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  • 数据库系统的体系结构

    千次阅读 2018-04-03 16:47:23
    数据库系统的体系结构受所运行的计算机系统的影响很大,尤其受计算机体系结构中的联网、并行和分布等因素的影响。计算机联网可以使某些任务在服务器系统上执行,而另一些任务在客户机系统上执行。这种工作任务的划分...

    数据库系统的体系结构受所运行的计算机系统的影响很大,尤其受计算机体系结构中的联网、并行和分布等因素的影响。

    计算机联网可以使某些任务在服务器系统上执行,而另一些任务在客户机系统上执行。这种工作任务的划分导致了客户/服务器结构数据库系统的产生。

    在一个组织机构的多个节点或部门间对数据进行分布,可以使数据存放在最需要它们的地方,同时仍能够被其他节点或其他部门访问。分布式数据库系统用于处理地理上或管理上分布在多个数据库系统的数据。

    计算机系统中的并行处理能够加速数据库系统的运行,对事务做出更快速的响应,并且在单位时间内处理更多的事务。查询能够以一种充分利用计算机系统所系统提供的并行性的方式来处理。并行查询处理的需求导致了并行数据库的产生。

    下面从传统的集中式系统开始,分别介绍客户/服务器结构的数据库系统、分布式结构的数据库系统和并行数据库系统。


    1集中式系统

    现代通用的计算机系统包括一个或多个CPU及若干个设备控制器,它们通过公共总线连接在一起,但却提供对共享内存的访问。

    数据库系统按计算机使用方式,可分为单用户系统和多用户系统两类。

    在单用户系统中,通常只有一个CPU和一至两个键盘,整个数据库系统包括应用程序、DBMS和数据,它们都安装在一台计算机上,由一个用户独占,不同计算机之间不能共享数据。这属于早期的最简单的数据库系统。

    多用户系统有更多的硬盘和更多的存储器,可能有多个CPU,并且有一个多用户操作系统。


    2客户/服务器结构的数据库系统

    由于个人计算机的速度更快、功能更强、价格更低,因此集中式体系结构终端发生了变化。连接到集中式系统的被个人计算机代替。以前由集中式系统直接执行的用户界面功能也越来越多地由个人计算机来处理。此时,集中式系统起服务器系统的作用,能满足客户机系统产生的请求。

    客户/服务器结构的数据库系统将DBMS的功能和应用区分开了,它在网络中的某个计算机上专门执行DBMS功能,这样的计算机称为数据库服务器。其他节点上计算机安装DBMS的外围应用开发工具,支持用户的应用,这些计算机称为客户机。

    3分布式结构的数据库系统

    在分布式结构的数据库系统中,数据库的数据存储在几台计算机中,分布式系统中的计算机之间通过网络或电话线等各种通讯媒介互相通讯。分布式计算机系统规模可大可小,小到工作站,大到大型机系统。

    分布式结构的数据库系统是指数据库中的数据在逻辑上是一整体个,但是在物理上是分布在不同网络的计算机节点上。

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    所谓分布式,是指数据不是存放在同一位置,而是分布在网络上各节点上的方式,所以它是计算机网络发展的必然产物。计算机网络中的每个节点都可以独立处理本地数据库中的数据,执行局部应用,也可以同时存取和处理多个异地数据库中的数据,执行全局应用。


    该系统主要用于处理地理上或管理上分布在多个数据库中的数据。相比主从式结构的数据库系统它的可靠性更高,因为一个节点的故障并不整个正常运行。

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    4并行数据库系统

    并行数据库系统由通过高速互联网络连接在一起的多台处理器和多个磁盘构成。并行系统通过并行地使用多个CPU和磁盘来提高处理速度和I/O速度。并行计算机正变得越来越普及,也使并行数据库系统的研究变得越来越重要。有些应用需要每秒钟处理大数量的事务,这样的需求推动了并行数据库系统的发展。

    并行数据库体系结构包括共享内存、共享磁盘、无共享和层次的体系结构。这些体系结构的可扩展性和通信速度各有所长

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  • 数据库:数据库系统的体系结构

    千次阅读 2019-09-03 09:12:24
    数据库系统的体系结构 数据库的体系结构分为三级模式和两级映像。 数据库的三级模式结构是数据的3个抽象级别,它把数据的具体组织留给DBMS去处理,用户只要抽象地处理数据,而不必担心数据在计算机中的表示和存储,...

    数据库系统(Data Base System, DBS)是指在计算机系统中引入数据库后的系统,它是由计算机硬件、数据库、数据库管理系统(及其开发工具)、数据库应用系统、数据库用户构成。

    数据库系统的体系结构

    数据库的体系结构分为三级模式和两级映像。

    数据库的三级模式结构是数据的3个抽象级别,它把数据的具体组织留给DBMS去处理,用户只要抽象地处理数据,而不必担心数据在计算机中的表示和存储,这样就减轻了用户使用系统的负担。为了实现这3个抽象级别的联系和转换,DBMS在三级结构之间提供了两级映像(Mapping):外模式/模式映像、模式/内模式映像。正是这两个映像保证了数据库系统中的数据能够具有较高的逻辑独立性和物理独立性。

    三级模式

    模式(Schema)也称概念模式(Conceptual Schema),是对数据库中全部数据的逻辑结构和特征的描述,是所有用户的公共数据视图。它是数据库系统模式结构的中间层,既不涉及数据的物理存储细节和硬件环境,也不涉及具体的应用程序及使用的应用开发工具和高级程序设计语言。模式实际上是数据库数据在概念级上的视图,一个数据库只有一个模式。定义模式时不仅要定义数据的逻辑结构,而且要定义数据项之间的联系、不同记录之间的联系,以及与数据有关的完整性、安全性等要求。完整性是指数据的正确性、有效性和相容性,安全性主要是指保密性。数据库管理系统提供模式描述语言(Schema Data Definition Language, SDDL)来定义模式。

    外模式(External Schema)也称子模式(Subschema),它是对数据库用户能够看见和使用的局部数据的逻辑结构和特征的描述,即个别用户设计的数据的逻辑结构。外模式通常是模式的子集,一个数据库可以有多个外模式。外模式是保证数据库安全性的一个有效措施,每个用户只能看见或访问对应的外模式中的数据,数据库中的其余数据是不可见的。数据库管理系统提供外模式描述语言(外模式DDL)来定义外模式。

    内模式(Internal Schema)也称存储模式(Storage Schema),一个数据库只有一个内模式。内模式是对数据物理结构和存储方式的描述,是数据在数据库内部的表示方式。内模式的设计目标是将系统的模式组织成最优的物理模式,以提高数据的存取效率,改善系统的性能指标。数据库管理系统提供内模式描述语言(内模式DDL)来定义内模式。

    二级映像

    外模式/模式映像:模式描述的是数据的全局逻辑结构,外模式描述的是数据的局部逻辑结构,同一个模式可以有任意多个外模式。对于每个外模式,数据库系统都有一个外模式/模式映像,它定义了该外模式与模式之间的对应关系。这些映像定义通常包含在各自外模式的描述中。

    模式/内模式映像:是唯一的,它定义了数据库全局逻辑结构与存储结构之间的对应关系。该映像定义通常包含在模式描述中。

    两级数据独立性

    数据独立性(Data Independence)是指应用程序和数据库的数据结构之间相互独立,不受影响。

    • 逻辑数据独立性。当模式改变时,由数据库管理员对各个外模式/模式影响做相应改变,可以使外模式保持不变。应用程序是依据数据的外模式编写的,因而应用程序不必修改,保证了数据与程序的逻辑独立性。

    • 物理数据独立性。当数据库的存储结构改变了,由数据库管理员对模式/内模式映像做相应改变,可以保证模式保持不变,因而应用程序也不必修改,保证了数据与程序的物理独立性。

    特定的应用程序是在外模式描述的数据结构上编制的,它依赖于特定的外模式,与数据库的模式和存储结构相独立。不同的应用程序可以共用同一外模式。数据库的两级映像保证了数据库外模式的稳定性,从而从底层保证了应用程序的稳定性,除非应用需求本身发生变化,否则应用程序一般不需要修改。

    (最近更新:2019年09月03日)

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    本文内容参考书籍:《数据库系统概论》

    1. 1数据管理

    数据管理指的是如何对数据进行分类、组织、储存、检索及维护。要注意,这里所说的数据,不仅是指数字,还包括文字、图形、图像、声音等凡是计算机中用来描述事物的记录,统称为数据这里我不由想起我童年的游戏洛克王国了,研究好久了,关于数据的存储,以及为何反应这么…慢

    随着计算机软硬件的发展,数据管理技术不断地完善,经历了如下三个阶段:
    (1)人工管理阶段;
    (2)文件系统阶段;
    (3)数据库系统阶段。

    1.2 数据库系统的体系结构

    1.2.1三层模式结构

    数据库系统的体系结构从不同的角度可有不同的划分方式。从数据库管理系统的角度
    可分为三层,从外到内依次为外模式模式内模式

    数据库的三层结构是数据的三个抽象级别,用户只要抽象地处理数据,而不必关心数据,在计算机中如何表示和存储。为了实现三个抽象级别的联系和转换,数据库管理系统在三层结构之间提供了两层映 像:外模式/模式映像和模式/内模式映像。
    下面分别介绍三层模式结构和两层映像功能。

    1.外模式
    外模式(external schema)又称为用户模式,是数据库用户和数据库系统的接口,是数据库用户的数据视图(view),是数据库用户可以看见和使用的局部数据的逻辑结构和特征的描述,是与某应用有关的数据的逻辑表示。
    但是值得注意的是:
    一个数据库通常都有多个外模式。当不同用户在应用需求、保密级别等方面存在差异时,其外模式描述就会有所不同。一个应用程序只能使用-一个外模式,但同一外模式可为多个应用程序所使用。外模式是保证数据库安全的重要措施。每个用户只能看见和访问所对应的外模式中的数据,而数据库中的其他数据均不可见。

    2.模式
    模式(schema)又可细分为概念模式(conceptual schema)和逻辑模式(logical schema),
    是所有数据库用户的公共数据视图,是数据库中全部数据的逻辑结构和特征的描述。
    -一个数据库只有一个模式。其中概念模式可用实体-联系模型来描述,逻辑模式以某种
    数据模型(比如关系模型)为基础,综合考虑所有用户的需求,并将其形成全局逻辑结构。模
    式不但要描述数据的逻辑结构,比如数据记录的组成,各数据项的名称、类型、取值范围,而且要描述数据之间的联系、数据的完整性、安全性要求。

    3.内模式
    内模式(internal schema)又称为存储模式(storage schema),是数据库物理结构和存储方式的描述,是数据在数据库内部的表示方式。
    一个数据库只有一一个内模式。内模式描述记录的存储方式、索引的组织方式、数据是否压缩、是否加密等。但内模式并不涉及物理记录,也不涉及硬件设备,比如,对硬盘的读写操作是由操作系统(其中的文件系统)来完成的。
    在三层模式结构中,数据库模式是数据库的核心与关键,外模式通常是模式的子集数据按外模式的描述提供给用户,按内模式的描述存储在硬盘上,而模式介于外、内模式之间,
    既不涉及外部的访问,也不涉及内部的存储,从而起到隔离作用,有利于保持数据的独立性。
    内模式依赖于全局逻辑结构,但可以独立于具体的存储设备。

    1.2.2两层映像功能

    所谓映像(mapping)就是一种对应规则,说明映像双方如何进行转换。
    1.外模式/模式映像
    通过外模式与模式之间的映像把描述局部逻辑结构的外模式与描述全局逻辑结构的模式联系起来。由于一一个模式与多个外模式对应,因此,对于每个外模式都有一个外模式/模式映像用于描述该外模式与模式之间的对应关系。外模式/模式映像通常放在外模式中描述。
    有了外模式/模式映像,当模式改变时,比如增加新的属性、修改属性的类型,只要对外模式/模式映像做相应的改变,使外模式保持不变,则以外模式为依据的应用程序就不受影
    响,从而保证了数据与程序之间的逻辑独立性,也就是数据的逻辑独立性。
    2.模式/内模式映像
    通过模式与内模式之间的映像把描述全局逻辑结构的模式与描述物理结构的内模式联系起来。由于数据库只有一个模式,也只有一个内模式,因此,模式/内模式映像也只有一个,通常就放在内模式中描述。

    有了模式/内模式映像,当内模式改变时,比如存储设备或存储方式有所改变,只要对模式/内模式映像做相应的改变,使模式保持不变,则应用程序就不受影响,从而保证了数据与程序之间的物理独立性,也就是数据的物理独立性
    从上面的介绍可以看出,由于有两层映像,在内模式发生变化,甚至模式发生变化时,都可以使外模式在最大限度上保持不变。由于应用程序是在外模式所描述的数据结构的基础上编写的,外模式的稳定性就保证了应用程序的稳定性。而这正是数据库结构采用三层模式、两层映像为系统提供了高度的数据独立性所得到的结果。

    数据库的层模式结构:
    在这里插入图片描述

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    分时系统环境下的集中式数据库系统结构诞生于20世纪60年代中期。当时的硬件和操作系统决定了分时系统环境下的集中式数据库系统构成早期的数据库技术的首选结构。数据和数据管理都是集中的,数据库系统的所有系统,从形式的用户到DBMS核心都集中在DBMS所在的计算机上。

    2、客户端/服务器体系结构

    网络技术的高速发展,使现在的软件大多数采用客户端/服务器体系结构。

    特点:客户端负责数据表示服务;服务器负责数据库服务。数据库系统功能分为前端和后端。

    前端:主要包括图形用户界面、表格生成和报表处理等工具。

    后端:负责存取结构、查询计算机和优化、并发控制以及故障恢复等。

    前端和后端通过SQL或应用程序来通信。

    ODBC(开放式数据库互联)和JDBC(Java程序数据库连接)标准定义了应用程序和数据库服务通信方式和定义了应用程序接口,应用程序用它来打开与数据库的连接、发送查询、更新等命令。数据库服务器一般分为事务服务器、数据库服务器。

    2.1 事务服务器

    也称为查询服务器。它提供一个接口,使得客户端可以发出执行一个动作的请求,服务器响应客户端的请求,然后将结果返回给客户端。客户端可以用SQL或应用程序或使用远程调用机制来表达请求。

    事务服务器系统包括多个在共享内存中访问数据的进程,包括服务器进程、锁管理进程、写进程、监视进程、检查点进程。

    2.2 数据服务器

    数据服务器使得客户端可以与服务器交互,以文件或页面为单位对数据进行读取或更新。

    3、并行数据库系统

    并行体系结构的数据库系统多个物理上连在一起的CPU。并行体系结构的数据库类型:共享内存式多处理器、无共享式并行体系结构。

    3.1 共享内存式多处理器

    主要是指一台计算机同时有多个活动的CPU,共享单个内存和一个公共磁盘接口。这种并行体系结构最接近于传统的单CPU处理器结构。

    3.2 无共享式并行体系结构

    指一台计算机上同时有多个活动的CPU,并且它们都有自己的内存和磁盘。各个承担数据库服务责任的CPU划分它们自身的数据,通过划分任务以及通过每秒兆位级的高速网络通信完成事务查询。

    4、分布式数据库系统

    分布式数据库系统包括物理上分布、逻辑上集中的分布式结构和物理上分布、逻辑上分布的分布式数据库结构两种。

    物理上分布、逻辑上集中的分布式结构:把单位的数据模式按数据来源和用途,合理分布在系统上的多个节点。使大部分数据可以就近存取。数据在物理上分布后,由系统统一管理。

    物理上分布、逻辑上分布的分布式数据库结构:由本节点的数据模式、共享其他节点上有关的数据模式。这种数据结构有利于数据库的集中、扩展、重新配置。

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  • 分布式数据库系统体系结构

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  • 很完整详细分布式数据库系统体系结构,教材参考沈德荣书,对象是本科生高年级学生。
  • 资源是关于数据库系统的概念和体系结构的课件 ,文档为PPT。
  • 数据库系统概念学习03-体系结构

    千次阅读 2016-04-05 08:40:08
    数据库系统的体系结构是一个总的框架。按考虑的层次和角度的不同而不同,一般有如下两种 1-数据库系统内部的体系结构:它是指从数据库管理系统的角度看,数据库系统通常采用外模式、模式、内模式三级模式结构 通常...
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空空如也

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