3.3數據庫應用系統體系結構數據庫應用系統的發展經歷了主機/終端模式、客戶機/服務器模式之后，隨著Internet的發展，又出現了瀏覽器/服務器模式，以及分布式數據庫體系結構。3.3.1簡介3.3.2客戶機/服務器結構3.3.3C/S結構的數據庫管理系統3.3.4C/S結構的數據庫系統3.3.5瀏覽器/服務器模式3.3.6分布式數據庫體系結構郭文明2003.06.053.3.1簡介早期數據庫系統是集中式的體系結構，所有訪問數據庫的應用程序以及用戶終端發送并接受數據的通信都在一個宿主計算機(UNIX大型或小型機)上運行。隨著PC機的興起,單用戶的DBMS出現,DBMS的功能和數據庫應用功能結合在一個應用程序中，數據庫應用處理用戶輸入和屏幕輸出的同時,也處理對數據庫中數據的訪問。基于PC的單用戶DBMS不支持事務處理和回退恢復,不能保證數據的安全和完整，但查詢速度并不一定慢。郭文明2003.06.053.3.1簡介基于PC的多用戶DBMS建立在文件服務器前提下，客戶端運行服務器的應用程序，文件服務器將客戶申請的文件傳送給客戶機器，數據處理過程在客戶機器上進行。這種方式網絡傳輸的是數據文件，傳輸量大，數據鎖定在解決并發時存在困難。事務處理的性質使數據庫系統從集中式、PC系統過渡到客戶機/服務器系統，并使分布式系統成為可能。客戶機/服務器系統最本質的特點在于：客戶PC運行數據庫應用(界面處理)，數據庫服務器運行全部或大部分DBMS(數據處理)。服務器運行SQL，將查詢結果傳送到客戶端，減少了網絡信息的傳輸,系統采用數據鎖定、事務技術、存儲過程等數據庫技術保證數據完整一致準確。郭文明2003.06.053.3.2客戶機/服務器結構客戶機/服務器(Clien/Server)結構可以指硬件結構,也可以指軟件結構。硬件結構指某項任務在兩臺或多臺計算機之間進行分配,客戶機來運行提供用戶接口和前端處理的應用程序,服務器提供可供客戶機使用的各種資源和服務。客戶機在完成某一項任務時，通常要利用服務器上的共享資源和服務器提供的服務。在一個客戶機/服務器體系結構中可以有多臺客戶機、多臺服務器。郭文明2003.06.053.3.2客戶機/服務器結構軟件結構指把一個應用系統按照邏輯功能分成四個組成部分:用戶界面、應用表示邏輯、事務邏輯、數據管理，按照其相對角色的不同區分為客戶端和服務器端軟件。客戶軟件能夠請求服務器軟件的服務。客戶軟件和服務器軟件可以分布在網絡中不同的計算機節點上，也可以放置在同一臺計算機上。終端數據庫應用程序用戶界面應用邏輯事務邏輯數據管理GUI3GL4GLSQLORACLEDB2郭文明2003.06.053.3.2客戶機/服務器結構常見C/S體系有兩層結構和三層結構。兩層C/S結構的基本工作方式：客戶程序運行用戶的應用程序,向數據庫服務器發送SQL請求，數據庫服務器接受客戶機的請求,并將處理結果返回客戶端。一個功能強大的客戶應用開發語言和一個多用途的用于傳送客戶請求到服務器的機構是整個兩層結構的核心。在一個數據存取事件中，數據由服務器實施存儲和訪問，數據庫引擎負責處理從客戶端發來的請求。把SQL語言從客戶機傳送到服務器上必須能識別服務的標識符或由一個應用程序接口來完成，還必須知道服務器的位置、數據組織形式以及數據如何定義。在服務器中，請求將得到存儲邏輯和處理的進一步優化，例如使用權限、完整性、并發控制等。郭文明2003.06.053.3.2客戶機/服務器結構兩層C/S結構具體又分為兩種實現方式：一種是客戶端完成界面顯示和應用邏輯，服務器完成事務邏輯和數據管理。這種情況是以客戶為中心的。這種方式下，表示部分和應用邏輯耦合緊密，比較適用于應用相對簡單、數據訪問量不大的情況。另一種以服務器為中心，一些重要的應用邏輯放在服務器上，充分利用服務器的計算能力，通常以存儲過程和觸發器出現，減少網絡壓力，提高系統性能。這種方式下，存儲程序依賴于特定數據庫，不同數據庫間的移植不太容易。郭文明2003.06.053.3.2客戶機/服務器結構把兩層結構中服務器部分和客戶端部分的應用單獨劃分出來，即形成三層C/S結構。在X/OpenDTP標準中描述了三層C/S模型：由應用程序定義各種操作來執行完成特定任務，它定義事務的范圍并把服務要求提交給事務管理器、通信管理器及一個或多個資源管理器。資源管理器提供應用程序的事務間的服務，通常是一個數據庫。事務管理器提供事務的服務。如果事務跨越多個平臺，那么其中一個的事務管理器為該事務的事務管理器。通信管理器提供通信服務的接口以及管理應用層協議。郭文明2003.06.053.3.2客戶機/服務器結構數據庫應用的三層C/S結構將應用分成表示部分、應用邏輯(或稱商業邏輯)、數據訪問部分。三層C/S結構使各部分相互獨立并單獨實現，分別稱為客戶、應用服務器和數據庫服務器。三層C/S結構中數據在發送到網絡之前由功能服務器加以過濾，網絡流量會減少，另外客戶端并不是直接同數據庫打交道，而是通過中間層的統一調用來實現，在靈活性和獨立性方面較好，適合于不同數據庫的互聯。客戶1應用服務器數據庫數據庫服務器客戶N…郭文明2003.06.053.3.2客戶機/服務器結構基于三層模型的應用系統：應用邏輯層：最普遍的處理方案是使用存儲過程和觸發器。從客戶機角度看存儲過程是一個單獨的事件，可以在服務器上執行復雜的操作，事務的完成或取消最終控制權交給用戶；使用存儲過程可避免通過網絡傳送SQL語句，也不必將數據通過網絡傳回來進行處理。數據層：定義正確的數據表和選擇合適的存儲方案，優化數據庫的性能，使數據庫快速、可靠、準確的響應用戶的請求。如建立索引，優化設置。表示層：表示層主要承擔人機界面的任務應用系統的性能優化設計是一項系統的工作,三層模型為系統的開放性擴充和性能優化提供了很大的空間和靈活性,但單純的三層結構并不一定是最優的。郭文明2003.06.053.3.3C/S結構的數據庫管理系統C/S數據庫管理系統通常通過高性能的鎖定、事務提交、參照完整性、存儲過程和觸發器等數據管理技術實現多用戶下良好的數據完整性和并發控制。C/S結構數據庫系統的分層模型應用程序數據庫API網絡/通信接口網絡/通信接口數據管理客戶管理DBMS存儲文件客戶端服務器數據/網絡協議郭文明2003.06.053.3.3C/S結構的數據庫管理系統客戶端網絡接口：是在客戶端負責客戶應用與數據庫服務器通信，將數據信息編碼或解碼,提供發送/接受的邏輯通道。網絡接口層協議的目的是為了減少網絡傳送的字節數目，它建立在基礎網絡協議(TCP/IP、IPX、SAN等)之上。編碼協議主要有兩種:通信與遠程過程調用(RemoteProcedureCall，RPC)。通信是指前端應用與DBMS之間的信息傳輸采用的報文形式，編碼協議有:TABULAR(Microsoft)、SQL*Net(Oracle)、DRDA(IBM)。遠程過程調用是一種由客戶制定而由服務器來執行的函數調用。客戶端數據管理層：用于客戶應用與服務器數據庫進行交互時所必需的登錄管理和數據庫連接以及提交語句、返回結果和處理錯誤。客戶端數據管理層實際上就是開發人員或應用程序使用的數據庫API。如DB_Library(Microsoft、Sybase)、OCI(Oracle)和SQLRuntime(IBM).郭文明2003.06.053.3.3C/S結構的數據庫管理系統服務器端的客戶管理：客戶管理程序的作用是協調客戶端的通信要求，為每個客戶聯系建立合法的數據通信渠道，為在網絡上傳送而使信息格式化，管理多種客戶請求線程。服務器端的數據管理：數據管理程序處理每個客戶的數據服務請求，驗證和解析SQL請求，優化數據操作，生成存取計劃，建立不同形式的鎖控制并發，對數據庫中數據的訪問(存取計劃)。客戶對數據庫的訪問可以理解為：服務器端正確解析客戶發出的SQL請求，并作出回應或發回出錯信息。郭文明2003.06.053.3.3C/S結構的數據庫管理系統基于不同DBMS的差異和對不同SQL語言版本的支持，客戶應用必須考慮采用何種數據庫訪問策略：選擇開發客戶應用的開發環境和選擇適當的應用程序接口(API)。所有的客戶機服務器數據庫廠商都有自己支持的程序設計工具箱，他們可以獨立建立定制的客戶應用。特定于專門數據庫的設計工具，提供了對本數據庫最完美的支持，但可能忽略對其他數據庫的全力支持，選擇第三方廠商的開發應用集成環境，是對該空隙的有力補充，他們往往注意數據庫共性的同時，通過各種技術為異質數據庫提供不同支持，如ODBC。郭文明2003.06.053.3.3C/S結構的數據庫管理系統為了使客戶應用能同時訪問多種數據庫，（既包括網絡數據庫，又包括單機數據庫），應用開發環境所采用的技術往往有兩種途徑：支持諸如ODBC這樣的公共數據庫接口API專門設計同時驅動多種安裝在客戶端的數據庫驅動程序管理層。許多應用開發集成環境同時采用這兩種途徑，以便提高產品的通用性。如Delphi的BDE（BorlandDatabaseEngine）。郭文明2003.06.053.3.4C/S結構的數據庫系統C/S系統的并發控制：C/S系統必須提供封鎖機制，事務編程要盡可能避免死鎖，并允許死鎖的發生及提供解決死鎖的方案，保證并發執行的同時維護數據的一致。封鎖機制可以由DBMS自動控制，也可以通過顯式加鎖完成。C/S系統的完整性約束：在C/S系統中，數據完整性約束是在服務器上定義，并由服務器來檢查約束，這樣能方便地實現對數據庫的完整性和一致性控制。如果由客戶機檢查約束，檢查邏輯必須包含在每一個應用程序中，既浪費又容易出錯。郭文明2003.06.053.3.4C/S結構的數據庫系統C/S系統的安全性控制：DBMS通常運行在后臺服務器上，自身已具備安全管理功能。應用程序運行在前端客戶機上，安全性問題由開發者自己設計。如何將后臺DBMS的安全機制與前端應用程序的安全機制有機結合起來，形成統一的安全保密機制。可以選擇以下幾種方案：內核級透明代理：每個數據庫應用只建立一個真正的數據庫帳號（Root），它具有對系統應用所涉及的數據庫實體進行操作的全部權限。為每一個系統操作人員分別創建一個‘應用系統帳號’，放在數據庫中的Users表中。每次應用程序在客戶端執行時，首先以Root登錄數據庫，然后執行登錄程序，與Users表結合，實現應用系統登錄。Users表中的內容需加密保存，數據的加密和解密通過應用程序完成。郭文明2003.06.053.3.4C/S結構的數據庫系統用戶授權機制：后臺服務器系統除了操作系統具有嚴格的用戶等級機制外，DBMS也具有嚴格的用戶授權管理機制。前端應用程序的安全機制與DBMS的安全機制統一起來，可以增強安全保密功能。具體做法：從功能出發將整個系統細分為若干個可分配的最小權限單元，這些權限即對數據庫中所涉及的表、視圖的增刪改查。然后運用角色或工作組的概念，結合各種系統使用人員的工作性質，為系統創建各種操作等級，并為每個等級相應地授予不同的權限。用戶等級及每種等級所對應的默認權限組合建立對照字典，管理員可以方便地增加等級或改變某一等級的默認權限。在統一管理下，既方便又可防止用戶繞過應用邏輯直接操作數據庫的可能。郭文明2003.06.053.3.4C/S結構的數據庫系統智能型日志：DBMS的日志系統是為了保障事務故障、系統故障和介質故障的恢復。智能型日志是數據庫應用系統設計的為了跟蹤系統使用情況的記錄，相當于飛機的‘黑匣子’。在系統中，智能型日志將記錄：自某用戶登錄時起，到其退出系統時止，這段時間中執行的所有操作，包括登錄失敗操作，具體內容有執行某操作的用戶名、執行操作的計算機IP地址、操作類型、操作對象、執行時間等。一旦系統發生故障或受到非授權用戶的惡意攻擊，通過查詢日志系統的記載可追溯到事件發生的所有過程。另外，日志系統還可以使系統管理員分類檢索日志內容，通過智能推理日志內容，尋找系統中可能存在的不安全因素。如對同一帳號的連續三次登錄失敗，系統自動凍結該帳號或封鎖工作站。郭文明2003.06.053.3.4C/S結構的數據庫系統備份及恢復機制：數據庫管理系統提供了事務故障、系統故障的恢復例程，介質故障的恢復要靠DBA來進行。DBMS提供的數據恢復機制并不能滿足所有的應用情形。為了防止存儲設備的異常損壞，可以采用可熱插拔的磁盤容錯陣列或雙機熱備份等技術。為了防止人為的失誤或破壞，可建立強大的數據庫觸發器以備份重要數據的更新操作，對刪除操作，將被操作的記錄全部存儲在備份庫中，對更新操作，可以備份執行過的SQL語句等等。保證在任何情況下，重要數據均能有效地得到恢復。只有將系統日志與備份數據有機地結合在一起，才能實現系統安全的‘萬無一失’。郭文明2003.06.053.3.5瀏覽器/服務器模式隨著Internet和Web技術的發展,大量的商業活動在Internet展開。在典型的C/S體系中,為Internet中的每一個用戶安裝一前端應用程序已不再現實，在自己的Web站點上同時保存某一應用程序的多個特定平臺的版本也不可行。客戶端安裝某種具有一定‘翻譯’功能的統一的構件，充當用戶與Internet之間的一個接口，同時是大部分應用程序運行的主要環境外殼，這一構件即瀏覽器。對于瀏覽器而言,程序和數據的具體位置并不重要，只需知道它們的URL(通用資源定位符)。郭文明2003.06.053.3.5瀏覽器/服務器模式基于瀏覽器/服務器計算模式的系統應運而生，它繼承了C/S模式的優點，十分容易地實現了不同網絡間的連接。目前應用廣泛的瀏覽器/服務器計算模式主要是瀏覽器以超文本的形式向Web服務器提出訪問數據庫的請求，Web服務器接到客戶請求后，激活對應的CGI程序將超文本HTML語言轉化為SQL語法，將這個請求交給數據庫，數據庫服務器得到請求后，驗證其合法性，并進行數據處理，然后將處理結果集返回CGI程序。CGI再將結果集轉化為HTML，并由Web服務器轉發給請求方的瀏覽器。郭文明2003.06.053.3.5瀏覽器/服務器模式在瀏覽器/服務器模式中,客戶端的標準配置是瀏覽器,業務處理功能處理從C/S代碼中分離出來,由獨立的應用服務器處理,Web服務器成為應用處理的標準配置,數據處理仍然由數據庫服務器處理.瀏覽器/服務器模式是三層分布結構,即瀏覽器-Web服務器-數據庫服務器.Web瀏覽器Web瀏覽器Web瀏覽器Web服務器數據庫應用文件系統數據庫應用數據庫服務器數據庫服務器數據庫服務器客戶層Web服務層數據庫層郭文明2003.06.053.3.5瀏覽器/服務器模式瀏覽器/服務器的三種工作方式:簡單式：Web瀏覽器需要一個HTML頁面時就提交一個URL地址到Web服務器，Web服務器從Internet上檢索到所需的本地或遠程的網頁,并將頁面返回到瀏覽器。也可使用JavaApplet、ActiveX和JavaBean來加強表達。該模型只限于使用HTTP協議進行通信。交互式：在打開與服務器連接及傳輸數據以前，HTML獲取用戶輸入的表單、文本域、按鈕，通過這些內容取得與用戶的交互。HTTP服務器將輸入信息傳遞服務器程序或某個腳本進行處理，Web服務器再從DBMS服務器中檢索數據，然后返回瀏覽器，最后中斷瀏覽器和服務器連接。該模型已經是三層結構，但每一個瀏覽器和服務器間的通信都要建立一個連接，造價昂貴。郭文明2003.06.053.3.5瀏覽器/服務器模式分布式：客戶程序是由可下載的Java編寫，當HTTP服務器將含有Java小應用程序(JavaApplet)的頁面下載到瀏覽器時，小應用程序在瀏覽器中運行并通過構件與傳輸服務器上的小服務程序(Servlet)通信會話，小服務程序收到信息后，經過JDBC、ODBC或本地方法向數據庫服務器發出請求，數據庫服務器接到命令后，再將結果傳給Servlet,最后送至瀏覽器。這種方式引入了分布式計算構件概念，使得函數也可以在網絡上傳遞。這樣，在網絡環境下，不同電腦、不同操作系統之間的應用程序就可以彼此溝通，達到“平臺無關”。該模型已不再局限于Web服務器和HTTP協議，還有DCOM，CORBA協議等。瀏覽器/服務器模式引發了另外一個專門的技術領域Web數據庫。郭文明2003.06.053.3.6分布式數據庫體系結構DB1DB1DB1計算機1計算機1計算機1通訊網絡北京重慶上海銀行系統背景：數據庫系統+計算機網絡郭文明2003.06.053.3.6分布式數據庫體系結構基本特性分布性：數據存儲在不同場地上。與集中式數據庫不同。邏輯整體性：數據邏輯上是相互聯系的一個整體。與分散在計算機網絡不同站點上的一組沒有相互聯系的本地數據庫區別開來。定義DDBS(DistributedDataBase)是一個數據集合，這些數據，分布在計算機網絡的不同計算機上，網絡中每個結點具有獨立處理的能力，可以執行局部應用，同時每個結點也能通過網絡通訊支持全局應用。

分布式數據庫強調場地自治性（局部應用）以及自治場地之間的協作性（全局應用）。 “在自治的結點之間協同工作”郭文明2003.06.053.3.6分布式數據庫體系結構體系結構G-概念模式：定義DDBS中數據的整體邏輯結構，數據如同沒有分布一樣。分片模式：每一個關系可以分為若干互不相交的部分，每一部分稱為一個片段。分布模式：定義片段的存放地點。G-外模式G-外模式G-概念模式分片模式分布模式L-概念模式L-概念模式L-內模式L-內模式L-DBL-DB郭文明2003.06.053.3.6分布式數據庫體系結構數據在分布式數據庫的存儲途徑復制 系統維護關系的幾個完全相同的副本，這些副本存儲在不同的結點上。分片 關系被劃分為幾個片段，各個片段存儲在不同的結點上。分片方式水平分片：將關系r按行分為若干子集r1，r2，…，rn，每個子集ri稱為一個水平片段。一個水平片段可以看成是關系上的一個選擇。垂直分片：將關系r按列分為若干屬性子集r1，r2，…，rn，每個子集ri稱為一個垂直片段。一個垂直片段可以看成是關系上的一個投影。郭文明2003.06.053.3.6分布式數據庫體系結構導出分片：導出水平分片，分片的條件不是關系本身屬性條件，而是其它關系的屬性條件。混合分片：關系按某種方式分片后，得到的片段再按另一種方式繼續分片。復制+分片 關系被劃分為幾個片段，系統為每個片段維護幾個副本。數據項的命名每個數據項（關系、副本、片段）必須有唯一的名字，在分布式數據庫系統中必須保證在不同的結點上不會用同一個名字來代表不同的數據項。郭文明2003.06.053.3.6分布式數據庫體系結構分布（網絡）透明性分片透明性：用戶或應用程序只對全局關系進行操作而不必考慮關系的分片。如果分片模式改變了，通過調整全局模式與分片模式之間的映象關系來保持全局模式不變。位置透明性：用戶或應用程序不必了解片段的存儲位置。局部數據模型透明性：用戶或應用程序不必了解局部場地上使用的是哪種數據模型。分布式數據庫系統(DDBS)的組成:全局用戶、局部用戶；全局數據庫(GDB)、局部數據庫(LDB)；全局數據庫管理系統(GDBMS)、局部數據庫管理系統(LDBMS)；全局數據分配(GDD)、局部數據分配(LDD)。郭文明2003.06.053.4中間件在分布式計算環境中，有兩層的C/S模式、三層的C/S模式、三層的B/S模式以及多層的計算模式，不同層次之間需要相互通信。在兩層系統中，關系數據庫開發商提供一些專用庫和驅動程序來訪問數據庫。由這些專用程序對不同網絡協議進行抽象，在寫客戶應用程序時無需考慮數據庫的實際位置，客戶層應用程序可以鏈接適當的動態或靜態庫與數據層進行通信，這些動態或靜態庫保證了請求和數據格式的一致、訪問優化、分布式服務管理，稱為中間件(如ODBC)。郭文明2003.06.053.4中間件多層系統中需要更復雜的關系實現跨網絡、跨層次的通信，客戶應用程序需要一種通信模型，來協調應用程序的不同平臺。當這種模型實現后，就出現了為這樣的客戶應用程序提供中間件基礎的標準。多層系統中中間件是建立在一種通信模型基礎之上。中間件定義：中間件(Middleware)是分布式環境中保證操作系統、通信協議、數據庫之間進行對話、互操作的軟件系統。在C/S環境中，中間件同時存在于客戶端和服務器端，負責客戶和服務器間的請求和回答。在分布式環境中，中間件允許不同服務器之間相互通信。郭文明2003.06.053.4中間件中間件作用：保證網絡中各部件之間透明地連接，即隱藏網絡部件的異構性，保證不同網絡、不同DBMS和某些訪問語言的透明性。網絡透明性：能支持所有類型網絡。服務器透明性：不管服務器的DBMS是何種型號，一個好的中間件都能通過SQL語言連接起來。語言透明性：客戶機可用任何語言進行請求和接受回答，并保證數據類型的相互轉換。郭文明2003.06.053.4中間件由于用途不同，存在不同種類的中間件，主要有數據訪問中間件、遠程過程調用中間件、分布式事務處理中間件、對象調用以及面向消息的中間件等。不同種類的中間件基于不同的通信模型。為了滿足不同客戶實現（編程語言）的需要，中間件技術在近10年中得到極大發展。第一個獲得廣泛認可的中間件技術是遠程調用中間件(RPC)。使用遠程過程調用，客戶可以在遠程計算機上執行C語言函數。對于遠程過程調用體系結構來說，ONCRPC(OpenNetworkComputingRPC)和DCE(OpenGroup’sDistributedCoputingEnvironment)是主流標準。郭文明2003.06.053.4中間件隨著面向對象語言的流行，分布式中間件也朝面向對象方向發展，OMG(對象管理組織)提出了CORBA(CommonObjectRequestBrokerArchitecture)，微軟提出了COM(ComponentObjectModel)，都是規范分布式對象體系結構的嘗試。許多開發商推出了基于這些規范的中間件。

IBM早在20世紀90年代初就提出了系統對象模型SOM(SystemObjectModel)。為了避開與微軟競爭，IBM也轉向了CORBA。郭文明2003.06.053.4中間件ODBC(OpenDatabaseConnect)它是由Microsoft公司于1991年提出的一個用于訪問數據庫的統一界面標準，是應用程序和數據庫系統之間的中間件。它通過使用相應應用平臺上和所需數據庫對應的驅動程序與應用程序的交互來實現對數據庫的操作，避免了在應用程序中直接調用與數據庫相關的操作，從而提供了數據庫的獨立性。

傳統的數據庫編程方式是‘主語言+DML’。由于各廠商的SQL版本不同，不同廠商的DBMS在客戶機與服務器之間使用的通信協議不同，使得特定的前端應用不能訪問不同的數據庫。因此有必要建立一個公共的、與數據庫無關的應用程序設計接口(ApplicationProgrammingInterface,API)。最先推出的