数据库机体系结构(数据库)

时间：2022-11-18 02:30:01 | 来源：信息时代

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    数据库机体系结构 : 一种用于支持数据库管理系统的计算机(或称数据库机)体系结构。数据库机或数据库计算机是专门用来完成数据库管理系统的全部或部分功能,以提高其数据处理能力的。在一般的计算机体系结构中,中央处理机执行全部数据库的操作,数据处理效率低、软件系统复杂。数据库机或数据库计算机的体系结构是将计算机中涉及的数据库操作转移到一个与主计算机相连的专用计算机上去执行。这种数据库机可以用专用的硬件或固件来实现,也可以用通用计算机配置专用的软件或硬件设备来完成。
研究数据库机的体系结构可以从数据库机的分类、(硬件与软件)组成、系统结构和实现方案与方法等方面来进行。
1.数据库机的分类
实现数据库机DBM的方案,基本上可以分为两类:
(1)面向软件的DBM: 采用多台通用处理机以各种互联方式构成多机系统,再根据机器结构配以专门的数据库处理软件或固件来完成数据库操作。
(2)面向硬件的DBM: 它充分利用VLSI和微电子技术,并直接采用硬件构成某些数据库操作或存储部件,然后基于这些硬件进行数据库操作和处理。除此以外,有人建议将数据库机划分为有限格式和格式化两类。有限格式数据库主要以字符串形式构成正文信息;格式化数据库有严格的数据结构,以支持多种数据模型。
2.早期数据库机的体系结构
20世纪70年代,数据库机DBM的研制是从实施关系数据库管理系统的功能作为其研究与开发目标而开始的。因此,当初DBM的体系结构和实现途径主要是采用了冯·诺依曼系统计算机结构中的协处理器、关联处理机和后端机等概念结构来实现的。
(1)协处理器(coprocessor): 所谓协处理器指为弥补处理器在数值计算方面的不足,引入协同处理的概念,即由多台处理器构成协同处理器完成计算机的运算与数据处理任务,以提高运算速度和机器的执行效率。
(2) 关联处理机(associative processor): 或称联想处理器,是使用并行操作存储器的一种单指令流多数据流并行处理机。关联存储器可根据所存储信息的全部或部分特征(而不是根据地址)对数据进行访问,以实现存储器的并行操作。而且,来自控制器的一条命令能对许多符合检索条件的数据同时执行算术或逻辑运算。因此,基于关联处理机的DBM结构对数据的处理能力会大幅度提高。
在这种DBM体系结构中,关联处理机把对数据的检索等操作与从磁盘读写数据的过程结合起来,构成所谓的智能控制磁盘器,从而将数据库管理系统的某些功能(存取、检索数据)下放到磁盘控制器,并通过硬连逻辑来实现。如在采用关联处理机结构的数据库机CAFS、DIRECT中,可根据用户提供的检索条件,按照关键字或给定的数据匹配模式,通过数据过滤器(data filter)从数据库文件中检索出相关的记录或数据。
(3)后端机(back-end processor): 这种数据库机体系结构适合于分时、多任务、多处理机和需要大量频繁与数据库交换信息的场合。其基本思想是将数据库管理任务全部交给另外一个计算机进行集中处理,从而使主机系统从繁忙的数据库管理任务中解脱出来,以支持多进程、多任务的运行。这里,最简便的后端机实施方案就是用一台通用计算机专门完成DBMS的任务,完全为系统提供数据库服务。由于后端机(back-end processor)数据库机体系结构采用较多,术语back-end machine曾一度作为早期数据库机的同义词使用。
3.数据库机体系结构的功能划分与实施方案作为一种用于支持数据库管理功能的数据库机,可以按体系结构方式(计算机体系结构设计)或按功能方式(即处于软件控制之下)来划分。按体系结构,数据库机是指设计新的数据库系统的体系结构。它把一些原来由软件执行的管理功能用硬件来实现,把原来由CPU包办的数据库操作分散给一些局部部件来执行,或转移到一个与主计算机相连的专用计算机去执行,以利用它们的联想功能及并行处理能力来提高数据库系统的有效性。
按功能划分,数据库机体系结构可以分为: ①单处理机间接检索型: 用通用处理机作主计算机的后端机,利用固件实现数据库处理功能。例如,智能数据库机IDM500;②单处理机直接检索型:利用专用处理机实现直接检索,同时采用散列位阵列技术提高检索效率; ③多处理机直接检索型: 采用多处理机组成数据处理系统,在磁盘等辅存旋转时进行数据处理; ④多处理机间接检索型: 将数据从辅存读入缓冲存储器,由多处理机并行处理。这种数据库机结构可实现多指令流、多数据流操作,以支持关系型数据库系统; ⑤多处理机组合检索型: 由具有专门功能的多处理机组合实现,如俄亥俄州州立大学的DBC数据库机。
在实际开发中,有时按功能或按体系结构来划分数据库机,并没有明确的界限,以下为一些常见的数据库机DBM的系统结构与实施方案。
(1)并行数据库机结构: 将硬件与软件相结合,采用高度并行的数据库机(massive parallel database machine)技术实现对巨量数据(massive data)进行有效存储和处理的新型高度并行的数据库机。这种并行数据库机的结构主要有两种: ①多处理机并行处理结构,又称为share everything结构,它由多处理机共享内存和磁盘来实现; ②多计算机并行处理结构,称为share nothing结构,它由多个独立的计算机通过高速网相连。由于多处理机并行处理的吞吐量会随着处理机数的增加而迅速饱和,目前大都采用后者。
(2)客户/服务器数据库机(client/server database machine)结构:又称为并行分布式数据库机结构。这是一种在网络及分布式环境下,基于并行机制的数据库机或数据库系统的标准结构。其基本思想是基于硬件价格的下降,而把对数据库中数据的处理和应用程序的处理,分给不同的计算机系统或部件来担任。其中用于处理数据库任务的计算机称为数据服务器(data server),它实际上就是数据库机,不过它是由通用的处理机(如RISC处理机)构成的,而且该数据库机本身不只是一台计算机,而是由多台计算机构成的并行计算机系统。由于数据服务器专门承担数据处理任务,其DBMS的设计将完全摆脱原有DBMS的限制和不足。
(3)共享库(share base,SB)结构:一种新颖的数据库机组织结构,它将网络及分布式环境下的多台类型不同的计算机及其数据库(称为纯软件DB或孤立的DB)作为客户端,用一台数据库机DBM作为服务器,并通过通信网络或计算机网络联结起来,以实现多用户对数据库的共享。
(4)数据流体系结构(data flow architecture): 一种采用非冯·诺依曼系统结构的数据库机结构,它通过数据而不是指令来驱动程序的执行。与传统的冯·诺依曼计算机“存储程序概念”不同,指令已不再对数据进行顺序处理。在数据流计算机中,只要一个操作的所有操作数均已到达,则此操作就执行。因此,当有多个操作同时满足这个条件时,这个操作就可以并行执行,而不受程序指令顺序执行的限制。这就提高了数据库机的并行处理特性。数据流数据库机的基本思想是操作的执行顺序取决于数据的依赖性与资源的有效性。数据驱动是用一种令牌(token)标记来指示数据在指令间的流动。
(5)智能数据库机体系结构(intelligent database machine architecture):指采用逻辑推理、知识处理等技术实现的数据库机结构。这类数据库机体系结构有: ①归约机(reduction machine): 基于归约模型的数据库机结构。其基本思想是在函数计算的过程中通过替换不断修改计算目标,直到被计算的目标为最小的单元为止。这一过程与纯函数的递归计算过程的代入方法类似。因此,对归约机的研究常常与函数程序语言相结合。研制成功的归约机有北卡罗纳大学的树结构归约机Cellular、我国清华大学的并行图归约机。②LISP机:LISP是一种基于人工智能的表处理语言,LISP的逻辑基础是等词逻辑,其操作语义是归约(reduction)。这种数据库机结构是通过硬件执行通常由LISP解释器所要完成的表处理操作和存储管理功能。系统中硬堆栈和带标志的存储器是LISP机的主要特点。Xerox公司研制的Alto,MIT的CONS/CADR都是LISP数据库机结构的典型代表。③逻辑推理机(logic inference machine): 以产生式系统为计算模型的一种数据库机结构,也是知识库和知识库系统的重要组成部分。它能直接支持基于谓词逻辑的演绎推理过程。目前,可以采用PROLOG、DATALOG等逻辑语言来开发逻辑推理机。PROLOG的逻辑基础是一阶谓词逻辑,其操作语义是归结(resolution)。如以PROLOG为核心来设计逻辑推理部件,可以将其与知识库、用户接口、操作系统等相结合,组成PROLOG数据库机。此外,日本ICOT研制最早的PSI就是以PROLOG实现的。
(6)面向对象体系结构(object oriented architecture):采用Smalltalk、C++、VC等面向对象语言及面向对象程序设计方法开发数据库机的新方案。面向对象程序设计方法的基本思想是客观世界是由对象组成的,若干本质相同的对象可以构成类,若干本质相同的类可以构成超类。一个对象不能访问或改变另一个对象的内部状态或操作,但是对象之间可以通过发送消息而发生联系。在面向对象程序设计方法中,仅用对象、类、方法、消息和继承5个基本概念即可完成对客观世界的描述。面向对象语言的逻辑基础是反射逻辑,其操作语义为高阶演绎。采用抽象数据类型、封装性、继承性、多态性、动态联编等多种面向对象特性,非常适于用来开发数据库机。在20世纪80年代早期曾开发了Smalltalk-80数据库机,该系统由虚拟机、工具集和虚拟对象三个部分组成。后来,又用其他面向对象语言开发了一些新的数据库机。
以上几种数据库机体系结构和实施方案(如并行与分布式结构、面向对象结构、智能数据库机结构)既适用于数据库机,也适用于知识库机。