計算機科學實現數據庫互操作 推薦站內最受追捧的計算機雜志：《計算機科學》由國家科技部主管，西南信息中心主辦，系“中文科技核心期刊”、“中國科技論文統計與分析用期刊”、“中國科學引文數據庫來源期刊”、“中國期刊方陣雙效期刊”。主要報導國內外計算機科學與技術的發展動態，涉及面廣的方法論與技術，和反映新苗頭、能起承先啟后作用的研究成果。內容涉及程序理論、計算機軟件、計算機網絡與信息、數據庫、人工智能、人機界面、國際會議、應用等。

　　摘 要： 計算機科學由于歷史及技術等原因，在資源建設的過程中產生了異構數據庫，數據庫互操作問題也一直是數據庫研究領域的熱門課題。主要闡述了異構數據庫互操作的概念、實現途徑中的關鍵技術。

　　關鍵詞： 計算機科學,資源整合,異構數據庫,互操作,聯邦式數據庫

　　1 引言

　　異構數據庫互操作問題作為數據庫領域的研究熱點和難點課題，在國內外的學術界和工業界都引起了廣泛的關注。自20世紀80年代以來，國外許多公司和科研單位對異構數據庫的集成進行了大量研究，取得了不少成果，但國內對異構數據庫集成的研究還處于開始階段。

　　2 異構數據庫互操作的概念

　　異構數據庫(Heterogeneous Database)集成是數據庫技術從完全集中到邏輯集中、物理分布(傳統分布式數據庫)乃至邏輯分布、物理分布(異構數據庫)這一發展過程的結果，也是兼顧已有系統自治性并實現新的數據共享這一現實需求的有效手段。

　　異構數據庫的異構特征包括兩個級別：系統一級的異構和語言一級的異構，主要體現在以下幾個方面。

　　(1)計算機體系結構的異構:各個參與的數據庫可以分別運行在大型機、小型機、工作站、PC或嵌入式系統中。

　　(2)操作系統的異構:各個數據庫系統的基礎操作系統可以是Unix, Windows NT,Linux等。

　　(3)數據庫管理系統的異構:一種是數據庫概念模式的異構:有層次、網狀、關系和面向對象4種;另一種是數據庫物理模式的異構：指概念模式相同，但數據結構不同，比如Oracle與SQL Server同屬關系型，但結構不同。

　　異構數據庫互操作的實現包括三個功能要素:(1)為用戶提供功能強大且操作靈活的互操作可視化界面，通過它用戶可以直觀地對多個異構數據庫進行透明訪問;(2)提供高級語言數據庫訪問調用級接口，至于調用級接口的實現層次可由設計者視具體清況而定;(3)支持環境開放性，可能的話還應該支持實現語言開放性。

　　異構數據庫系統的目標在于實現不同數據庫之間的數據信息資源、硬件設備資源和人力資源的合并和共享。異構數據庫系統集成就是要將數據庫系統的不同，操作系統的不同，操作平臺的不同或者底層網絡的不同進行屏蔽，使得用戶就可以將異構數據庫系統看成普通的數據庫系統，用自己熟悉的數據處理語言去訪問數據庫，如同訪問一個數據庫系統一樣，對其進行透明的操作。

　　3 實現異構數據庫互操作的途徑

　　面對異構數據庫的互操作需求，主要從兩個方面同時進行努力:一是建立標準，即建立統一的數據庫規范，消除由于標準的不完善而造成的各數據庫系統間的差異;二是構建異構數據庫互操作平臺，實現對多個異構數據庫的透明訪問。

　　隨著對數據庫互操作問題的深入研究，基于不同角度，許多研究者提出了可行的異構數據庫互操作途徑，這些途徑在實現互操作的深度、廣度和高度上各不相同，都有各自所適應的特定環境和需求。從異構數據庫的核心思想出發，把實現互操作的途徑歸納為兩大類。

　　3.1 系統級異構互操作

　　對于DBMS系統一級異構的網絡環境下的數據庫互操作，主要有四種實現途徑。

　　(1)數據庫網關(Database Gateway)

　　數據庫網關是一種中繼器，它能提供應用級的異構數據庫集成的手段。網關的主要作用是轉換和通信。

　　數據庫網關可以建立比較穩定和透明的數據庫互操作，但是其缺點也較為明顯。諸如不關心如何屏蔽數據庫之間的異構性，不支持事務處理，資源冗余，用戶受限于數據庫廠商，不能任意選擇客戶機平臺及目標數據庫等問題。

　　(2)公共協議/數據轉換協議技術

　　公共協議是異構數據庫進行通信時采用的公認的數據協議，即公認的系統間傳遞SQL請求和結果的形式。最常見的協議是ANSI/ISO的關系數據存取(RDA)標準、SGA(SQL Access Group)規范和IBM的分布式關系數據庫結構(DRDA)。

　　數據庫網關相比，公共協議更具有可擴充性和開放性，能較好地實現異構數據庫的透明訪問、支持多種網絡協議和多種客戶平臺，是實現異構數據庫互操作的有效途徑之一。

　　公共協議/數據轉換協議的缺點是協議本身的低效率帶來的速度問題。

　　(3)公共編程接口

　　公共編程接口包括客戶應用編程界面(CAPI)和服務器應用編程界面(SAPI)。CAPI是一組過程庫，通常駐留在客戶端，通過裝載后端專用的驅動程序訪問不同的數據庫。SAPI提供一個應用編程界面，控制服務器與客戶應用請求和目標數據庫之間的交互。如Microsoft 的ODBC、Oracle的SQL*NET 以及IDAPI。其優點有：由于提供了統一的調用級接口，使用戶免除了應用程序隨數據庫改變而改變的痛苦;通過API可使應用程序直接操縱數據庫中的數據。數據庫訪問API的缺點是:針對每一個數據庫都需要有一個與其對應的驅動程序;由于不同的驅動程序所支持的數據類型和對數據的操作都不相同，其完全透明地訪問異構數據庫的能力有限;實現效率過分依賴于驅動程序，而驅動程序將標準語法轉換成相應數據庫的命令語法要花費大量的時間。

　　(4)中間件技術(Middle Ware)

　　中間件是處于應用程序及應用程序所在系統的內部工作方式之間的軟件，它的基本思想是在各后端數據源和前端應用程序之間建立一個抽象層。把應用程序與系統所依附軟件的較低層細節和復雜性隔離開來，使應用程序開發者只處理某種類型的單個API，而其他細節則可以由中間件處理。這樣就使系統對每個不同數據源的操作變成對單一的中間件的操作，而后再對中間件進行異構處理。使用中間件技術解決異構數據庫集成的問題，將會給系統集成帶來很多的好處。這是因為中間件不僅能夠使得前端用戶訪問后端的異構數據庫實現透明化，并且保證了訪問接口的開放性，這樣可以使系統在以后功能上的擴展更加方便。通過中間件來訪問數據庫的另一個好處就是所有的客戶端的請求都發送到了中間件上，減輕了數據庫服務器的負擔，保證了數據庫服務器的性能不會降低。同時，中間件的采用極大地提高了系統的可維護性，在系統內部的某個邏輯發生變化時，只要改變中間層的相應處理程序，前臺用戶界面不需要做任何的改動，這樣就大大降低了系統維護的費用。

　　3.2 數據結構與語義級異構互操作

　　目前，對于數據結構和語義一級異構的數據庫互操作的研究有緊密耦合和松散耦合兩種思想，具體體現于多數據庫系統、聯邦數據庫系統和分布式數據庫系統三種方法。

　　(1)多數據庫系統

　　所謂多數據庫系統就是一種能夠接受和容納多個異構數據庫的系統，允許各個異構數據庫的“自治性”。多數據庫系統是一個廣義的概念，是相對于如集中式數據庫系統或分布式數據庫系統那種邏輯上具有同一管理系統而言的，它以多元和分布為主要特征。多元是指它多個彼此區別的集中式或分布式數據庫系統;分布則是指數據分布在不同場地的數據庫系統中，由各自的管理系統進行管理。

　　多數據庫技術的目標是為在多個數據庫之間實現互操作，解決數據庫資源共享找到一種技術途徑。一般采用分布、異構、自治三個特性作為尺度來刻畫多數據庫系統。使用這種方法，用戶需要顯式地指明所要訪問的數據庫。多數據庫系統采用自下而上的方法來實現。

　　(2)分布式數據庫(Distributed Database)

　　分布式數據庫的基本思想是拋棄原有的數據庫系統，在網絡環境下建立分布的數據庫系統，在體系結構、事務處理模型等方面重新設計從而解決信息共享與互操作問題。分布式數據庫系統分為同質分布式數據庫和異質分布式數據庫。像 Oracle、Sybase、Informix 等都是同質分布式數據庫系統，這類系統的實現相對來說比較容易一些。異質分布式數據庫管理系統大多是在已有的一些數據庫管理系統的基礎上實現的。

　　(3)聯邦式數據庫(Federated Database)

　　聯邦式數據庫系統是網絡技術和分布式數據庫技術發展的必然結果，它是由一組能協調工作，又可以獨立自治的部件數據庫組成。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、異構性三大特性。

　　聯邦式數據庫與分布式數據庫系統的區別在于：分布式數據庫系統雖然在物理上是分散的，但因為有統一的數據模型及全局數據模式，所以它在邏輯上卻是集中的，因此用戶感覺到的是一個完整的數據庫。顯然，這種系統可用于某個專用領域的系統，但不適于不同領域間的異構系統的集成。相反地，聯邦式數據庫系統是由在不同結點上松散耦合分布的異構成員數據庫構成，各聯邦成員間的一種松散結合。構成聯邦成員的可以是一個集中式數據庫，也可以是一個分布式數據庫，它們可以根據需要(按某種組合)加入聯邦或者根據需要退出聯邦。聯邦式數據庫沒有全局模式，各子系統(即聯邦成員)按自己的需求建立各自的數據模式。其成員之間的數據共享關系，通過由協商確定的輸入/輸出模式來建立，單個成員有權拒絕或允許其它成員結點對它的訪問。因此，它能夠支持多庫系統的分布性、異構性和自治性，使之產生滿意的集成。

　　異構數據庫的互操作技術使得數據庫在原有技術領域發揮重要作用的同時，在未來新的應用領域也有著重要的影響，如地球觀測系統 EOSDIS、電子商務、保健信息系統、數字出版、協同設計等領域。

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