【正文】 ? 4. 非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)可分為 、 、 。 ? 2．科學(xué)研究的四個(gè)范式是 、 、 、 。 圖 集群系統(tǒng)在不同的負(fù)載均衡策略下的簡(jiǎn)單自組織特性 * 云計(jì)算大數(shù)據(jù)集群的自組織特性 — 通常參數(shù)相空間的形態(tài)能反映系統(tǒng)的靜態(tài)工作情況，動(dòng)量相空間的形態(tài)能反映系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)工作情況， — 從圖 都處于廣義熵相對(duì)較小的遠(yuǎn)離平衡態(tài)的狀態(tài)，不同點(diǎn)只是系統(tǒng)在參數(shù)相空間中是聚集在廣義重心位置的，而在動(dòng)量相空間中是聚集在原點(diǎn)附近的，云計(jì)算系統(tǒng)在相空間上呈現(xiàn)出的遠(yuǎn)離平衡態(tài)形態(tài)表明其具備自組織出現(xiàn)的基本條件，同時(shí)也說(shuō)明應(yīng)用相空間方法對(duì)研究云計(jì)算系統(tǒng)的自組織特性是有效的。 同時(shí)由于系統(tǒng)內(nèi)部又存在大數(shù)據(jù)遷移、計(jì)算遷移、負(fù)載均衡等相互作用， ? 因此可以把集群系統(tǒng)抽象地描述為與外界有大量能量、信息、物質(zhì)交換的開(kāi)放系統(tǒng)。 * 云計(jì)算大數(shù)據(jù)集群的自組織特性 ? 云計(jì)算大數(shù)據(jù)集群具有數(shù)量眾多的節(jié)點(diǎn)，對(duì)比耗散結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，集群系統(tǒng)本身滿足耗散結(jié)構(gòu)的要求： （ 1）云計(jì)算大數(shù)據(jù)集群系統(tǒng)存在著與系統(tǒng)外的能量、物質(zhì)和信息的交換，滿足耗散結(jié)構(gòu)的第一個(gè)條件； （ 2）一個(gè)運(yùn)營(yíng)良好的云計(jì)算大數(shù)據(jù)集群系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)負(fù)載是被有效均衡的，系統(tǒng)的均衡狀態(tài)是一種熵值較低的遠(yuǎn)離平衡態(tài)的狀態(tài)，滿足耗散結(jié)構(gòu)的第二個(gè)條件； （ 3）云計(jì)算大數(shù)據(jù)集群系統(tǒng)是一種具有海量節(jié)點(diǎn)的高耦合系統(tǒng)，由于在云計(jì)算系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)間中存在著頻繁的計(jì)算遷移、存儲(chǔ)遷移、計(jì)算備份、存儲(chǔ)備份、節(jié)點(diǎn)失效處理等節(jié)點(diǎn)間的高耦合性操作，系統(tǒng)內(nèi)部存在著大量的相互作用，系統(tǒng)內(nèi)部存在著非線性相互作用，滿足耗散結(jié)構(gòu)的第三個(gè)條件； （ 4）云計(jì)算大數(shù)據(jù)集群系統(tǒng)內(nèi)的各種狀態(tài)參數(shù)會(huì)隨著外部請(qǐng)求的變化出現(xiàn)漲落，滿足耗散結(jié)構(gòu)的第四個(gè)條件。 — 從熱力學(xué)的觀點(diǎn) 來(lái)說(shuō)，“ 自組織 ”是指一個(gè)系統(tǒng)通過(guò)與外界交換物質(zhì)、能量和信息，而不斷地降低自身的熵含量，提高其有序度的過(guò)程。 * 云計(jì)算大數(shù)據(jù)集群的自組織特性 — 出現(xiàn)自組織現(xiàn)象的系統(tǒng)必須是耗散結(jié)構(gòu) 的。由耗散結(jié)構(gòu)引出的自組織現(xiàn)象更是打破了人類對(duì)自然的常規(guī)認(rèn)識(shí)。 * 云計(jì)算大數(shù)據(jù)集群的自組織特性 — 典型的進(jìn)化算法（如蟻群算法） 由個(gè)體依據(jù)簡(jiǎn)單規(guī)則 ，通過(guò) 正反饋 、 分布式協(xié)作 依靠 群體的力量自動(dòng)尋找最優(yōu)路徑 ；任務(wù)分配通過(guò) 多智能體并行實(shí)現(xiàn) 在離散、有限的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上，尋找一個(gè)滿足給定約束條件并使目標(biāo)函數(shù)值達(dá)到最大或者最小的解；人工生命進(jìn)化由人工分子的非線性相互作用引起，是遠(yuǎn)離熱平衡的相變，是自組織的研究方向之一；網(wǎng)絡(luò)自組織演化研究在內(nèi)在機(jī)制驅(qū)動(dòng)下，網(wǎng)絡(luò)自行從簡(jiǎn)單向復(fù)雜、從粗糙向細(xì)致方向發(fā)展，不斷地以局部?jī)?yōu)化達(dá)到全局優(yōu)化的過(guò)程。 * 云計(jì)算大數(shù)據(jù)集群的自組織特性 — 自組織理論 產(chǎn)生于 20世紀(jì)七八十年代，主要研究混沌系統(tǒng)在隨機(jī)識(shí)別時(shí)系統(tǒng)內(nèi)部自發(fā)地由無(wú)序變?yōu)橛行?、形成耗散結(jié)構(gòu)的過(guò)程，被物理、化學(xué)、生物學(xué)、社會(huì)學(xué)、心理學(xué)等領(lǐng)域廣泛研究，其中一些研究者將自組織理論的思想、模型與計(jì)算機(jī)科學(xué)、控制理論等學(xué)科相結(jié)合，形成了一些新興的研究方向。 — InfiniBand具有傳輸速率高、傳輸距離長(zhǎng)、接口功耗低以及噪聲容限高等特性，單線傳輸速率為 ，可通過(guò) 4 或 12 線并行來(lái)擴(kuò)展通道帶寬，峰值帶寬高達(dá) 、 30Gbps（ 1x、 4x、 12x 線）。它將復(fù)雜的 I/O 系統(tǒng)與 CPU、內(nèi)存分開(kāi)，使 I/O 子系統(tǒng)獨(dú)立，采用基于包交換的高速串行鏈路和可擴(kuò)展的高速交換網(wǎng)絡(luò)替代共享總線結(jié)構(gòu)，提供了高帶寬、低延遲、可擴(kuò)展的 I/O 互聯(lián)。 — 與其他商品化系統(tǒng)域網(wǎng)絡(luò)不同， InfiniBand網(wǎng)絡(luò)首先由行業(yè)協(xié)會(huì)制定標(biāo)準(zhǔn)，然后生產(chǎn)商根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)制造出 InfiniBand設(shè)備，不同生產(chǎn)商的產(chǎn)品要求具有互操作性，這樣可以使 InfiniBand產(chǎn)品具有更好的性能價(jià)格比。 — InfiniBand被主要的 OEM服務(wù)器生產(chǎn)商所支持，用來(lái)作為下一代服務(wù)器的 I/O互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)，是第一個(gè)高性能的機(jī)箱內(nèi)部 I/O互聯(lián)方式得到延伸的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。 — InfiniBand被工業(yè)界的頂級(jí)公司所支持，執(zhí)行委員會(huì)成員包括：Compaq、 Dell、 Hewlett Packard、 IBM、 Intel、 Microsoft和 Sun。 InfiniBand就是目前較為常見(jiàn)的一種高速集群通信協(xié)議，它在高性能計(jì)算領(lǐng)域已得到廣泛的應(yīng)用。 * 集群高速通信標(biāo)準(zhǔn) InfiniBand — 集群結(jié)構(gòu)是云計(jì)算系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)之一，在集群結(jié)構(gòu)中節(jié)點(diǎn)之間的協(xié)調(diào)和數(shù)據(jù)傳送一般都通過(guò)消息傳遞機(jī)制進(jìn)行，在傳統(tǒng)的高性能計(jì)算系統(tǒng)集群內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)通信能力成為了影響集群計(jì)算能力的一個(gè)重要因素，由于受到網(wǎng)絡(luò)通信速度的制約甚至提出以計(jì)算換通信的編程理念。 — 這類數(shù)據(jù)庫(kù)可以在海量的數(shù)據(jù)中快速查詢數(shù)據(jù)，典型代表為MongoDB、 CouchDB等。 * 非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)的分類 （ 3） DocumentOriented — 面向海量數(shù)據(jù)訪問(wèn)的文檔存儲(chǔ)，這類存儲(chǔ)的結(jié)構(gòu)與 KeyValue非常相似，也是每個(gè) Key分別對(duì)應(yīng)一個(gè) Value，但是這個(gè) Value主要以 JSON（ JavaScript Object Notations）或者 XML等格式的文檔來(lái)進(jìn)行存儲(chǔ)。 — KeyValue數(shù)據(jù)庫(kù)的主要特點(diǎn)是具有極高的并發(fā)讀 /寫性能，非常適應(yīng)作為緩存系統(tǒng)使用。需要特別指出的是， BigTable特別適用于 MapReduce處理，這對(duì)于云計(jì)算的發(fā)展有很高的適應(yīng)性。 — 這類數(shù)據(jù)庫(kù)還可以適應(yīng)海量數(shù)據(jù)的增加以及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的變化，這個(gè)特點(diǎn)與云計(jì)算所需的相關(guān)需求是相符合的。 — 同年，在亞特蘭大舉行的“ NO:SQL(east)”討論會(huì)上，對(duì) NoSQL最普遍的定義是“非關(guān)聯(lián)型的”，強(qiáng)調(diào) KeyValue存儲(chǔ)和文檔數(shù)據(jù)庫(kù)的優(yōu)點(diǎn)，而不是單純地反對(duì)RDBMS，至此， NoSQL開(kāi)始正式出現(xiàn)在世人面前。 * 非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)的定義 ? 非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)的定義 — 非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)，又被稱為 NoSQL（ Not Only SQL），意為不僅僅是SQL(Structured Query Language，結(jié)構(gòu)化查詢語(yǔ)言 )，據(jù)維基百科介紹， NoSQL最早出現(xiàn)于 1998年，是由 Carlo Strozzi最早開(kāi)發(fā)的一個(gè)輕量、開(kāi)源、不兼容 SQL功能的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)。 * 從關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)到非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù) — 關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的出現(xiàn)是云計(jì)算、大數(shù)據(jù)技術(shù)的必然需求，非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)可以被稱為一項(xiàng)數(shù)據(jù)庫(kù)的革命，從 2023年開(kāi)始，在云計(jì)算的發(fā)展和開(kāi)源社區(qū)的推動(dòng)下，非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)的發(fā)展顯示了較強(qiáng)的活力，也得到了越來(lái)越多的用戶關(guān)注和認(rèn)可。 — 云計(jì)算技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)高并發(fā)讀 /寫的需求，對(duì)海量數(shù)據(jù)的高效率存儲(chǔ)和訪問(wèn)的需求，對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的高可擴(kuò)展性和高可用性的需求都讓傳統(tǒng)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)顯得力不從心。 * 從關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)到非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù) — 所謂網(wǎng)站內(nèi)容的制造者是說(shuō)互聯(lián)網(wǎng)上的每一個(gè)用戶不再僅僅是互聯(lián)網(wǎng)的讀者，同時(shí)也成為互聯(lián)網(wǎng)的作者；不再僅僅是在互聯(lián)網(wǎng)上沖浪，同時(shí)也成為波浪制造者；在模式上由單純的“讀”向“寫”以及“共同建設(shè)”發(fā)展；由被動(dòng)地接收互聯(lián)網(wǎng)信息向主動(dòng)創(chuàng)造互聯(lián)網(wǎng)信息發(fā)展，從而更加人性化。 — Web 的主要特點(diǎn)在于用戶通過(guò)瀏覽器獲取信息。 — 但云計(jì)算和大數(shù)據(jù)技術(shù)的出現(xiàn)逐步動(dòng)搖了關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)的統(tǒng)治地位。另外，埃德加 科德從關(guān)系代數(shù)的基礎(chǔ)推演出一套關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的理論。 — 埃德加 科德也被稱為“關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)之父”（見(jiàn)圖 ）。 1981年埃德加 一致性哈希算法中計(jì)算和存儲(chǔ)位置的一致性 * 非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù) ? 非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù) ? 從關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)到非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù) — 關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)（ Relational Database）技術(shù)是 1970年埃德加 — 3．物聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)業(yè)鏈可以分為 、 、 、 4個(gè)環(huán)節(jié)。 — 練習(xí)題 — 1．簡(jiǎn)述一致性哈希算法的基本原理。 — 圖 1000個(gè)節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)在不同的負(fù)載均衡策略下在參數(shù)相空間和動(dòng)量相空間（相空間的基本知識(shí)見(jiàn)本書(shū) ）中的仿真實(shí)現(xiàn)結(jié)果，體現(xiàn)了集群系統(tǒng)的簡(jiǎn)單自組織現(xiàn)象，圖中上面一排是在參數(shù)相空間的仿真結(jié)果，下面一排是動(dòng)量相空間的仿真結(jié)果。 — 圖 云計(jì)算大數(shù)據(jù)集群系統(tǒng)的抽象描述 — 從圖 ：集群系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)需要能量的輸入，同時(shí)系統(tǒng)內(nèi)的一部分能量又會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芰鞒鱿到y(tǒng)；集群系統(tǒng)需要不斷地接受系統(tǒng)外傳入的數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理，同時(shí)又會(huì)不斷地向系統(tǒng)外傳出數(shù)據(jù)；集群系統(tǒng)由于具有很好的彈性規(guī)模且又非常大，所以節(jié)點(diǎn)的增加和節(jié)點(diǎn)的失效都十分頻繁 。 — 云計(jì)算大數(shù)據(jù)集群具有數(shù)量眾多的節(jié)點(diǎn)，對(duì)比耗散結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，集群系統(tǒng)本身滿足耗散結(jié)構(gòu)的要求： — （ 1）云計(jì)算大數(shù)據(jù)集群系統(tǒng)存在著與系統(tǒng)外的能量、物質(zhì)和信息的交換，滿足耗散結(jié)構(gòu)的第一個(gè)條件； — （ 2）一個(gè)運(yùn)營(yíng)良好的云計(jì)算大數(shù)據(jù)集群系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)負(fù)載是被有效均衡的，系統(tǒng)的均衡狀態(tài)是一種熵值較低的遠(yuǎn)離平衡態(tài)的狀態(tài)，滿足耗散結(jié)構(gòu)的第二個(gè)條件； — （ 3）云計(jì)算大數(shù)據(jù)集群系統(tǒng)是一種具有海量節(jié)點(diǎn)的高耦合系統(tǒng)，由于在云計(jì)算系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)間中存在著頻繁的計(jì)算遷移、存儲(chǔ)遷移、計(jì)算備份、存儲(chǔ)備份、節(jié)點(diǎn)失效處理等節(jié)點(diǎn)間的高耦合性操作，系統(tǒng)內(nèi)部存在著大量的相互作用，系統(tǒng)內(nèi)部存在著非線性相互作用，滿足耗散結(jié)構(gòu)的第三個(gè)條件； — （ 4）云計(jì)算大數(shù)據(jù)集群系統(tǒng)內(nèi)的各種狀態(tài)參數(shù)會(huì)隨著外部請(qǐng)求的變化出現(xiàn)漲落，滿足耗散結(jié)構(gòu)的第四個(gè)條件。從熱力學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)說(shuō)，“自組織”是指一個(gè)系統(tǒng)通過(guò)與外界交換物質(zhì)、能量和信息，而不斷地降低自身的熵含量，提高其有序度的過(guò)程。 — 出現(xiàn)自組織現(xiàn)象的系統(tǒng)必須是耗散結(jié)構(gòu)的。由耗散結(jié)構(gòu)引出的自組織現(xiàn)象更是打破了人類對(duì)自然的常規(guī)認(rèn)識(shí)。 ⅰ的相變，是自組織的研究方向之一；網(wǎng)絡(luò)自組織演化研究在內(nèi)在機(jī)制驅(qū)動(dòng)下，網(wǎng)絡(luò)自行從簡(jiǎn)單向復(fù)雜、從粗糙向細(xì)致方向發(fā)展，不斷地以局部?jī)?yōu)化達(dá)到全局優(yōu)化的過(guò)程。自組織算法按照自下而上的機(jī)制進(jìn)行控制，與一般采用中心控制算法不同，在進(jìn)化計(jì)算、任務(wù)分配、網(wǎng)絡(luò)自組織演化戎械玫焦惴旱難ǎㄈ繅先核惴 ǎ┯ 252。 — InfinBand 既可作為系統(tǒng)內(nèi)部互聯(lián)技術(shù)又可作為網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù)，既可用于構(gòu)造高性能刀片服務(wù)器（ Blade Server），又可用于構(gòu)建具有高可用性和高可伸縮性的大規(guī)模集群系統(tǒng)，還可用于構(gòu)建性能卓越的存儲(chǔ)區(qū)域網(wǎng)絡(luò) SAN?；?I/O 通路共享機(jī)制的 InfiniBand 提供了一種連接計(jì)算機(jī)的新途徑，采用 InfiniBand 之后， I/O 不再是服務(wù)器的組成部分，這時(shí)遠(yuǎn)程存儲(chǔ)設(shè)備、 I/O 設(shè)備和服務(wù)器之間的互聯(lián)是通過(guò) InfiniBand 交換機(jī)和路由器完成的，克服了傳統(tǒng)的共享 I/O 總線結(jié)構(gòu)的種種弊端。 — InfiniBand 是在 1999 年由 Future IO 和 NGIO 兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)整合而來(lái)的新型互聯(lián)技術(shù)。 InfiniBand是惟一既提供機(jī)箱內(nèi)底板互聯(lián)解決方案，又可以使高速帶