（计算机应用技术专业论文）berkeley+db的安全性可靠性等完善设计.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 嵌入式i n t e r n e t 技术的飞速发展和广泛应用以及大量数据的处理需求，给 应用于电力控制领域的软件系统带来了新的挑战数据处理的安全性、可靠性 和高效性。本论文对开源嵌入式数据库b e r k e l e yd b 进行安全性、可靠性等完善 设计，使之不仅满足电力控制领域对系统的功能性要求，而且保证系统的安全性 和可靠性。 论文首先从嵌入式数据库的相关概念和电力控制设备中的嵌入式数据库需 求及特点出发，详细研究b e r k e l e yd b 数据库的关键技术特性以及在电力控制领 域软件系统中的适用性，并介绍b e r k e l e yd b 数据库的基本概念和基本a p i 函数 操作。 在前述分析与讨论的基础上，系统采用了基于嵌入式l i n u x 操作系统和 b e r k e l e yd b 嵌入式数据库的软件构架。利用面向对象思想对电力控制设备中的 实时数据处理模块进行了结构设计，在此基础上，设计与实现了数据库功能类、 数据库遍历器类和实时数据类，满足了电力控制设备中对数据处理的基本功能需 求，并对部分接口进行了实时性测试。 电力控制设备中数据库系统需要具备较高的安全性。在安全性的设计中，首 先分析了b e r k e l e yd b 的安全机制，包括恢复机制、加密机制。然后结合l i n u x 操作系统的安全机制设计用户认证和自主访问控制，既避免了安全机制的冗余又 确保系统的安全性。最后设计了基于b e r k e l e yd b 的安全实时缓冲区，从b e r k e l e y d b 的内部对安全性进行完善性设计，保证不同安全级别和实时级别的页面被合 理有效地利用，确保实时数据的安全性。 电力控制设备中数据库系统需要具备较高的可靠性。在可靠性的设计中，论 文研究了具有功能等效的实时事务模型。以l i n u x 2 6 内核的进程调度和嵌入式 数据库b e r k e l e yd b 的事务管理为对象，研究了外部调度和内部调度的实现机制， 并对b e r k e l e yd b 的事务调度提供了冗余事务调度接口，实现了对其可靠性的完 善设计。 关键词：嵌入式数据库，b e r k e l e yd b ，完善性设计，安全性，可靠性，电力控 制设备 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe m b e d d e di n t e r n e ta n dt h ed e m a n do fd e a l i n gw i t ha g r e a td e a lo fd a t a ，t h es o f t w a r es y s t e r ni ne l e c t r i cp o w e rm e e t sn e wp r o b l e m s ，t h e s e c u r i t y 、r e l i a b i l i t ya n de f f i c i e n c yo fd a t ap r o c e s s i n g t h ea r t i c l ei n t e g r i t i l yd e s i g n s t h es e c u r i t y 、r e l i a b i l i t ya n ds of o r t hb a s e do nt h eo p e ns o u r c ee m b e d d e dd a t a b a s e b e r k e l e yd b i tc a nn o to n l ys a t i s f yt h ed e m a n do ff u n t i o n a l i t yi ne l e c t r i cp o w e r , b u t a l s oe n s u r et h es e c u r i t ya n dr e l i a b i l i t yi nt h es y s t e m f i r s t l y , t h ea r t i c l el o o k sf r o mt h er e l a t e dc o n c e p to fe m b e d d e dd a t a b a s ea n dt h e d e m a n d sa n dc h a r a c t e r i s t i c so fe m b e d d e dd a t a b a s eo fe l e t r i cp o w e rs y s t e m ，t h ea r t i c l e d e e p l yr e s e a r c h e st h ek e yt e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fb e r k e l e yd bd a t a b a s ea n di t s a p p l i c a b i l i t yi ne l e t r i cp o w e rs y s t e m ，a n di n t r o d u c e st h eb a s i cc o n c e p t so fb e r k e l e y d bd a t a b a s ea n di t sb a s i ca p if u n c t i o no p e r a t i o n s o nt h eb a s i so ft h ea b o v ea n a l y s i sa n dd i s c u s s i o n ，t h es y s t e ma d a p t st h es o f t w a r e a r c h i t e c t u r eo fl m u xe m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e ma n db e r k e l e yd be m b e d d e d d a t a b a s e t h ea r t i c l eu s et h eo b j e c t - o r i e n t e dm i n dd e s i g n st h ea r c h i t e c t u r eo fr e a l t i m e d a t ap r o c e s s i n gm o d u l eo fe l e t r i cp o w e rc o n t r o le q u i p m e n t ，d e s i g n sa n di m p l e m e n t s t h ed a t a b a s eu t i l i t yc l a s s 、d a t a b a s ei t e r a t o rc l a s sa n dr e a l - t i m ed a t ac l a s ss a t i s f y i n gt h e d e m a n do fd a t ap r o c e s s i n go fe l e t r i cp o w e r , a n dt e s t st h et i m ee x p e n do fp a r t i a l m e t h o d s ，n l ed a t a b a s ei nt h ee l e c t r i cp o w e rc o n t r o le q u i p m e n tn e e d sh i 鲂s e c u r i t y i nt h e d e s i g no fs e c u r i t y , f i r s t l ya n a l y s e st h es e c u r i t ym e c h a n i s mo fb e r k e l e yd bi n c l u d i n g r e c o v e r ym e c h a n i s m 、e n c r y p tm e c h a n i s m t h e na n a l y s e sa n dd e s i g n st h eu s e r a u t h e n t i c a t i o na n dd i s c r e t i o n a r ya c c e s sc o n t r o lm e c h a n i s mc o m b i n i n gw i t ho p e r a t i n g s y s t e m ，w h i c ha v o i d st h er e d u n d a n c yo fs e c u r i t ya n de n s u r et h es e c u r i t yi nt h es y s t e m a tl a s td e s i g n st h es e c u r ea n dr e a l - t i m eb u f f e r i n gb a s e do nb e r k e l e yd b i n t e g r i t i l y d e s i g n st h es e c u r i t yf r o mi n s i d et h eb e r k e l e yd b ，e n s u r ee f f i c i e n tu s eo fm ed i f f e r e n t s e c u r i t yl e v e la n dp r i o r i t yl e v e lo fp a g e sa n dt h es e c u r i t yo fr e a l t i m ed a t a t h ed a t a b a s ei nt h ee l e c t r i cp o w e rc o n t r o le q u i p m e n tn e e d sh i g hr e l i a b i l i t y i n t h ed e s i g no fr e l i a b i l i t y , t h ea r t i c l er e s e a r c h e st h er e a l t i m et r a n s a c t i o nm o d e l w h i c hi s p r o p o s e do nf u n c t i o na l t e r a t i v ec h a r a c t e r i s t i c a st h ec h a r a c t e r i c s t i c ，t r a n s a c t i o n s c h e d u l ei sd i v i d e di n t oi n t e r i o rs c h e d u l ea n de x t e r i o rs c h e d u l e ，w h i c hi n c r e a s et h e s y s t e ms u c c e s sr a t i o t h ea r t i c l er e s e a r c h e se x t e r i o rs c h e d u l ea n di n t e r i o rs c h e d u l eb y t h ep r o c e s ss c h e d u l eo fl i n u x 2 6a n dt h et r a n s a c t i o ns c h e d u l eo fb e r k e l e yd b ， p r o v i d e st h er e d u n d a n c yi n t e r f a c et ot h et r a n s a c t i o ns c h e d u l eo fb e r k e l e yd b a c h i e v e t h ei n t e g r i t yd e s i g no fr e l i a b i l i t y k e y w o r d s ：e m b e d d e dd a t a b a s e ，b e r k e l e yd b ，i n t e g r i t yd e s i g n ，s e c u r i t y , r e l i a b i l i t y , e l e t r i cp o w e rc o n t r o le q u i p m e n t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容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 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密d 学位论文作者签名：同焉 渊年l c l 月i 日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：周涛 日期：洳d q 年( ) 月f 曰 江苏大学硕士学位论丈 第一章绪论 1 1 新的计算模式及嵌入式系统 当代计算技术己由p c 时代进入网络时代，进而进入后p c 时代【1 1 。所谓后 p c 时代，即计算机无处不在，它渗透到我们工作和生活的方方面面。例如作为 随身物品出现的电话、遥控开关、电子手杖等；再例如作为家庭网络组成的电 视机、电冰箱、空调等。这些设备的核心部分都有计算机。m m 亦在1 9 9 9 年 提出了普适计算( p e r v a s i v ec o m p u t i n g ) l t 2 1 。所谓普适计算，是指无所不在、 随时随地可以进行的一种计算方式，主要针对新一代的智能设备，如汽车、手 机、销售机、p d a 、s t b 等。 由于互联网的不断延伸导致把“计算 渗透到社会的每个角落，任何可以 获得并传播信息的地方均成为人们的工作场所。人们要求信息服务的即时性和 就地性以及信息的可携带性，普适计算这种特殊的计算方式因此得到迅猛的发 展。网络时代给传统产业带来的最大冲击就是服务及产品的个性化趋势。网络 使我们进入了“按需生产 的社会。可以说，嵌入式系统的内涵就是个性化服 务，只是服务的消费者由顾客变成了应用程序，即嵌入式系统应能满足不同应 用程序的个性化需要。虽然不同的嵌入式设备的用途各不相同，但是它们有一 个共同之处，就是都需要进行数据的处理，区别只在于需要处理的数据量的大 小。在数据量小时，传统的方法多采用文件作为数据存取的逻辑载体。随着设 备的存储容量的增加、功能的同趋强大，要处理的数据量也越来越大。用文件 作为数据存储载体则会增加应用开发的难度与代价，且数据的共享性、独立性、 语义性和移植性差，如此会降低系统的可用性。若在处理大批量数据时采用在 数据处理方面具有得天独厚的优势的数据库作为数据存储方式，将会极大地提 高系统的开发效率和系统的可移植性。基于普适计算本身的特性，它所需要的 数据库系统与传统的典型数据库有很大的不同。普适计算具有的微型化、个性 化和移动性，对传统的数据库技术提出了新的挑战。 普适计算的核心是嵌入式系统，正是由于各种以嵌入式操作系统、数据库 和大量嵌入式应用软件为特征的嵌入式技术的发展，使微处理器的无所不在成 可能，加速了一个具有全新计算模式的信息社会的到来。在这个社会中，奉行 随时随地无处不在的计算、信息处理和信息交换，需要灵活变化规模各异的数 据管理软件。而嵌入式数据库作为嵌入式设备上的数据管理软件无疑有着重要 的地位，它是人们利用各种嵌入式系统通向这个信息社会的桥梁。 江苏大学硕士学位论文 1 2 嵌入式数据库管理系统的广泛应用 嵌入式数据库不仅在功能概念及系统特点上与传统的数据库有着很大的差 别，而且在它的应用方式上也是不同的。嵌入式数据库并不是直接销售给用户， 而是提供给设备的生产商或应用的开发商，以便直接生成在嵌入式系统和应用 之中。具体地讲，嵌入式数据库在如下领域拥有广泛的应用前景，如手持式计 算和移动计算，智能设备、嵌入式系统和智能卡1 4 l 。 掌上计算和移动计算 嵌入式数据库己经使用在各种手持式设备中，由于这类设备的功能相当的 复杂，以致它们自身所带的文件系统已经不能满足处理和操作其上数据的要求， 正是这种要求刺激了对嵌入式数据库的需求。 随着移动计算的快速增长，移动数据库已成为嵌入式数据库市场中最亮丽 的一道风景。移动计算机用户通常使用膝上型电脑来工作，现在他们也越来越 多地通过智能电话、p d a 和其它的手持式机器来工作。在这类设备上的嵌入式 数据库可以与中央数据库进行通信及同步，从而提供移动功能。这类应用可分 为两类水平应用和垂直应用。所谓水平应用指应用方案只需要极少的定制工作 就能用于多种不同行业，也即通用性较强的应用系统；而垂直应用则针对特定 行业的应用数据处理具有独特的事务处理特性，具体应用之间具有明显的差别， 需要根据行业应用的特征进行嵌入式数据库的客户端软件的开发工作，即专用 性较强的应用系统水平应用如公共数据库信息存取、场地内或场地问的移动应 用、现场审计和检查，垂直应用如会融行业的应用、零售业和分销行业应用、 运输和物流业等。 智能卡、智能设备和嵌入式系统 智能设备和嵌入式系统也己开始使用嵌入式数据库。智能设备包括i n t e n e t 接入的机顶盒，以及一些网络路由器和集线器。嵌入式系统使得许多非计算设 备如汽车、监控工厂生产工程的监控系统和越来越多的日常用品等拥有了智能、 数据捕获和i n t e n e t 通信功能。 r o b e r tf r a n c e sg r o u p 市场研究机构的研究分析员a d a ms b r o w n s t e i n 指 出，“汽车制造商们己经应用嵌入式数据库来获取有关汽车的磨损、损坏、里程 数、性能等各方面的数据。”这些存储在嵌入式数据库中的信息将为机械公司或 出租车公司以后的分析提供所需的数据。化工厂中的过程控制系统可能会使用 嵌入式数据库来记录传感器收集到的过程数据，这些数据在随后的处理中可以 上载到大型的中央数据仓库中作为过程的历史数据。 此外，数据库提供商开始着手为智能卡开发嵌入式数据库，如p e r v a s i v e 软 件公司为智能卡发布的一款嵌入式数据库s q l 2 0 0 0 ，它的系统大小只有8 k 。由 2 江苏大学硕士学位论文 于智能卡市场的飞速发展，嵌入式数据库的提供商认定这是一个绝佳的机会。 尽管目前的智能卡只支持功能确定的单一应用，但开发商们计划开发能够支持 多个应用甚至拥有操作系统的新型智能卡，而这些智能卡最终将使用嵌入式数 据库来管理它所处理的信息【5 1 。 1 3 课题背景及意义 1 3 1 嵌入式技术在电力系统中的应用 嵌入式系统在电力控制系统中的应用有着相当悠久的历史，它广泛地应用 于数据采集、自动装置、仪表检测、集散控铝i j ( d c s ) 等领域1 6 l 。其中较为典型的 应用在s c a d a 、微机保护、自动装置和电量计费。如s c a d a 是保证电力系统 正常运行、实现调度控制的基础，是现代能量管理系统( e m s ) 的基本组成之一。 在调度控制中心，运行人员看到的实时信息都是由远方的r t u 采集并传送过来 的，这些r t u 就是典型的嵌入式系统。 在电力控制网络中，嵌入式系统一般位于中低层。上位的调度主站通过 i n t e m e t 或专用网络连接下一级的调度中心，或者直接连接电力控制场站中的现 场总线式或l a n 式的计算机监控系统，而这些监控系统在通过某种工业控制网 络控制下位的数据采集、自动装置等嵌入式底层控制终端，从而组成以调度中 心为中心、向底层控制终端层层扩展的控制网络。 嵌入式系统技术为电力控制系统中底层控制设备终端提供了较为完善的解 决方案。嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础、软硬件可裁剪的 专用计算机系统，它对功能、可靠性、成本、体积提出严格的要求，它可以实 现对其他设备的控制、监视或管理等功能。随着信息化、智能化、网络化的发 展，嵌入式系统技术获得了广阔的发展空间。但由于这些底层控制设备会通过 上层的网络设备连入i n t e m e t 网或电力专用网络，为防止这些控制设备中的信息 被窃取，还必须对底层控制设备中嵌入式系统提出更高的安全性和可靠性需求。 1 3 2 嵌入式数据库在电力系统中的应用 随着我国政府加大电力方面的投入，一批批发电站应运而生，接踵而至的 是各种电力控制设备也呈几何级数地增加，这样要求处理的数据也必然急剧增 长，如果只是依靠调度中心大型数据库管理系统进行处理，必然加重调度中心 的任务。而且随着电力控制设备的增加，其层次也越来越多，每个底层终端如 果都将数据传送给主站，然后等候主站的命令，必然大大降低电力系统的实时 性。因此，迫不及待地需要数据库管理系统的支持。 3 江苏大学硕士学位论文 目前，我国电力系统大都采用底层数据库+ 上层应用程序的软件构架，常用 的数据库管理系统，如m y s q l 、s q ls e r v e r 和o r a c l e 等都是基于c s 结构的 关系型数据库系统，这些数据库产品大都采用数据库引擎方式响应应用程序的 数据事务，查询速度较慢，并且占有大量的磁盘和内存资源，适用于桌面p c 等硬件资源较为丰富的系统。 然而，由于嵌入式系统没有充足的内存和磁盘资源，如果采用文件系统或 大型关系数据库管理系统，都不可避免地产生大量的冗余数据、数据管理效率 低下等问题。所以，它们不能应用于基于嵌入式系统的电力控制设备终端中的 数据管理，需要选择合适的嵌入式数据库。 由于电力系统中i n t e m e t 或者专用网络的使用，要求嵌入式数据库也要具有 更高的安全性和可靠性。这是本文要解决的问题之一。电力控制设备中嵌入式 数据库是嵌入式系统的一部分，嵌入式数据库的安全性和可靠性要求与嵌入式 系统的安全性和可靠性要求密不可分。 1 3 3 本课题的意义 1 、具有实用价值。如果直接购买国外现有的一些实时数据库管理系统，第 一、难于购到高安全级别的数据库管理系统，第二、技术保密，其“黑箱政策” 让人对于其安全性不太放心，第三、价格昂贵。所有这些都不利于关系国计民 生的电力产业。 2 、把安全性和可靠性机制引入嵌入式数据库管理系统，必然会带来一些新 的问题。譬如，如何解决实时性和安全性矛盾，如何用冗余的思想提高可靠性 等。而本论文在设计的过程中，都是基于所选择的开源嵌入式数据库进行安全 性、可靠性设计。这是一个比较前沿的做法，具有一定的创新价值。 3 、目前嵌入式数据库在电力控制设备中的应用处于研究和初期应用阶段， 因此，深入研究嵌入式数据库技术及其在电力控制设备中的应用具有一定的理 论与较强的实践意义。 当然，本论文的研究意义不仅局限于此，本文针对应用于电力控制领域的 嵌入式数据库管理系统进行一定的探索，这些成果对于应用于其它控制领域的 嵌入式数据库管理系统的研究与运用也具有一定的参考价值。 1 4 研究内容及组织结构 在攻读硕士期问：研究了实时数据库安全性和可靠性；分析了嵌入式数据 库b e r k e l e yd b 缓冲区模块、事务管理模块等；学习了嵌入式数据库b e r k e l e yd b 提供的接口函数及机制等等。为本课题的设计工作打下了良好的基础。 4 江苏大学硕士学位论文 本文在对嵌入式数据库技术进行深入研究的基础上，以电力系统控制领域 中对嵌入式数据库的需求为依据，在选择的开源嵌入式数据库上为电力控制设 备中数据提供了基本数据处理功能，本文在完善性设计过程中做了部分工作， 使所选嵌入式数据库的安全性、可靠性有所提高。 本论文的结构安排如下： 第一章为绪论，该部分介绍了嵌入式系统和嵌入式数据库的背景和应用领 域，并阐述论文选题背景和意义。 第二章概要介绍了嵌入式数据库的概念、特点及体系结构，指出电力控制 设备中嵌入式数据库需求和特点，详细研究b e r k e l e yd b 数据库的关键技术特 性以及在电力控制系统中的适用性，最后详细介绍了嵌入式b e r k e l e yd b 数据 库的系统结构及使用。 第三章设计与实现了基于b e r k e l e yd b 数据库的电力控制设备实时数据处 理模块。b e r k e l e yd b 为用户提供较少的接口，需要针对具体应用背景进行数 据库数据处理功能的设计与实现。本章结合电力系统中数据特点、结构，利用 面向对象思想，对b e r k e l e yd b 接口进行封装，为电力控制设备的数据处理部 分提供接口。 第四章对b e r k e l e yd b 进行安全性完善设计。首先分析了b e r k e l e yd b 的 安全机制，包括恢复、加密机制，然后结合底层的操作系统分析与设计用户认 证与自主访问控制，最后基于b e r k e l e yd b 缓冲区模块进行安全性的完善设计， 以更好地满足电力系统对数据安全性的要求。 第五章对b e r k e l e yd b 进行可靠性完善设计。首先介绍了功能替代的实时 事务模型、特征及其性质，然后介绍了该事务模型下的二次调度，以l i n u x 2 6 调度机制作为外部调度并分析其机制，将功能替代的实时事务模型引入到 b e r k e l e yd b 事务调度中，作为内部调度，从而实现对b e r k e l e yd b 的可靠性 的完善设计。 第六章对本文的工作进行总结并描述下一步具体开展的工作。 5 江苏大学硕士学位论文 第二章嵌入式数据库 伴随着计算环境的发展，数据库系统也经历了集中式数据库系统、分布式 数据库系统、b s 多层结构数据库系统的发展过程。将来的数据库技术的发 展方向有联邦数据库系统、嵌入式数据库系统以及基于移动a dh o c 无线网络 的数据库技术等等同。 嵌入式数据库技术是随着当前世界上形形色色的嵌入式系统的迅速发展应 运而生的。从网络设备、智能卡、汽车电子到日常生活中的信息家电、移动电 话，从简单的电子体温计到飞机的自动导航系统，嵌入式系统都无所不在。随 之而来的，嵌入式系统中需要管理维护的数据量也迅猛增长。计算机运行环境 有了很大的改变。新的计算环境孕育新的数据库技术，嵌入式数据库破茧而出。 可以预见，随着社会信息化程度的提高以及移动、智能设备的大量应用，嵌入 式数据库技术将使数据库无处不在，成为社会信息高效的载体【9 1 。 本章将概要介绍嵌入式数据库的概念、特点、体系结构和主流嵌入式数据 库产品及特点，并详细论述b e r k e l e yd b 数据库在嵌入式电力控制设备中的适 应性。 2 1 嵌入式数据库概述 嵌入式数据库( e d b ) 已经成为人们日常生活中不可或缺的一部分。为了应 对普适计算环境的特点而对自身提出各种新的要求，它与传统数据库在很多面 有较大不同。 2 1 1 嵌入式数据库的概念 一般说来，嵌入式数据库可以从体系结构方面来定义：嵌入式数据库是指 支持某种特定计算模式的数据库管理系统，它通常与操作系统和具体应用集成 在一起，运行在智能型嵌入式设备或实时应用环境中，故嵌入式数据库往往对 实时性也有要求f 1 0 1 。 从用户的角度来看：在嵌入式数据库领域，系统的初始化配置可以在人工 干预下完成，但运行时的管理必须自动完成。在日志支持的嵌入式系统中，要 求恢复操作能迅速完成。在嵌入式系统中，通常系统将完全重新初始化，而不 是简单的重新启动。在这种情况下，嵌入式数据库必须进入初始化状态，释放 所有它占有的资源。 从开发者的角度来看，嵌入式系统除了要求零维护以外，还要求小巧性、 代码量小、应用的可配置性和可适应性、支持全驻内存的操作、支持多线程等。 6 江苏大学硕士学位论文 嵌入式应用一般很少需要处理s o l 那样的复杂查询。实际上，在嵌入式应用中， 能够针对具体应用完成用户提出的任务比支持通用的查询界面更重要。因此， 嵌入式数据库有时就无需像传统大型数据库那样支持o d b c 和s q l 界面。 2 - 1 2 嵌入式数据库特点 由于嵌入式数据库和其硬件系统以及具体应用密不可分，所以针对不同应 用的嵌入式数据库所面临问题的侧重点也不同。但是它们都有一定的共性，即 共同的特点，其中主要特点如下【1 2 】【1 3 l ： 1 、占用存储空间小，占用系统资源少 嵌入式数据库运行在嵌入式系统中，嵌入式系统硬件的限制( 如存储资源 少、计算能力弱、电源采用电池供电等1 和其专用的功能使得嵌入式数据库无需 具备大型数据库所拥有的全部的功能，而应该以精简为重。通常可以通过限制 数据结构的数量和大小。嵌入式设备的内存空间较小，一般为几百k b 到几m b 之间，这就给嵌入式数据库提出了一个新的难题：必须能运行在有限的内存空 间中。同时，有些嵌入式设备只有r a m 和r o m ，没有其它的磁盘空间存在， 这样，又存在着另一种情况：要求嵌入式数据库能够在只存在内存的情况下运 行。 因此，嵌入式数据库必须具备一个小的系统尺寸并提供较短的代码执行路 径及与应用紧密结合的编程接口。 2 、专用性 嵌入式数据库运行在嵌入式系统中，而嵌入式系统是为了某个专用的应用 或任务设计的。如此使得嵌入式数据库也呈现出了极强的专用性。它所运行的 环境都已经确定，所有的软硬件的配置与选择也都是针对所要做的任务来精心 进行的。 3 、可靠性与零管理 嵌入式数据库及其他各种嵌入式应用软件均与硬件系统紧密结合，它们直 接烧录在内存中，之后通常不再改变。运行时也无法进行类似大型数据库那样 的实时管理，一切数据库所必需的工作均由嵌入式数据库本身自动完成。因此 这就需要嵌入式数据库有极强的可靠性，在运行时极少出现差错。即使出现， 也要在无管理员、零管理的前提下自动纠j 下及恢复。若系统发生软件纠错不可 实现的情况，要能够通过硬件进行系统的快速启动。 4 、可伸缩性 由于不同嵌入式应用环境的软硬件平台、应用需求之间的差异相当的大， 嵌入式数据库要求能够针对不同的应用环境进行相应的调整，或者说可以由具 体的嵌入式应用来定制它所需的功能，因此要求嵌入式数据库在设计上有很高 7 江苏大学硕士学位论文 可伸缩性、系统的可配置性。 5 、安全性 许多应用领域的嵌入式设备是系统中数据管理或处理的关键设备，因此嵌 入式设备上的数据库系统对存取权限的控制较严格。同时，许多嵌入式设备具 有较高的移动性、便携性和非固定的工作环境，也带来潜在的不安全因素。同 时某些数据的个人隐私性又很高，因此在防止碰撞、磁场干扰、遗失、盗窃等 对个人数据安全的威胁上需要提供充分的安全性保证。 一般在嵌入式数据库中对某些特点考虑得还不够多，如安全控制访问，冗 余设计等，电力控制设备中对安全性、可靠性要求较高，对安全控制访问及冗 余设计的考虑必须提上日程。 2 2 嵌入式数据库的体系结构 嵌入式数据库没有一个比较固定的模式，其结构和采用的技术手段也因为 不同的需求而多种多样，总的来说，嵌入式数据库系统从结构上可以分为两大 模块【1 4 】： 外壳：这部分主要是一个查询处理器。数据库系统在这一层为用户提供 管理数据库的途径，一般有这么几种方式：可供直接调用的内部a p i 接口函数、 s q l 接口函数、通用标准接口、面向对象的接口函数。嵌入式数据库一般都提 供了直接访问的a p i 接口，这种方式访问速度快，适合嵌入式系统的要求。 内核：这部分是整个系统的核心，包含了系统管理、事务管理、缓冲区 管理的功能模块。 图2 1 是一个典型的嵌入式数据库系统的体系结构图。 外弃 圃口is q l 耍接i ：一：i i 内核 数据库系统功能 事务模块l数据库基奉功能 同志机制ld a t a b a s ei o 缓冲机制 f l a s h 文什系统 r a m 表虚 拟文件 图2 1 嵌入式数据库系统体系结构图 2 3 主流嵌入式数据库产品及特点 纵观目前国际、国内嵌入式数据库的应用情况，嵌入式数据库的应用处于 8 江苏大学硕士学位论文 一个“百花齐放、百家争鸣的状态。也就是说，目前基于嵌入式数据库应用 的市场需求己经进入加速发展的阶段。但应用需求多种多样，计算平台也是各 有特色，对于嵌入式数据库来说，并没有统一的技术平台，因此还没有任何一 家厂商能够做到一统天下。 下面是些典型的主流嵌入式数据库产品介绍： p e r v a s i v e s q l ：由p e r v a s i v e 公司提供，它有三个不同的版本分别适用 于智能卡，移动电话和嵌入式系统。具有“零管理 、双引擎、高速度、低价格、 等特点，其最主要的特点是运行所需内存非常小。 t i m e s t e n ：由t 皿e s t e n 公司提供，现已被o r a c l e 公司收购。主要应用 于电信、网络、证券交易等行业，提供基础架构软件，并用这种软件进行事件 管理、交易和数据的工作。t i m e s t e n 是一个实时的内存数据库系统，它可以使 嵌入式系统在实现大容量的数据处理能力的同时并拥有良好的实时性。 s q l i t e s q l i t e 是d r i e h a r d h i p p 用c 语一言编写的丌源嵌入式数据库 引擎。它是完全独立的，不具有外部依赖性。s q i j t e 支持多数s q l 9 2 标准，可 以在所有主要的操作系统上运行，并且支持大多数计算机语一言。其主要特点 是高效小巧、可移植性好、开源、支持s q l 语一言查询【1 5 l 。 b e r k e l e y d b ：b e r k e l e y d b 是由美国s l e e p y c a t s o f t w a r e 公司开发的一套 开放源码的嵌入式数据库的程序库( d a t a b a s el i b r a r y ) ，现已被o r a c l e 公司收购， 它为应用程序提供可伸缩的、高性能的、有事务保护功能的数据管理服务。它 是一个经典的c 1 i b r a r y 模式的t o o l k i t ，为程序员提供广泛丰富的函数集，是为 应用程序开发者提供工业级强度的数据库服务而设计的。其主要特点是高效、 稳定、小巧、可移植性好、特性丰富、开源【1 6 1 。 以上嵌入式数据库的技术分析如表2 1 所示。 内存是否 产品 体系结构数据模型索引技术访问接口系统平台 需求 丌源 p e r v a s i v e c s 关系型b + 树 5 0 k o d b c j d b w i n c e ， 否 s q l 4 0 0 kc a d op a l m o s b + 树，哈 v x w o r k s ，l t i m e s ；t e nc s 关系型 5 mj d b c 否 希，t 树 y n x o s e m b e d d e dc c + + j a v ap o s l x s q l i t e关系犁b + 树 2 5 0 k 是 l i b r a r y a p iw i n c e b e r k e l e y e m b e d e d b + 树，哈u n i x l i n u x d b l i b r a r y k e y d a t a 对 希，记录1 7 5 k c f c h 珏a v a a p i o d b c ，w i n c e ，是 号，队列 v x w o r k s 表2 1 嵌入式数据库产品 从表2 1 可以看出，这些嵌入式数据库系统的所采用的技术手段、应用目 的都不一样。有的采用了关系模型，比如p e r v a s i v es o l 、t i m e s t e n 、s q l i t e ： 有的则是非关系模型数据库，比如b e r k e l e y d b 。有的数据库强调内存空间的节 约，因而非常适用于低内存的嵌入式系统，比如p e r v a s i v es q l ，而有的数据库 9 江苏大学硕士学位论文 则强调大容量的数据处理能力和跨平台的移植性，比如b e r k e l e y d b 。这些数据 库所采用的体系结构也不一样，有服务器客户端结构的，也有以函数库的形式 提供数据库功能的。它们各自的索引结构，提供给外部的数据库接口也各不一 样。从这些例子可以看出，嵌入式数据库没有统一的技术平台，而是依据不同 的应用特点，采用不同的实现技术来满足特定的需求。因此对嵌入式数据库技 术的研究最好将其放在特定的应用背景中，本文后面将要研究b e r k e l e y d b 嵌 入式数据库在电力系统控制设备中的适用性。 2 4 基于嵌入式数据库的电力控制设备终端 2 4 1 嵌入式电力控制设备中数据库需求及特点 电力调度自动化子站软件系统存在的大量数据，可以分为实时数据和非实 时数据两类。实时数据是从子站实时接收的各种现场的模拟量和数字量等，它 们反映了当前电网运行状况，当电力系统受到突发事件的干扰时，短时间内要 接收、记录、处理和报告大量的事故事件。因此，要求系统能实时对数据进行 处理和响应。非实时数据包括各类静态配置数据，其特点是实时性要求不高、 数据的存储量大、保存的时间长。 主站对子站的访问主要是控制，子站对主站的操作主要是写。 由以上分析可知，对嵌入式数据库管理系统的要求可总结为如下三大方 面： 1 、子站对数据库管理系统的整体性能要求 嵌入式系统本身就具有实时性强、可靠性高、可扩展性好等特点。电力系 统是一个复杂的非线性、高维、互联大系统。基于嵌入式系统特有的优点，其 在电力系统中的应用主要用于底层来实现数据采集、监视控制与仪表计量等功 能，而上层应用，由于对数据处理与存储能力、人机交互( m m i ) 、网络通信等 方面要求甚高，一般都是由p c 系统或局域网( l 悄) 的形式来实现。总的来 说，嵌入式系统在电力系统中的应用有以下几个方面的要求： ( 1 ) 实时性强 以电力系统的稳定观测与控制为例，实时性就是其首先要解决的问题。这 是因为电网的安全稳定性通常在事故后几十到几百毫秒内就有可能受到严重威 胁，并且过迟的稳定控制措施不仅起不到预想的作用，造成经济上的损失，甚 至可能引起其他的安全问题。这里的实时性不仅指获得数据的实时性，而且还 包括数据处理、分析、决策的实时性。因此这对嵌入式系统的硬件与软件都是 一种较为苛刻的要求。 1 0 江苏大学硕士学位论文 在电力控制设备中的嵌入式数据库需要在内存中进行数据的读和写，操作 要非常快，在选择嵌入式数据库时要充分考虑其性能。 但) 可靠性高 现代化大生产与居民生活中电能的使用是最普遍的，因此在利用嵌入式系 统实现对电力系统的控制时硬件与软件的可靠性也就成为人们极为关注的问 题。通常，人们不仅希望嵌入式系统能按照预先设计好的流程j 下常工作，而且 也对嵌入式系统的抗干扰能力与智能性提出了一定的要求。 ( 3 ) 可扩展性好 目前大多数的嵌入式系统的开发语言都采用c c + + ( 也包括少量的汇编语 言) ，因此灵活性好，可移植性强，可适用于各种类型的运用；另外尽量采用模 块化设计与工业组态软件，这不仅可以方便生产调试厂家，而且可以解放用户。 当需要增减某项功能时，只需要增减相应的模块即可。 ( 4 ) 安全性高 当电网的各个工作站之间的联网、整个电网的整体控制成为一种发展趋势 时，安全问题就是一个不得不面对的问题。这里的安全包括对一些重要和敏感 数据的保护以及对整个电网控制的保护。这些安全性问题的实现也离不开安全 嵌入式数据库管理系统的支持。而电力系统中数据具有实时特点，所以设计安 全嵌入式数据库系统时，还需要考虑安全性和实时性的权衡。 2 、子站对数据库管理系统的功能性要求 ( 1 ) 数据存取 提供用户对数据的操作功能，实现对数据库数据的检索，插入，修改和删 除。一个好的数据库管理系统应该能够提供功能强大，易学易用的数据操纵语 言，方便的操作方式和较高的数据存取效率。 ( 2 ) 数据库运行管理 包括事务的管理和自动恢复，并发检测和死锁防止，运行日志的组织管理 等，这些功能保证了数据库系统的正常运行。 ( 3 ) 数据组织，存储和管理 数据库管理系统要分类组织，存储和管理各种数据。要确定以何种文件结 构和存取方式在存取级别上组织这些数据，如何实现数据之间的关系。数据组 织和存储的基本目标是提高存储空间的利用率和方便存取，提供快捷的存取方 式以提高存取效率【1 9 1 。 3 、子站对数据库管理系统的安全性要求 根据一般数据库管理系统的基本安全要求，在嵌入式系统子站中，数据库 管理系统遇到的安全威胁主要包括： ( 1 ) 假冒攻击 1 1 江苏大学硕士学位论文 这种类型也称为身份攻击，指用户身份被非法窃取，也就是攻击者伪装成 另一合法用户，利用安全体制所允许的操作，去破坏数据库安全。为防止假冒， 用户在对数据进行操作之i j ，必须对其身份进行认证和访问控制检查【2 0 j 。 ( 2 ) 窃取重要信息 在一个信息系统中，特别是机密单位的信息系统中，通常都保存有大量的 机密信息，攻击者可以通过多种访问方式来窃取系统中所存储的机密文件和数 据。因此，当前在大多数系统中都采取了多种措施，来防止信息的外泄，比如 用户身份验证和访问控制两种基本技术。但是有时还广泛采取对存储在数据库 中的数据进行加密的措施，使攻击者即使窃取到了重要数据，也无法理解其含 心1 2 1 1 | 2 2 1 o 子站中嵌入式数据库应满足实时性，多数嵌入式数据库都不是安全数据库， 在对嵌入式数据库添加安全特性时，考虑安全性和实时性的权衡。 4 、子站对数据库管理系统的可靠性要求 电力系统子站控制设备中嵌入式数据库的设计不仅希望按照预先设计好 的流程正常工作，而且也对嵌入式数据库的抗干扰能力与智能性提出了一定的 要求。电力控制设备一般都是无人值守的。因此，其上的数据库的运行必须具 有高可靠性，即使出现意外情况，也可以在无人工干预的情况下自我恢复。对 关键模块采用冗余技术，最大限度地提高系统无故障运行周期。例如加入 w a t c h d o g 自