Giáo trình Cơ sở dữ liệu phân bổ
TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
Tác giả
Bùi Quang Ngọc
Nguyễn Thị Nhung
GIÁO TRÌNH
CƠ SỞ DỮ LIỆU PHÂN BỔ
(Lưu hành nội bộ)
1
Hà Nội năm 2011
Tuyên bố bản quyền
Giáo trình này sử dụng làm tài liệu giảng dạy nội bộ trong
trường cao đẳng nghề Công nghiệp Hà Nội
Trường Cao đẳng nghề Công nghiệp Hà Nội không sử
dụng và không cho phép bất kỳ cá nhân hay tổ chức nào sử dụng
giáo trình này với mục đích kinh doanh.
Mọi trích dẫn, sử dụng giáo trình này với mục đích khác
hay ở nơi khác đều phải được sự đồng ý bằng văn bản của
trường Cao đẳng nghề Công nghiệp Hà Nội
2
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN............................................................................................ 4
1.1.Tổng quan về cơ sở dữ liệu và mạng máy tính....................................................... 4
1.1.1.Tổng quan về Cơ sở dữ liệu............................................................................ 4
1.1.2.
Tổng quan về mạng máy tính.................................................................... 5
1.2. Tổng quan về cơ sở dữ liệu phân bố...................................................................... 6
1.2.1.
1.2.2.
1.2.3.
Khái niệm Cơ sở dữ liệu phân bố.............................................................. 6
Các đặc điểm của Cơ sở dữ liệu phân bố so với Cơ sở dữ liệu tập trung.... 7
Hệ quản trị Cơ sở dữ liệu phân bố............................................................. 8
CHƯƠNG 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN Bố DỮ LIỆU........................................... 10
2.1.Thiết kế cơ sở dữ liệu phân bố................................................................................. 10
2.1.1.
Các mục tiêu của thiết kế phân bố dữ liệu............................................... 10
2.1.2. Cách tiếp cận từ trên xuống và cách tiếp cận từ dưới lên để thiết kế phân bố
dữ liệu................................................................................................................... 11
2.2. Các vấn đề thiết kế.................................................................................................. 14
2.2.1. Lý do phân mảnh......................................................................................... 14
2.2.2. Các kiểu phân mảnh .................................................................................... 14
2.2.2.1. Phân mảnh ngang ................................................................................. 15
2.2.2.2. Phân mảnh dọc ..................................................................................... 29
2.2.2.3. Phân mảnh hỗn hợp.............................................................................. 39
2.2.3. Cấp phát............................................................................................................... 40
2.2.3.1 Bài toán cấp phát................................................................................... 40
2.2.3.2 Yêu cầu về thông tin.............................................................................. 40
2.2.3.3. Mô hình cấp phát................................................................................. 41
CHƯƠNG 3. XỬ LÝ VẤN TIN.................................................................................... 44
3.1. Bài toán xử lý vấn tin.............................................................................................. 44
3.2. Phân rã vấn tin........................................................................................................ 48
3.3. Cục bộ hóa dữ liệu phân bố..................................................................................... 56
3.4. Tối ưu hoá vấn tin phân bố ..................................................................................... 61
3.4.1. Không gian tìm kiếm............................................................................... 62
3.4.2. Chiến lược tìm kiếm................................................................................ 65
3.4.3. Mô hình chi phí phân bố.......................................................................... 66
3.4.4. Xếp thứ tự nối trong các vấn tin theo mảnh ............................................. 71
CHƯƠNG 4. QUẢN LÝ GIAO DỊCH .......................................................................... 78
4.1. Các khái niệm......................................................................................................... 78
4. 2. Mô hình khoá cơ bản ............................................................................................. 85
4.3. Mô hình khoá đọc và khoá ghi................................................................................ 89
4.4. Thuật toán điều khiển tương tranh bằng nhãn thời gian........................................... 91
3
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1.Tổng quan về cơ sở dữ liệu và mạng máy tính
1.1.1.Tổng quan về Cơ sở dữ liệu
Cơ sở dữ liệu (Database, viết tắt là CSDL) là một lĩnh vực nghiên cứu các
mô hình, nguyên lý, phương pháp tổ chức dữ liệu trên các vật mang tin. Phần
mềm dùng quản lý và xử lý thông tin của cấu trúc thông tin này được gọi là hệ
DBMS (Hệ thống quản lý cơ sở dữ liệu- DataBase Mangement System). Cơ sở
dữ liệu là một thành phần trong hệ DBMS.
Bạn có thể nghĩ và hình dung đơn giản CSDL là một danh sách thông tin như
trang niên giám điện thoại chẳng hạn, mỗi trang là một danh sách chứa các mục
thông tin – gồm tên, địa chỉ, sdt – mô tả về người thuê bao điện thoại trong một
vùng nào đó ( thông tin mô tả đối tượng). Tất cả thông tin của người thuê bao
dùng chung một mẫu (cấu trúc). Theo thuật ngữ CSDL các trang niên giám
tương đương với một bảng (table) dữ liệu mà trong đó thông tin mỗi người thuê
bao được đại diện hay biểu diễn bởi một bản ghi (record) hay bạn có thể gọi là
“mẩu tin”. Thông tin bản ghi mô tả về người thuê bao chứa 3 mục :tên, địa chỉ
và sdt. Các bản ghi được xếp theo thứ tự abc và được gọi là khóa dùng để tìm
kiếm khi cần.
Để dễ dàng cho việc giải thích các khái niệm, trước hết xem xét hệ thống bán
vé máy bay bằng máy tính. Dữ liệu lưu trữ trong máy tính bao gồm thông tin về
hành khách, chuyến bay, đường bay v...v. Mọi thông tin về mối quan hệ này
được biểu diễn trong máy thông qua việc đặt chỗ của khách hàng. Vậy làm thế
nào để biểu diễn được dữ liệu đó và đảm bảo cho hành khách đi đúng chuyến.
Dữ liệu nêu trên được lưu trong máy theo một quy định nào đó và được gọi là
cơ sở dữ liệu.
Như vậy, CSDL là một hệ thống các thông tin cú cấu trúc được lưu trữ trên
các thiết bị lưu trữ thông tin thứ cấp (như băng từ, đĩa từ) để cú thể thỏa mãn
yêu cầu khai thác thông tin đồng thời của nhiều người sử dụng hay nhiều
chương trỡnh ứng dụng với nhiều mục đích khác nhau. (hay CSDL là tập hợp
các thông tin có quan hệ với nhau được lưu trữ trong máy tính theo một qui định
nhất định nhằm phục vụ cho một mục đích nào đó.)
4
1.1.2. Tổng quan về mạng máy tính
Mạng máy tính là một tập hợp các máy tính được nối với nhau bởi môi trường truyền
(đường truyền) theo một cấu trúc nào đó và thông qua đó các máy tính trao đổi thông
tin qua lại cho nhau.
Môi trường truyền là hệ thống các thiết bị truyền dẫn có dây hay không dây dùng để
chuyển các tín hiệu điện tử từ máy tính này đến máy tính khác. Các tín hiệu điện tử đó
biểu thị các giá trị dữ liệu dưới dạng các xung nhị phân (on – off). Tất cả các tín hiệu
được truyền giữa các máy tính đều thuộc một dạng sóng điện từ. Tùy theo tần số của
sóng điện từ có thể dùng các môi trường truyền vật lý khác nhau để truyền các tín
hiệu. Ở đây môi trường truyền được kết nối có thể là dây cáp đồng trục, cáp xoắn, cáp
quang, dây điện thoại, sóng vô tuyến … Các môi trường truyền dữ liệu tạo nên cấu
trúc của mạng. Hai khái niệm môi trường truyền và cấu trúc là những đặc trưng cơ bản
của mạng máy tính.
5
Hình 1.2: Một mô hình liên kết các máy tính trong mạng
Tốc độ truyền dữ liệu trên đường truyền còn được gọi là thông lượng của đường
truyền – thường được tính bằng số lượng bit được truyền đi trong một giây (bps).
1.2. Tổng quan về cơ sở dữ liệu phân bố
1.2.1. Khái niệm Cơ sở dữ liệu phân bố
Vì yêu cầu của công ty, doanh nghiệp, đơn vị kinh doanh... về vấn đề tổ chức sao
cho kinh doanh có hiệu quả nhất và nắm bắt thông tin nhanh nhất khi các cơ sở của
công ty hiện ở những địa điểm xa nhau cho nên xây dựng một hệ thống làm việc trên
cơ sở dữ liệu phân bố là phù hợp xu hướng hiện nay vì hệ thống này thoả mãn được
những yêu cầu tổ chức của đơn vị. Lợi điểm về tổ chức và kỹ thuật của xu hướng phát
triển cơ sở dữ liệu phân bố là: giải quyết được những hạn chế của cơ sở dữ liệu tập
trung và phù hợp xu hướng phát triển tự nhiên với cơ cấu không tập trung của các tổ
chức, công ty doanh nghiệp...
Nói một cách đơn giản, cơ sở dữ liệu phân bố là tập hợp dữ liệu logic thuộc về
cùng một hệ thống nhưng trải rộng ra nhiều điểm trên mạng máy tính. Như vậy có hai
vấn đề của cơ sở dữ liệu phân bố với tầm quan trọng tương đương nhau:
Việc phân bố: Trong thực tế dữ liệu không đặt trên cùng một vị trí vì vậy đây là đặc
điểm để phân biệt cơ sở dữ liệu phân bố với cơ sở dữ liệu tập trung và cơ sở dữ liệu
đơn lẻ.
Liên quan logic: Trong cơ sở dữ liệu phân bố, dữ liệu có một số đặc tính liên kết chặt
chẽ với nhau như tính kết nối, tính liên quan logíc.. Trong cơ sở dữ liệu tập trung, mỗi
vị trí quản lý một cơ sở dữ liệu và người sử dụng phải truy cập đến cơ sở dữ liệu ở
những vị trí khác nhau để lấy thông tin tổng hợp.
6
1.2.2. Các đặc điểm của Cơ sở dữ liệu phân bố so với Cơ sở dữ liệu tập trung.
Cơ sở dữ liệu tập trung cùng với cơ sở dữ liệu không qua thiết kế hình thành trước khi
có cơ sở dữ liệu phân bố. Hai hình thức này phát triển trên cơ sở tự phát và hệ thống tập
trung. Như vậy hai hình thức này không đáp ứng được yêu cầu tổ chức và công việc trên
phạm vi lớn.
Cơ sở dữ liệu phân bố được thiết kế khác cơ sở dữ liệu tập trung. Do đó cần đối sánh
các đặc trưng của cơ sở dữ liêu phân bố với cơ sở dữ liệu tập trung để thấy được lợi ích
của cơ sở dữ liệu phân bố. Đặc trưng mô tả cơ sở dữ liệu tập trung là điều khiển tập trung,
độc lập dữ liệu, giảm bớt dư thừa, cơ cấu vật lý phức tạp đối với khả năng truy cập, toàn
vẹn, hồi phục, điều khiển tương tranh, biệt lập và an toàn dữ liệu.
Điều khiển tập trung: Điều khiển tập trung các nguồn thông tin của công việc hay tổ
chức. Có người quản trị đảm bảo an toàn dữ liệu.
Trong cơ sở dữ liệu phân bố: không đề cập đến vấn đề điều khiển tập trung. Người quản
trị cơ sở dữ liệu chung phân quyền cho người quản trị cơ sở dữ liệu địa phương.
Độc lập dữ liệu: là một trong những nhân tố tác động đến cấu trúc cơ sở dữ liệu để tổ
chức dữ liệu chuyển cho chương trình ứng dụng. Tiện lợi chính của độc lập dữ liệu là các
chương trình ứng dụng không bị ảnh hưởng khi thay đổi cấu trúc vật lý của dữ liệu. Trong
cơ sở dữ liệu phân bố, độc lập dữ liệu có tầm quan trọng cũng như trong cơ sở dữ liệu
truyền thống. Khái niệm cơ sở dữ liệu trong suốt mô tả hoạt động chương trình trên cơ sở
dữ liệu phân bố được viết như làm việc trên cơ sở dữ liệu tập trung. Hay nói cách khác
tính đúng đắn của chương trình không bị ảnh hưởng bởi việc di chuyển dữ liệu từ nơi này
sang nơi khác trong mạng máy tính. Tuy nhiên tốc độ làm việc bị ảnh hưởng do có thời
gian di chuyển dữ liệu.
Giảm dư thừa dữ liệu: Trong cơ sở dữ liệu tập trung, tính dư thừa hạn chế được càng
nhiều càng tốt vì:
-Dữ liệu không đồng nhất khi có vài bản sao của cùng cơ sở dữ liệu logic; để tránh được
nhược điểm này giải pháp là chỉ có một bản sao duy nhất.
-Giảm không gian lưu trữ. Giảm dư thừa có nghĩa là cho phép nhiều ứng dụng cùng truy
cập đến một cơ sở dữ liệu mà không cần đến nhiều bản sao ở những nơi chương trình ứng
dụng cần .
Trong cơ sở dữ liệu truyền thống tính dư thừa dữ liệu cũng cần quan tâm vì:
-Tính cục bộ của chương trình ứng dụng sẽ tăng nếu dữ liệu đặt ở mọi nơi mà chương
trình ứng dụng cần.
-Khả năng sẵn sàng của hệ thống cao bởi vì khi có lỗi ở một nơi nào đó trong hệ thống thì
không cản trở hoạt động của chương trình ứng dụng.
Nói chung, nguyên nhân đối lập với tính dư thừa đưa ra trong môi trường truyền thống
vẫn còn đúng cho hệ thống phân bố và vì vậy công việc định giá mức độ tốt của tính dư
thừa đòi hỏi định giá lại công việc lựa chọn mức độ dư thừa dữ liệu.
Cơ sở dữ liệu phân bố khắc phục được hai nhược điểm này vì dữ liệu được chia ra thành
nhiều phần nhỏ và chỉ có một bản sao logic tổng thể duy nhất để tiện cho việc truy cập dữ
liệu.
Cấu trúc vật lý và khả năng truy cập: người sử dụng truy cập đến cơ sở dữ liệu tập trung
phải thông qua cấu trúc truy cập phức tạp: định vị cơ sở dữ liệu, thiết lập đường truyền...
Trong cơ sở dữ liệu phân bố, cấu trúc truy cập phức tạp không phải là công cụ chính để
truy cập hiệu quả đến cơ sở dữ liệu. Hiệu quả có nghĩa là thời gian tìm kiếm và chuyển dữ
liệu nhỏ nhất, chi phí truyền thông thấp nhất.
7
Mỗi cách thức truy cập cơ sở dữ liệu phân bố viết bởi người lập trình hoặc tạo ra bởi một
bộ tối ưu. Công việc viết ra một cách thức truy cập cơ sở dữ liệu phân bố cũng giống như
viết chương trình duyệt trong cơ sở dữ liệu tập trung. Công việc mà chương trình duyệt
này làm là xác định xem có thể truy cập đến được bao nhiêu cơ sở dữ liệu.
Tính toàn vẹn, hồi phục và điều khiển tương tranh: Mặc dù trong cơ sở dữ liệu, tính toàn
vẹn, hồi phục và điều khiển đồng thời liên quan nhiều vấn đề liên quan lẫn nhau. Mở rộng
hơn vấn đề này là việc cung cấp các giao tác. Giao tác là đơn vị cơ bản của việc thực
hiện: giao tác cụ thể là bó công việc được thực hiện toàn bộ hoặc không được thực hiện.
Trong cơ sở dữ liệu phân bố, vấn đề điều khiển giao tác tự trị có ý nghĩa quan trọng: hệ
thống điều phối phải chuyển đổi các quỹ thời gian cho các giao tác liên tiếp. Như vậy
giao tác tự trị là phương tiện đạt được sự toàn vẹn trong cơ sở dữ liệu Có hai mối nguy
hiểm của giao tác tự trị là lỗi và tương tranh.
Tính biệt lập và an toàn: trong cơ sở dữ liệu truyền thống, người quản trị hệ thống có
quyền điều khiển tập trung, người sử dụng có chắc chắn được phân quyền mới truy cập
vào được dữ liệu. Điểm quan trọng là trong cách tiếp cận cơ sở dữ liệu tập trung, không
cần thủ tục điều khiển chuyên biệt.
Trong cơ sở dữ liệu phân bố, những người quản trị địa phương cũng phải giải quyết vấn
đề tương tự như người quản trị cơ sở dữ liệu truyền thống.
Tuy nhiên, hai vấn đề đặc biệt sau đây của cơ sở dữ liệu phân bố có ý nghĩa quan trọng
khi đề cập đến:
-Thứ nhất trong cơ sở dữ liệu phân bố với cấp độ tự trị cao ở mỗi điểm, người có dữ liệu
địa phương sẽ cảm thấy an toàn hơn vì họ có thể tự bảo vệ dữ liệu của mình thay vì phụ
thuộc vào người quản trị hệ thống tập trung.
-Thứ hai, vấn đề an toàn thực chất với hệ thống phân bố không giống như các hệ thống
thông thường khác mà còn liên quan đến mạng truyền thông.
Như vậy trong cơ sở dữ liệu phân bố vấn đề an toàn cơ sở dữ liệu phức tạp hơn và đòi hỏi
nhiều kỹ thuật bảo vệ. Nguyên nhân gây ra là hệ thống này có tính mở và nhiều người
dùng trong cùng hệ thống sử dụng nhiều cơ sở dữ liệu.
1.2.3. Hệ quản trị Cơ sở dữ liệu phân bố
Hệ quản trị cơ sở dữ liệu phân bố cung cấp công cụ như tạo lập và quản lý cơ sở dữ
liệu phân bố. Phân tích đặc điểm của hệ thống quản trị cơ sở dữ liệu phân bố như dưới
đây để phân biệt hệ thống phát triển theo kiểu thương mại có sẵn và kiểu mẫu phân bố.
Hệ thống phát triển theo kiểu thương mại có sẵn được phát triển bởi những người
cung cấp hệ cơ sở dữ liệu tập trung. Hệ cơ sở dữ liệu tập trung mở rộng bằng cách thêm
vào những phần bổ xung qua cách cung cấp thêm đường truyền và điều khiển giữa các hệ
quản trị cơ sở dữ liệu tập trung cài đặt ở những điểm khác nhau trên mạng máy tính.
Những phần mềm cần thiết cho việc xây dựng cơ sở dữ liệu phân bố là:
Phần quản lý cơ sở dữ liệu (Database Management - DB).
Phần truyền thông dữ liệu (Data Communication - DC).
Từ điển dữ liệu được mở rộng để thể hiện thông tin về phân bố dữ liệu trong mạng
máy tính (Data Dictionary - DD).
Phần cơ sở dữ liệu phân bố (Distributed Database DDB).
Mô hình các thành phần của hệ quản trị cơ sở dữ liệu phát triển theo kiểu thương mại
(Truy cập từ xa trực tiếp).
DB
DDB
DC
Cơ sở dữ liệu
địa phương 1
8
Những dịch vụ hệ quản trị cơ sở dữ liệu cung cấp:
-Cách thức truy cập dữ liệu từ xa: bằng chương trình ứng dụng.
-Lựa chọn một cấp độ trong suốt phân bố thích hợp: cho phép mở rộng hệ thống theo
nhiều cách khác nhau theo từng hoàn cảnh (phải cân nhắc giữa cấp độ trong suốt phân
bố và phân chia công việc thực hiện để công việc quản trị hệ thống đơn giản hơn).
-Quản trị và điều khiển cơ sở dữ liệu bao gồm công cụ quản lý cơ sở dữ liệu, tập hợp
thông tin về các thao tác trên cơ sở dữ liệu và cung cấp thông tin tổng thể về file dữ
liệu đặt ở các nơi trong hệ thống.
-Điều khiển tương tranh và điều khiển hồi phục dữ liệu của giao tác phân bố.
Cách thức truy cập cơ sở dữ liệu từ xa qua chương trình ứng dụng theo hai cách cơ
bản: Truy cập từ xa trực tiếp và gián tiếp.
Mô hình truy cập từ xa qua phương thức cơ sở của hệ quản trị cơ sở dữ liệu
Theo mô hình trực tiếp trên, chương trình ứng dụng đưa ra yêu cầu truy cập đến cơ sở
dữ liệu từ xa, yêu cầu này được hệ quản trị cơ sở dữ liệu tự động tìm nơi đặt dữ liệu và
thực hiện yêu cầu tại điểm đó. Kết quả được trả lại cho chương trình ứng dụng. Đơn vị
chuyển đổi giữa hai hệ quả trị cơ sở dữ liệu là phương thức truy cập cơ sở dữ liệu và
kết quả nhận được (thông qua việc thực hiện phương thức truy cập này). Với cách
thức truy cập từ xa như vậy cấp độ trong suốt phân bố được xây dựng bằng cách tạo ra
tên file toàn bộ để đánh địa chỉ thích hợp cho những điểm lưu trữ dữ liệu ở xa.
Mô hình dưới đây mô tả cách thức truy cập phức tạp hơn (truy cập gián tiếp):
9
Theo mô hình truy cập này, chương trình ứng dụng thực hiện yêu cầu qua chương
trình phụ ở điểm khác. Chương trình phụ này được người lập trình ứng dụng viết để
truy cập từ xa đến cơ sở dữ liệu và trả về kết quả của chương trình ứng dụng yêu cầu.
Hệ quản trị cơ sở dữ liệu phân bố cung cấp cả hai kiểu truy cập bỏi vì mỗi cách
truy cập đều có ưu điểm của nó.
CHƯƠNG 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN Bố DỮ LIỆU
2.1.Thiết kế cơ sở dữ liệu phân bố
2.1.1. Các mục tiêu của thiết kế phân bố dữ liệu
Thuật ngữ thiết kế cơ sở dữ liệu phân bố có nghĩa rất rộng và không chính xác. Thiết
kế cơ sở dữ liệu tập trung gồm có các công việc sau:
-Thiết kế sơ đồ khái niệm: mô tả cơ sở dữ liệu đã hợp nhất (mọi dữ liệu được sử
dụng bởi ứng dụng cơ sở dữ liệu).
-Thiết kế cơ sở dữ liệu vật lý: tham chiếu từ lược đồ khái niệm tới vùng lưu trữ và
xác định các cách thức truy cập khác nhau.
Trong cơ sở dữ liệu phân bố, có hai vấn đề xảy ra khi thiết kế sơ đồ toàn bộ và khi
thiết kế cơ sở dữ liệu vật lý ở địa phương (ở mỗi vị trí). Những kỹ thuật có thể ứng
dụng cho hai vấn đề trên cũng giống như trong cơ sở dữ liệu phân bố. Trong cơ sở dữ
liệu phân bố bổ xung vào hai vấn đề nữa:
-Thiết kế phân đoạn: xác định cách thức phân chia những quan hệ toàn bộ thành
những đoạn dữ liệu theo chiều dọc ,chiều ngang và kiểu hỗn hợp.
-Thiết kế cấp phát đoạn dữ liệu: xác định cách thức đoạn dữ liệu tham khảo đến
ảnh vật lý nào và cũng xác định các bản sao của đoạn dữ liệu.
Thiết kế phân đoạn mới được nghiên cứu gần đây, tuy nhiên công việc phân đoạn
trở thành đặc trưng của cơ sở dữ liệu phân bố. Bên cạnh đó vấn đề cấp phát cũng được
10
nghiên cứu khi phát triển hệ thống file phân bố vì trong cơ sở dữ liệu tập trung có thiết
bị lưu trữ phức tạp. Cách phân biệt hai vấn đề này rõ ràng, vấn đề thứ nhất động lực
của việc phân mảnh quan hệ giải quyết vấn đề tiêu chuẩn về logic; vấn đề thứ hai giải
quyết vấn đề về nơi đặt vật lý của dữ liệu ở những vị trí khác nhau. Tuy nhiên phải rất
cẩn thận khi phân biệt theo cách này vì không thể xác định cách phân đoạn tốt nhất và
công việc cấp phát bằng cách giải quyết hai vấn đề độc lập vì rằng hai vấn đề liên
quan nhau.
Công việc thiết kế chương trình ứng dụng được thực hiện sau khi thiết kế sơ đồ và
có kiến thức về yêu cầu của chương trình ứng dụng. Thiết kế sơ đồ để có khả năng
cung cấp hiệu quả các chương trình ứng dụng. Vì vậy trong thiết kế cơ sở dữ liệu phân
bố, hiểu biết rõ ràng và đầy đủ về yêu cầu của chương trình ứng dụng là cần thiết đối
với chương trình ứng dụng quan trọng. Những công việc thiết kế được thực hiện
thường xuyên để công việc thực hiện của thiết kế đúng đắn. Những yêu cầu trong
chương trình ứng dụng:
-Vị trí nơi chương trình ứng dụng được đưa ra (cũng gọi là vị trí cơ sở của chương
trình ứng dụng ).
-Tính thường xuyên hoạt động của chương trình ứng dụng: số lần yêu cầu của chuơng
trình ứng dụng trong một khoảng thời gian. Trường hợp thông thường chương trình
ứng dụng có thể được đưa ra ở nhiều vị trí khác nhau vì vậy phải biết tần suất hoạt
động của chương trình ứng dụng tại mỗi vị trí.
-Số lượng, kiểu và phân bố thống kê các lần truy cập đối với mỗi đối tượng dữ liệu
được yêu cầu bởi các chương trình ứng dụng.
Việc mô tả những đặc điểm này không quan trọng, hơn nữa phần này chỉ quan tâm
đến những dữ liệu điển hình cho quan hệ và phải dịch đúng đắn sang loại có thể áp
dụng được cho các đoạn. Kết quả của công việc thiết kế được dùng khi phân đoạn,
những dữ liệu này phải nhận biết bởi các cách phân đoạn khác nhau khi thiết kế.
2.1.2. Cách tiếp cận từ trên xuống và cách tiếp cận từ dưới lên để thiết kế phân bố dữ liệu.
Hai chiến lược chính đã được xác định trong thiết kế các CSDL phân bố là tiếp cận từ
trên xuống (top- down apProach) và tiếp cận rất khác nhau đối với quá trình thiết kế.
Nhưng như chúng ta đã biết rất hiếm các ứng dụng đủ đơn giản để có thể sử dụng chỉ một
trong hai cách tiếp cân. Vì vậy phần lớn thiết kế CSDL cả hai cách tiếp cận đều được áp
dụng để bổ sung cho nhau.
a. Quá trình thiết kế từ trên xuống
Quá trình này được trình bày trong hình 5.2 bắt đầu bằng việc phân tích yêu cầu
nhằm định nghĩa môi trường hệ thống và thu thập các nhu cầu về dữ liệu và nhu cầu xử lý
11
của tất cả mọi người có sử dụng CSDL [Yao et al; 1982a]. Nghiên cứu các yêu cầu cũng
xác định xem hệ thống cuối cùng sẽ như thế nào so với các mục của một DBMS phân bố.
Phân tích yêu cầu
Yêu cầu hệ thống
(Mục tiêu)
Nguyên liệu
người dùng
Phân tích yêu cầu
Phân tích yêu cầu
Tích hợp khung nhìn
Thông tin truy xuất (Mục
Định nghĩa lược đồ ngoài
Thiết kế phân bố
Thông tin từ NSD
Thiết kế vật lý
Vật lý
Theo dõi và bảo trì
Hình .Quá trình thiết kế từ trên xuống
Phân tích thực thể có liên quan đến việc xác định các thực thể, các thuộc tính và các
mối liên hệ giữa chúng. Phân tích chức năng đề cập đến việc xác định các chức năng cơ
bản có liên quan đến xí nghiệp cần được mô hình hoá. Kết quả của hai quá trình này cần
được đối chiếu qua lại, giúp chúng ta biết được chức năng nào sẽ hoạt tác trên những thực
thể nào.
Có một sự liên hệ giữa thiết kế khái niệm và thiết kế khung nhìn, người sử dụng
cần phải đặc tả các thực thể các thực thể dữ liệu và phải xác định các ứng dụng sẽ chạy
12
trên cư sở dữ liệu cũng như các thông tin thống kê về những ứng dụng này. Thông tin
thống kê bao gồm đặc tả về tần số ứng dụng, khói lượng các thông tin khác nhau, vân
vân. Chú ý rằng từ bước thiết kế khái niệm sẽ cho ra định nghĩa lược đồ khái niệm toàn
cục được đưa ra thảo luận trong phần 4.3. Chúng ta vẫn chưa xem xét các đặc thù của moi
trường phân bố; thực sự cho đến lúc này, quá trình thiết kế hoàn toàn giống với quá trình
thiết kế trong một CSDL tập trung.
Lược đồ khái niệm toàn cục GCS và thông tin về kiểu mẫu truy xuất thu được trong
thiết kế khung nhìn sẽ là nguyên liệu (inpus) cho bước thiết kế phân bố.Thiết kế các lược
đồ khái niệm cục bộ LCS bằng cách phân bố các thực thể cho các vị trí của hệ thống phân
bố. có thể xử lý mỗi thực thể như là một đơn vị phân bố (unit ò distribution). Với mô hình
quan hệ được dùng làm cơ sở thảo luận trong cuốn sách này, các thực thể sẽ tương ứng
vưới các quan hệ.
Thay vì phân bố các quan hệ, chúng ta thương chiachúng thành nhiều quan hệ nhỏ
hơn gọi là các mảnh (fragment) và chính các nmảnh sẽ được phân bố. Vì vậy hoạt động
thiết kế phân bố gồm có hai bước: Phân mảnh (fragmentation) và cấp phát (allocation).
Bước cuối cùng là thiết kế vật lý, là bước ánh xạ lược đồ khái niệm cục bộ sang
các thiết bị lưu trữ vật lý có sẵn tại các vị trí tương ứng. Nguyên liệu cho quá trình
này là lược đồ khái niệm cục bộ và thông tin về kiểu mẫu tru xuất mảnh.
Chúng ta đã biết hoạt động phát triển và thiết kế luôn là một quá trình liên tục, đòi
hỏi phải theo dõi, hiệu chỉnh thường xuyên. Vì thế chúng ta cũng đưa vấn đề quan sát và
theo dõi như một hoạt động chính trong quá trình này. Cần chú ý rằng chúng ta không
chỉ theo dõi vấn đề cài đặt CSDL mà còn phải xem xét, theo dõi tính thích hợp của các
khung nhìn của người sử dụng. Kết quả này có tác dụng phản hồi, tạo tiền đề cho việc tìa
thiết kế về sau.
b. Quá trình thiết kế từ dưới lên
Thiết kế từ trên xuống thích hợp với những CSDL được thiết kế từ đầu. Tuy nhiên
chúng ta hay gặp trong thực tế đã có sẵn một số CSDL và nhiệm vụ thiết kế là phải tích
hợp chúng thành một CSDL. Tiếp cận từ dưới lên sẽ thích hợp cho tình huống này. Khởi
điểm của thiết kế từ dưới lên là các lược đồ khái niệm cục bộ. Qua trình này sẽ bao gồm
việc tích hợp các lược đồ cục bộ thành các lược đồ khái niệm toàn cục.
c. Các vấn đề thiết kế phân bố.
Trong phần trước chúng ta đã chỉ ra rằng các quan hệ trong một lược đồ CSDL
thường được phân rã thành các mảnh nhỏ hơn nhưng chưa đưa ra một lý do hoặc chi tiết
nào về quá trình này. Mục tiêu của phần này là trình bày những chi tiết đó.
13
Tập các câu hỏi dưới đây sẽ bao quát toàn bộ vấn đề.
+ Tại sao lại cần phải phân mảnh ?
+ Làm thế nào để thực hiện phân mảnh?
+ Phân mảnh nên thực hiện đến mức độ nào?
+ Có cách gì kiểm tra tính đúng đắn của việc phân rã này hay không?
+ Chúng ta sẽ cấp phát như thế nào?
+ Những thông tin nào sẽ cần thiết cho việc phân mảnh và cấp phát?
2.2. Các vấn đề thiết kế
2.2.1. Lý do phân mảnh
Khung nhìn của các ứng dụng thường chỉ là một tập con của quan hệ. Vì thế đơn vị
truy xuất không phải là toàn bộ quan hệ nhưng chỉ là các tập con của quan hệ. Kết quả là
xem tập con của quan hệ là đơn vị phân bố sẽ là điều thích hợp duy nhất.
Việc phân rã một quan hệ thành nhiều mảnh, mỗi mảnh được xử lý như một đơn
vị, sẽ cho phép thực hiện nhiều giao dịch đồng thời. Ngoài ra việc phân mảnh các quan hệ
sẽ cho phép thực hiện song song một câu vấn tin bằng cách chia nó ra thành một tập các
câu vấn tin con hoạt tác trên các mảnh. Vì thế việc phân mảnh sẽ làm tăng mức độ hoạt
động đồng thời và như thế làm tăng lưu lượng hoạt động của hệ thống.
2.2.2. Các kiểu phân mảnh
Các quy tắc phân mảnh đúng đắn
Chúng ta sẽ tuân thủ ba quy tắc trong khi phân mảnh mà chúng bảo đảm rằng
CSDL sẽ không có thay đổi nào về ngữ nghĩa khi phân mảnh.
a) Tính đầy đủ (completeness).
Nếu một thể hiện quan hệ R được phân rã thành các mảnh R1, R2,…,Rn, thì mỗi
mục dữ liệu có thể gặp trong R cũng có thể gặp một trong nhiều mảnh Ri. Đặc tính này
giống như tính chất phân rã nối không mất thông tin trong chuẩn hoá, cũng quan trọng
trong phân mảnh bởi vì nó bảo đảm rằng dữ liệu trong quan hệ R được ánh xạ vào các
mảnh và không bị mất. Chú ý rằng trong trường hợp phân mảnh ngang “mục dữ liệu”
muốn nói đến là một bộ, còn trong trường hợp phân mảnh dọc, nó muốn nói đến một
thuộc tính.
b) Tính tái thiết được (reconstruction).
14
Nếu một thể hiện quan hệ R được phân rã thành các mảnh R1, R2,…,Rn, thì cần
phải định nghĩa một toán tử quan hệ sao cho
R=Ri, Ri Fr
Toán tử thay đổi tuỳ theo từng loại phân mảnh, tuy nhiên điều quan trọng là
phải xác định được nó. Khả năng tái thiết một quan hệ từ các mảnh của nó bảo đảm rằng
các ràng buộc được định nghĩa trên dữ liệu dưới dạng các phụ thuộc sẽ được bảo toàn.
c) Tính tách biệt (disjointness).
Nếu quan hệ R được phân rã ngang thành các mảnh R1, R2,…,Rn, và mục dữ
liệu di nằm trong mảnh Rj, thì nó sẽ không nằm trong mảnh Rk khác
(k≠j ). Tiêu chuẩn này đảm bảo các mảnh ngang sẽ tách biệt (rời nhau). Nếu quan hệ
được phân rã dọc, các thuộc tính khoá chính phải được lặp lại trong mỗi mảnh. Vì thế
trong trường hợp phân mảnh dọc, tính tách biệt chỉ được định nghĩa trên các trường
không phải là khoá chính của một quan hệ.
Các yêu cầu thông tin
Một điều cần lưu ý trong việc thiết kế phân bố là quá nhiều yếu tố có ảnh hưởng
đến một thiết kế tối ưu. tổ chức logic của CSDL, vị trí các ứng dụng, đặc tính truy xuất
của các ứng dụng đến CSDL, và các đặc tính của hệ thống máy tính tại mỗi vị trí đều có
ảnh hưởng đến các quyết định phân bố. Điều này khiến cho việc diễn đạt bài toán phân bố
trở nên hết sức phức tạp.
Các thông tin cần cho thiết kế phân bố có thể chia thành bốn loại:
- Thông tin CSDL
- Thông tin ứng dụng
- Thông tin về mạng
- Thông tin về hệ thống máy tính
Hai loại sau có bản chất hoàn toàn định lượng và được sử dụng trong các mô hình
cấp phát chứ không phải trong các thuật toán phân mảnh
2.2.2.1. Phân mảnh ngang
Trong phần này, chúng ta bàn đến các khái niệm liên quan đến phân mảnh ngang
(phân bố ngang). Có hai chiến lược phân mảnh ngang cơ bản:
- Phân mảnh nguyên thuỷ (primary horizontal fragmentation) của một quan hệ được
thực hiện dựa trên các vị từ được định nghĩa trên quan hệ đó.
15
- Phân mảnh ngang dẫn xuất (derived horizontal fragmentation ) là phân mảnh một
quan hệ dựa vào các vị từ được định trên một quan hệ khác.
Hai kiểu phân mảnh ngang
Phân mảnh ngang chia một quan hệ r theo các bộ, vì vậy mỗi mảnh là một tập con các
bộ t của quan hệ r.
Phân mảnh nguyên thuỷ (primary horizontal fragmentation) của một quan hệ được
thực hiện dựa trên các vị từ được định nghĩa trên quan hệ đó. Ngược lại phân mảnh ngang
dẫn xuất (derived horizontal fragmentation ) là phân mảnh một quan hệ dựa vào các vị từ
được định trên một quan hệ khác. Như vậy trong phân mảnh ngang tập các vị từ đóng vai
trò quan trọng.
Trong phần này sẽ xem xét các thuật toán thực hiện các kiểu phân mảnh ngang.
Trước tiên chúng ta nêu các thông tin cần thiết để thực hiện phân mảnh ngang.
Yêu cầu thông tin của phân mảnh ngang
a) Thông tin về cơ sở dữ liệu
Thông tin về CSDL muốn nói đến là lược đồ toàn cục và quan hệ gốc, các quan hệ
con. Trong ngữ cảnh này, chúng ta cần biết được các quan hệ sẽ kết lại với nhau bằng
phép nối hay bằng phép tính khác. với mục đích phân mảnh dẫn xuất, các vị từ được định
nghĩa trên quan hệ khác, ta thường dùng mô hình thực thể - liên hệ (entity-relatiónhip
model), vì trong mô hình này các mối liên hệ được biểu diễn bằng các đường nối có
hướng (các cung) giữa các quan hệ có liên hệ với nhau qua một nối.
Thí dụ 1:
CT
Chức vụ, Lương
L1
DA
NV
MDA, tênDA, ngân sách, địa điểm
MNV, tênNV, chức vụ
L2
L3
PC
MNV , MDA, nhiệm vụ, thời gian
Hình 2.2. Biểu diễn mối liên hệ giữa các quan hệ nhờ các đường nối.
16
Hình trên trình bày một cách biểu diễn các đường nối giữa các quan hệ. chú ý rằng
hướng của đường nối cho biết mối liên hệ một -nhiều. Chẳng hạn với mỗi chức vụ có
nhiều nhân viên giữ chức vụ đó, vì thế chúng ta sẽ vẽ một đường nối từ quan hệ CT (chi
trả) hướng đến NV (nhân viên). Đồng thời mối liên hệ nhiều- nhiều giữa NV và DA(dự
án) được biểu diễn bằng hai đường nối đến quan hệ PC (phân công).
Quan hệ nằm tại đầu (không mũi tên ) của đường nối được gọi là chủ nhân (owner)
của đường nối và quan hệ tại cuối đường nối (đầu mũi tên) gọi là thành viên (member).
Thí dụ 2:
Cho đường nối L1 của hình 2.2, các hàm owner và member có các giá trị sau:
Owner( L1 ) = CT
Member (L1) = NV
Thông tin định lượng cần có về CSDL là lực lượng (cardinality) của mỗi quan hệ
R, đó là số bộ có trong R, được ký hiệu là card (R)
b) Thông tin về ứng dụng
Để phân bố ngoài thông tin định lượng Card(R) ta còn cần thông tin định tính cơ
bản gồm các vị từ được dùng trong các câu vấn tin. Lượng thông tin này phụ thuộc bài
toán cụ thể.
Nếu không thể phân tích được hết tất cả các ứng dụng để xác định những vị từ này
thì ít nhất cũng phải nghiên cứu được các ứng dụng” quan trọng” nhất.
Vậy chúng ta xác định các vị từ đơn giản (simple predicate). Cho quan hệ R ( A1,
A2,…, An ), trong đó Ai là một thuộc tính được định nghĩa trên một miền biến thiên D(Ai)
hay Di..
Một vị từ đơn giản P được định nghĩa trên R có dạng:
P: Ai θ Value
Trong đó θ {=,<,≠, ≤, >, ≥} và
value được chọn từ miền biến thiên của Ai (value Di).
Như vậy, cho trước lược đồ R, các miền trị Di chúng ta có thể xác định được tập tất
cả các vị từ đơn giản Pr trên R.
Vậy Pr ={P: Ai θ Value }. Tuy nhiên trong thực tế ta chỉ cần những tập con thực sự
của Pr .
Thí dụ 3: Cho quan hệ Dự án như sau:
P1 : TênDA = “thiết bị điều khiển”
P2 : Ngân sách ≤ 200000
17
Là các vị từ đơn giản..
Chúng ta sẽ sử dụng ký hiệu Pri để biểu thị tập tất cả các vị từ đơn giản được định
nghĩa trên quan hệ Ri. Các phần tử của Pri được ký hiệu là pij.
Các vị từ đơn giản thường rất dễ xử lý, các câu vấn tin thường chứa nhiều vị từ
phức tạp hơn, là tổ hợp của các vị từ đơn giản. Một tổ hợp cần đặc biệt chú ý, được gọi là
vị từ hội sơ cấp (minterm predicate), đó là hội (conjunction) của các vị từ đơn giản. Bởi
vì chúng ta luôn có thể biến đổi một biểu thức Boole thành dạng chuẩn hội, việc sử dụng
vị từ hội sơ cấp trong một thuật toán thiết kế không làm mất đi tính tổng quát.
Cho một tập Pri = {pi1, pi2, …, pim } là các vị từ đơn giản trên quan hệ Ri, tập các vị
từ hội sơ cấp Mi={mi1, mi2, …, miz } được định nghĩa là:
Mi={mij | mij=Λ p* } với 1 ≤ k ≤ m, 1 ≤ j ≤ z
ik
Trong đó p* =pik hoặc p* = ¬pik . Vì thế mỗi vị từ đơn giản có thể xuất hiện trong
ik
ik
vị từ hội sơ cấp dưới dạng tự nhiên hoặc dạng phủ định.
Thí dụ 4:
Xét quan hệ CT:
chức vụ
Lương
Kỹ sư điện
40000
34000
27000
24000
Phân tích hệ thống
Kỹ sư cơ khí
Lập trình
Dưới đây là một số vị từ đơn giản có thể định nghĩa được trên PAY.
p1:
p2:
p3:
p4:
p5:
p6:
chức vụ=” Kỹ sư điện”
chức vụ=” Phân tích hệ thống ”
chức vụ=” Kỹ sư cơ khí ”
chức vụ=” Lập trình ”
Lương ≤ 30000
Lương > 30000
Dưới đây là một số các vị từ hội sơ cấp được định nghĩa dựa trên các vị từ đơn
giản này
m1: chức vụ=” Kỹ sư điện ”Λ Lương ≤ 30000
m2: chức vụ =” Kỹ sư điện ”Λ Lương > 30000
18
m3: ¬(chức vụ=” Kỹ sư điện ”)Λ Lương ≤ 30000
m4: ¬(chức vụ=” Kỹ sư điện ”)Λ Lương> 30000
m5: chức vụ=” Lập trình ”Λ Lương ≤ 30000
m6: chức vụ=” Lập trình ”Λ Lương > 30000
Chú ý:+ Phép lấy phủ định không phải lúc nào cũng thực hiện được. Thí dụ:xét
hai vị từ đơn giản sau: Cận_dưới ≤ A; A Cận_trên. Tức là thuộc tính A có miền trị nằm
trong cận dưới và cận trên, khi đó phần bù của chúng là:
¬(Cận_dưới ≤ A);
¬(A Cận_trên) không xác định được. Giá trị của A trong các phủ định
này đã ra khỏi miền trị của A.
Hoặc hai vị từ đơn giản trên có thể được viết lại là:
Cận_dưới ≤ A Cận_trên có phần bù là: ¬(Cận_dưới ≤ A ≤ Cận_trên) không định
nghĩa được. Vì vậy khi nghiên cứu những vẫn đề này ta chỉ xem xét các vị từ đẳng thức
đơn giản.
=> Không phải tất cả các vị từ hội sơ cấp đều có thể định nghĩa được.
+ Một số trong chúng có thể vô nghĩa đối với ngữ nghĩa của quan hệ Chi trả.
Ngoài ra cần chú ý rằng m3 có thể được viết lại như sau:
m3: chức vụ ≠ “Kỹ sư điện ” Λ Lương ≤ 30000
Theo những thông tin định tính về các ứng dụng, chúng ta cần biết hai tập dữ liệu.
Độ tuyển hội sơ cấp (minterm selectivity): số lượng các bộ của quan hệ sẽ được
truy xuất bởi câu vấn tin được đặc tả theo một vị từ hội sơ cấp đã cho. chảng hạn
độ tuyển của m1 trong Thí dụ 4 là zero bởi vì không có bộ nào trong CT thỏa vị từ
này. Độ tuyển của m2 là 1. Chúng ta sẽ ký hiệu độ tuyển của một hội sơ cấp mi là
sel (mi).
Tần số truy xuất (access frequency): tần số ứng dụng truy xuất dữ liệu. Nếu Q={q1,
q2,....,qq} là tập các câu vấn tin, acc (qi) biểu thị cho tần số truy xuất của qi trong
một khoảng thời gian đã cho.
Chú ý rằng mỗi hội sơ cấp là một câu vấn tin. Chúng ta ký hiệu tần số truy xuất
của một hội sơ cấp là acc(mi)
Phân mảnh ngang nguyên thuỷ
Phân mảnh ngang nguyên thuỷ được định nghĩa bằng một phép toán chọn trên
các quan hệ chủ nhân của một lược đồ của CSDL. Vì thế cho biết quan hệ R, các mảnh
ngang của R là các Ri:
19
Ri = σFi(R), 1 ≤ i ≤ z.
Trong đó Fi là công thức chọn được sử dụng để có được mảnh Ri. Chú ý rằng nếu
Fi có dạng chuẩn hội, nó là một vị từ hội sơ cấp (mj).
Thí dụ 5: Xét quan hệ DA
MDA
TênDA
Ngân sách
Địa điểm
P1
P2
P3
P4
Thiết bị đo đạc
Phát triển dữ liệu
CAD/CAM
150000
135000
250000
310000
Montreal
New York
New York
Paris
Bảo dưỡng
Chúng ta có thể định nghĩa các mảnh ngang dựa vào vị trí dự án. Khi đó các mảnh
thu được, được trình bày như sau:
DA1=σĐịa điểm=”Montreal” (DA)
DA2=σĐịa điểm=”New York” (DA)
DA3=σĐịa điểm=”Paris” (DA)
DA1
MDA
P1
TDA
Ngân sách
150000
Địa điểm
Montreal
Thiết bị đo đạc
DA2
MDA
TênDA
Ngân sách
Địa điểm
P2
P3
Phát triển dữ liệu
CAD/CAM
135000
250000
New York
New York
DA3
MDA
P4
TênDA
thiết bị đo đạc
Ngân sách
310000
Địa điểm
Paris
Bây giờ chúng ta có thể định nghĩa một mảnh ngang chặt chẽ và rõ ràng hơn
Mảnh ngang Ri của quan hệ R có chứa tất cả các bộ R thỏa vị từ hội sơ cấp mi
Một đặc tính quan trọng của các vị từ đơn giản là tính đầy đủ và tính cực tiểu.
- Tập các vị từ đơn giản Pr được gọi là đầy đủ nếu và chỉ nếu xác suất mỗi ứng
dụng truy xuất đến một bộ bất kỳ thuộc về một mảnh hội sơ cấp nào đó được định nghĩa
theo Pr đều bằng nhau.
20
Tải về để xem bản đầy đủ
93 trang
13/04/2022
2800
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Cơ sở dữ liệu phân bổ", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- giao_trinh_co_so_du_lieu_phan_bo.pdf
