（控制理论与控制工程专业论文）实时数据库研究及在炼钢厂信息系统中的应用.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重麽自曳太堂或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：蘑拒 签字日期：唁年6 月l 日 学位论文作者签名：垮椎 签字日期：略年6 月l 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重麽整电太堂有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查 阅和借阅。本人授权一重庆邮电太堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：芬步 导师签名： 签字日期：扣留年6 月，日签字日期：唠年6 月，日 重庆邮电大学硕士论文摘要 摘要 实时数据库( r e a l t i m ed 雏出懿e ，r t d b ) 是传统数据库技术与实时系统相 结合的产物，是事务和数据都具有定时特性或显式的定时限制的数据库系统，系 统的正确性不仅依赖于逻辑结果，而且还依赖于逻辑结果产生的时间。事务调度 是影响实时数据库系统性能的重要模块，其事务调度策略是保证系统实时性的关 键，研究事务调度对系统性能的改善具有重要作用。实时数据库应用系统为工业 企业提供重要的过程数据，在工业领域有着广泛应用，具有重要的研究和使用价 值。本课题的研究得到了国家级示范工程项目“重庆钢铁股份有限公司产销一体 化系统工程项目 子课题“实时数据库系统项目 的资助。 本课题所研究内容可以概括为以下几个方面： l 、事务调度是实时数据库系统最重要的模块，本文对实时事务调度进行了深 入地研究，设计了实时事务数据结构：研究了实时事务调度策略，其中包括优先 级分配、并发控制的协议；设计了实时调度原语。 2 、由于事务调度策略和并发控制协议为保证系统的实时性、维护数据的完整 性和一致性发挥了关键作用。实时事务调度策略在分布式环境中遇到了很多困难， 现提出了一种分布式最少剩余时间优先策略来解决这些困难。实验证明，与传统 调度策略相比，该策略在分布式实时数据库中较为有效。 3 、根据炼钢厂需求，设计符合企业需要的应用系统。针对现有实时数据库产 品普遍对上层先进控制软件提供数据支撑不足的现状，采用能为上层软件提供集 成数据服务的分布式实时数据库体系结构，系统采用了c o m d c o m 组件技术， 具有良好的分布式特性。结合炼钢厂数据特点，定义了符合需要的过程数据属性 特征，建立了过程数据模型和数据源服务器模型。针对控制系统数据接口多样性 的难点，结合软件开发中的接口技术，提出了通用接口数据采集框架，大大降低 了工程实施的难度。 论文的最后部分对全部工作进行了总结，并对进一步进行实时数据库的理论 研究与应用系统设计提出了设想与建议。 关键词：实时数据库，事务调度，并发控制协议，数据采集 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t a b s t r a c t n l er e a l - t i m ec i a t a b a s e ( r i d b ) i st l l er e s u l to ft l 坞i m e g r a t i o no ft r a d i t i o n a lc l a t a t e c h n o l o g i e s 觚dr e a l t i m es y s t e m s ，锄di sad a t a b 弱es y s t e mw i mt i m el i m i t i n gd a t a 锄dt r a n s a c t i o n s n sb 弱i cf e a 饥玳sa 聆t l l a tt l l ed a t aa r en o to r d y 埘t l ll o g i cc o n s i s t e n c y b u ta l s o 、析t l le x t e m a l 觚di n t e r t i v ec o n s i s t e n c y 觚dm et r a n s a c t i o n sa r e 、) l ，i t l lt i m i n g t o o t h em o d eo f 慨l s a c t i o ns c h e d u l i i l gi sv e r ) ，i m p o i r t 觚tm o d eo f e f f e c t i n gp r o p e r t i e s o fn 怆s y s t e m ，仃a n s a c t i o ns c h e d u l i n gp l a yak e yr o l ei i l e n s u r i n gs y s t e m 锄d m a i n t a i l l i n gd a t ai n t e 酣t ) ，锄dc o n s i s t e n c y t h es t u d yo f 仃a j l s a c t i o ns c h e d u l i n gp l a y s 觚i i n p o n a 呲r o l ei ni m p r o v i n gp r o p e n i e so f t l l es y s t e m m a n yi m p o r t 眦p r o c e s sd a t a a r ep r o v i d e df o r 砌u 妤a lf i e l d sb y 印p l i c a t i o ns y s t e mo fm er c a l t i m ed a t a b 邪e n e r e a l - t i m ed a 妞b 嬲ea c t s 嬲觚e s s e n t i a lr o l ei 1 1m a i l yi n d u s t r i a lf i e l d s ，a 1 1 dt i l 啪i sv e 巧 s i g i l i f i c a n t 觚dv a l u 2 l b l et 0r e s e a r c h 觚dd e v e l o p m a n ys t u d yw o r ki nt l l ep a p e ra r e p r 0 v i d e df o rh e l pb yt l l e 糟s e a r c hp r 0 铲锄“i k 2 l l - t i m ed a t a b 弱es y s t e mp r o j e c t ， w h i c hi sas u b p r o g r a mo f 圮n a t i o n a le x 锄p i ep r 如e c t p r o d u c i n g 锄ds e l l i n g1 1 1a l l s y s t c mp r o j e c to fc h o n g q i n gs t e e l & i r o nc o l t d ” t h er e s e a r c hc o n t e n t sc 觚b es 咖m a r i z e d 弱f o l i o 、 ，i n g ： 1 t h em o d eo f 缸锄a c t i o ns c h e d u l i n gi sm em o s ti i i l p o r t 锄tm o d eo ft l l e r e a l - t h ed 灿a s e s o ，r e a lt r 黜a c t i o ns c h e d u l i n gi sm a d es 砌yi 1 1 恤p a p e r t i l e d a t as 仃u c t u r eo fr e a ln l 觚s a c t i o ni sd e s i 朗e d ，觚dt h es c h e d u l es n a t e g ) ro f 也e 陀a l t i i m 仃觚s a c t i o na 他s n l d i e d ，i n c l u d ep r i o r i t ) r - b 嬲e ds c h e d u l i n g 、t l l ep r o t o c o l 弛da r i 伽n e t i c o f 坨c o n c l 册e n c yc o n 仃o l 、m ep r i m i t i v eo ft 1 1 er e a l 也es c h e d u l i n g 2 t t 眦s a c t i o ns c h e d u l i n ga l g o r i t l 蛆锄dc o n c u r r e n c yc o n 仃0 lp r o t o c o lp l a yak e y r o l ei 1 1e n s u r i n gs y s t e mt i m e l i n e s s 锄dm a i n t a i m n gd a t ai m e g r i t ) r 锄dc o 璐i s t e n c y r e a l - t i m es c h e d u l i n ga l g o r i t l l m sm e e tn e wd i f f i c u l t i e si nd i s t r i b u t e de n v i r 0 眦e m s ，m i s p a p e rp r e s e n t san c wd i s t r i b u t e d 他a l - t i m e 仃觚s a c t i o ns c h e d u l i n ga l g o r i t l l l 【t lt 0p r 0 v i d e an e ww a yt 0s o l v et l l e s ed i m c u i t i e s e x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wm a tm em w a l g o r i m m s c 趾p r o v i d es i g n i f i c a n tg a i n so v e rt r a d i t i o n a ls c h e d u l i n ga l g o r i t l l 】n si i ld i s t r i b u t e d r e a l t i m ed a t a i b a s e 3 a c c o r d i n gt ot l l ef e a t u r eo fp r o c e s si n d u s t 叮，t l l e 印p l i c a t i o ns y s t e mi sd e s i g n e d ， w h i c h c o r d 晰t l l 恤s t a n d 矾o fe n t e 删s e an e wr t d b sa r c h i t e c t u r e ，w h i c hc o u l d p r 0 v i d ea d v 锄c e dp r o c e s sc o m r o l ( a p c ) s o r w a 佗w i t l li n t e g r a t e d 他a l t i m ed a t es e r v i c e ， i i 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t w 弱p u tf o r w a r dc o n s i d e r i n gt 1 1 es t a t u so fp o o rs u p p o n i n ga b i l i t yt 0a p c s o f h v a r ei n p 陀s e n tr t d b s 1 1 1 i s 盯c h i t e c t u r ew 硒b 嬲e do nc o m d c o mt e c l l r l o l o g y ，a n dt o o k t l l e a d v a j l t a g eo fm u l t i - l a y e rd i s t r i b u t i o n l i i l l 【e d t 0t l l ec h a r a c t e ro ft l l ed a t ai n s t e e l m a 玉c i n gf i a c t o r y m ep r o p e r t i e so fp r o c e s sd a t a 、e r ed e f i n e d o nt l l eb 嬲i so ft l l e s e ， d a t as t o r a g em o d e l 锄dd a t as e r v i c em o d e lw e r eb u i l t w i mt 1 1 ea i do fi n t e 如c e t e c l l i l o l o g y ，ag e n e r a ld a t ac o l l e c t i o n 舭吼e w o r k ，w 雒p r e s e n t e di n o r d e rt 0a d 印t i u d b st 0t 1 1 ev a r i o u si n t e 娟e so fc o n t r o ls y s t e m s i tg r e a t l yr e d u c c dt h ed i 伍c u l t ) ri n t l l ei n l p l e m e n t a t i o no fi n t e 以c ee n g i n e e r i n g ，e t c l 私t l y ，m l “n g sa r es m m n a r i z e d 逾t l l ep a p e r 锄dm o s ti r n p o r t 砒l tr e s e a r c h q u e s t i o 粥h a v ep o i n t e do u ta b o u tr e a l - t i m ed a t a b 硒ei n l e 向t u r c k q 唧o r d s ：r e a l - t i m ed a t a b a s e ，t r 觚s a c t i o ns c h e d u l e ，c o n c u 盯e n c yc o r l 仃0 lp r o t o c o l ， d a t ac o l l e c t i o n h i 重庆邮电大学硕士论文目录 目录 摘要i a b s n 乏l c t 。i i 第一章绪论l 1 1 引言1 1 2 选题的背景和意义。2 1 3 课题的研究内容3 1 4 实时数据库基本理论3 1 4 1 实时数据库的发展背景3 1 4 2 实时数据库的体系结构5 1 4 3 实时数据特性6 1 4 4 实时事务特性7 1 5 论文的结构安排。8 第二章实时数据库事务调度机制研究9 2 1 实时事务调度模型9 2 2 实时事务调度运行机制9 2 2 1 实时事务的数据结构及分类9 2 2 2 实时事务调度状态转换1 1 2 2 3 实时事务调度策略研究1 2 2 2 4 实时调度原语设计1 4 2 2 5 实时事务调度实现1 5 2 3 实时并发控制：17 2 3 1 并发控制的特点一1 8 2 3 2 并发控制协议l8 2 3 3 并发控制流程图。2 0 2 4 本章小结2 2 第三章实时事务调度在分布式环境下的策略研究2 3 3 1 问题的提出与分析2 3 3 2 分布式r t d b 的网络通讯延迟模型2 5 3 3 分布式实时事务调度新策略( n d l s f ) 详述2 7 3 4 基于并发控制协议的调度策略2 8 l v 重庆 3 4 2 基于悲观并发控制的n d l s f 调度策略2 9 3 5 调度策略的比较3 l 3 6n d l s f 调度策略验证3 3 3 7 本章小结3 6 第四章实时数据库在炼钢厂信息系统中的应用设计与实现3 7 4 1 某炼钢厂应用系统需求分析3 7 4 1 1 设计需求3 7 4 1 2 需求调研3 7 4 2 分布式实时数据库系统的体系结构设计3 8 4 2 1 系统结构分层4 0 4 2 2 关键技术分析4 l 4 3 数据模型设计4 2 4 3 1 位号模型4 2 4 3 2 过程数据模型4 4 4 3 3 数据源服务器模型。“ 4 3 4 数据服务方式4 5 4 4 数据采集接口设计与实现4 6 4 4 1 数据采集框架4 6 4 4 2 数据采集程序设计4 7 4 4 3 数据采集接口方案实现。5 0 4 5 历史数据存储5 4 4 5 1 历史数据存储数据流图5 5 4 5 2 磁盘历史数据存储结构。5 6 4 5 3 历史数据的压缩5 6 4 6 实时数据库系统应用集成5 7 4 6 1 组态系统5 7 4 6 2 监控系统5 8 4 6 3 与关系数据库集成5 9 4 7 应用效果分析5 9 4 8 本章小结6 0 第五章结论与展望6 l 致谢6 3 参考文献6 4 v v i 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 第一章绪论 实时数据库( r e a l t i m ed a t a b 弱e ，r t d b ) 是其数据和事务都具有时间属性 或显示的时间约束的数据库。实时数据库在工业领域，特别是自动控制领域有着 重要的使用价值。本章着重介绍了课题所研究的问题，论述了选择课题的背景和 意义，以及课题的研究任务。在实时数据库的基本理论中，详细说明了实时数据 库国内外的状况、体系结构、实时数据特性和实时事务特性等内容。随后对论文 的结构安排进行了说明。 1 1 引言 工业自动化在过去的十几年内得到了巨大的发展，其中最重要的发展就是将 计算机控制技术( 如集散控制系统d c s 、可编程逻辑控制器p l c 、现场总线控制 系统f c s 等) 与新兴的信息技术、管理技术等进行结合，实现过程控制逐渐从底 层向上层渗透，形成集控制、优化、管理、经营于一体的综合自动化新模式，这 种模式实现了企业的优化运行、优化控制与优化管理，提升了企业竞争力。要实 现工业企业综合自动化系统的关键之一在于解决企业底层过程控制网络与上层管 理信息网络间的数据集成和应用集成问题。由于技术的原因，控制网络上分布着 不同厂商的不同种类的自动化系统，每个系统只能采集和管理相应装置或设备在 运行过程中产生的部分实时数据【l 】，故而需要一个统一的数据平台来集成各种控 制系统的数据，同时该数据平台应当可以为先进控制a p c ( a d v a n c e dp r o c e s s c o n n d i ) 、实时在线优化和生产执行系统m e s ( m 柚u f a c t i l r i n ge x e c u t i n gs y s t e m ) 、 计算机集成制造系统c i m s ( c o m p u t e ri n t e g r a l i e dm 趾u f a c t l l r i n gs y s t e m s ) 等提供数 据支撑。实时数据库系统i 汀d b s ( r e a l 1 恤ed a t a b 硒es y s t i 锄) 为实现此类需求而产 生的，实现现场控制系统过程生产数据的集成，建立了企业管理系统与底层控制 系统之间的数据通讯，为企业过程实时信息的综合集成奠定了基础。 实时数据库系统的核心工作就是处理各种内部和外部的、具有定时约束的事 务，系统的主要目标是要满足事务完成的截止时间，不影响其它类似的内部事务 的持续进行，这些工作主要包括事务的调度，即针对多个事务的c p u 的调度，以 及与之紧密相关的在多个并发运行事务之间的数据、内存等资源的调度。事务调 度对系统性能的影响很重要，处理好这些资源的调度问题，对实时数据库的功能 和性能有极大的影响。然而目前并没有针对所有实时数据库普遍适用的方法能够 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 处理各种性能要求和各种工程环境下的事务调度，本文针对事务调度的重要性， 结合工业控制的特点，对事务调度模块进行了全面深入地研究。 与传统的关系型数据库不同，实时数据库处理的事务要求在截止时间之前完 成，超时将削弱事务处理的结果或使其变为无效【2 】，因此，实时事务调度策略的 首要目标是使尽可能多的事务处理在其规定时间内完成。分布式实时数据库的出 现和发展给实时事务调度策略带来了新的问题，网络通讯延迟时间和远程数据对 象封锁增加了事务调度的难度1 3 】，本文阐述的分布式实时事务调度新策略，提出 并验证了解决上述两个问题的方法。 实时数据库系统解决企业底层过程控制网络与上层管理信息网络间的数据集 成和应用集成问题，但现有的实时数据库系统设计给工程技术人员带来很多困难， 主要问题集中在数据采集接口的设计上。在实施应用中，目前不同的设备需要开 发多种接口软件，增加整个系统的复杂程度和开发的工作量，本文提出了通用接 口软件框架的方式简化接口设计的方法。 1 2 选题的背景和意义 在上个世纪七十年代开始，国外陆续出现了有关实时数据处理的论文和专著， 对实时数据库的理论框架进行了探索。到九十年代初，作为一个新兴的研究领域， 实时数据库得到了学术界的普遍重视，出现了大量论文和原型系统。研究人员希 望利用数据库技术来解决实时系统中的数据管理问题，并利用实时系统技术提高 数据库事务处理的实时性。但由于实时数据库提出的要求高出传统数据库很多， 到目前为为止，实时数据库的理论和应用研究还未发展成熟，也没有形成统一的 实时数据库标准。因此，实时数据库的理论研究和应用领域还有很大的挖掘潜力， 本文的研究课题“实时数据库研究及在炼钢厂信息系统中的应用”正是在这样背 景下提出的。 在传统数据库中事务调度与处理方法的目标是最大化事务吞吐量或者降低平 均响应时间。由于数据的时态属性以及应用环境带来的时间性需求，实时数据库 系统需要处理具有时间约束的事务，这些时间性需求通常表现为周期或者截止期。 系统的实时性并不是简单地意味着快，而是要求系统的行为具有可预测性。可以 说，实时性意味着需要明确地处理时间约束，使用时间认知的协议来处理与事务 相关联的截止期与周期，进一步地说，实时数据库系统中的事务调度与处理目标 也就不同于传统的数据库系统，而是最大程度地满足事务的截止期。实时数据库 系统的主要目标就是处理各种内部和外部的、具有定时约束的事务，所以，事务 调度在处理上显得尤为关键。由于事务调度对实时数据库性能的影响起决定性作 2 重 用 业 务 分布式实时数据库在实际的生产应用中占有重要地位，但分布式实时事务调 度策略尚处于探索发展阶段，在许多分布式实时数据库的研究中采用的都是集中 式实时数据库的事务调度策略，真正的分布式调度策略并不多见，在分布式系统 中进行实时事务调度更加困难，需要面对更多的影响事务处理时间的因素【3 ”】， 本文研究的分布式实时事务调度策略具有理论和长远的意义。 基于实际应用需求，为了更好的使理论与实际相结合，将实时数据库在炼钢 厂信息系统中进行了应用，设计了分布式实时数据库应用系统的结构，给出了分 布式实时数据库应用系统的具体设计与实现。应用效果分析表明，这种开放性的 系统设计有利于工程人员的灵活操作和企业的长远发展，能很好地提升企业的生 产效益，具有较好的实用意义。 1 3 课题的研究内容 本文的研究课题“实时数据库研究及在炼钢厂信息系统中的应用 是国家级 示范工程项目“重庆钢铁股份有限公司产销一体化系统工程项目 子课题“实时 数据库系统项目 的重要组成部分。结合工业过程控制的特点，本课题主要完成 以下工作： 1 ) 制定实时事务调度模块的总体设计框架，结合工业控制背景，给出了实时 事务的数据结构；研究了实时事务的调度策略，包括优先级分配、并发控制的协 议；设计了实时调度原语。 ： 2 ) 在对现有的集中式实时事务调度策略研究的基础上，针对分布式实时数据 库中事务调度遇到的新问题，提出并验证一种新的分布式实时事务调度策略。 3 ) 基于炼钢厂信息系统的需求，进行分布式实时数据库应用系统的设计与实 现，包括需求目标、分布式体系结构、关键技术处理、数据模型设计、数据采集 接口设计与实现、历史数据存储以及应用集成。 1 4 实时数据库基本理论 1 4 1 实时数据库的发展背景 实时数据库系统( r t d b s ) 总是伴随着相应地需求产生的，1 9 7 5 年美国 重庆邮电大 h o ”v e l l 公司推出的首款集散控制系统( d c s ) ，之后，国内又相继推出国产的 d c s 产品，其产品推动了工业自动控制领域发展到集散控制系统阶段，并由此引 发了数据的实时管理问题，实时数据库的研究领域由此展开。 由于实时数据库理论是建立在关系数据库基础上的，但主要的研究点是实时 事务、实时并发控制和实时任务调度。在召开第一届国际实时数据库系统的专题 研讨会以后，很多学者都对其进行了大量的研究，开始比较系统地发表了许多有 价值的实时数据库的论文。ap e r f o 肌a i l c ee v a l u a t i o n 是实时数据库领域中第一篇 具有重要价值的论文，这篇论文提出了数据库系统中的事务应该具有实时限制， 提出与之相关的一系列的c p u 及i o 调度算法、并发控制协议等【5 1 。黜吼a i i l r i t h a i i l 创造性提出了实时数据库中的数据实时特性，指出事务执行必须满足严格的时间 约束，对实时数据库研究工作起到了基础性作用【6 1 ，其后，爱尔兰的i 地o d e 大学 以及美国麻省理工学院开始重点研究实时s q l 语言【7 1 ，l 锄评估了r t d b 的特性， 随后提出各种实时事务的正确性准则【8 】。根据数据库现有的发展情况，实时数据 库的主要研究点就是围绕时间相关的实时事务处理，并发控制协议的优化等，都 是与时间相关的研究方向。 实时数据库连接着m e s 层和p c s 层，起着承上启下的作用，是企业信息化 的基础，在商品化的实时数据库产品开发上，澳大利亚的m o m e r w e l li n f o n n a t i o n s y s t e m 公司在1 9 8 2 年较早的推出m a c r 0v i e w 产品。目前世界上较为常用的实时 数据库产品有美国o s i 公司于8 0 年代中期推出的p l 眦i i l ：f o n n a t i o ns y s t e m ( p i ) ： 美国a s p e nt e c h 公司的i i l f o p l u s 2 l 产品；英国w 6 n d e r w a r e 公司的i n d u 矧a ls q l s e r v e r 产品；美国h o n e y w e u 公司的u n i f 0 锄趾c e 产品1 9 】。由于这些软件产品的开 发都是根据其公司主营业务而设计的，具有很强的针对性，用在其他的地方就没 有办法应用。国内在商品化的实时数据库产品的开发上，比较具有代表性的是中 国国家电力公司自动化研究所开发的n s i s 石油化工生产实时数据库产品；中国 科学院软件研究所开发的a g i l o r 2 0 等，值得一提的是，现有实时数据库系统的发 展方向都是大型分布式，北京力控软件技术有限公司的产品是针对大型分布式实 时数据库管理系统，集合了内存管理技术、实时数据管理技术i 1 0 1 、历史数据压缩 技术、调度与并发控制技术i l l 】等可以实现存储企业所有工艺过程点的实时数据和 多年历史数据。而在高校研究院从事实时数据库理论研究比较有影响力的是华中 科技大学刘云生教授的实时事务的并发控制和调度研究，还指导研制触玎s 1 型 实时数据库系统的雏形，但还没有形成正式产品。 4 实时数据库管理实时数据以及与实时数据有关的信息，与传统数据库相比， 主要在调度机制和事务管理方面有较大的区别。实时数据库管理系统的体系结构 【1 2 】如图1 1 所示。 图1 1 实时数据库的体系结构 1 ) 资源管理部分，对系统资源进行管理，主要任务是： a 对c p u 进行调度管理，合理调度c p u 资源，满足实时要求： b 对时间进行调度管理，触发与时间相关的实时事务执行； c 对存储空间进行分配和管理，考虑定时限制的磁盘调度算法以及与实时应 用有关的i o 调度。 2 ) 实时事务管理部分，包括管理实时事务的产生、执行和结束，解决调度实 时性的问题，主要任务是：a 实时调度，b 实时并发控制，c 事务恢复机制。数据 管理部分实现对数据的存取操作和其他处理，主要任务是管理实时数据和历史数 据。 3 ) 数据管理部分，实现对数据的存取操作和其他处理，除了管理实时数据外， 在一般的实时数据库系统中还要管理历史数据。 实时数据库的体系结构强调了实时性这一显著特征，因为实时数据库必须尽 可能提供外部世界的最新映像，保证事务读取的数据保持时序一致性，并确保事 务的实时处理。 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 1 4 3 实时数据特性 实时数据库中的数据分为两种：实时数据和非实时数据。实时数据是从过程 控制系统中实时采集的数据、向过程控制系统实时发送的控制数据以及对实时数 据进行各种实时计算直接产生的中间数据。非实时数据与时间无关，其处理程度 不会有过时的说法。 由于实时数据与时间相关联的，用一个三元组d ：“a l u e ，t i m e ，a v i ) 来标识一个 实时数据对象，其中分量d 砒，d 脚。和屯，分别为实时数据的当前状态( 或值) 、 观测时标( 即实时数据采样时间或生成时间) 和绝对有效期( 即自。时刻起d 具有 外部或绝对有效性的时间长度，假定当前时间为t ，当o 一西拥。) 时，d 毗。有 效) 。 实时数据d 具有的特征： 1 ) 内部一致性【1 3 1 。当且仅当d 满足所有对其预先定义的数据库内部的完整 性限制和一致性要求，数据库中数据的变更都是以事务的形式进行的，保证事务 操作的完整性和可串行化能够保证内部一致性。 2 ) 外部一致性【1 4 1 。当且仅当( r 一。) 屯( t 为当前时间或检测时间) ，即 实时事务使用的数据库中的值d ，在其有效时间范围d 。，内；实时数据的绝对有效 期限屯。由外部环境的要求决定的。外部一致性与时间限制紧密相关。在实时数 据外部一致性与内部一致性发生冲突时，首选应考虑外部一致性。在确保外部一 致性的情况下，再考虑恢复内部一致性。 3 ) 相互一致性【1 5 】。设r 是一个相互一致集，d r 。当且仅当 v d r 0 d 删一厶is 尺，wj ，r 是一组相关数据定义的一个相互一致集，每个r 均 有一个与之相联的相互有效期( m u t u a lv 酊i d 时i n t e r v a l ) ，记为尺。w 。 相互一致性保证了同时应用的一组数据是在公共的有效时间范围内产生的。 r 所w 的获取比屯困难，因为要考虑数据的相关性，r 中各个数据的厶，都对尺，w 起 作用。为实现相互一致性，一个相互一致集中的实时数据必须在一个指定时间内 同时采样。 4 ) 状态正确性。数据库状态正确性意味着内部、外部以及相互一致性的全 部。外部一致性和相互一致性都与时间紧密相关，统称为时间一致性。当且仅当 一个数据同时是内部一致和时间一致的，这个数据才有正确状态。 6 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 1 4 4 实时事务特性 在数据库中，事务就是包含在b e g i n c o m m i t a b o i 盯之间的操作序列， 但实时数据库的事务却是组合了实时任务和传统数据库事务两者的特性，不是简 单地在概念、机制、技术上进行的组合。 由于实时数据库系统中事务的表现形式，与传统事务还是有很大的不同，其 事务可以有定时限制( 典型地为截止期) ，系统追求的目标不是系统的吞吐量，而 是单个事务定时限制的满足，以使满足定时限制的事务比率最大；传统事务的原 子性、一致性、隔离性及永久性在实时环境下变得太严格或不可能；要求采用“识 时”机制来处理事务的调度或并发控制，而不是传统的先来先服务方式，其实时事 务的特性主要表现在【l 习： 1 ) 正确性。系统要求事务不仅在于逻辑结果的正确性，而且要求时间上的正 确性，即事务必须在给定的截止期之内完成； 2 ) 可预测性。特别是硬实时事务，要求能够预测这些事务是否会满足截止期； 3 ) 可恢复性。系统在发生故障时使实时数据库自身成为某种被认为是正确的 状态，而不一定是事务回滚： 4 ) 定时性。实时数据库的根本特点在于数据与事务的定时限制，而数据的时 间一致性也最终将导致事务的时间限制，定时性是r t d b s 事务的最根本特征， 定时可以是绝对、相对或周期时间。实时应用中事务的定时性来源于两方面：一 是外部环境显式给出的反应时间要求，如截止期等；二是由于系统中的数据随时 间变化而衍生的。 定时性包括了两方面的含义【1 6 】： a 定时限制性。事务的执行具有显式的时限，如期限、截止时间等。这是由 于控制系统要紧密跟踪被控系统引起的，它要求l h d b s 必须有时间处理机制。 b 定时正确性。事务能按合适的时间要求正确执行。这是由于要求数据对控 制系统的各种决策活动随时有效而引起的，它要求权衡定时限制与数据一致性等 多方面因素，提供合适的调度策略。 对于定时性，实时事务有不同的定时限制，其中最重要的有：截止时间、到 达时间、期望执行时间。满足事务的定时性是l 玎d b s 设计的根本目标，而实时 数据对象的特征和实时事务的分类特点则是设计事务调度及并发控制方法的基 础，它是最终实现满足事务截止期的基石。 5 ) 语义相关性。实时数据库事务之间存在着各种关系，包括结构关系、数据 与通信关系、时间关系等，这些关系带来了事务间的各种相关性，有如下两种关 系【1 7 】： 7 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 a 结构相关。这种关系取决于复杂事务模型的结构，反映事务执行时事务之 间的执行依赖关系。实时嵌套事务中的基本的事务依赖有：开始依赖、提交依赖、 夭折依赖。 b 数据相关。不同事务间的共享数据联系，包括数据继承和数据传递。每个 事务都有一个与之关联的数据集，两个事务的数据集产生了重叠，这两个事务产 生了数据相关性。实时嵌套事务中的子事务共享父事务数据，子事务提交时其对 数据库的更改委托给了父事务，只有父事务提交时才能真正地写入数据库。 1 5 论文的结构安排 论文共分五章，各章的主要内容分别简述如下： 第一章介绍了课题研究的问题、选题的背景和意义以及研究任务，对实时数 据库的相关基本理论进行简要的描述。 第二章对实时数据库实时事务调度模型进行了深入地研究，包括建立了实时 事务调度模型和数据结构、研究了实时事务调度状态、事务调度策略、并发控制 算法、设计了事务调度原语。 第三章在现有的调度理论基础上，分析了在分布式实时数据库中进行事务调 度遇到的新问题，提出一种基于最少剩余时间优先级的分布式实时事务调度新策 略。 第四章结合炼钢厂实际需求，设计了能为上层软件提供集成数据服务的分布 式实时数据库体系结构，同是将系统划分为三个层次，对系统的关键技术进行了 深入地描述。结合炼钢厂数据特点，定义了符合需要过的程数据属性特征，建立 了过程数据模型和数据源服务器模型。在系统实现模块中，重点叙述了统一数据 采集框架、高效历史数据存储及应用集成等。 第五章结论部分，对课题研究工作进行了总结，并对进一步进行实时数据库 的事务调度研究和应用系统设计提出了设想和建议。 8 重庆邮电大学硕士论文 第二章实时数据库事务调度机制研究 第二章实时数据库事务调度机制研究 实时数据库系统本身就是一个处理时间限制的事务处理系统，满足事务完成 的截止时间，故而事务调度显得尤其重要。本章就是对实时事务调度运行机制进 行全面深入地研究，包括事务调度模型、事务调度运行机制及并发控制协议。 2 1 实时事务调度模型 实时数据库在处理实时数据及其相关信息时，和关系型数据库有很大地不同， 主要集中在调度机制、并发控制机制及事务管理方面的差异，事务调度总体设计 规划图如图2 1 所示。 图2 1 实时事务调度总体设计规划图 2 2 实时事务调度运行机制 2 2 1 实时事务的数据结构及分类 事务的数据结构 一个或多个数据库操作组成一组，称作事务【i 引。事务是必须被作为一个原子、 外观上孤立于其它事务执行的单位【l 们。事务的数据结构是事务实体的一部分，记 录了实时数据库所需的、用于描述事务情况及控制事务运行所需的全部信息1 2 们。 实时数据库是以事务的数据结构为基础来进行事务调度、并发控制等操作的， 当实时数据库调度某事务时，要从该事务的数据结构中查出其现行状态及优先级； 在调度到某事务时，要根据其数据结构中所保存的处理机状态信息，去设置该事 9 重庆邮电大学硕士论文第二章实时数据库事务调度机制研究 务恢复运行的现场；当事务因某种原因而暂停执行时，又需要其断点的处理机环 境保存在数据结构中。在整个事务的执行期间，实时数据库是根据事务的数据结 构而感知到该事务的存在，数据结构是事务存在的唯一标志。 当系统创建一个新事务时，就分配给它一个相应的数据结构；当事务结束时 又收回其数据结构，事务也随之消亡。事务的数据结构可被实时数据库内核的多 个模块访问( 读或修改) ，如被事务调度模块调度、被故障重启模块读或修改等。 结合工业过程控制的特点，主要采用如下数据结构来描述一个事务的，并在 此基础上实现实时事务的调度和并发控制【2 l 】【2 2 1 ，其数据结构由四个部分组成： 1 ) 事务的点索引信息。由创建者提供，通常包括事务所在组织结构中组和设 备的标号、所在设备的位置等信息。 2 ) 进程调度信息。数据结构中需要一些与事务调度和事务对换所需的信息。 包括：事务状态、事务优先级及与优先级相关的信息。 3 ) 事务的点说明信息。事务的静态信息、采样时间间隔等。 4 ) 实时数据( 动态信息) 。包括时间戳和实时值。 其c 语言描述如下所示： c l a s s n 锄 i n t t r a n i d ； s t n j c t _ i i m e b 甜- r i v e t i m e ； 鼬m c tt i m e bd e a d l i n e ； s 仇j c t j i m e bp r e t i m e ； s t r u c l l i m e bm n t i m e ； i n ts t a t e ： i n tp r i o r i t y ； i n tc r i t i c a l ； i n t t y p e ； i n tf i n i s h ： c l a s ss t a t i c f i a