摘 要： IMS(Information Management System)是一種層次型的數據庫管理系統，其數據以一種樹型的邏輯拓撲結構進行存儲，非常適合支持高可用性、高性能、高容量、低成本的關鍵性聯機應用程序。對IMS系統進行了抽象地分析，介紹了IMS系統的優勢，建立了IMS系統的模型結構，并深入分析了IMS的可恢復性以及系統恢復機制。
??? 關鍵詞： IMS；樹型邏輯拓撲結構；模型結構；可恢復性；恢復機制
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1 IMS的誕生及其優勢
空航天局)的阿波羅登月計劃專門開發的，幫助NASA管理宏大的阿波羅計劃中的繁瑣資料。在1969年，NASA成功發射了阿波羅11號，實現了人類首次登月。之后NASA繼續在其航天計劃中使用著該產品，與此同時IMS被廣泛地應用在金融、保險、制造等多個行業。時至今日，IMS又在互聯網應用連接、商務智能等應用中找到了全新的角色。
層次型數據庫以樹型邏輯拓撲結構進行數據的存儲和查詢，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構的數據，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鍵性聯機應用程序，正在被國內外許多大型的銀行、保險、制造等企業使用。據2008年初的統計數據，全世界范圍內的IMS客戶已經超過400萬MIPS。
隨著關系型數據庫的不斷發展，DB2、ORACLE等大型關系型數據庫系統逐漸被應用于各行業，但是作為層次型數據庫系統代表的IMS，憑借其高可用性和高效率的特點，仍然穩固地保持著市場占有率，從1968年的IMS V1版本發展到目前的V11版本。相對于關系型數據庫管理系統，IMS數據庫的優點主要有以下幾個方面：
(1)樹型結構有效地減少數據冗余，節省磁盤空間；
??? (2)存取數據快速高效，系統響應時間快，吞吐量大；
??? (3)能夠更有效、充分地利用主機資源，節約經濟投入成本；
??? (4)與XML結構一致，能更好地滿足電子商務的需求。
2 IMS的系統架構
2.1 系統總架構
數據庫管理系統是一種按照某種數據結構組織、操作和管理數據的大型計算機軟件。它對數據進行統一地管理和控制，使用戶能方便地定義和操作數據。另外有一套系統機制來保證數據的安全性和完整性，保證多用戶下的并發控制和發生災難時的數據庫恢復。
IMS作為一種數據庫管理系統，為了保證系統的安全性、一致性和可恢復性，必須有一套相應的組件來完成對應的管理任務。IMS是一個龐大復雜的軟件系統，它的系統組件TM(Transaction Manager)可以管理聯機交易，本文只針對IMS作為一個數據庫管理軟件即IMS的DBCTL(Database Control)環境進行分析，深入分析了它的系統功能及各個關鍵的系統部件，建立的IMS的系統模型結構如圖1所示。
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??? IMS系統可以劃分為用戶訪問層、系統管理層和數據存儲層3個層次。
用戶訪問層是指用戶訪問IMS數據庫的方式。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)中間件發來的聯機交易來訪問數據庫。用戶要存取和操作IMS數據庫中的數據必須通過上述3種接口來實現訪問和存取。
系統管理層主要對系統和數據進行統一管理和控制，以保證數據的完整性、一致性和安全性，以及實現系統的可恢復性。系統管理層由DBCTL(Database Control)、DLSAS(DL/I Separate Address Space)、DBRC(Database Recovery Control)、IRLM (Internal Resource Lock Manager)4個系統地址空間以及IMS LOG和RECON(Recovery Control Data Set)2個系統數據集構成，它們共同合作完成數據庫管理系統的核心功能。
數據存儲層主要是指IMS管理的數據庫。目前IMS主要有DL/I數據庫和Fast Path數據庫兩種類型。
2.2 系統管理層
??? 系統管理層是IMS數據庫管理系統的核心，實現對系統的集中管理和控制，以保證數據和系統的完整性、一致性、安全性和可恢復性。系統管理層由4個重要的地址空間和2個重要的系統數據集構成，下面對這些組件進行詳細地分析。
2.2.1 IMS LOG
??? 系統日志對于一個數據庫管理系統來說是非常重要的，它記錄了IMS整個生命周期中所有的系統行為和數據庫行為，使系統重新啟動和恢復成為可能。IMS系統日志主要記錄了以下系統信息和數據庫信息：
??? (1)IMS啟動和停止的時間點；
??? (2)應用程序啟動和停止的時間點；
??? (3)數據庫記錄被更新之前的內容(before image)和更新之后的內容(after image)；
??? (4)定期通過系統checkpoint記錄的系統狀態信息；
??? (5)記錄應用程序的狀態；
??? (6)記錄一個交易UOW(Unit Of Work)的開始和結束狀態。
??? 正是因為IMS LOG記錄了這些系統行為，IMS才能成為一個可恢復性的系統軟件。在下列情形，讀取IMS LOG來保證系統的完整性和可恢復性：
??? (1)失敗交易的動態回滾(dynamic backout)；
??? (2)IMS系統的熱重啟(warm restart)和緊急重啟(emergency restart)；
??? (3)IMS數據庫的故障恢復；
??? (4)系統性能分析、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數據集，每次寫LOG都同時更新主次LOG。在系統重啟或者恢復時優先讀取主LOG里的數據，在主LOG發生損壞時系統會自動讀取次LOG。另外IMS還提供了恢復LOG的功能，幫助恢復發生損壞的LOG數據集，以保證IMS系統的高可用性和可恢復性。
2.2.2 RECON
??? RECON是IMS非常重要的系統數據集，它保存著關鍵的系統信息和數據庫信息，在系統重啟或者數據庫恢復時都要使用到這些信息。
??? (1)IMS LOG的狀態信息，LOG的開始時間和結束時間；
??? (2)IMS系統里所有數據庫的信息；
??? (3)IMS系統里所有數據庫的IC備份(Image Copy)、重組、恢復的時間點等信息；
??? (4)IMS系統里所有數據庫發生的事件，如被訪問和被更新等信息。
??? 因為RECON里的信息對系統的運行和恢復非常重要，所以RECON數據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任意一個發生損壞，系統會自動切換到RECON3，從而保證系統的高可用性和可恢復性。
2.2.3 DBCTL
DBCTL組件是IMS系統的核心組件，協調控制其他組件對數據庫系統進行統一管理，控制用戶對數據的訪問、管理和記錄IMS系統日志，完成IMS系統的啟動和停止功能，負責正常結束的交易的數據庫處理以及失敗交易的數據回滾等系統工作。在IMS異常宕掉時，DBCTL讀取系統日志來恢復發生故障時的系統環境，從而保證系統的一致性和可恢復性。另外DBCTL還管理著Fast Path數據庫。
2.2.4 DLSAS
DLSAS組件管理DL/I類型的數據庫。另外DLSAS是IMS數據庫和應用程序的接口，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對數據庫的訪問。
2.2.5 DBRC
??? DBRC是IMS必不可少的組成部分。DBRC記錄和管理RECON中的系統信息，并且根據RECON中的信息指導某些系統行為該怎么繼續進行。DBRC有以下幾個主要的功能：
??? (1)記錄和管理IMS LOG相關的信息從而保證IMS系統的完整性和數據庫的完整性；
??? (2)在IMS重新啟動時通知IMS應該使用哪個LOG來重新啟動；
??? (3)在數據共享環境記錄數據庫的授權、訪問、更新等信息以保證數據的一致性；
??? (4)提供數據庫恢復的標準接口，使數據庫恢復更易操作。
2.2.6 IRLM
??? IRLM(Internal Resource Lock Manager)管理數據庫資源的鎖記錄，實現在IMSPLEX環境中的數據共享，控制多用戶的并行訪問，以提高處理能力。IRLM后來也被應用到了DB2產品中。IRLM使用死鎖檢測機制，定期檢查系統中的數據庫鎖記錄，以診斷是否有死鎖產生，然后采用相應措施解除死鎖。
2.3 數據存儲層
??? 數據存儲層主要是指IMS管理的數據庫。由于IMS是一種層次型的數據庫管理系統，其管理的數據都以樹型拓撲進行存儲，所以IMS數據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數據庫和Fast Path數據庫兩種類型。DL/I數據庫是和IMS系統同時誕生的，是早期的IMS數據庫類型。Fast Path數據庫是IBM于上世紀70年代末期推出的一種嶄新的數據庫類型，因為其記錄數據庫日志的方式與傳統的DL/I數據庫類型不同，能獲得更快的訪問速度和更高的系統性能，因此而得名為Fast Path“快速存取”的數據庫。
DL/I數據庫和Fast Path數據庫在主機端通過一個或者多個VSAM(Virtual Storage Access Method)數據集來實現，數據間的層次關系通過指針(pointer)來表示。任何一種數據庫類型對于用戶程序來說都是透明的，應用程序統一采用DL/I CALL的方式來訪問數據庫里的數據。
3 IMS的可恢復性
系統恢復是指把一個異常結束的系統恢復到正常狀態。系統恢復包括數據庫、用戶處理數據的請求、正在運行的程序和輸出給用戶的數據幾個部分。
一個可恢復的系統必須保證數據不可丟失。數據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據被物理破壞；一種是邏輯意義的丟失，即數據不正確或者丟失了和其他數據的邏輯關系。一個可恢復的系統必須保證數據的完整性，即數據既不能丟失又不能被不完整地修改。
能成功地完成系統恢復，主要依賴以下兩點：
??? (1)可以回退到一個安全的、數據完整的時間點，必須保證這個時間點的數據是正確完整的。
??? (2)記錄了自這個安全的時間點之后所發生的一切系統行為。
??? IMS是一個可恢復性的系統軟件，有一套完備的系統恢復機制，一些是系統可以自動完成的，有一些則需要人工參與。
??? 在IMS系統里一個系統同步點sync point(synchronization point)就是一個數據完整的時間點。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，是一個數據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checkpoint，就像一個系統快照一樣記錄了IMS系統當前的運行環境。另外，應用程序也可以在完成一個完整的交易單元時建立sync point。IMS系統管理的數據庫可以定期做備份即IC(Image Copy)，從而保證數據也有安全的完整的時間點。這樣IMS系統的checkpoint、應用程序的sync point以及數據庫的IC備份保證了在發生故障時可以回退到一個安全的、數據完整的時間點。另外，IMS LOG記錄了IMS系統發生的所有行為，保證了在系統故障時從讀取IMS LOG重新進行操作來重建故障時刻的系統環境。
在大多數故障時，IMS可以通過重新啟動來恢復環境，IMS會自動管理IMS LOG的讀寫操作，對不完整的交易和數據庫更新自動進行回滾，不需要人為干預。
??? 如果IMS數據庫發生損壞，則需要人工干預來恢復。IMS提供的數據庫恢復相關的服務功能可根據DBRC記錄的數據庫的訪問信息自動生成相應的數據庫恢復作業并完成數據庫的恢復，因此IMS數據庫的恢復工作相對比較容易。當需要恢復數據庫時，只需向DBRC發出指示，提供需要恢復的數據庫的名字，DBRC會根據RECON中的信息，選擇適當時間的數據庫IC備份和適當時間的IMS LOG，根據LOG中的內容重新對數據庫進行更新操作，完成數據庫的恢復工作，恢復機制如圖2所示。
因為聯機業務運行是一件非常復雜的行為，所以系統恢復也要具體問題具體分析，往往采用多個恢復步驟，需要系統和人工的共同干預。
??? 總之，IMS作為一個數據庫管理軟件提供了很好的系統容錯能力和容災能力，具有很高的系統可用性和可恢復性。
??? 當前各行業間競爭尤其激烈，對核心業務系統的穩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管理大容量數據、能夠滿足繁重的讀寫需求的數據庫管理系統。而主機MIPS的減少，意味著更低的主機投資成本，從而減小了相應的主機系統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，將在各領域不斷發展壯大。
參考文獻
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