计算机科学实现数据库互操作

　　计算机科学实现数据库互操作 推荐站内最受追捧的计算机杂志：《计算机科学》由国家科技部主管，西南信息中心主办，系“中文科技核心期刊”、“中国科技论文统计与分析用期刊”、“中国科学引文数据库来源期刊”、“中国期刊方阵双效期刊”。主要报导国内外计算机科学与技术的发展动态，涉及面广的方法论与技术，和反映新苗头、能起承先启后作用的研究成果。内容涉及程序理论、计算机软件、计算机网络与信息、数据库、人工智能、人机界面、国际会议、应用等。

　　摘 要： 计算机科学由于历史及技术等原因，在资源建设的过程中产生了异构数据库，数据库互操作问题也一直是数据库研究领域的热门课题。主要阐述了异构数据库互操作的概念、实现途径中的关键技术。

　　关键词： 计算机科学,资源整合,异构数据库,互操作,联邦式数据库

　　1 引言

　　异构数据库互操作问题作为数据库领域的研究热点和难点课题，在国内外的学术界和工业界都引起了广泛的关注。自20世纪80年代以来，国外许多公司和科研单位对异构数据库的集成进行了大量研究，取得了不少成果，但国内对异构数据库集成的研究还处于开始阶段。

　　2 异构数据库互操作的概念

　　异构数据库(Heterogeneous Database)集成是数据库技术从完全集中到逻辑集中、物理分布(传统分布式数据库)乃至逻辑分布、物理分布(异构数据库)这一发展过程的结果，也是兼顾已有系统自治性并实现新的数据共享这一现实需求的有效手段。

　　异构数据库的异构特征包括两个级别：系统一级的异构和语言一级的异构，主要体现在以下几个方面。

　　(1)计算机体系结构的异构:各个参与的数据库可以分别运行在大型机、小型机、工作站、PC或嵌入式系统中。

　　(2)操作系统的异构:各个数据库系统的基础操作系统可以是Unix, Windows NT,Linux等。

　　(3)数据库管理系统的异构:一种是数据库概念模式的异构:有层次、网状、关系和面向对象4种;另一种是数据库物理模式的异构：指概念模式相同，但数据结构不同，比如Oracle与SQL Server同属关系型，但结构不同。

　　异构数据库互操作的实现包括三个功能要素:(1)为用户提供功能强大且操作灵活的互操作可视化界面，通过它用户可以直观地对多个异构数据库进行透明访问;(2)提供高级语言数据库访问调用级接口，至于调用级接口的实现层次可由设计者视具体清况而定;(3)支持环境开放性，可能的话还应该支持实现语言开放性。

　　异构数据库系统的目标在于实现不同数据库之间的数据信息资源、硬件设备资源和人力资源的合并和共享。异构数据库系统集成就是要将数据库系统的不同，操作系统的不同，操作平台的不同或者底层网络的不同进行屏蔽，使得用户就可以将异构数据库系统看成普通的数据库系统，用自己熟悉的数据处理语言去访问数据库，如同访问一个数据库系统一样，对其进行透明的操作。

　　3 实现异构数据库互操作的途径

　　面对异构数据库的互操作需求，主要从两个方面同时进行努力:一是建立标准，即建立统一的数据库规范，消除由于标准的不完善而造成的各数据库系统间的差异;二是构建异构数据库互操作平台，实现对多个异构数据库的透明访问。

　　随着对数据库互操作问题的深入研究，基于不同角度，许多研究者提出了可行的异构数据库互操作途径，这些途径在实现互操作的深度、广度和高度上各不相同，都有各自所适应的特定环境和需求。从异构数据库的核心思想出发，把实现互操作的途径归纳为两大类。

　　3.1 系统级异构互操作

　　对于DBMS系统一级异构的网络环境下的数据库互操作，主要有四种实现途径。

　　(1)数据库网关(Database Gateway)

　　数据库网关是一种中继器，它能提供应用级的异构数据库集成的手段。网关的主要作用是转换和通信。

　　数据库网关可以建立比较稳定和透明的数据库互操作，但是其缺点也较为明显。诸如不关心如何屏蔽数据库之间的异构性，不支持事务处理，资源冗余，用户受限于数据库厂商，不能任意选择客户机平台及目标数据库等问题。

　　(2)公共协议/数据转换协议技术

　　公共协议是异构数据库进行通信时采用的公认的数据协议，即公认的系统间传递SQL请求和结果的形式。最常见的协议是ANSI/ISO的关系数据存取(RDA)标准、SGA(SQL Access Group)规范和IBM的分布式关系数据库结构(DRDA)。

　　数据库网关相比，公共协议更具有可扩充性和开放性，能较好地实现异构数据库的透明访问、支持多种网络协议和多种客户平台，是实现异构数据库互操作的有效途径之一。

　　公共协议/数据转换协议的缺点是协议本身的低效率带来的速度问题。

　　(3)公共编程接口

　　公共编程接口包括客户应用编程界面(CAPI)和服务器应用编程界面(SAPI)。CAPI是一组过程库，通常驻留在客户端，通过装载后端专用的驱动程序访问不同的数据库。SAPI提供一个应用编程界面，控制服务器与客户应用请求和目标数据库之间的交互。如Microsoft 的ODBC、Oracle的SQL*NET 以及IDAPI。其优点有：由于提供了统一的调用级接口，使用户免除了应用程序随数据库改变而改变的痛苦;通过API可使应用程序直接操纵数据库中的数据。数据库访问API的缺点是:针对每一个数据库都需要有一个与其对应的驱动程序;由于不同的驱动程序所支持的数据类型和对数据的操作都不相同，其完全透明地访问异构数据库的能力有限;实现效率过分依赖于驱动程序，而驱动程序将标准语法转换成相应数据库的命令语法要花费大量的时间。

　　(4)中间件技术(Middle Ware)

　　中间件是处于应用程序及应用程序所在系统的内部工作方式之间的软件，它的基本思想是在各后端数据源和前端应用程序之间建立一个抽象层。把应用程序与系统所依附软件的较低层细节和复杂性隔离开来，使应用程序开发者只处理某种类型的单个API，而其他细节则可以由中间件处理。这样就使系统对每个不同数据源的操作变成对单一的中间件的操作，而后再对中间件进行异构处理。使用中间件技术解决异构数据库集成的问题，将会给系统集成带来很多的好处。这是因为中间件不仅能够使得前端用户访问后端的异构数据库实现透明化，并且保证了访问接口的开放性，这样可以使系统在以后功能上的扩展更加方便。通过中间件来访问数据库的另一个好处就是所有的客户端的请求都发送到了中间件上，减轻了数据库服务器的负担，保证了数据库服务器的性能不会降低。同时，中间件的采用极大地提高了系统的可维护性，在系统内部的某个逻辑发生变化时，只要改变中间层的相应处理程序，前台用户界面不需要做任何的改动，这样就大大降低了系统维护的费用。

　　3.2 数据结构与语义级异构互操作

　　目前，对于数据结构和语义一级异构的数据库互操作的研究有紧密耦合和松散耦合两种思想，具体体现于多数据库系统、联邦数据库系统和分布式数据库系统三种方法。

　　(1)多数据库系统

　　所谓多数据库系统就是一种能够接受和容纳多个异构数据库的系统，允许各个异构数据库的“自治性”。多数据库系统是一个广义的概念，是相对于如集中式数据库系统或分布式数据库系统那种逻辑上具有同一管理系统而言的，它以多元和分布为主要特征。多元是指它多个彼此区别的集中式或分布式数据库系统;分布则是指数据分布在不同场地的数据库系统中，由各自的管理系统进行管理。

　　多数据库技术的目标是为在多个数据库之间实现互操作，解决数据库资源共享找到一种技术途径。一般采用分布、异构、自治三个特性作为尺度来刻画多数据库系统。使用这种方法，用户需要显式地指明所要访问的数据库。多数据库系统采用自下而上的方法来实现。

　　(2)分布式数据库(Distributed Database)

　　分布式数据库的基本思想是抛弃原有的数据库系统，在网络环境下建立分布的数据库系统，在体系结构、事务处理模型等方面重新设计从而解决信息共享与互操作问题。分布式数据库系统分为同质分布式数据库和异质分布式数据库。像 Oracle、Sybase、Informix 等都是同质分布式数据库系统，这类系统的实现相对来说比较容易一些。异质分布式数据库管理系统大多是在已有的一些数据库管理系统的基础上实现的。

　　(3)联邦式数据库(Federated Database)

　　联邦式数据库系统是网络技术和分布式数据库技术发展的必然结果，它是由一组能协调工作，又可以独立自治的部件数据库组成。它可以是原先不分布的，又可以是分布的，具有分布性、自治性、异构性三大特性。

　　联邦式数据库与分布式数据库系统的区别在于：分布式数据库系统虽然在物理上是分散的，但因为有统一的数据模型及全局数据模式，所以它在逻辑上却是集中的，因此用户感觉到的是一个完整的数据库。显然，这种系统可用于某个专用领域的系统，但不适于不同领域间的异构系统的集成。相反地，联邦式数据库系统是由在不同结点上松散耦合分布的异构成员数据库构成，各联邦成员间的一种松散结合。构成联邦成员的可以是一个集中式数据库，也可以是一个分布式数据库，它们可以根据需要(按某种组合)加入联邦或者根据需要退出联邦。联邦式数据库没有全局模式，各子系统(即联邦成员)按自己的需求建立各自的数据模式。其成员之间的数据共享关系，通过由协商确定的输入/输出模式来建立，单个成员有权拒绝或允许其它成员结点对它的访问。因此，它能够支持多库系统的分布性、异构性和自治性，使之产生满意的集成。

　　异构数据库的互操作技术使得数据库在原有技术领域发挥重要作用的同时，在未来新的应用领域也有着重要的影响，如地球观测系统 EOSDIS、电子商务、保健信息系统、数字出版、协同设计等领域。

　　参考文献

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