數(shù)據(jù)庫新技術及其發(fā)展趨勢內容摘要：由于數(shù)據(jù)庫技術在特殊領域的應用和其他相關學科技術的發(fā)展，促使數(shù)據(jù)庫技術不斷創(chuàng)新、發(fā)展。本文闡述了一些新的數(shù)據(jù)庫技術及新一代數(shù)據(jù)庫技術的發(fā)展方向。關鍵詞：數(shù)據(jù)庫信息集成網(wǎng)格數(shù)據(jù)管理移動數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)加密技術發(fā)展趨勢一、引言[1]數(shù)據(jù)庫技術是計算機科學的重要分支，主要研究如何安全高效地管理大量、持久、共享的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫的研究始于20世紀60年代中期，從誕生到現(xiàn)在，在不到半個世紀的時間里，形成了堅實的理論基礎、成熟的商業(yè)產品和廣泛的應用領域，目前數(shù)據(jù)庫成為一個研究者眾多且被廣泛關注的研究領域。隨著信息管理內容的不斷擴展和新技術的層出不窮，數(shù)據(jù)庫技術面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。面對新的數(shù)據(jù)形式，人們提出了豐富多樣的數(shù)據(jù)模型（層次模型、網(wǎng)狀模型、關系模型、面向對象模型、半結構化模型等），同時也提出了眾多新的數(shù)據(jù)庫技術（XML數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)流管理、Web數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)挖掘等）。在Web大背景下的各種數(shù)據(jù)管理問題成為人們關注的熱點。本文討論目前數(shù)據(jù)庫研究領域中最熱門的幾個研究方向的發(fā)展現(xiàn)狀、面臨的問題和未來趨勢。二、數(shù)據(jù)庫發(fā)展動力[2]目前Internet是主要的驅動力?，F(xiàn)在，大部分企業(yè)感興趣的是如何與供應商和客戶進行更密切的交流，以便提供更好的客戶支持。在這方面的應用從根本上說是跨企業(yè)的，需要安全和信息集成的有力工具。另一個重要應的用領域是自然科學，特別是物理科學、生物科學、保健科學和工程領域，這些領域產生了大量復雜的數(shù)據(jù)集，需要信息集成機制的支持。除此之外，它們也需要對數(shù)據(jù)分析器產生的數(shù)據(jù)管道進行管理，需要對有序數(shù)據(jù)進行存儲和查詢（如時間序列、圖像分析、網(wǎng)格計算和地理信息），需要世界范圍內數(shù)據(jù)網(wǎng)格的集成。此外，還有一個推動數(shù)據(jù)庫研究發(fā)展的動力是相關技術的成熟。三、主流技術發(fā)展趨勢[3]1．信息集成隨著Internet的飛速發(fā)展，網(wǎng)絡迅速成為一種重要的信息傳播和交換的手段，尤其是在Web上，有著極其豐富的數(shù)據(jù)來源。信息集成系統(tǒng)的方法可以分為：數(shù)據(jù)倉庫方法和Wrapper/Mediator方法。在數(shù)據(jù)倉庫方法中，各數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)按照需要的全局模式從各數(shù)據(jù)源抽取并轉換，存儲在數(shù)據(jù)倉庫中。用戶的查詢就是對數(shù)據(jù)倉庫中的數(shù)據(jù)進行查詢。對于數(shù)據(jù)源數(shù)目不是很多的單個企業(yè)來說，該方法十分有效。另一種方法是Wrapper/Mediator方法。該方法并不將各數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)集中存放，而是通過Wrapper/Mediator結構滿足上層集成應用的需求。這種方法的核心是中介模式（mediatedschema）。信息集成系統(tǒng)通過中介模式將各數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)集成起來，而數(shù)據(jù)仍存儲在局部數(shù)據(jù)源中，通過各數(shù)據(jù)源的包裝器（wrapper）對數(shù)據(jù)進行轉換使之符合中介模式。用戶的查詢基于中介模式，不必知道每個數(shù)據(jù)源的特點，中介器（mediator）將基于中介模式的查詢轉換為基于各局部數(shù)據(jù)源的模式查詢，它的查詢執(zhí)行引擎再通過各數(shù)據(jù)源的包裝器將結果抽取出來，最后由中介器將結果集成并返回給用戶。Wrapper/Mediator方法解決了數(shù)據(jù)的更新問題，從而彌補了數(shù)據(jù)倉庫方法的不足。不過，這種框架結構正受到來自3個方面的挑戰(zhàn)。第1個挑戰(zhàn)是如何支持異構數(shù)據(jù)源之間的互操作性（interoperability）。另一個挑戰(zhàn)是如何模型化源數(shù)據(jù)內容和用戶查詢。第三個挑戰(zhàn)是當數(shù)據(jù)源的查詢能力受限時，如何處理查詢和進行優(yōu)化。2．傳感器數(shù)據(jù)庫技術隨著微電子技術的發(fā)展，傳感器的應用越來越廣泛。根據(jù)傳感器在一定的范圍內發(fā)回的數(shù)據(jù)，在一定的范圍內收集有用的信息，并且將其發(fā)回到指揮中心。當有多個傳感器在一定的范圍內工作時，就組成了傳感器網(wǎng)絡。傳感器網(wǎng)絡由攜帶者所捆綁的傳感器及接收和處理傳感器發(fā)回數(shù)據(jù)的服務器所組成。傳感器網(wǎng)絡中的通信方式可以是無線通信，也可以是有線通信。在傳感器網(wǎng)絡中，傳感器數(shù)據(jù)就是由傳感器中的信號處理函數(shù)產生的數(shù)據(jù)。信號處理函數(shù)要對傳感器探測到的數(shù)據(jù)進行度量和分類，并且將分類后的數(shù)據(jù)標記時間戳，然后發(fā)送到服務器，再由服務器對其進行處理。傳感器數(shù)據(jù)可以通過無線或者光纖網(wǎng)存取。無線通信網(wǎng)絡采用的是多級拓撲結構，最前端的傳感器節(jié)點收集數(shù)據(jù)，然后通過多級傳感器節(jié)點到達與服務器相連接的網(wǎng)關節(jié)點，最后通過網(wǎng)關節(jié)點，將數(shù)據(jù)發(fā)送到服務器。傳感器節(jié)點上數(shù)據(jù)的存儲和處理方法有兩種：第1種類型的處理方法是將傳感器數(shù)據(jù)存儲在一個節(jié)點的傳感器堆棧中，這樣的節(jié)點必須具有很強的處理能力和較大的緩沖空間；第2種方法適用于一個芯片上的傳感器網(wǎng)絡，傳感器節(jié)點的處理能力和緩沖空間是受限制的：在產生數(shù)據(jù)項的同時就對其進行處理以節(jié)省空間，在傳感器節(jié)點上沒有復雜的處理過程，傳感器節(jié)點上不存儲歷史數(shù)據(jù)；對于處理能力介于第1種和第2種傳感器網(wǎng)絡的網(wǎng)絡來說，則采用折衷的方案，將傳感器數(shù)據(jù)分層地放在各層的傳感器堆棧中進行處理。傳感器網(wǎng)絡越來越多地應用于對很多新應用的監(jiān)測和監(jiān)控。新的傳感器數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)需要考慮大量的傳感器設備的存在，以及它們的移動和分散性。因此，新的傳感器數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)需要解決一些新的問題。主要包括：傳感器數(shù)據(jù)的表示和傳感器查詢的表示、在傳感器節(jié)點上處理查詢分片、分布查詢分片、適應網(wǎng)絡條件的改變、傳感器數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)等。3．網(wǎng)格數(shù)據(jù)管理網(wǎng)格是把整個網(wǎng)絡整合成一個虛擬的巨大的超級計算環(huán)境，實現(xiàn)計算資源、存儲資源、數(shù)據(jù)資源、信息資源、知識資源和專家資源的全面共享。目的是解決多機構虛擬組織中的資源共享和協(xié)同工作問題。按照應用層次的不同可以把網(wǎng)格分為3種：計算網(wǎng)格，提供高性能計算機系統(tǒng)的共享存取；數(shù)據(jù)網(wǎng)格，提供數(shù)據(jù)庫和文件系統(tǒng)的共享存??；信息服務網(wǎng)格則支持應用軟件和信息資源的共享存取。高性能計算的應用需求使計算能力不可能在單一計算機上獲得，因此，必須通過構建“網(wǎng)絡虛擬超級計算機”或“元計算機”獲得超強的計算能力，這種計算方式稱為網(wǎng)格計算。它通過網(wǎng)絡連接地理上分布的各類計算機（包括機群）、數(shù)據(jù)庫、各類設備和存儲設備等，形成對用戶相對透明的虛擬的高性能計算環(huán)境，應用包括了分布式計算、高吞吐量計算、協(xié)同工程和數(shù)據(jù)查詢等諸多功能數(shù)據(jù)網(wǎng)格保證用戶在存取數(shù)據(jù)時無須知道數(shù)據(jù)的存儲類型（數(shù)據(jù)庫，文檔，XML）和位置。涉及的問題包括：如何聯(lián)合不同的物理數(shù)據(jù)源，抽取源數(shù)據(jù)構成邏輯數(shù)據(jù)源集合；如何制定統(tǒng)一的異構數(shù)據(jù)訪問的接口標準；如何虛擬化分布的數(shù)據(jù)源等。信息網(wǎng)格是利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡基礎設施、協(xié)議規(guī)范、Web和數(shù)據(jù)庫技術，為用戶提供一體化的智能信息平臺，其目標是創(chuàng)建一種架構在OS和Web之上的基于Internet的新一代信息平臺和軟件基礎設施。4．移動數(shù)據(jù)管理越來越多的人擁有掌上型或筆記本電腦，或者個人數(shù)字助理（PDA）甚至智能手機，這些移動計算機都將裝配無線聯(lián)網(wǎng)設備，用戶不再需要固定地聯(lián)接在某一個網(wǎng)絡中不變，而是可以攜帶移動計算機自由地移動，這樣的計算環(huán)境，我們稱之為移動計算（mobilecomputing）。研究移動計算環(huán)境中的數(shù)據(jù)管理技術，已成為目前分布式數(shù)據(jù)庫研究的一個新的方向，即移動數(shù)據(jù)庫技術。與基于固定網(wǎng)絡的傳統(tǒng)分布計算環(huán)境相比，移動計算環(huán)境具有以下特點：移動性、頻繁斷接性、帶寬多樣性、網(wǎng)絡通信的非對稱性、移動計算機的電源能力、可靠性要求較低和可伸縮性等。移動計算以及它所具有的獨特特點，對分布式數(shù)據(jù)庫技術和客戶/服務器數(shù)據(jù)庫技術，提出了新的要求和挑戰(zhàn)。移動數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)要求支持移動用戶在多種網(wǎng)絡條件下都能夠有效地訪問所需數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)查詢和事務處理。通過移動數(shù)據(jù)庫的復制/緩存技術或者數(shù)據(jù)廣播技術，移動用戶即使在斷接的情況下也可以繼續(xù)訪問所需的數(shù)據(jù)，從而繼續(xù)自己的工作，這使得移動數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)具有高度的可用性。此外，移動數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)能夠盡可能地提高無線網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)訪問的效率和性能。而且，它還可以充分利用無線通信網(wǎng)絡固有的廣播能力，以較低的代價同時支持大規(guī)模的移動用戶對熱點數(shù)據(jù)的訪問，從而實現(xiàn)高度的可伸縮性，這是傳統(tǒng)的客戶/服務器或分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)所難以比擬的。目前，移動數(shù)據(jù)管理的研究主要集中在以下幾個方面：首先是數(shù)據(jù)同步與發(fā)布的管理。其次是移動對象管理技術。5．微小型數(shù)據(jù)庫技術隨著移動計算時代的到來，嵌入式操作系統(tǒng)對微小型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的需求為數(shù)據(jù)庫技術開辟了新的發(fā)展空間。微小型數(shù)據(jù)庫技術目前已經(jīng)從研究領域逐步走向應用領域。一般說來，微小型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)（asmall-footprintDBMS）可以定義為：一個只需很小的內存來支持的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)內核。微小型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)針對便攜式設備其占用的內存空間大約為2MB，而對于掌上設備和其他手持設備，它占用的內存空間只有50KB左右。內存限制是決定微小型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)特征的重要因素。微小型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)根據(jù)占用內存的大小又可以進一步分為：超微DBMS（pico-DBMS）、微小DBMS（micro-DBMS）和嵌入式DBMS3種。微小型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)與操作系統(tǒng)和具體應用集成在一起，運行在各種智能型嵌入設備或移動設備上。微小型數(shù)據(jù)庫技術目前已經(jīng)從研究領域向廣泛的應用領域發(fā)展，各種微小型數(shù)據(jù)庫產品紛紛涌現(xiàn)。尤其是對移動數(shù)據(jù)處理和管理需求的不斷提高，緊密結合各種智能設備的嵌入式移動數(shù)據(jù)庫技術已經(jīng)得到了學術界、工業(yè)界、軍事領域和民用部門等各方面的重視并不斷實用化。6.數(shù)據(jù)加密技術[4]我們經(jīng)常需要一種措施來保護我們的數(shù)據(jù)，防止被一些懷有不良用心的人所看到或者破壞。在信息時代，信息可以幫助團體或個人，使他們受益，同樣，信息也可以用來對他們構成威脅，造成破壞。在競爭激烈的大公司中，工業(yè)間諜經(jīng)常會獲取對方的情報。因此，在客觀上就需要一種強有力的安全措施來保護機密數(shù)據(jù)不被竊取或篡改。數(shù)據(jù)加密與解密從宏觀上講是非常簡單的，很容易理解。加密與解密的一些方法是非常直接的，很容易掌握，可以很方便的對機密數(shù)據(jù)進行加密和解密。一：數(shù)據(jù)加密方法在傳統(tǒng)上，我們有幾種方法來加密數(shù)據(jù)流。所有這些方法都可以用軟件很容易的實現(xiàn)，但是當我們只知道密文的時候，是不容易破譯這些加密算法的（當同時有原文和密文時，破譯加密算法雖然也不是很容易，但已經(jīng)是可能的了）。最好的加密算法對系統(tǒng)性能幾乎沒有影響，并且還可以帶來其他內在的優(yōu)點。例如，大家都知道的pkzip，它既壓縮數(shù)據(jù)又加密數(shù)據(jù)。又如，dbms的一些軟件包總是包含一些加密方法以使復制文件這一功能對一些敏感數(shù)據(jù)是無效的，或者需要用戶的密碼。所有這些加密算法都要有高效的加密和解密能力。幸運的是，在所有的加密算法中最簡單的一種就是“置換表”算法，這種算法也能很好達到加密的需要。每一個數(shù)據(jù)段（總是一個字節(jié)）對應著“置換表”中的一個偏移量，偏移量所對應的值就輸出成為加密后的文件。加密程序和解密程序都需要一個這樣的“置換表”。事實上，80x86cpu系列就有一個指令‘xlat’在硬件級來完成這樣的工作。二．基于公鑰的加密算法一個好的加密算法的重要特點之一是具有這種能力：可以指定一個密碼或密鑰，并用它來加密明文，不同的密碼或密鑰產生不同的密文。這又分為兩種方式：對稱密鑰算法和非對稱密鑰算法。所謂對稱密鑰算法就是加密解密都使用相同的密鑰，非對稱密鑰算法就是加密解密使用不同的密鑰。非常著名的pgp公鑰加密以及rsa加密方法都是非對稱加密算法。加密密鑰，即公鑰，與解密密鑰，即私鑰，是非常的不同的。從數(shù)學理論上講，幾乎沒有真正不可逆的算法存在。例如，對于一個輸入‘a’執(zhí)行一個操作得到結果‘b’,那么我們可以基于‘b’，做一個相對應的操作，導出輸入‘a’。在一些情況下，對于每一種操作，我們可以得到一個確定的值，或者該操作沒有定義（比如，除數(shù)為0）。對于一個沒有定義的操作來講，基于加密算法，可以成功地防止把一個公鑰變換成為私鑰。因此，要想破譯非對稱加密算法，找到那個唯一的密鑰，唯一的方法只能是反復的試驗，而這需要大量的處理時間。rsa加密算法使用了兩個非常大的素數(shù)來產生公鑰和私鑰。即使從一個公鑰中通過因數(shù)分解可以得到私鑰，但這個運算所包含的計算量是非常巨大的，以至于在現(xiàn)實上是不可行的。加密算法本身也是很慢的，這使得使用rsa算法加密大量的數(shù)據(jù)變的有些不可行。這就使得一些現(xiàn)實中加密算法都基于rsa加密算法。pgp算法(以及大多數(shù)基于rsa算法的加密方法)使用公鑰來加密一個對稱加密算法的密鑰，然后再利用一個快速的對稱加密算法來加密數(shù)據(jù)。這個對稱算法的密鑰是隨機產生的，是保密的，因此，得到這個密鑰的唯一方法就是使用私鑰來解密。四、結束語本文從目前數(shù)據(jù)庫研究的熱點問題出發(fā)，探討了數(shù)據(jù)庫未來發(fā)展方向的問題。在眾多新技術應用中，對數(shù)據(jù)庫研究最具影響力，推動數(shù)據(jù)庫研究進入新紀元的無疑將是Internet的發(fā)展。Internet中的數(shù)據(jù)管理問題從深度和廣度兩方面對數(shù)據(jù)庫技術都提出了挑戰(zhàn)。數(shù)據(jù)庫技術已經(jīng)成為計算機科學的一個重要分支，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)也在不斷地更替、發(fā)展和完善。數(shù)據(jù)庫技術與網(wǎng)絡通信技術、人工智能技術、面向對象程序設計技術、并行計算技術等相互滲透，相互結合，成為當前數(shù)據(jù)庫技術發(fā)展的主要特征。[5]（一）、性能與易用性仍然是數(shù)據(jù)庫發(fā)展方向

關系型數(shù)據(jù)庫所以升級緩慢，其中一個主要原因就是沒有關鍵的技術革新，各大廠商所做的主要工作都是在對自己的產品進行錦上添花式的不斷完善。這一發(fā)展方向就是使數(shù)據(jù)庫向著需求更少的方向增強。所謂需求更少是指數(shù)據(jù)庫以更少的相對資源消耗、更高的性能運行，并且隨著技術的不斷進步，數(shù)據(jù)庫變得更加智能，維護和使用將更加簡單。這是數(shù)據(jù)庫技術在完善過程中的必經(jīng)之路。

在這一方面，Oracle數(shù)據(jù)庫一直走在前列，從Oracle9i開始，Oracle一直致力于是數(shù)據(jù)庫軟件更加自動化，在這一原則的支撐下，Oracle不斷實現(xiàn)了諸如自動PGA管理、自動SGA管理、自動段空間管理（ASSM）、自動存儲管理（ASM）等等新特性，這些新特性切實降低了DBA的工作量，使得數(shù)據(jù)庫的管理更加簡單；而IBMDB2也一直在加強這方面的功能，IBM的SMART技術（Self-ManagingAndResourceTuning-自我管理和資源調優(yōu)）正是在這些方面的增強。在DB2V9中IBM同樣推出了一系列的自動化特性，包括自動數(shù)據(jù)庫管理功能、自動統(tǒng)計數(shù)據(jù)收集等功能，但是這些特性相較Oracle而言是來之甚晚的，所以在2006年IBM主推的是XML這一重大改進。

然而一項新的技術能否得到用戶的認可還需要時間去檢驗。根據(jù)Oracle公司在2006年10月舉行的OpenWorld大會上公布的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，自Oracle10g發(fā)布以來，僅有約一半的用戶升級到Oracle10g，其他用戶仍然維持在原來的版本運行；所以IBM的Viper能否最終得到用戶的認可取得成功，還有待檢驗。

（二）、搜索是數(shù)據(jù)庫的未來之路

隨著數(shù)據(jù)庫技術的不斷完善，用戶數(shù)據(jù)的不斷積累，用戶的需求也不斷提高，在此之上，更高級的應用應運而生，這包括已經(jīng)成熟的數(shù)據(jù)倉庫應用、廣為接受的商業(yè)智能（BI）應用、以及方興未艾的SOA等。當數(shù)據(jù)庫能夠容納幾乎所有數(shù)據(jù)之后，我們必然面臨的一個問題是如何快速獲得我們需要的數(shù)據(jù)。

當用戶訪問數(shù)據(jù)庫時，怎樣減少用戶的等待，快速返回用戶需要的數(shù)據(jù)是所有數(shù)據(jù)庫都需要解決的問題。這也就需要另外一項高級增強--面向搜索的增強，從某種意義上說面向需求的增強-數(shù)據(jù)分析和挖掘也正是這個方向上的高級應用之一。目前各數(shù)據(jù)庫在這一方面都不夠完善，我們相信在未來，數(shù)據(jù)庫能夠容納和存儲各種數(shù)據(jù)之后，必然向快速搜索和查詢方面進行增強。

微軟公司在2006年12月發(fā)布的Vista操作系統(tǒng)中，已經(jīng)將搜索框加入到開始菜單的最初始位置，讓用戶最先接觸到搜索，最快的找到用戶的數(shù)據(jù)；2006年，Google獲得了飛速發(fā)展，Google帶給我們的最大便利就是快速的獲取數(shù)據(jù)。無論在Vista或者Google之后，都存在著關系型或非關系型數(shù)據(jù)庫的支持，微軟或Google的搜索技術代表了一種潮流，如何快速找到需要的數(shù)據(jù)已經(jīng)越來越為用戶所關心。

（三）、開源數(shù)據(jù)庫有望走向應用主流

和Linux操作系統(tǒng)漸入佳境一樣，開放源代碼的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)正走向應用的主流。目前主要的開源數(shù)據(jù)庫產品包括MySQL、MaxDB和PostgreSQL。在MySQL5.0版本升級之后，MySQL數(shù)據(jù)庫越來越象SQLServer等大型數(shù)據(jù)庫，并逐漸從開源圈子向企業(yè)級市場拓展。憑借廉價優(yōu)勢，MySQL的市場正在擴大。除了開源數(shù)據(jù)庫廠商成為市場焦點外，甲骨文、Sun和微軟老牌廠商也紛紛擁抱開源。開源數(shù)據(jù)庫軟件正在以其低成本得到越來越多用戶的認可，并迫使主流廠商推出免費版應對。費用低且性能佳的開源數(shù)據(jù)庫使得中小型企業(yè)使用數(shù)據(jù)庫成為可能，使中小型企業(yè)能以較低的成本來構建強大的各種數(shù)據(jù)庫應用。在引入數(shù)據(jù)庫后，又會在使用過程中不斷地發(fā)展新應用，從而推動企業(yè)的信息化，形成一個良性的發(fā)展過程。在這個過程中，開源數(shù)據(jù)庫恰好扮演了一個引入者和助力者的角色。未來，在中小企業(yè)用戶市場的拉動下，開源數(shù)據(jù)庫有望走向應用主流。

綜合2005至2007年數(shù)據(jù)庫市場的運行情況及多家分析機構的評估，在2008年后，數(shù)據(jù)庫及數(shù)據(jù)倉庫的發(fā)展將會偏重于以應用為導向，服務則傾向于業(yè)務敏捷，并且還會為新型應用提供多種結構數(shù)據(jù)的支持。

（四）、未來數(shù)據(jù)庫發(fā)展主要趨勢

2008年后，數(shù)據(jù)庫的發(fā)展將會偏重于應用，還會為新型應用提供多種結構數(shù)據(jù)的支持。數(shù)據(jù)庫技術發(fā)展的主要趨勢：

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