数据库系统架构与并行数据库技术解析

### 数据库系统架构与并行数据库技术解析 #### 1. 数据库系统架构概述 数据库系统有着多种架构，不同架构各有特点。集中式数据库系统完全在单台计算机上运行。随着个人计算机和局域网的发展，数据库前端功能逐渐转移到客户端，服务器系统提供后端功能，客户端 - 服务器接口协议推动了客户端 - 服务器数据库系统的发展。 服务器可分为事务服务器和数据服务器，其中事务服务器在提供数据库服务方面的应用远超数据服务器。事务服务器有多个进程，可能运行在多个处理器上，为使这些进程能访问公共数据（如数据库缓冲区），系统将此类数据存储在共享内存中。除处理查询的进程外，还有执行锁管理、日志管理和检查点等任务的系统进程。数据服务器系统则向客户端提供原始数据，这类系统通过在客户端缓存数据和锁来尽量减少客户端与服务器之间的通信，并行数据库系统也采用类似的优化方法。 并行数据库系统由多个处理器和多个磁盘通过快速互连网络连接而成。并行性用于实现加速，即通过提供更多资源（如处理器和磁盘）使查询执行得更快；也用于实现扩展，即通过增加并行度来处理不断增加的工作负载而不增加响应时间。并行数据库架构包括共享内存、共享磁盘、无共享和分层架构，这些架构在可扩展性和通信速度方面有不同的权衡。 分布式数据库系统是部分独立的数据库系统的集合，理想情况下共享一个公共模式，并协调对非本地数据进行访问的事务处理。这些系统通过通信网络相互通信。 #### 2. 网络类型 分布式数据库和客户端 - 服务器系统基于通信网络构建，主要有两种网络类型：局域网（LAN）和广域网（WAN）。 |网络类型|地理分布|通信特点|常见连接方式|通信速度| | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | |局域网|分布在小地理区域，如单个建筑物或相邻的几座建筑物|通信链路速度较高、错误率较低|双绞线、同轴电缆、光纤和无线连接|从几十兆比特每秒（无线局域网）到 1 吉比特每秒（千兆以太网），最新以太网标准是 10 吉比特以太网| |广域网|分布在大地理区域，如美国或全世界|数据传输速率有一定限制，且存在显著延迟|光纤线路，有时是卫星信道|数据速率通常从几兆比特每秒到几百吉比特每秒| ##### 2.1 局域网 局域网在 20 世纪 70 年代初出现，用于计算机之间的通信和数据共享。对于许多企业来说，众多小型计算机（每台都有自己独立的应用程序）比单个大型系统更经济。由于每台小型计算机可能需要访问全套外围设备（如磁盘和打印机），且企业内部可能存在某种形式的数据共享，因此将这些小型系统连接成网络是自然的选择。 存储区域网络（SAN）是一种特殊类型的高速局域网，用于将大量存储设备（磁盘）连接到使用这些数据的计算机，有助于构建大规模共享磁盘系统。使用存储区域网络将多台计算机连接到大量存储设备的动机与共享磁盘数据库基本相同，包括通过添加更多计算机实现可扩展性，以及实现高可用性（即使计算机出现故障，数据仍然可访问）。存储设备中使用 RAID 组织来确保数据的高可用性，允许在单个磁盘出现故障时继续进行处理。存储区域网络通常具有冗余性，如节点之间有多条路径，因此即使某个组件（如链路或网络连接）出现故障，网络仍能继续运行。 mermaid 流程图如下： ```mermaid graph LR classDef startend fill:#F5EBFF,stroke:#BE8FED,stroke-width:2px; classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px; classDef decision fill:#FFF6CC,stroke:#FFBC52,stroke-width:2px; A([开始]):::startend --> B(数据存储在存储设备):::process B --> C(存储区域网络连接存储设备和计算机):::process C --> D{计算机是否故障}:::decision D -->|是| E(数据仍可通过冗余路径访问):::process D -->|否| F(正常使用数据):::process E --> G([结束]):::startend F --> G ``` ##### 2.2 广域网 广域网在 20 世纪 60 年代末出现，最初主要是一个学术研究项目，旨在实现站点之间的高效通信，使广大用户群体能够方便、经济地共享硬件和软件。20 世纪 60 年代初开发了允许远程终端通过电话线连接到中央计算机的系统，但这些并非真正的广域网。第一个设计和开发的广域网是阿帕网（Arpanet），其工作始于 1968 年，从一个四站点的实验网络发展成为一个全球性的网络——互联网，包含数亿个计算机系统。互联网上的典型链路是光纤线路，有时也使用卫星信道。广域网链路的数据速率通常从几兆比特每秒到几百吉比特每秒，到终端用户站点的最后一段链路传统上是最慢的，使用数字用户线路（DSL）技术（支持几兆比特每秒）或通过陆地电话线的拨号调制解调器连接（支持高达 56 千比特每秒），如今通常是电缆调制解调器或光纤连接（各支持几十兆比特每秒），或支持几兆比特每秒的无线连接。 广域网通信除了数据速率有限外，还必须应对显著的延迟，一条消息可能需要几百毫秒才能在全球范围内传输，这是由于光速延迟和消息路径上多个路由器的排队延迟造成的。地理上分布的数据和计算资源的应用程序必须精心设计，以确保延迟不会过度影响系统性能。 广域网可分为两类： - 不