一種多自治域?qū)哟位ゲ僮髂Ｐ偷南到y(tǒng)框架

1、一種多自治域?qū)哟位ゲ僮髂Ｐ偷南到y(tǒng)框架*李瑞軒 盧正鼎 吳煒 文珠穆（華中科技大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 武漢430074）E-mail:摘 要 數(shù)據(jù)互操作是信息集成領(lǐng)域需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。聯(lián)邦數(shù)據(jù)庫(kù)和多數(shù)據(jù)庫(kù)是解決分布式異構(gòu)環(huán)境中多個(gè)數(shù)據(jù)源的集成與互操作的兩種方法，但它們各有優(yōu)缺點(diǎn)。完全的集中不能保證局部系統(tǒng)的自治，全部的分散又不能保證系統(tǒng)之間的共享和互操作。在分析聯(lián)邦數(shù)據(jù)庫(kù)與多數(shù)據(jù)庫(kù)特點(diǎn)與差異的基礎(chǔ)上，提出了一種多自治域的層次互操作模型MDHI ，通過(guò)對(duì)Panorama 多數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展，給出了一種基于Web Service的Panorama Web One系統(tǒng)框架。這種框架既滿(mǎn)足了局域范

2、圍內(nèi)的集成和處理效率，又提供了一種集成廣域范圍內(nèi)多種異構(gòu)數(shù)據(jù)源的方法，更加符合當(dāng)前實(shí)際應(yīng)用的需要。關(guān)鍵詞 多數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng) 聯(lián)邦數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng) 數(shù)據(jù)集成 互操作性 自治性文章編號(hào) BA8685 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 中圖分類(lèi)號(hào) TP311.13An System Framework for Multi-Domain HierarchicalInteroperability ModelLi Ruixuan, Lu Zhengding, Wu Wei, Wen Zhumu(College of Computer Science & Technology, Huazhong University of S

3、cience & Technology, Wuhan 430074 Abstract: Data interoperability is one of the key issues of information integration. Federated database and multidatabase are the two methods to solve the problem of integration and interoperation among multiple data sources in distributed and heterogeneous envi

4、ronment. But they both have different relative merits. It cant ensure the autonomy of local systems when hiring complete centralization of management, while data sharing and interoperation cant be achieved when using total separation. This paper firstly analyzes the characteristic and differences of

5、 federated database and multidatabase and presents a multi-domain hierarchical interoperability (MDHI model. It also gives a framework for Panorama Web One system based on Web Service by extending Panorama multidatabase system. This framework cannot only integrate and process data in local area effi

6、ciently, but also provide a method to integrate multiple heterogeneous data sources in wide area. It will satisfy the present real application requirements better. Keywords: Multidatabase systems, Federated database systems, Data integration, Interoperability, Autonomy1 引言目前我們所處的計(jì)算環(huán)境，無(wú)論從硬件還是軟件角度看，均是

7、異構(gòu)的。不同的硬件平臺(tái)，不同的操作系統(tǒng)，各種各樣的數(shù)據(jù)源分布在網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)角落。數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的發(fā)展已導(dǎo)致了許多數(shù)據(jù)庫(kù)系基金項(xiàng)目：國(guó)家“十五”科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2002BA103A04）作者簡(jiǎn)介：李瑞軒，博士研究生，主要研究方向?yàn)榉植际疆悩?gòu)系統(tǒng)集成、分布式系統(tǒng)安全。盧正鼎，教授，博導(dǎo)，主要研究方向?yàn)榉植际较到y(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)、信息安全。吳煒，博士研究生，主要研究方向?yàn)榉植际疆悩?gòu)系統(tǒng)集成。文珠穆，博士研究生，主要研究方向?yàn)樾畔⑾到y(tǒng)安全。統(tǒng)的出現(xiàn)，在一臺(tái)大型計(jì)算機(jī)上可能存在著多種數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)上也常有數(shù)以千計(jì)的數(shù)據(jù)庫(kù)可供訪問(wèn)。多個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)同時(shí)并存，甚至文件系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)并存，而且各成員系統(tǒng)均

8、有一定的自治性。計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，使得各種各樣的軟件層出不窮，基于這些軟件的應(yīng)用滲透到各個(gè)領(lǐng)域，它們?cè)跀?shù)據(jù)格式、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示等方面各具特色。隨著應(yīng)用需求的不斷增加，越來(lái)越多的用戶(hù)希望能夠同時(shí)訪問(wèn)和處理來(lái)自多個(gè)軟件系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)多個(gè)軟件系統(tǒng)與不同數(shù)據(jù)源之間的互操作。一個(gè)理想的互操作系統(tǒng)是這樣的，在分布異構(gòu)環(huán)境中，不同的系統(tǒng)能彼此更安全地獲取和處理對(duì)方的信息；用戶(hù)能方便地搜索和查詢(xún)所需的信息，并能方便地使用各種不同類(lèi)型和格式的數(shù)據(jù)；信息管理者能很好地管理信息，為用戶(hù)服務(wù)，并將資源充分地提供給用戶(hù)1。通常，互操作性（Interoperability ）是指不同計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)、操作系統(tǒng)

9、和應(yīng)用程序一起工作并共享信息的能力，它強(qiáng)調(diào)將具有不同數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)格式的軟件系統(tǒng)集成在一起協(xié)同工作。實(shí)際上，互操作在不同的情況下具有不同的側(cè)重點(diǎn)，強(qiáng)調(diào)軟件功能模塊之間相互調(diào)用時(shí)稱(chēng)為軟件互操作；強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)集之間相互透明的訪問(wèn)時(shí)稱(chēng)為數(shù)據(jù)互操作；強(qiáng)調(diào)信息的共享在一定語(yǔ)義約束下的互操作稱(chēng)為語(yǔ)義互操作等。數(shù)據(jù)互操作是信息集成中需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題，它是指在分布異構(gòu)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)不同數(shù)據(jù)格式和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)的共享與相互訪問(wèn)，包括不同文件系統(tǒng)中的相互訪問(wèn)、不同數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)的訪問(wèn)以及Web 文檔的訪問(wèn)等。聯(lián)邦數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)和多數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)是解決分布式異構(gòu)環(huán)境中多個(gè)數(shù)據(jù)源的集成與互操作問(wèn)題的兩種方法，但它們各有優(yōu)缺點(diǎn)2。本文

10、在分析聯(lián)邦數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)與多數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)特點(diǎn)和差異的基礎(chǔ)上，提出了一種多自治域的層次互操作模型，通過(guò)對(duì)我們自行研制的多數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)Panorama 進(jìn)行擴(kuò)展，給出了基于Web Service的Panorama Web One系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框架。2 分布異構(gòu)環(huán)境下的互操作系統(tǒng)2.1 多數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng) 圖1 多數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu) 多數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)是指對(duì)已經(jīng)存在的多個(gè)異構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)，在不影響其局部自治性的基礎(chǔ)上，構(gòu)造用戶(hù)所需要的某種透明性的分布式管理系統(tǒng)，以支持對(duì)物理上分布的多個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)的全局訪問(wèn)和數(shù)據(jù)庫(kù)之間的互操作。一個(gè)多數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)（MDBS ）是預(yù)先存在的、分布的、異構(gòu)的、自治的多個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的聯(lián)合3。通常，將組成一個(gè)多數(shù)

11、據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的各個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)稱(chēng)為成員數(shù)據(jù)庫(kù)（CDBS ）或局部數(shù)據(jù)庫(kù)（LDBS ）。各個(gè)局部數(shù)據(jù)庫(kù)可以全部存在于同一場(chǎng)地，也可以分布在多個(gè)不同場(chǎng)地，它們可以是同構(gòu)的亦可以是異構(gòu)的。多數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。該體系結(jié)構(gòu)共分為三層：多數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用層、多數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)層和局部系統(tǒng)層，其中多數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)層又分為全局管理子層和局部代理子層。多數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用層與全局管理子層之間、全局管理子層與局部代理子層之間通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)或分布計(jì)算平臺(tái)進(jìn)行交互。局部代理與局部系統(tǒng)之間則通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)提供的各種接口進(jìn)行通信，如調(diào)用級(jí)接口CLI 、ODBC 等。多數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)提供了一種從系統(tǒng)和規(guī)模上來(lái)解決異種數(shù)據(jù)庫(kù)集成與互操作的方法。它

12、能夠接受和容納多個(gè)分布異構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，對(duì)外呈現(xiàn)出一種集成結(jié)構(gòu)和統(tǒng)一視圖，而對(duì)內(nèi)又允許各個(gè)異構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)的“自治性”。多數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)具有全局的統(tǒng)一管理，因此具有統(tǒng)一的全局模式。與傳統(tǒng)的分布式數(shù)據(jù)庫(kù)不同的是，傳統(tǒng)的分布式數(shù)據(jù)庫(kù)（DDB ）屬于全局邏輯集成方式，全局概念模式給出了整個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)的概念視圖；而多數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)屬于松散集成方式，全局模式只表示每個(gè)局部數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)所共享的那部分?jǐn)?shù)據(jù)的集合，各局部數(shù)據(jù)庫(kù)的“私有”部分不參與多數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)全局管理。2.2 聯(lián)邦數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng) 圖2 聯(lián)邦數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)3 多自治域的層次互操作模型從前面的討論中可以看出，多數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)和聯(lián)邦數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)在組成結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)方法上沒(méi)有本質(zhì)意義

13、上的不同，主要的差別在于聯(lián)邦數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)沒(méi)有全局模式和中央控制中心，各組成數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)間的耦合更加松散，真正實(shí)用的聯(lián)邦數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)上更加困難，保證全局的安全事務(wù)處理幾乎不可能。在某些情況下，如只包含查詢(xún)語(yǔ)句、實(shí)現(xiàn)領(lǐng)導(dǎo)決策輔助功能，進(jìn)行這方面的研究是很有必要和有意義的。全部采用多數(shù)據(jù)庫(kù)的方式需要存在一個(gè)全局的系統(tǒng)管理層，各局部系統(tǒng)與全局交換信息，局部依附與全局，但同時(shí)又有很強(qiáng)的自治性，數(shù)據(jù)源之間不能直接交換信息，需要通過(guò)多數(shù)據(jù)庫(kù)全局系統(tǒng)層這個(gè)中間橋梁，但在實(shí)際情況下，數(shù)據(jù)源之間的關(guān)系較為松散，有時(shí)不可能構(gòu)造這樣一個(gè)全局控制中心。因此，完全的集中，不能保證局部的自由；全部的分散，不能保證相互的

14、共享和互操作。這里給出的一種分布異構(gòu)環(huán)境下的多自治域?qū)哟位ゲ僮鳎∕DHI ）模型，既結(jié)合多數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的構(gòu)架，在局部可控制的范圍內(nèi)實(shí)施集中；又兼顧聯(lián)邦數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的性質(zhì)，在全局采用聯(lián)邦的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)互操作，是一種混合互操作模型。MDHI 模型的相關(guān)定義如下。，其中LDBS 為自治域內(nèi)成員系統(tǒng)的集定義1 自治域AD i （LDBS ，LA ，GM ，GDM ，TCP ）合；LA 為局部代理的集合，負(fù)責(zé)全局與局部的信息交換；GM 為自治域的全局管理器；GDM 為自治域的全局?jǐn)?shù)據(jù)模型；TCP 為自治域的事務(wù)提交協(xié)議。自治域中的局部代理、全局管理器、全局?jǐn)?shù)據(jù)模型和事務(wù)提交協(xié)議等按多數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的方式實(shí)現(xiàn)，完

15、成在自治域范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)庫(kù)互操作。定義2 互操作模型MDHI （AD ，F(xiàn)SA ，F(xiàn)IEP ，F(xiàn)AC ），其中AD 為所有自治域的集合；FSA 為安全代理集合，是自治域間交換信息的橋梁；FIEP 為聯(lián)邦信息安全交換協(xié)議，在多代理協(xié)商語(yǔ)言的基礎(chǔ)上定義自治域間交換信息的規(guī)則；FAC 為聯(lián)邦安全訪問(wèn)控制協(xié)議，定義聯(lián)邦系統(tǒng)的安全訪問(wèn)控制機(jī)制，解決各自治域安全協(xié)議的不一致。 圖3 多自治域?qū)哟位ゲ僮髂Ｐ徒Y(jié)構(gòu)圖MDHI 模型的體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。其主要思想是將地理位置相近的成員系統(tǒng)（如同在一個(gè)單位或部門(mén)的多個(gè)系統(tǒng)）按多數(shù)據(jù)庫(kù)的方式集中管理，建立全局統(tǒng)一的身份認(rèn)證和訪問(wèn)控制機(jī)制；而將不能集中的成員系統(tǒng)按聯(lián)邦數(shù)

16、據(jù)庫(kù)的方式進(jìn)行管理，沒(méi)有統(tǒng)一的全局模式，僅有公共的數(shù)據(jù)交換協(xié)議（如采用SOAP 協(xié)議）。成員系統(tǒng)按域的方式進(jìn)行組織。能集中管理的系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)自治域，自治域內(nèi)采用多數(shù)據(jù)庫(kù)的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的存取和互操作。自治域間則進(jìn)行松耦合的管理，跨域的互操作可能需要進(jìn)行數(shù)據(jù)模型、查詢(xún)語(yǔ)言和安全機(jī)制等的轉(zhuǎn)換及相互映射。4 基于Web Services的Panorama 系統(tǒng)框架我們自行研制的多數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)Panorama 2003實(shí)現(xiàn)了多種數(shù)據(jù)源（如ORACLE 、SYBASE 、DB2、56。通過(guò)在多個(gè)局部數(shù)文件數(shù)據(jù)源等）的集成，為用戶(hù)提供了一個(gè)透明訪問(wèn)多個(gè)數(shù)據(jù)源的公共接口據(jù)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上構(gòu)建一個(gè)虛擬數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，

17、解決不同數(shù)據(jù)源的異構(gòu)性和數(shù)據(jù)的分布性。用戶(hù)與訪問(wèn)傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)一樣，使用多數(shù)據(jù)庫(kù)查詢(xún)語(yǔ)言提交對(duì)全局模式的查詢(xún)。Panorama 2003采用CORBA 作為底層通信平臺(tái)，局部代理、查詢(xún)管理、查詢(xún)分解及結(jié)果合并等模塊均以CORBA 服務(wù)的方式封裝，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)的透明性。全局模式以XML 方式來(lái)定義，提供一個(gè)模式管理工具來(lái)輔助解決不同模式間的沖突。除此之外，Panorama 2003還將安全機(jī)制融入多數(shù)據(jù)源的集成中，實(shí)現(xiàn)了基于角色的訪問(wèn)控制和基于公鑰的身份認(rèn)證機(jī)制。Panorama 2003實(shí)質(zhì)上是位于應(yīng)用系統(tǒng)和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)（如數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)、文件及Web 系統(tǒng)等）之間的一個(gè)中間件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了分布異

18、構(gòu)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成，為用戶(hù)透明訪問(wèn)多種數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)提供了一個(gè)統(tǒng)一的訪問(wèn)界面。 圖4 基于Web Services的Panorama Web One體系結(jié)構(gòu)Panorama 2003系統(tǒng)主要對(duì)局域范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)源實(shí)現(xiàn)集成，由于目前網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題并沒(méi)有得到很好的解決，Panorama 2003系統(tǒng)對(duì)位于防火墻之后的廣域范圍的數(shù)據(jù)源和應(yīng)用系統(tǒng)很難進(jìn)行集成。而基于HTTP 的簡(jiǎn)單對(duì)象訪問(wèn)協(xié)議SOAP 則能很容易地透過(guò)局域網(wǎng)的防火墻，實(shí)現(xiàn)廣域范圍內(nèi)的對(duì)象互操作。同時(shí)，Web Service能對(duì)應(yīng)用系統(tǒng)以組件的方式封裝后提供服務(wù)，通過(guò)Web Service能實(shí)現(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)的集成。因此，我們對(duì)Panorama 20

19、03系統(tǒng)進(jìn)行了擴(kuò)展，提出了一種基于SOAP 和Web Service的多自治域互操作系統(tǒng)Panorama Web One。圖4給出了Panorama Web One的體系結(jié)構(gòu)。為了簡(jiǎn)潔起見(jiàn)，自治域2采用了簡(jiǎn)化的圖示。在Panorama Web One系統(tǒng)中，對(duì)局域范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)源，由于集成和處理效率考慮，仍然按多數(shù)據(jù)庫(kù)方式對(duì)共享數(shù)據(jù)進(jìn)行集成，使用CORBA 作為通信平臺(tái)，并建立局域范圍內(nèi)的全局模式，進(jìn)行統(tǒng)一管理。對(duì)于跨多個(gè)局域范圍的數(shù)據(jù)共享與互操作，則由Panorama Web One將共享數(shù)據(jù)按多數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)服務(wù)的形式包裝成Web Service，為全局用戶(hù)提供更好的服務(wù)方式，全局用戶(hù)的服務(wù)請(qǐng)求

20、及結(jié)果返回采用SOAP 協(xié)議。同時(shí)，遠(yuǎn)程的共享數(shù)據(jù)源也包裝成Web Service，本地的遠(yuǎn)程代理通過(guò)SOAP 協(xié)議與遠(yuǎn)程多數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的Web Service進(jìn)行交互，請(qǐng)求對(duì)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)源的訪問(wèn)。5 總結(jié) 數(shù)據(jù)互操作是信息集成領(lǐng)域需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。聯(lián)邦數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)和多數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)是解決分布 式異構(gòu)環(huán)境中多個(gè)數(shù)據(jù)源的集成與互操作的兩種方法，但這兩者各有優(yōu)缺點(diǎn)。完全的集中不能保證 局部系統(tǒng)的自治，全部的分散又不能保證系統(tǒng)之間的相互共享和互操作。本文在分析聯(lián)邦數(shù)據(jù)庫(kù)系 統(tǒng)與多數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)差異的基礎(chǔ)上，提出了一種多自治域的層次互操作模型，通過(guò)對(duì)我們自行研制的 多數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng) Panorama 進(jìn)行擴(kuò)展，給出了一

21、種基于 Web Service 的 Panorama Web One 系統(tǒng)框架。這 種框架既滿(mǎn)足了局域范圍內(nèi)的集成和處理效率，又提供了一種集成廣域范圍內(nèi)多種異構(gòu)數(shù)據(jù)源的方 法，更加符合當(dāng)前實(shí)際應(yīng)用的需要。在未來(lái)的工作中，我們將對(duì)多自治域?qū)哟位ゲ僮髂Ｐ椭械哪Ｊ?集成、數(shù)據(jù)包裝、查詢(xún)處理等方面進(jìn)行更為深入的研究。 參 考 文 獻(xiàn) 1 S. Dawson, S. Qian, P. Samarati. Providing Security and Interoperation of Heterogeneous Systems. Distributed and Parallel Databases, 2000, 8(1: 119145 2 Ruixuan Li, Zhengding Lu, Weijun Xiao, Bing Li, Wei Wu. Schema Mapping for Interoperability in XML-based Multidatabase Systems. In Proceedings of the 14th International Workshop on Databas