7.1-NoSQL数据库概述-2.pptx

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1、7.1 NoSQL数据库概述1 数据库原理及应用电子科技大学-张凤荔数据库系统原理与开发CAP理论BASE最终一致性的相关理论NoSQL的基础【本节学习目标】2 数据库原理及应用电子科技大学-张凤荔数据库系统原理与开发一、CAP理论分布式事务分布式数据库的不一致-原因分布式环境的3个核心需求CAP理论的核心1.分布式事务分布式数据库系统中的事务是一个分布式操作序列，被操作的数据分布在不同的结点上。分布式事务ACID特征，原子性（Atomicity）、一致性（Consistency）、隔离性（Isolation，又称独立性）、持久性（Durability）。网络、服务器、软件故障-不一致？3 数

2、据库原理及应用电子科技大学-张凤荔数据库系统原理与开发2、分布式数据库的不一致-原因在分布式DBMS环境中，事务在下列情况会导致不一致性：1）数据项的多个副本-如何保证多个副本的数据一致性？2）单点网络故障-如何通知所有的节点？事务是否继续？3）通信网络的故障-数据通讯？4）分布式提交等-两阶段、三阶段提交过程中的问题？4 数据库原理及应用电子科技大学-张凤荔数据库系统原理与开发2、分布式环境的3个核心需求在分布式的环境下设计和部署系统时，有3个核心的需求：CAP对应一致性（Consistency），可用性（Availability）和分区容忍性（Partition Tolerance）Con

3、sistencyAvailabilityPartition Tolerance5 数据库原理及应用电子科技大学-张凤荔数据库系统原理与开发4 CAP理论的核心：一个分布式系统不可能同时很好的满足一致性、可用性和分区容错性这三个需求，最多只能同时较好的满足两个。CA-单点集群，满足一致性，可用性的系统，CP-满足一致性，分区容忍性的系统，AP-满足可用性，分区容忍性的系统，6 数据库原理及应用电子科技大学-张凤荔数据库系统原理与开发.一个例子CAP的基本思想网络两个节点共享数据V，初始值为V0算法A在节点1，算法B在节点2，要求算法A 写入V新值V1，算法B 读取 V1。正常情况有3个步骤来完成

4、：1)算法A 写入新V1。2)节点1 发送信息V1给节点2。3)算法 B 读取的V1并对其进行操作。网络断开时，第3步的V1？。7 数据库原理及应用电子科技大学-张凤荔数据库系统原理与开发例子分析-节点1和节点2数据不一致的原因：1.网络断开，节点1和节点2 就会包含不一致的 V 值。2 网络协议是异步消息-延迟,3 网络协议是同步消息,导致同样的等待问题CAP思想，让 A 和 B 是高可用的（最小的延迟提供服务）并且让所有的 节点冗余网络的分区（丢失信息，无法传递信息，硬件无法提供服务，处理失败），那么就得面临这样的情况：V的值就会不一致。8 数据库原理及应用电子科技大学-张凤荔数据库系统原

5、理与开发例子分析-节点1和节点2数据不一致的原因：1.网络断开，节点1和节点2 就会包含不一致的 V 值。2 网络协议是异步消息-延迟,3 网络协议是同步消息,导致同样的等待问题CAP思想，让 A 和 B 是高可用的（最小的延迟提供服务）并且让所有的 节点冗余网络的分区（丢失信息，无法传递信息，硬件无法提供服务，处理失败），那么就得面临这样的情况：V的值就会不一致。9 数据库原理及应用电子科技大学-张凤荔数据库系统原理与开发目的：CAP是为了探索不同应用的一致性C与可用性A之间的平衡，在网络或其他原因，通过牺牲一定的一致性C来获得更好的性能与扩展性在有分隔发生，选择可用性A，集中关注分隔的恢复

6、，需要分隔前、中、后期的处理策略，及合适的补偿处理机制。选择什么样的方式：放弃？放弃？放弃？BASE10 数据库原理及应用电子科技大学-张凤荔数据库系统原理与开发二.BASEBasically Available-基本可用；系统能够基本运行，一直提供服务。Soft-state-软状态/柔性事务。Soft state 可以理解为无连接的,而 Hard state 是面向连接的；系统不要求一直保持强一致状态。Eventual Consistency-最终一致性 系统在某个时刻达到最终一致性。BASE定义为CAP中AP的衍生，在分布式环境下，BASE是数据的属性，BASE强调基本的可用性，按照功能划

7、分数据库.11 数据库原理及应用电子科技大学-张凤荔数据库系统原理与开发1.BASE特点ACID是事物的特征，A（原子性）C（一致性）I（隔离性）D（持久性），ACID的特点是强一致性、隔离性、采用悲观保守方法、难以变化；BASE的特点是弱一致性、可用性优先、采用乐观方法、适应变化并且简单快捷。对数据不断增长的系统，大数据环境下系统的可用性及分隔容忍性的要求要高于强一致性，很难满足事务要求的ACID特性。12 数据库原理及应用电子科技大学-张凤荔数据库系统原理与开发2.最终一致性一致性模型 强一致性：要求无论更新操作实在哪一个副本执行，之后所有的读操作都要能获得最新的数据。弱一致性：用户读到某

8、一操作对系统特定数据的更新需要一段时间，称这段时间为“不一致性窗口”。最终一致性：弱一致性的一种特例，保证用户最终能够读取到某操作对系统特定数据的更新。13 数据库原理及应用电子科技大学-张凤荔数据库系统原理与开发3.最终一致性两个角度一致性可以从客户端和服务器端两个角度来看 客户端关注的是多并发访问的更新过的数据如何获取的问题，对多进程并发进行访问时，更新的数据在不同进程如何获得不同策略，决定了不同的一致性。服务器关注的是更新如何复制分布到整个系统，以保证最终的一致性。一致性因为有并发读写才出现问题，一定要结合并发读写的场地应用要求。如何要求一段时间后能够访问更新后的数据，即为最终一致性。1

9、4 数据库原理及应用电子科技大学-张凤荔数据库系统原理与开发4.最终一致性模型1）因果一致性：无因果关系的数据的读写不保证一致性。2）读已之所写一致性：用户自己总能够读到更新后的数据。3）会话一致性：把读取存储系统的进程限制在一个会话范围内。4）单调读一致性：后续的操作都不会返回到给数据之前的值。5）单调写一致性：来自同一个进程的更新操作按照时间顺序执行，也叫时间轴一致性。15 数据库原理及应用电子科技大学-张凤荔数据库系统原理与开发5.最终一致性-一致性与可用性的决择很多web实时系统对读一致性的要求很低，有些场合对写一致性要求并不高。允许实现最终一致性。很多web应用来说，并不要求这么高的实时性，SNS类型的网站，从需求以及产品设计角 度，就避免了复杂多表的关联查询。往往更多的只是单表的主键查询，以及单表的简单条件分页查询，SQL的功能被极大的弱化了。海量大数据的存储和管理，需要对关系数据库进行补充 16 数据库原理及应用电子科技大学-张凤荔数据库系统原理与开发总结 NOSQL的基础遵守CAP定理，高性能，高可用性和可伸缩性。高可扩展性、分布式计算、低成本、架构的灵活性，半结构化数据、没有复杂的关系。没有标准化、有限的查询功能（到目前为止）、最终一致不直观等。17 数据库原理及应用电子科技大学-张凤荔数据库系统原理与开发本节学习结束！