多數據庫系統互聯(lián)機制的設計與實(shí)現

多數據庫系統互聯(lián)機制的設計與實(shí)現

華中理工大學(xué)計算機學(xué)院 吳永英 李逸 李東

摘要： 隨著(zhù)企業(yè)規模的不斷擴大，各部門(mén)所需信息既相互交錯，又相對獨立。這就要求各部門(mén)所用的數據庫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數據庫系統間的信息共享機制。 不同DM3數據庫系統間的信息共享通過(guò)協(xié)調器實(shí)現。所有這些被協(xié)調器連接在一起的數據庫系統組成了一個(gè)聯(lián)邦數據庫。這樣既能較好地滿(mǎn)足企業(yè)的需要，也能在保證效率的前提下，提高數據的可用性。

關(guān)鍵詞： DBMS 復制 聯(lián)邦數據庫

1.引言

隨著(zhù)經(jīng)濟的發(fā)展，企業(yè)的規模越來(lái)越大，其積累的信息也越來(lái)越多。存在著(zhù)各部門(mén)所處理的信息多數只對本部門(mén)有效，僅有少數信息需給其它某些部門(mén)共享的問(wèn)題。這種信息的分布性和獨立性要求對所處理的數據進(jìn)行分類(lèi)，使各部門(mén)既能獨立地處理本部門(mén)大多數數據，也使部門(mén)間能協(xié)調處理跨部門(mén)的事務(wù)。在這種情況下，對整個(gè)企業(yè)建立一個(gè)完全的緊密耦合的分布式數據庫是很困難的，也是沒(méi)必要的，特別是大型企業(yè)，這樣的數據庫的效率往往是很低的。

為解決這個(gè)問(wèn)題，我們采用以下策略：每個(gè)部門(mén)使用一套緊密耦合的數據庫系統，而在存在跨部門(mén)事務(wù)處理的數據庫系統間用一個(gè)協(xié)調器聯(lián)起來(lái)。這樣就組成了一個(gè)橫跨整個(gè)企業(yè)，各部門(mén)高度自治的聯(lián)邦數據庫系統。

DM2是由華中理工大學(xué)數據庫多媒體技術(shù)研究所研制的數據庫管理系統。它采用客戶(hù)/服務(wù)器模型，客戶(hù)機與服務(wù)器，服務(wù)器與服務(wù)器均通過(guò)網(wǎng)絡(luò )互連，通過(guò)消息相互通訊，組成一個(gè)緊密耦合的分布式數據庫系統。它的工作流程如下：客戶(hù)機登錄到一臺服務(wù)器上，這臺服務(wù)器便成為它的代理服務(wù)器；它接收來(lái)自客戶(hù)機的消息，然后根據全局數據字典決定是自己獨立完成該操作，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)器將處理結果返回給客戶(hù)機。

而數據字典，作為記錄數據庫所有元數據的系統表，它向以上過(guò)程中提供各類(lèi)有用的信息，引導它們向正確的方向運行，起著(zhù)“指南針”的作用。它分為局部數據字典和全局數據字典。其中，局部數據字典用于記錄一個(gè)服務(wù)器站點(diǎn)中數據庫的控制信息，如表的模式，視圖的模式及各個(gè)數據區的的文件名等信息。全局數據字典用于記錄分布式數據庫系統中各個(gè)服務(wù)器站點(diǎn)上有關(guān)全局數據的控制信息，如服務(wù)器站點(diǎn)信息，各服務(wù)器站點(diǎn)的全局表名及表內碼記錄，各服務(wù)器站點(diǎn)上的全局數據視圖名及視圖內碼記錄，用戶(hù)名及口令記錄，用戶(hù)權限記錄等信息。各個(gè)局部數據字典可以各不相同，但為了保證在各個(gè)服務(wù)器上所看到的全局數據庫是一致的，因此，全局數據字典必須一致。我們所關(guān)心的是全局數據字典中的基表控制塊TV_CTRL_BLOCK，它的內容主要包括：全局基表總數，每個(gè)全局基表名和其對應的表內碼，該基表所在的服務(wù)器站點(diǎn)的編號等信息。它的功能是將各個(gè)服務(wù)器站點(diǎn)號與存儲在其上的表名及表內碼聯(lián)系起來(lái)。這樣，代理服務(wù)器從客戶(hù)消息中找到被處理的表名，然后通過(guò)查詢(xún)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(lái)構建一個(gè)企業(yè)的數據庫系統，則大量只對企業(yè)某部門(mén)有用的信息將會(huì )充斥在各部門(mén)所有服務(wù)器的全局字典中，增加了冗余。而且，當對全局表進(jìn)行DDL操作時(shí)，為了確保全局字典的一致性，須對所有服務(wù)器的全局字典進(jìn)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(shí)環(huán)）傳輸，某個(gè)服務(wù)器想對全局字典進(jìn)行操作，必須等令牌到達該服務(wù)器才可以執行。每個(gè)部門(mén)建立的全局表絕大多數只對本部門(mén)有用，當對這些表進(jìn)行DDL操作時(shí)，卻要對所有服務(wù)器的全局字典進(jìn)行封鎖，通過(guò)令牌來(lái)實(shí)現對全局字典的互斥訪(fǎng)問(wèn)。假如，兩個(gè)部門(mén)都要分別對本部門(mén)的內部表進(jìn)行DDL操作，這應該是可以并行處理的操作，現在卻只能串行執行。而且，當服務(wù)器數目龐大時(shí)，每個(gè)服務(wù)器等待令牌的時(shí)間將會(huì )很長(cháng)。這嚴重損害了數據庫的效率。

為彌補以上不足，在DM2的改進(jìn)版本DM3中增加了協(xié)調器，用以聯(lián)接各個(gè)獨立的DM3數據庫子系統，并協(xié)調各子系統間的各種關(guān)系，使各子系統既能高度自治地工作，又能進(jìn)行有效的信息共享。

2.體系結構

本系統可看作多個(gè)數據庫子系統被協(xié)調器聯(lián)起來(lái)的，高度自治的一個(gè)聯(lián)邦數據庫系統。其中，每個(gè)子系統獨立處理本系統內部的事務(wù)，而子系統間的信息共享由復制技術(shù)提供，副本間的一致性由協(xié)調器協(xié)調處理，處理所需的信息在初始化時(shí)寫(xiě)入協(xié)調器的組間數據字典中。當對某子系統中的一份數據副本進(jìn)行修改時(shí)，該子系統會(huì )將修改通知協(xié)調器，由協(xié)調器對該數據的其它副本進(jìn)行修改，從而保證了所有副本的一致性。

由以上可知，子系統彼此并不直接接觸，而是各自都與協(xié)調器直接相聯(lián)，由協(xié)調器統一管理子系統間的通信。這樣，當子系統對副本進(jìn)行修改時(shí)，不必關(guān)心相應的子系統處于何種狀態(tài)，也不必等待回應消息，以及異常處理，所有這些都由協(xié)調器進(jìn)行管理。因此，既提高了系統運行的效率，也保證了子系統的獨立性。其體系結構如下圖所示。

協(xié)調器主要有三大功能，首先，它對協(xié)調器和服務(wù)器進(jìn)行初始化，并將有關(guān)信息存入組間字典；其次，它管理不同子系統間的通信，維護副本的一致性；最后，它在子系統出現崩潰時(shí)，進(jìn)行異常管理及恢復工作。

圖1 DM3多數據庫系統體系結構

3.主要策略

多個(gè)DM3系統間的信息共享是通過(guò)副本實(shí)現的，副本的一致性是由協(xié)調器來(lái)維持的，是一種弱一致性。通常，多數據庫系統間的一致性是通過(guò)協(xié)調器周期性地訪(fǎng)問(wèn)服務(wù)器的日志來(lái)完成的。由于副本的更新帶有隨機性，因此，若采用這種方法，可能數據被修改多次，但其相對應的副本仍未被修改，這樣就損害了數據的一致性；也可能數據并未被修改，但協(xié)調器已多次訪(fǎng)問(wèn)了服務(wù)器的日志了，這樣就降低了系統的效率。

所以，本系統采用的方法是當數據被修改時(shí)，由服務(wù)器通知協(xié)調器有關(guān)信息，再由協(xié)調器通知相關(guān)系統，修改相關(guān)數據。這樣，數據的修改及時(shí)（仍然是弱一致性），而協(xié)調器也不會(huì )在數據未被修改的情況下訪(fǎng)問(wèn)服務(wù)器，提高了準確性。

為了使協(xié)調器正常工作，我們對底層數據庫管理系統DM2進(jìn)行了修改。在基表控制塊TV_CTRL_BLOCK中增加一項IsReplication。建表時(shí)，該項初始化為false；當為該表建立一個(gè)副本時(shí)，該項賦值為true。具體算法如下。

3.1初始化算法。

協(xié)調器：

從用戶(hù)或應用程序接收待連接的兩個(gè)系統中的服務(wù)器名，需復制的表名；
分別登錄到兩個(gè)系統的服務(wù)器上；
向存有待復制表的服務(wù)器發(fā)預復制消息；
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(hù)或應用程序，轉11）；
若成功，從消息中取出待復制表的有關(guān)信息，根據這些信息，發(fā)一條建表消息給另一個(gè)系統的服務(wù)器；
等待服務(wù)器消息；
若失敗，發(fā)一條失敗的消息

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