1.3 數據庫系統的組成和類型

1.3.1 數據庫系統的組成

數據庫系統（Database Systems，DBS）是一個能夠實現有組織地、動態地存儲大量相關數據，提供數據處理和信息資源共享的計算機系統。一個典型的數據庫系統組成包括數據庫、數據庫管理系統（DBMS）、應用系統和用戶4部分。也可將數據庫系統組成定義為5部分：數據庫、DBMS、軟件、硬件和用戶。其中，用戶（User）主要是指開發、管理和使用數據庫的人員，包括數據庫管理員（Database Administrator，DBA）、系統分析員、數據庫設計人員、應用程序員和終端用戶等，如圖1-2所示。在不混淆的情況下，通常將數據庫系統簡稱為數據庫。

數據庫管理系統（DBMS）是數據庫系統的核心。DBMS提供數據定義、組織存儲和管理、數據操作和數據維護等功能，同時為應用開發人員和最終用戶提供相應的開發工具。

關于DBMS更詳細的講解，請參見1.5節中的介紹。數據庫技術實現了數據的獨立和共享，可使應用程序更便捷地使用數據，應用程序與數據之間的操作由數據庫管理系統來接管，應用程序不再直接面向具體數據文件，在數據庫階段，應用程序與數據之間的關系如圖1-13所示。

1.3.2 數據庫系統的類型

數據庫系統的類型可以從不同的角度進行劃分。根據用戶數的多少來分，可分為單用戶和多用戶；根據用途和使用范圍來分，可分為數據倉庫或決策支持等類型；按數據庫系統的部署位置不同，可分為集中式、客戶機/服務器式、分布式和并行式4種。下面重點介紹最后一種分類方式的數據庫。

1．集中式數據庫系統

集中式數據庫系統（Centralized Database Systems）是指數據庫中的數據和數據處理集中在一臺計算機（稱為主機）上完成，其他用戶可使用終端設備訪問數據庫，但是終端不參與數據庫中數據的計算與管理。此外，終端本身并不能完成任何操作，所有數據操作必須由主機完成。其拓撲結構圖如圖1-14所示。

在集中式數據庫系統中，DBMS、DB和應用程序都集中部署在一臺主機上。用戶通過終端并發地訪問主機上的數據，共享其中的數據，所有處理數據的工作都由主機完成。用戶若在一個終端上提出要求，主機可根據用戶的要求訪問數據庫，并對數據進行處理，再將結果回送到該終端輸出。集中式結構的優點是功能容易實現、簡單、數據安全性高。其缺點是主機出現故障時，系統內的所有機器均無法訪問數據庫，存在單點瓶頸，系統容錯性低；終端到主機的通信開銷昂貴；當終端并發過多時，主機存在效率瓶頸。

2．客戶機/服務器（Client/Server，C/S）數據庫系統

C/S結構的關鍵是功能的分解和分布，將功能或任務進行分解，一些功能由客戶機完成，另一些功能由服務器執行，即采用“功能分布”的原則。客戶端完成本地個性化的處理，并向服務器發送請求，同時顯示服務器返回的數據結果；服務器端負責處理公共的部分任務。C/S數據庫系統的網絡拓撲結構如圖1-15所示。

在C/S數據庫系統中，通信網絡中的數據傳輸量明顯減少，提高了網絡效率；客戶機端參與計算提高了硬件的利用，進而使系統效率有所提高。此外，由于客戶機端的功能相對簡單，可以開發適用于不同系統平臺的軟件，提高這種結構的平臺兼容性。

實際應用中，出于系統安全性、穩定性和健壯性考慮，通常將數據庫、應用服務器和客戶端三層分開部署，稱為C/S三層架構。包括表示層、應用層和數據層。三層架構比二層結構增加了一個應用服務器層，如圖1-16所示。在三層架構中，客戶機通常只安裝具有用戶界面和簡單的數據處理功能的應用程序，為用戶提供人機界面并與應用服務器進行交互；應用服務器上部署專門的應用程序來處理商業中的復雜業務邏輯；數據層由DBMS負責數據的存取和維護。客戶端的數據請求由應用服務器上的應用程序接管，不再直接訪問數據庫，數據安全性提高。數據庫服務器負責處理應用服務器發送的請求，并將操作結果傳送給應用服務器。

三層C/S結構的優點為：擴展性強，各層分工明確，其中任何一層的變動不會影響其他層；客戶機功能更簡潔，開發和管理工作集中在應用服務器端。值得指出的是，這種方式增加了業務分層和開發工作量，不適合小的應用系統建設。

3．分布式數據庫系統

分布式數據庫系統（Distributed Database Systems）的特點在1.1.3節中已介紹過，其數據最顯著的特點是“邏輯整體性和物理存儲分布性”。即通過計算機網絡和專門分布式管理軟件，使在物理上分布在各個場地的數據庫形成一個邏輯上的整體數據庫，用戶在使用該數據庫時感覺不到數據場地的分散性，就像使用一個統一的本地數據庫一樣。實際應用中，分布式數據庫一般應用在大型跨國或跨地區的企業或單位。分布式數據庫結構如圖1-4所示。

4．并行式數據庫系統

隨著信息技術的發展和網絡的普及，各種應用業務需要處理的數據日益增長。對于大部分企業來說，數據規模已達到TB級，傳統數據庫系統存在固有的I/O和CPU瓶頸問題，導致一般意義上的服務器無法滿足數據存取需求，特別是一些事物型數據庫的數據讀取要求每秒處理成千上萬個請求。集中式DBS和C/S式DBS都無法應付這種情況，只有并行技術與數據庫結合才可以解決這類問題。

并行式數據庫系統（Parallel Database Systems）是新一代高性能的數據庫系統，是在并行處理機（MPP）和集群并行計算環境的基礎上建立的數據庫系統，是并行處理技術與數據庫技術結合的產物。并行數據庫具有以下特點：①高性能。如通過將數據庫在多個磁盤上分布存儲，利用多個處理機對磁盤數據進行并行處理，解決磁盤I/O瓶頸，提高效率。②高可用性。如通過數據復制增強數據庫的可用性，當一個磁盤損壞時，該數據在其他磁盤上的副本仍可供使用。③可擴充性。當數據庫遇到性能和容量瓶頸時，可通過增加處理器和存儲設備來擴展性能。