摘 要： IMS(Information Management System)是一種層次型的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，其數(shù)據(jù)以一種樹型的邏輯拓撲結(jié)構(gòu)進行存儲，非常適合支持高可用性、高性能、高容量、低成本的關(guān)鍵性聯(lián)機應(yīng)用程序。對IMS系統(tǒng)進行了抽象地分析，介紹了IMS系統(tǒng)的優(yōu)勢，建立了IMS系統(tǒng)的模型結(jié)構(gòu)，并深入分析了IMS的可恢復(fù)性以及系統(tǒng)恢復(fù)機制。
??? 關(guān)鍵詞： IMS；樹型邏輯拓撲結(jié)構(gòu)；模型結(jié)構(gòu)；可恢復(fù)性；恢復(fù)機制
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1 IMS的誕生及其優(yōu)勢
空航天局)的阿波羅登月計劃專門開發(fā)的，幫助NASA管理宏大的阿波羅計劃中的繁瑣資料。在1969年，NASA成功發(fā)射了阿波羅11號，實現(xiàn)了人類首次登月。之后NASA繼續(xù)在其航天計劃中使用著該產(chǎn)品，與此同時IMS被廣泛地應(yīng)用在金融、保險、制造等多個行業(yè)。時至今日，IMS又在互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用連接、商務(wù)智能等應(yīng)用中找到了全新的角色。
層次型數(shù)據(jù)庫以樹型邏輯拓撲結(jié)構(gòu)進行數(shù)據(jù)的存儲和查詢，適合存儲銀行、保險等總帳戶、子帳戶和明細記錄的多層次結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)，因此適合支持高可用性、高性能、高容量、高完整性和低成本的關(guān)鍵性聯(lián)機應(yīng)用程序，正在被國內(nèi)外許多大型的銀行、保險、制造等企業(yè)使用。據(jù)2008年初的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，全世界范圍內(nèi)的IMS客戶已經(jīng)超過400萬MIPS。
隨著關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的不斷發(fā)展，DB2、ORACLE等大型關(guān)系型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)逐漸被應(yīng)用于各行業(yè)，但是作為層次型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)代表的IMS，憑借其高可用性和高效率的特點，仍然穩(wěn)固地保持著市場占有率，從1968年的IMS V1版本發(fā)展到目前的V11版本。相對于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，IMS數(shù)據(jù)庫的優(yōu)點主要有以下幾個方面：
(1)樹型結(jié)構(gòu)有效地減少數(shù)據(jù)冗余，節(jié)省磁盤空間；
??? (2)存取數(shù)據(jù)快速高效，系統(tǒng)響應(yīng)時間快，吞吐量大；
??? (3)能夠更有效、充分地利用主機資源，節(jié)約經(jīng)濟投入成本；
??? (4)與XML結(jié)構(gòu)一致，能更好地滿足電子商務(wù)的需求。
2 IMS的系統(tǒng)架構(gòu)
2.1 系統(tǒng)總架構(gòu)
數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)是一種按照某種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組織、操作和管理數(shù)據(jù)的大型計算機軟件。它對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一地管理和控制，使用戶能方便地定義和操作數(shù)據(jù)。另外有一套系統(tǒng)機制來保證數(shù)據(jù)的安全性和完整性，保證多用戶下的并發(fā)控制和發(fā)生災(zāi)難時的數(shù)據(jù)庫恢復(fù)。
IMS作為一種數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，為了保證系統(tǒng)的安全性、一致性和可恢復(fù)性，必須有一套相應(yīng)的組件來完成對應(yīng)的管理任務(wù)。IMS是一個龐大復(fù)雜的軟件系統(tǒng)，它的系統(tǒng)組件TM(Transaction Manager)可以管理聯(lián)機交易，本文只針對IMS作為一個數(shù)據(jù)庫管理軟件即IMS的DBCTL(Database Control)環(huán)境進行分析，深入分析了它的系統(tǒng)功能及各個關(guān)鍵的系統(tǒng)部件，建立的IMS的系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)如圖1所示。
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??? IMS系統(tǒng)可以劃分為用戶訪問層、系統(tǒng)管理層和數(shù)據(jù)存儲層3個層次。
用戶訪問層是指用戶訪問IMS數(shù)據(jù)庫的方式。目前主要有3種方式：IMS Batch Region、IMS BMP程序以及通過CICS(Custom Information Control System)中間件發(fā)來的聯(lián)機交易來訪問數(shù)據(jù)庫。用戶要存取和操作IMS數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)必須通過上述3種接口來實現(xiàn)訪問和存取。
系統(tǒng)管理層主要對系統(tǒng)和數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一管理和控制，以保證數(shù)據(jù)的完整性、一致性和安全性，以及實現(xiàn)系統(tǒng)的可恢復(fù)性。系統(tǒng)管理層由DBCTL(Database Control)、DLSAS(DL/I Separate Address Space)、DBRC(Database Recovery Control)、IRLM (Internal Resource Lock Manager)4個系統(tǒng)地址空間以及IMS LOG和RECON(Recovery Control Data Set)2個系統(tǒng)數(shù)據(jù)集構(gòu)成，它們共同合作完成數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的核心功能。
數(shù)據(jù)存儲層主要是指IMS管理的數(shù)據(jù)庫。目前IMS主要有DL/I數(shù)據(jù)庫和Fast Path數(shù)據(jù)庫兩種類型。
2.2 系統(tǒng)管理層
??? 系統(tǒng)管理層是IMS數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的核心，實現(xiàn)對系統(tǒng)的集中管理和控制，以保證數(shù)據(jù)和系統(tǒng)的完整性、一致性、安全性和可恢復(fù)性。系統(tǒng)管理層由4個重要的地址空間和2個重要的系統(tǒng)數(shù)據(jù)集構(gòu)成，下面對這些組件進行詳細地分析。
2.2.1 IMS LOG
??? 系統(tǒng)日志對于一個數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)來說是非常重要的，它記錄了IMS整個生命周期中所有的系統(tǒng)行為和數(shù)據(jù)庫行為，使系統(tǒng)重新啟動和恢復(fù)成為可能。IMS系統(tǒng)日志主要記錄了以下系統(tǒng)信息和數(shù)據(jù)庫信息：
??? (1)IMS啟動和停止的時間點；
??? (2)應(yīng)用程序啟動和停止的時間點；
??? (3)數(shù)據(jù)庫記錄被更新之前的內(nèi)容(before image)和更新之后的內(nèi)容(after image)；
??? (4)定期通過系統(tǒng)checkpoint記錄的系統(tǒng)狀態(tài)信息；
??? (5)記錄應(yīng)用程序的狀態(tài)；
??? (6)記錄一個交易UOW(Unit Of Work)的開始和結(jié)束狀態(tài)。
??? 正是因為IMS LOG記錄了這些系統(tǒng)行為，IMS才能成為一個可恢復(fù)性的系統(tǒng)軟件。在下列情形，讀取IMS LOG來保證系統(tǒng)的完整性和可恢復(fù)性：
??? (1)失敗交易的動態(tài)回滾(dynamic backout)；
??? (2)IMS系統(tǒng)的熱重啟(warm restart)和緊急重啟(emergency restart)；
??? (3)IMS數(shù)據(jù)庫的故障恢復(fù)；
??? (4)系統(tǒng)性能分析、審計以及故障診斷。
IMS記錄LOG采用雙寫的方法，每個LOG都有主次兩個LOG數(shù)據(jù)集，每次寫LOG都同時更新主次LOG。在系統(tǒng)重啟或者恢復(fù)時優(yōu)先讀取主LOG里的數(shù)據(jù)，在主LOG發(fā)生損壞時系統(tǒng)會自動讀取次LOG。另外IMS還提供了恢復(fù)LOG的功能，幫助恢復(fù)發(fā)生損壞的LOG數(shù)據(jù)集，以保證IMS系統(tǒng)的高可用性和可恢復(fù)性。
2.2.2 RECON
??? RECON是IMS非常重要的系統(tǒng)數(shù)據(jù)集，它保存著關(guān)鍵的系統(tǒng)信息和數(shù)據(jù)庫信息，在系統(tǒng)重啟或者數(shù)據(jù)庫恢復(fù)時都要使用到這些信息。
??? (1)IMS LOG的狀態(tài)信息，LOG的開始時間和結(jié)束時間；
??? (2)IMS系統(tǒng)里所有數(shù)據(jù)庫的信息；
??? (3)IMS系統(tǒng)里所有數(shù)據(jù)庫的IC備份(Image Copy)、重組、恢復(fù)的時間點等信息；
??? (4)IMS系統(tǒng)里所有數(shù)據(jù)庫發(fā)生的事件，如被訪問和被更新等信息。
??? 因為RECON里的信息對系統(tǒng)的運行和恢復(fù)非常重要，所以RECON數(shù)據(jù)集也采取雙寫的策略，每次對RECON的更新都同時寫到RECON1和RECON2中。此外IMS還有一個備用的RECON3，當RECON1和RECON2任意一個發(fā)生損壞，系統(tǒng)會自動切換到RECON3，從而保證系統(tǒng)的高可用性和可恢復(fù)性。
2.2.3 DBCTL
DBCTL組件是IMS系統(tǒng)的核心組件，協(xié)調(diào)控制其他組件對數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)進行統(tǒng)一管理，控制用戶對數(shù)據(jù)的訪問、管理和記錄IMS系統(tǒng)日志，完成IMS系統(tǒng)的啟動和停止功能，負責正常結(jié)束的交易的數(shù)據(jù)庫處理以及失敗交易的數(shù)據(jù)回滾等系統(tǒng)工作。在IMS異常宕掉時，DBCTL讀取系統(tǒng)日志來恢復(fù)發(fā)生故障時的系統(tǒng)環(huán)境，從而保證系統(tǒng)的一致性和可恢復(fù)性。另外DBCTL還管理著Fast Path數(shù)據(jù)庫。
2.2.4 DLSAS
DLSAS組件管理DL/I類型的數(shù)據(jù)庫。另外DLSAS是IMS數(shù)據(jù)庫和應(yīng)用程序的接口，負責解析和處理用戶程序中的DL/I CALL命令以滿足用戶程序?qū)?shù)據(jù)庫的訪問。
2.2.5 DBRC
??? DBRC是IMS必不可少的組成部分。DBRC記錄和管理RECON中的系統(tǒng)信息，并且根據(jù)RECON中的信息指導(dǎo)某些系統(tǒng)行為該怎么繼續(xù)進行。DBRC有以下幾個主要的功能：
??? (1)記錄和管理IMS LOG相關(guān)的信息從而保證IMS系統(tǒng)的完整性和數(shù)據(jù)庫的完整性；
??? (2)在IMS重新啟動時通知IMS應(yīng)該使用哪個LOG來重新啟動；
??? (3)在數(shù)據(jù)共享環(huán)境記錄數(shù)據(jù)庫的授權(quán)、訪問、更新等信息以保證數(shù)據(jù)的一致性；
??? (4)提供數(shù)據(jù)庫恢復(fù)的標準接口，使數(shù)據(jù)庫恢復(fù)更易操作。
2.2.6 IRLM
??? IRLM(Internal Resource Lock Manager)管理數(shù)據(jù)庫資源的鎖記錄，實現(xiàn)在IMSPLEX環(huán)境中的數(shù)據(jù)共享，控制多用戶的并行訪問，以提高處理能力。IRLM后來也被應(yīng)用到了DB2產(chǎn)品中。IRLM使用死鎖檢測機制，定期檢查系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫鎖記錄，以診斷是否有死鎖產(chǎn)生，然后采用相應(yīng)措施解除死鎖。
2.3 數(shù)據(jù)存儲層
??? 數(shù)據(jù)存儲層主要是指IMS管理的數(shù)據(jù)庫。由于IMS是一種層次型的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，其管理的數(shù)據(jù)都以樹型拓撲進行存儲，所以IMS數(shù)據(jù)庫采用的存儲方法都是層次型的訪問方法(Hierarchic Access Methods)。目前主要有DL/I數(shù)據(jù)庫和Fast Path數(shù)據(jù)庫兩種類型。DL/I數(shù)據(jù)庫是和IMS系統(tǒng)同時誕生的，是早期的IMS數(shù)據(jù)庫類型。Fast Path數(shù)據(jù)庫是IBM于上世紀70年代末期推出的一種嶄新的數(shù)據(jù)庫類型，因為其記錄數(shù)據(jù)庫日志的方式與傳統(tǒng)的DL/I數(shù)據(jù)庫類型不同，能獲得更快的訪問速度和更高的系統(tǒng)性能，因此而得名為Fast Path“快速存取”的數(shù)據(jù)庫。
DL/I數(shù)據(jù)庫和Fast Path數(shù)據(jù)庫在主機端通過一個或者多個VSAM(Virtual Storage Access Method)數(shù)據(jù)集來實現(xiàn)，數(shù)據(jù)間的層次關(guān)系通過指針(pointer)來表示。任何一種數(shù)據(jù)庫類型對于用戶程序來說都是透明的，應(yīng)用程序統(tǒng)一采用DL/I CALL的方式來訪問數(shù)據(jù)庫里的數(shù)據(jù)。
3 IMS的可恢復(fù)性
系統(tǒng)恢復(fù)是指把一個異常結(jié)束的系統(tǒng)恢復(fù)到正常狀態(tài)。系統(tǒng)恢復(fù)包括數(shù)據(jù)庫、用戶處理數(shù)據(jù)的請求、正在運行的程序和輸出給用戶的數(shù)據(jù)幾個部分。
一個可恢復(fù)的系統(tǒng)必須保證數(shù)據(jù)不可丟失。數(shù)據(jù)的丟失可能有兩個方面，一種是物理的丟失，磁盤或者磁帶上的數(shù)據(jù)被物理破壞；一種是邏輯意義的丟失，即數(shù)據(jù)不正確或者丟失了和其他數(shù)據(jù)的邏輯關(guān)系。一個可恢復(fù)的系統(tǒng)必須保證數(shù)據(jù)的完整性，即數(shù)據(jù)既不能丟失又不能被不完整地修改。
能成功地完成系統(tǒng)恢復(fù)，主要依賴以下兩點：
??? (1)可以回退到一個安全的、數(shù)據(jù)完整的時間點，必須保證這個時間點的數(shù)據(jù)是正確完整的。
??? (2)記錄了自這個安全的時間點之后所發(fā)生的一切系統(tǒng)行為。
??? IMS是一個可恢復(fù)性的系統(tǒng)軟件，有一套完備的系統(tǒng)恢復(fù)機制，一些是系統(tǒng)可以自動完成的，有一些則需要人工參與。
??? 在IMS系統(tǒng)里一個系統(tǒng)同步點sync point(synchronization point)就是一個數(shù)據(jù)完整的時間點。sync point是一個里程碑式的時間點，它是一個可以回退到的安全的時間點，是一個數(shù)據(jù)一致性的可以重新開始的時間點。
IMS有兩類sync point，一種是IMS自身定期記錄的sync point叫做系統(tǒng)checkpoint，就像一個系統(tǒng)快照一樣記錄了IMS系統(tǒng)當前的運行環(huán)境。另外，應(yīng)用程序也可以在完成一個完整的交易單元時建立sync point。IMS系統(tǒng)管理的數(shù)據(jù)庫可以定期做備份即IC(Image Copy)，從而保證數(shù)據(jù)也有安全的完整的時間點。這樣IMS系統(tǒng)的checkpoint、應(yīng)用程序的sync point以及數(shù)據(jù)庫的IC備份保證了在發(fā)生故障時可以回退到一個安全的、數(shù)據(jù)完整的時間點。另外，IMS LOG記錄了IMS系統(tǒng)發(fā)生的所有行為，保證了在系統(tǒng)故障時從讀取IMS LOG重新進行操作來重建故障時刻的系統(tǒng)環(huán)境。
在大多數(shù)故障時，IMS可以通過重新啟動來恢復(fù)環(huán)境，IMS會自動管理IMS LOG的讀寫操作，對不完整的交易和數(shù)據(jù)庫更新自動進行回滾，不需要人為干預(yù)。
??? 如果IMS數(shù)據(jù)庫發(fā)生損壞，則需要人工干預(yù)來恢復(fù)。IMS提供的數(shù)據(jù)庫恢復(fù)相關(guān)的服務(wù)功能可根據(jù)DBRC記錄的數(shù)據(jù)庫的訪問信息自動生成相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫恢復(fù)作業(yè)并完成數(shù)據(jù)庫的恢復(fù)，因此IMS數(shù)據(jù)庫的恢復(fù)工作相對比較容易。當需要恢復(fù)數(shù)據(jù)庫時，只需向DBRC發(fā)出指示，提供需要恢復(fù)的數(shù)據(jù)庫的名字，DBRC會根據(jù)RECON中的信息，選擇適當時間的數(shù)據(jù)庫IC備份和適當時間的IMS LOG，根據(jù)LOG中的內(nèi)容重新對數(shù)據(jù)庫進行更新操作，完成數(shù)據(jù)庫的恢復(fù)工作，恢復(fù)機制如圖2所示。
因為聯(lián)機業(yè)務(wù)運行是一件非常復(fù)雜的行為，所以系統(tǒng)恢復(fù)也要具體問題具體分析，往往采用多個恢復(fù)步驟，需要系統(tǒng)和人工的共同干預(yù)。
??? 總之，IMS作為一個數(shù)據(jù)庫管理軟件提供了很好的系統(tǒng)容錯能力和容災(zāi)能力，具有很高的系統(tǒng)可用性和可恢復(fù)性。
??? 當前各行業(yè)間競爭尤其激烈，對核心業(yè)務(wù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和快速高效的要求不斷提高。IMS是一個相對廉價的、能夠使用較小的MIPS管理大容量數(shù)據(jù)、能夠滿足繁重的讀寫需求的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。而主機MIPS的減少，意味著更低的主機投資成本，從而減小了相應(yīng)的主機系統(tǒng)軟件和第三方軟件的投資成本。IMS憑借著其高可用性和高效率的特點，將在各領(lǐng)域不斷發(fā)展壯大。
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