分布式数据库的设计

设计方法、内容和目标

分布式数据库设计的方法：

根据设计是基于现存的数据系统还是构造一个全新的数据库系统，有两种方法创建分布式数据库：

• 组合法：基于现有的系统，建立一个协调管理系统。采用自底向上的方式构建。
• 重构法：创建全新的数据库系统。采用自顶向下的方式构建。

分布式数据库设计的内容：
(1)数据库设计基础——需求分析：

• 数据需求
• 应用需求：
  • 应用的原发站点：发出应用请求的站
  • 应用在站点被**的频率
  • 应用对数据对象访问次数、类型和分布统计

(2)数据库设计(设计的核心任务)：

• 全局模式设计
• 局部数据库设计
• 数据分片设计
• 片段的位置分配设计

分布式数据库设计的目标：

• 确保数据库数据和应用具有最大程度的本地性
• 分布式数据的可用性和可靠性
• 工作负荷分布
• 存储的能力和费用

自顶向下方法构建数据库设计步骤：

分布式数据库系统比集中式数据库系统多了全局逻辑模型的设计、分片设计、分布设计以及局部逻辑设计。

数据库的分片和分布设计

数据库的分片设计：

• 什么叫“片段”?——片段指在分布式数据库系统中, 某一站点上存储的数据集合。
• 分片设计的目的?——产生全局数据的一个合理的划分，从而使每个站点只获得它所需要的数据,最大可能保证应用的本地性。
• 分片应遵循的一般规则：设R={R1,R2,..Rn}
  • 完整性：即，t∈R,则必有t∈Ri(i= 1, 2... n)
  • 可重构性：即，R=∪Ri(i= 1, 2.. n )或R =∞Ri(i= 1,..., n )
  • 不相交性：即，Ri∩Rj=φ(i,j=1,...,n,且i≠j)或Ri∩Rj =主码属性(i,j=1,...,n且i≠j )
• 分片的基本类型和方法：水平分片、垂直分片、混合分片
  • 水平分片：对全关系进行选择操作,把具有相同性质的元组进行分组，构成若干不相交的子集。
    • 初级分片：以关系自身属性性质分组
    • 导出分片：用其他关系的属性对某一全关系进行分组

• 垂直分片：利用投影操作把全关系的属性分成若干组,目标是把频繁使用的属性聚集在一起,且各片段只在键属性下重叠。

• 混合分片：就是将垂直分片、水平分片，把他们组合在一起，比如先进行垂直分片再进行水平分片，或者是先进行水平分片再进行垂直分片。

数据库片段位置分配的设计：

• 非冗余分配：一个片段映射到一个站点
• 冗余分配：一个片段映射到多个站点

非冗余"最佳适应"分配法：

• ➢计算：Bij=Lk(Fkj*Nki)，即计算所有的应用在站点j上访问片段i的总次数
• ➢对所有站点j确定j‘，使得Bij' = max( Bij )，即把片段Ri分配到有最大访问次数的站点j’

冗余分配比较复杂,一般采用下列方法之一进行估算：

• 所有得益站点法：

1. 对所有站点确定非冗余分配方案
2. 从全部结点中选择一组站点，使得给这组站点分配片段Ri的一个拷贝所得到的检索效益，大于从其它站点对Ri实施更新的代价
3. 把片段Ri拷贝分配给该组站点

• 附加拷贝法：

1. 对所有站点确定非冗余分配方案
2. 计算把片段Ri分配给所有站点所能得到的总效益fi (以及一个站点分得Ri所得到的效益)
3. 从分得片段Ri能够获取最大益处的站点起，对各站点依次附加片段Ri的一个拷贝,直到增加片段Ri不能使系统得到明显效益(或者说效益增大"接近”fi )为止

总结：数据库片段及位置分配的设计所需要的参数均从应用需求中得来,总结这些参数可用如下三个表表达：

• 频率表：各站点每一应用**的次数
• 划分表：各实体的潜在水平分片规则
• 极化表：给定站点发出一给定应用访问一给定片段的概率

 分布式数据库设计实例

订票系统维护分布在三个网络站点(与机场1，2 , 3处于同一地理区域)上的数据库。数据库存储机场规程、班机起降和旅客订票等数据。

(1)概念设计——全局概念模式( E-R图)

(2)收集数据与其最相关的应用知识——用操作模式表示

• 订票：用于旅客预订机票。

[o]：表示用来进行输出显示的      [k]：表示关键信息      [w]：表示需要写回数据库        数字：表示的是每次操作显示的实物数

• 登记：用于旅客登机登记任务记录。 

• 起飞应用：查询即将从一个机场起飞的30个班机信息 。

(3)在操作模式的基础上，对每一实体估算应用的定量数据，建立逻辑访问表

(4)分布需求分析

• 频率表：调研并给出在三个站点上使用各个应用的频率(**的次数)

• 划分表：分析各个实体各种可能的分片方式及其选择性
  • *基本划分

• *导出划分

• *注释表 

• 极化表：调研并给出从一个站点发出一个应用所需要访问某片段的概率

(5)飞机订票系统的分布式设计

• a.为各个实体选择合适的分片,原则：本地性,不造成应用困难。
  • 对本例来说,各个实体采用水平分片：
  • ➢"机场” 由基于区域的基本水平分片(片段(F1~F3):机场1，机场2,机场3)
  • ➢"班机” 由基于起飞机场区域的导出水平分片(片段(A1~A3) :班机1,班机2，班机3)
  • ➢“旅客” 由基于旅客订票涉及的班机起飞机场所在区域的导出水平分片(片段(P1~P7):旅客1 ,旅客2，旅客3，...旅客7 )
• b.进行片段的非冗余分配：
  • 对本例来说,各个实体采用水平分片：

• c.进行片段的冗余分配：
  • 根据应用可以将旅客4、5、 6分配在两个站点上,旅客7分配在三个站点上。

(6)重构局部模式

 

之后可以构建局部数据库的逻辑模式，然后进行数据库的定义和实施。

 

 

【北京工业大学-高级数据库系统】

【https://next.xuetangx.com/course/BJUT08091000021/1075768】