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0AASRI Procedia 5(2013)194-19902212-6716 © 2013年作者。由ElsevierB.V.出版。根据美国应用科学研究所的责任进行选择和/或同行评审。doi:10.1016/j.aasri.2013.10.0780ScienceDirect02013年AASRI并行与分布式计算与系统会议0云数据库管理系统的五层架构0Bashir Alam 1,M.N. Doja 1,Mansaf Alam 2,Shweta Mongia 1 *01. 计算机工程系,印度吉米亚∙米利亚∙伊斯兰米亚大学,新德里-110025,印度02. 计算机科学系,印度吉米亚∙米利亚∙伊斯兰米亚大学,新德里-110025,印度0摘要0云数据库管理系统是最近在全球范围内引入的新概念。云中云数据库管理系统的标准架构尚未实施。本文中,我们提出了云数据库管理系统的五层架构框架。引入的第一层是外部层,该层与用户最接近,其中的重要问题是可管理性、透明性和安全性。第二层是概念中间件层,由于市场上存在异构数据库和云,因此这里的互操作性是主要问题。第三层是概念层,其中应考虑编程技术、事务管理、查询处理和优化等问题。第四层是物理中间件层,由于存在各种平台,因此这里也存在各种平台之间的互操作性是最大的问题,最后一层是物理层,其中如何存储数据以便可以轻松访问而不会造成太多开销,因此这里的数据安全、存储、备份、负载平衡、分区、扩展性、容错性和复制是重要问题。© 2013 ElsevierB.V.出版。根据美国应用科学研究所的责任选择和/或同行评审。关键词:云计算;云数据库管理系统;数据库即服务(DBaaS)0*通讯作者。电话:9654572859,电子邮件地址:shweta.mongia@yahoo.com。0在线获取www.sciencedirect.com0© 2013年作者。由Elsevier B.V.出版。根据美国应审0在CC BY-NC-ND许可下开放访问。0在CC BY-NC-ND许可下开放访问。0195 Bashir Alam等/ AASRI Procedia 5(2013)194-19901. 引言01.1. 云数据库管理系统0数据管理应用程序是在云中部署的潜在候选对象。云数据库是通常在云计算平台上运行的数据库,如Google、Microsoft、Salesforce.com、Rackspace、AmazonEC2等[3]。数据库即服务(DBaaS)有两个吸引人之处。硬件成本:由于规模经济效应,用户支付一部分服务的硬件和能源成本很可能比自己运行一切时要低得多。0软件成本:在设计良好的DBaaS中产生的成本将与实际使用量成比例(按使用量付费)-这适用于软件许可和管理成本[5]。云数据库的概念是为了通过使用各种分布式数据库来进行在线数据管理。总体而言,云计算以其灵活的按需定价模型和不同的计划,为初创公司和正在开发新产品的小型公司提供了最佳解决方案之一。这种方式使云计算类似于应用服务提供商(ASP)和数据库即服务(DBaaS)范例。DBaaS提供与其他平台即服务(PaaS)紧密集成,使组织有机会专注于开发产品,不浪费任何资源在平台管理上,并有机会完全专注于产品的开发。数据中心用于托管这些服务。数据中心使用普通硬件进行计算和存储。02. 当前工作状态0三个重要挑战,即高效的多租户、数据库的隐私和可扩展性弹性,以前的数据库尚未解决。Curino等[5]提出了关系云的关键技术特性如下:0一种基于工作负载感知的多租户方法,能够将可以共同部署在数据库服务器上的工作负载识别出来,实现更高的合并和更好的性能,优于现有的方法。0使用基于图的分区来实现弹性,即使对于复杂的事务工作负载也是如此。0一种高效的安全方案,可以使用一些高效的加密算法对数据进行加密以运行结构化查询语言(SQL)查询。所有这些都是基于负载意识[5]。技术变革的进展使共享磁盘性能与共享无架构和云计算强烈倾向于共享磁盘架构。通过利用多租户的云计算经济效益,可以以极低的成本提供极快的共享存储。虚拟化通过使用户能够弹性扩展并仅支付他们使用的资源来增加这些优势。由于技术的所有这些变化,现在共享磁盘在云中同样重要[4]。有时,存储在云中的数据通常需要与关系数据库中存储的数据结合在一起。一个名为“Bigintegrator”的系统[6],用于实现将云数据存储中的数据与关系数据库中的数据结合的查询,有几个基于云的系统可用,但查询语言有限。一个名为“SQLMR”的系统[1],它是一种填补基于SQL和MapReduce数据处理之间差距的混合方法。MapReduce提供了一个大数据处理框架,并在普通计算机上显示出可扩展性和容错性。然而,学习比类似于SQL的语言更难,维护和重用也不容易。另一方面,传统的基于SQL的处理不可扩展,但是 0196 Bashir Alam等/ AASRI Procedia 5(2013)194-1990用户对它很熟悉。为了将容错性、异构集群和即开即用能力与共享无架构并行数据库系统的效率、性能和工具可插入性结合起来,需要混合解决方案。这种解决方案将对云数据库市场产生重大影响[2]。云数据库系统架构将云架构组织成三个层次的层级,即云数据中心层、云服务提供商层和客户端层[9]。03. 云数据库管理系统的分层架构0云计算应用的增长面临着许多挑战,如服务的可用性、数据机密性、共享无架构等。成功的云数据库管理系统应设计满足以下多个目标:可用性、可扩展性、弹性、多租户、负载均衡、容错性、能够在异构环境中运行、灵活的查询接口[7]。需要一个联邦云架构,可以增强挑战并满足云的目标。云数据库管理系统的标准架构尚未开发出来,因此在本文中我们提出了云数据库管理系统的五层架构,如图1所示。0图1:云数据库管理系统的分层架构0下面描述了提出的五个层次及其问题和挑战。03.1外部层0该层面对用户呈现。越来越多的公司将其数据管理应用程序从昂贵的高端服务器转移到由更便宜的通用计算机组成的云中。在这里,服务提供商的主要功能是以完全透明和安全的方式管理和提供服务。可管理性:该层处理管理各个用户。它还记录特定用户使用CDMBS(云数据库管理系统)的时间。用户的付款是基于这个时间来决定的。该层还记录用户的付款状态。该层还应生成报告,如用户的付款历史、使用历史,以及使用CDMBS的用户的用户摘要,指出用户使用CDMBS的时间有多长。在验证用户的真实性和有效性后,该层应将控制权转移到下一层。安全性:外部层通过使用用户ID和密码提供用户认证机制。用户认证要求某人或某物被接受为合法的。合法用户被允许访问他们的云数据库系统,而非法用户被禁止访问。0外部层0概念中间件层0概念层0物理层0物理中间件层 0197 Bashir Alam等 / AASRI Procedia 5(2013)194-1990用户的付款历史、用户的使用历史、用户使用CDBMS的用户摘要等。在验证用户的真实性和有效性后,该层应将控制权转移到下一层。安全性:外部层通过使用用户ID和密码提供用户认证机制。用户认证提供某人或某物应被接受为合法的机制。合法用户被允许访问他们的云数据库系统,而非法用户被禁止访问。0透明性:该层的主要功能是为用户提供透明性。透明性是云数据库的优势之一,它意味着用户不知道数据的物理位置。透明性使得各种类型的实时应用程序的开发更加容易。它支持灵活性、移动性等。03.2概念中间件层0该层提供隐藏不同数据库(如SQL、DB2、Oracle等)之间的概念层异构性的功能,如图2所示。0图2:概念中间件层0互操作性:该层提供互操作性。互操作性意味着不考虑底层数据库,例如,如果使用“A”数据库的客户端想要与使用“B”数据库的另一个客户端共享数据,他们可以共享数据,而不考虑底层不同厂商的不同数据库。03.3概念层0这一层代表整个数据库的逻辑结构,并处理数据的内部处理。由于云处理各种类型的数据,因此用户需要将传统数据与放置在云上的数据相结合,因此需要各种类型的系统来提供所有这些功能。为云数据库开发了一些系统或语言,如Bigintegrator、SQLMR、Saleforce对象查询语言(SOQL)等,它们根据其分析结果给出结果,因此用户在不了解任务背后的逻辑的情况下得到结果。因此,在这一层面上涉及以下问题-各种类型的查询语言之一或众多可用的编程技术之一,不同的查询优化技术之一,云数据库管理系统应该使用哪种事务管理技术。该层面涉及编程技术、高效的查询处理、查询优化和安全性。编程技术:该层解决了云数据库最适合的查询语言或编程技术的问题。查询处理和优化:该层的责任是以最少的时间和最低的成本向用户提供结果。为此,可以使用查询优化器。查询优化器从给出相同答案的许多可能的执行计划中找到最便宜的执行计划。安全性:在这一层,主要关注的是数据不应被任何未经授权的用户销毁、更改、泄露或复制。概念层提供授权控制方法,防止任何未经授权的用户访问敏感数据。它包括多级安全策略。0概念中间件层0SQL0Oracle0DB20MySQL 0198 Bashir Alam等 / AASRI Procedia 5(2013)194-1990并从众多可能给出相同答案的执行计划中找到最便宜的执行计划。安全性:在这一层,主要关注的是数据不应被任何未经授权的用户销毁、更改、泄露或复制。概念层提供授权控制方法,防止任何未经授权的用户访问敏感数据。它包括多级安全策略。03.4物理中间件层0该层提供隐藏不同平台(如Windows、Mac OS、Linux等)之间的异构性的功能,如图3所示。0图3:物理中间件层0互操作性:在这一层,互操作性意味着不考虑底层平台。使用Mac OS的客户端在访问使用WindowsOS的另一个客户端的数据库时不应遇到任何困难。03.5物理层0该层代表数据的物理表示。在云数据库服务中,后端由负责连续监控和配置数据库以实现最佳扩展性、高可用性、多租户和有效资源分配的物理层监督。数据安全性、隐私、分区、共享磁盘架构或共享无架构等问题在此层处理。该层面的各种问题如下所示。0备份和复制:由于数据的可用性对于云来说非常重要,应该使用恢复和复制技术来确保组织不会遭受数据丢失。数据在各个站点进行复制。分区:云提供商使用分区技术来平衡和共享负载。这种平衡和共享可以提高多租户环境中CDBMS的性能、可扩展性和可用性[8]。在云数据中何时使用水平分区和何时使用垂直分区,这些决策是在此层次上进行的。存储:在这个层次上,应该探索数据所在的位置,以便访问数据所需的时间更短。对于云数据库来说,共享磁盘架构是最合适的。它还应该使用先进的缓存来将最近使用的元数据保存在内存中。索引:索引提供了对数据的简单访问路径。为存储在数据库中的文件构建索引。云应用程序应该对各种类型的字段进行索引以提供可扩展的性能。负载均衡:它必须能够自动在服务器之间移动负载,以便有效利用大部分硬件资源,并避免资源过载的情况。容错性:云系统应该被设计成能够处理故障,以便在出现故障时仍然能够运行(可能在降低的水平上)。因此,该层的责任是提供并发控制、恢复技术和死锁检测技术。安全性:该层通过使用加密/解密技术将原始数据转化为不可读的形式来提供安全性。可以防止隐私、修改和伪造等威胁。0物理中间件层0Window操作系统0MAC操作系统0Linux操作系统0199 Bashir Alam等/ AASRI Procedia 5 (2013) 194-1990使用这些技术。04. 结论0本文介绍了云数据库管理系统的五层架构。详细描述了外部层、概念中间件层、概念层、物理中间件层和物理层的功能。我们还解释了每个层面涉及的各种问题和挑战。0参考文献0[1] M. Hsieh, C.Chang, L. Ho, J. Wu和P. Lui.“SQLMR:一种可扩展的云计算数据库管理系统”。2011年国际并行处理会议(ICPP),页315-324。[2]Daniel J. Abadi. “云中的数据管理:限制和机遇”。IEEE数据工程通报,第32卷(1),2009年,页3-12。[3] R.Aggarwal,Philip A. Bernstein,A. Ailamaki等。“Claremont数据库研究报告”,ACMSIGMOD记录,第37卷(3),2008年,页9-19。[4] MikeHogan。关于“数据库虚拟化和云计算”的报告。报告2009(url=http://www.scaledb.com/pdfs/cloud_databases_whitepapers2.pdf)。[5] C. Curino,E.P.C Jones,R. A. Popa,N. Malviya,E.Wu,S. Madden,H.Balakrishnan和N.Zeldovich。“关系云:云中的数据库服务”。第5届创新数据系统研究双年会(CIDR)2011,页235-240。[6]M. Zhu和T. Risch。“查询组合云和关系数据库”。2011年云和服务计算国际会议(CSC),页330-335。[7] S.Sakr,A.Lui,Daniel M. Batista和M.Alomari:“云环境中大规模数据管理方法综述”。IEEE通信调查与教程,第13卷(3),2011年,页311-336。[8] Yvette E. Gelogo和S.Lee,“数据库管理系统作为云服务”,国际未来代通信和网络期刊,第5卷(2),2012年,页71-76。[9]Mansaf Alam和Kashish AraShakil,“云数据库管理系统架构”,UACEE国际计算机科学及其应用杂志,第3卷(1),2013年,页27-31。
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