（计算机应用技术专业论文）wcdma核心网中的数据库系统.pdf

摘要 论文根据移动通讯网络的复杂性以及通讯网络对数据库系统的需求，以实际 项目开发为背景，研究了w c d m a ( w i d e b 柚d c o d e d i v i s i o n m u l t i p l e a c c e s s 一宽带 分码多工存取) 核心网络中的数据库系统，尤其对核心网络中的主存数据库系统进 行了深入分析和研究。 研究了主存数据库系统的基本特点和性能要求。分析了w c d m a 网络的构架 和核心网络的基本结构。研究了w c d m a 主存数据库系统在w c d m a 通信网络 中的分布与核心网络结构之间的关系。 根据主存数据库系统基本原理和核心网络构架的情况以及主存数据库系统 的功能，将主存数据库的设计分为数据库管理和数据库应用两大模块。其中数据 库管理的设计分为数据库内核模块和数据库维护模块。根据数据表对象、索引对 象、队列对象的物理存储结构、内存映射以及各对象之间的关系，设计实现了数 据库内核模块的功能。根据主存数据库的数据分布情况，设计了数据库数据的各 种同步传输协议，实现了维护模块的设计。根据数据库数据的访问需求与特点， 实现了数据库应用模块的设计。主存数据库系统设计与实现的其它部分还包括数 据库文件格式和数据库进程调度的原理。其中数据库文件格式用于数据库数据加 载和存盘，数据库进程调度用于解决数据库的并行访问问题。经过测试，论文完 成的主存数据库系统达到了设计要求。 关键词：数据库系统宽带分码多工存取主存数据库系统 a b s t r a c t i nt h i sp a p e t ，an e wd a t a b 硒et e c i l i l o l o g y m m d b ( m a i l lm e m o r yd a t a b a s e ) u s e di nw c d m ac o f en e t 、v o r kw 舾柚a l y z e d 柚ds t u d i e d 舯u n d 彻l h ec o m p l “i t yo f m o b i l ec o m m u l l i c a t i o nn e t w o r ka n dc o m m u n i c a t i o nn e t w o r kr c q u j 化st ot h ed a t a b a s e t h e 佗s e a r c ho fm m d bw 勰b a s e do nt l l e f o l l o w i l l g 瓠p c d s ：t h e b 硒i c c h a m d e r i s t i c sa n dc a p a b i l i t yr e q u i r e m e n t so fam m d b ；t h e 行锄e w o r ko faw c d m a n e m o r k ；t h es t n l c t u r eo faw c d m a r en e m o r k ；t h er e l a t i o n s h i pb e 锕e e nt h e s t n l c l u r co faw c d m ac o 陀n e m o r k 卸dt h ed i s t r i b u t i o no ft h em m d b s y s t e mu s e d i na w c d m a c o r e n e m o r k m m d bw 鹞d i v i d e di n t od a t a b 勰em 柚a g em o d u l e 锄dd a t a b 船ea p p l i c a t i o m o d u l ea c c o r d i n gt oi t sp r i n c i p l e ，f l l n c t i o n 柚dt h es t 硼d u r co fac o r cn e 似o r k t h e d a t a b 弱em 卸a g cm o d u l ec o n s i s t so f 蛐b 笛ek c m e lm o d u l e 柚dd a t a b a s em a i n t e n 卸c e m o d u l e t h ed a t a b a s ek e m e lw 硒d e s i g n e da 【i da c h i e v e db a s e do nt w o 鹊p e c t s ：t h e p h y s i c a ls t o r a g es t 邝c t u r eo ft h ed a t a s h e e to b j e c t ，i n d e xo b j e c ta n dq u e u eo b j e d ；t h e r c l a t i o n s h i pa m o n g t h e s eo b j e d s a l l “n d so fs y n c h m n i z a t i o nt r a n s p o r tp r o t o c o l sw e r e d e s i 印e di n t h el i g h to ft h ed a t ad i s t 曲u t i n go ft h em m d bs y s t e i n ，r e a l i z e dt h e f i l n c t j o no fd a t a b a s cm a i n t e n a n c em o d u l e t h ed e s i g no fd a t a b 笛ea p p l i c a t i o nm o d u i e w a sr e a l i z e do nt h eb a s i so ft h ea c c e s s i n gd e m a n da n dt h ec h a m d e r i s t i co fd a t a b a s e h l a d d j t i o n ，t h e 瑚l i z i n gp a n so ft h em m d bs y s - 咖i n d u d ed a t a b a s ef i l ef o m a ta n dt h e t h e o r yo fd a t a b a s ep r o c c s ss c h e d u l e t 1 l ed a t a b 髂ef i l ef o n a tw a su s e df o r l o a d i n ga n d s a v i n gd a t a b a s ed a t a ，t h ed a t a b a s ep m c c s ss c h e d u i ew a su s e df o rs o l v i n gt h eq u e s t i o n o fp a r a l l e ld a t aa c c e s s i n g t 1 l ed e s i g nd e m 卸do f t h em m d bw 越f i n i s h e db yt e s t k e y w o r d ： d a t a b a s es y s t e mw c d m am a i nm e m o r yd a t a b a s es y s t e m 西安电子科技大学 学位论文创新性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它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己在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：挫丝日期 翟司。l 、孓 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。( 保密的 论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名：鲑麴 导师签名：6 丑鱼 日期妒7 ， r 期2 z ：丛2 第一章绪论 第一章绪论 本章介绍了通讯网络的发展历程，分析了当前通讯网络的复杂性以及 w c d m a 网络对数据库系统的需求，讨论了论文课题的研究背景。提出了论文的 章节分配和各章节的主要内容。 1 1 1 通信网络的复杂性 1 1 研究背景 g s m 网络在中国的发展已有十年左右的历史了。在g s m 网络铺设的初期 阶段，网络运营商只需考虑网络的覆盖问题，网络结构比较简单，对网络的运行 管理主要侧重于网络的告警、软件、配置以及性能管理等方面。但随着g s m 用 户群的不断壮大，网络容量成了关键的制约因素。这就使网络规划工作不得不考 虑复用有限的频率资源及跳频等新的技术，引入双频网，同时引入宏蜂窝、微蜂 窝、微微蜂窝等网络分层结构。到了2 0 0 0 年左右，g p r s 等新的数据通信业务 的引入，使得g s m 网络运营商除了需要考虑网络覆盖及容量问题之外，还得考 虑如何快速地引入新业务及管理新业务。这时，运营商对g s m 网络运行管理的 要求已不仅仅局限于告警、软件、配置、性能等最基本的功能了，运营商希望能 够通过g s m 的网络运行管理系统( o m c ) 对复杂的网络环境及新业务进行统一 管理。 目前在中国，所有的电信运营商都在为3 g 移动通信网络的到来做着积极的 准备。那么对于3 g 网络的发展，它与g s m 的发展历程肯定会有很多相似的地 方。作为3 g 标准之一的w c d m a 网络开始铺设时，首先需要考虑的问题是网络 的全面覆盖问题。此时的网络结构比较简单，对于w c d m a 网络运行管理而言， 还是应该侧重在告警、软件、配置以及性能管理等方面。但随着w c d m a 网络 用户量的增长，网络复杂性的增加，对w c d m a 网络的管理将会变得越来越重 要。 1 1 - 2 通信网络对数据库的需求 w c d m a 网络是一个复杂的网络，其网络结构、接口标准还处在不断的演化 和优化的过程中。设备上：随着技术的不断创新，网络层次更加清晰化，设备种 2w c d m a 核心网中的数据库系统 类将会更加繁杂。业务上：电信企业面临着价格、业务、服务质量的竞争，需要 快速推广新业务，以准确、及时的服务吸引和保留客户，增强客户信任度和达到 客户期望值。这都使得通信网络越来越复杂，业务功能越来越多样化。在w c d m a 网络里面主要有这两种类型管理，分别是网络设备管理和用户业务管理。 1 网络设备管理 网络设备管理主要是指网络设备的集中操作维护管理，包括e m l 和n m l 两个 层次。e m l ( e l 锄e mm a l l a g e m e n tl a y c r ) 是指网元管理层，主要面向设备的操作维 护管理。如：网络网元的供给、配置。n m u n c t w o r km a n a g c m e ml a y e r ) 是指网络 管理层，主要面向网络的操作管理功能。如：网络话务流量的监视和故障监视。 2 用户业务管理 在通信网络运行中有各种各样的业务数据和服务需要管理，主要业务功能包 括：性能管理、漫游管理、欺诈管理、位置管理、故障管理、安全管理、配置管 理、帐务管理、q i o s 管理、告警管理、警用监听等。 为了提供这些管理功能，通信网络中势必有各种各样的应用程序运行。这些 应用程序都需要相应的数据支持。因此各种配置数据，用户数据，运行数据都需 要一个数据库来进行管理。这样在系统中就需要一个稳定、高效、可靠的数据库 系统支持，提供相应的数据处理，为上层提供数据服务。普通数据库系统对于这 样与时间密切相关的实时应用，就显得有些无能为力了。随着数据库系统的发展， 目前在通讯网络常采用主存数据库系统来进行管理，通常主存数据库也称为内存 数据库，它在物理内存中存储数据并提供高速的访问速度，实时性上有着无与伦 比的优越性。 1 2 论文内容及章节安排 本论文的选题来自实际的研发需求，将对w c d m a 中运用的数据库系统进 行深入探讨和研究。关注于w c d m a 核心网中前后台数据库的构架，前台主存数 据库的设计与实现。具体包括前后台异构数据库的通信，前台数据库各部分的设 计、数据库系统的数据同步与数据传输、数据库的应用接口等。 论文共分六章，其安排如下： 第一章：本章主要介绍课题的研究背景、通讯系统对数据库系统的需求以及 论文的主要内容和章节安排。 第二章：本章研究了主存数据库系统的相关知识和原理，为后面的w c d m a 主存数据库系统设计做理论上的准备。 第三章：本章分析了w c d m a 网络结构及其数据库系统的构成，详细研究 了核心网络与主存数据库系统的分布关系，给出了数据库系统的一个运行环境。 第一章绪论 第四章：本章针对w c d m a 核心网，讨论了其主存数据库系统模块的划分， 分析了各个模块需要完成的功能。 第五章：本章针对第四章的功能设计，按其数据库模块的划分实现了数据库 的内核模块、维护模块和应用模块的功能。并在最后介绍了数据库的其它设计。 第六章：本章是论文的结论，对所做的工作进行了总结。 第二章主存数据库系统 5 第二章主存数据库系统 本章介绍了主存数据库系统的相关概念、知识。宏观上分析了主存数据库的 一些特点，讨论了主存数据库的应用领域，为w c d m a 中的主存数据库设计与实 现打下基础。 2 1 主存数据库系统 近几十年来，数据库理论与技术发展迅速，应用日益广泛，几乎无所不在。 以关系数据库为代表的传统数据库技术在传统商务和管理的事务性应用领域获得 了普遍有效的应用。但对于与时间密切相关的实时应用，传统的数据库技术似乎 有些无能为力，在一些通讯系统和实时性要求特别高的环境下，主存数据库就有 着无与伦比的优越性。传统的数据库管理系统的所有数据都是放在磁盘上进行管 理，需要频繁地访问磁盘来进行数据的操作。由于磁盘数据访问本身的性能瓶颈， 数据库管理系统的性能提升受到了很大的限制。然而，近年来，随着计算机技术 的飞速发展，要解决这一问题已经有了现实可能：内存容量的不断提高，而价格 不断下跌：计算机进入了6 4 位时代，操作系统可以支持更大的地址空间。正是基 于技术的发展，以及市场上对更加快速和实时的数据库管理系统的需求，出现了 主存数据库系统。主存数据库通常也称为内存数据库，它在物理内存中存放数据 并提供高速的访问速度。主存数据库系统抛弃了磁盘数据管理的传统方式，基于 全部数据都在内存中管理进行了新的体系结构设计，并且在数据缓存、快速算法、 并行操作方面也进行了相应的改进。其数据处理速度一般比传统数据库的数据处 理速度要快很多，一般都在1 0 倍以上。对于一些不方便使用磁盘存储系统的实时 嵌入式应用环境，采用主存数据库无疑是最好的解决方案。 对于主存数据库的定义，说法不一。比较有代表性的观点如下： 1 整个数据库全部常驻内存，存取数据没有必要的i 0 操作，这就要求系 统的内存足够大，以容纳整个数据库的所有数据。 2 内存不必足够大到容纳整个数据库，但数据被存取时，先进入内存，数 据库的存取在内存中进行，而不是通过访问磁盘文件来实现。 3 数据库常驻磁盘，在事务执行前将所需要的数据集调入内存，提交时所 有对数据库的修改必须写回磁盘。 4 数据库常驻磁盘，但内存中有很大的缓冲区和高速缓存，因而使数据库 的大部分乃至全部可在内存，通过适当的缓冲区的管理以减少加操作。 6w c d m a 核心网中的数据库系统 有一点是共识：主存数据库数据都在内存中进行管理。对于数据库系统中采 用数据库数据常驻内存一般有两种主要途径：一是让缓冲池很大，以至使每一事 务所需要的数据的大部分甚至全部都保存在内存。这种方法与传统的磁盘数据库 并无任何区别，只不过采用了很大的缓冲区而已，数据库数据常驻磁盘，数据库 的磁盘版本仍然是“主版本”和“工作版本”。另一种主要途径是数据库常驻内存 法，它使用内存作为数据库的主要存储，即数据库的内存版本是“主版本”或“工作 版本”，而磁盘版本只做备份。这样关于数据库操作、数据计算、并发控制、数 据同步的算法和数据库元素的数据结构都必须重新设计与构造。主存数据库必须 以c p u 和内存的高效使用，而不是磁盘的存取和存储为目标来进行设计。两种方 法的数据库在内存中的映射是不一样的。所以我认为第一种方法不能算是主存数 据库，因此定义3 和定义4 严格上讲不能算是主存数据库，后者才是。对于定义 1 和定义2 ，定义1 是纯粹的主存数据库，定义2 算是过渡的主存数据库。 对于主存数据库，按前面的定义可以知道主存数据库有着与传统数据库不 同的特点，这些特点决定了主存数据库在设计方面与传统数据库设计上的差异性。 主存数据库的主要特点有以下几点： 1 存储介质 主存数据库的数据是常驻内存的。而磁盘数据库系统，数据常驻磁盘。对于 传统的磁盘数据库，在工作的时候，数据需要被调到内存缓冲区后才能进行数据 库的相应操作。数据库处理完毕后其数据将写回磁盘。所以磁盘数据是数据库的 数据主拷贝。而在主存数据库中，数据库的数据处理全部在内存中执行，磁盘数 据主要用于数据库的恢复和备份，内存数据是数据库的主拷贝。对于一个数据而 言，两种系统中，磁盘和内存都存在该数据的拷贝，但是两者的性质和作用是不 一样的。 2 系统差异性 由于内存和磁盘在存取时间上有着若干数量级的差别，所以主存数据库的处 理速度是磁盘数据库的若干倍，在数据处理的实时性上，两种类型的数据库是不 在一个级别上的；系统出现故障的时候，比如断电，由于内存的易失性，主存数 据库所存信息会立即消失，而磁盘数据库则不会；存储格式不同，内存是字节或 字编址，而磁盘是块存储设备；访问方式不同，内存可以由印u 直接访问，而磁 盘必须通过i 幻操作来访问。 3 事务处理 主存数据库如果用于非实时系统时，事务处理过程和传统的事务处理相似； 当主存数据库用于实时系统的时候，传统的事务处理就不再适用了。由于受时间 因素的限制，传统的事务性质：原子性、一致性、隔离性、持久性就不再完全适 合。 第二章主存数据库系统 4 并发控制 对于传统的数据库而言，因为有隔离性这个事务性质。系统必须对事务之间 的并发加以控制，确保事务的串行化，一般采用锁的机制。由于传统的事务处理 开销远远大于锁的开销，所以采用细粒度锁来控制，使得并发控制较为复杂。而 主存数据库的事务处理开销和锁开销差不多。所以采用大粒度锁来控制，减低了 并发控制的复杂度。 5 系统恢复 计算机系统与其它任何设备一样易发生故障。故障原因多种多样。由于内存 是易失性设备，一旦发生故障，数据库数据就会丢失，所以主存数据库对于故障 的处理要比传统数据库重要的多。 6 查询系统 对于传统数据库的查询处理而言，代价通常由磁盘访问决定，因为磁盘访问 比内存访问速度要慢的多。对于一个给定的查询，会有许多可能的处理策略，复 杂查询更是如此，通常是采用空间换时间的方式。而主存数据库则相反，由于内 存访问速度快，但资源有限，通常是时自j 换空间来实现。 2 2 主存数据库的应用 目前主存数据库的发展有两个方向：一种是大型的应用，这种应用的要求是 尽可能快的处理大量的数据，有的甚至要求实时处理。这个方向的发展主要应用 在电子商务、数据仓库、网络管理、电信网络等大型领域。另一种则在嵌入式系 统和移动计算领域应用。现在信息产业竞争日益激烈，移动通信技术的快速发展， 智能终端产品的大量涌现，都要求移动计算的支持。一些嵌入式系统，比如汽车 辅助设备，手机等智能化设各i 也需要移动数据库连接支持，获取所需要的信息。 第三章w c d m a 网络结构及数据库系统分布 9 第三章w c d m a 网络结构及数据库系统分布 本章重点分析了w c d m a 的网络结构和在此结构上的数据库系统分布。由于 w c d m a 核心网络的结构特点，在其上运行的主存数据库系统也具有分布式的特 性。因此，本章详细的研究了w c d m a 核心网络的网元结构与其上分布的数据库 系统之间的关系。 3 1 1 w c d m a 系统构架 3 1w c d m a 网络结构 u m t s ( u l l i v e r s a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n ss v s t e m 、通用移动通信系统) 是采用w c d m a 空中接口技术的第三代移动通信系统，通常也把u m t s 系统称 为w c d m a 通信系统。u m t s 系统采用了与第二代移动通信系统类似的结构，包 括无线接入网络( r a d i oa c c e s sn e 帆o r k ，r a n ) 和核心网络( c o 陀n e t 、o r kc n ) 。 其中无线接入网络用于处理所有与无线有关的功能，而c n 处理u m t s 系统内所 有的话音呼叫和数据连接，并实现与外部网络的交换和路由功能。c n 从逻辑上 分为电路交换域( a r a l “s w i t c h e dd o m a i n ，c s ) 和分组交换域( p a c k e ts w i t c h e d d o m a i n p s ) 。u r n 、c n 与用户设备( u s e r e q u i p m e n t ，u e ) 一起构成了整个 u m t s 系统。其系统结构如图3 1 所示。 图3 1 w c d m a 系统构架 对应上图，图3 2 是其网络单元构架。 l ow c d m a 核心阿中的数据库系统 一一一一1 l 厂 用户设备 l n 0 d e bl 、 p s t n l n o d e b 卜一嘲- 鏊 、i s d n c i c zi 。 、， l n o d e b 卜、! e 、 l n 0 d e b 卜江到一 i n r i e r n e t j 接网 外部网络 图3 2u m r s 系统网络单元构架 从图3 2 的u m t s 系统网络构成示意图中可以看出，u m t s 系统的网络单元 包括如下部分： 1 u e ( u s e re q u i p m e n t ) u e 是用户终端设备，它通过u u 接口与网络设备进行数据交互，为用户提供 电路域和分组域内的各种业务功能，包括普通话音、数据通信、移动多媒体、 i n t e m e t 应用( 如e m a i l 、w w w 浏览、f r p 等) 。u e 包括两部分： 1 ) m e ( t 1 l em o b i l ee q u i p m e n t ) ，提供应用和服务； 2 1u s i m ( t l l l eu m t ss u b s 州b c rm o d u l c ) ，提供用户身份识别。 2 u r r a n ( u m t st e n s t r j a lr a d i o a c c c 蟠n e m o r k ，u m t s ) u t r n ，即陆地无线接入网，分为基站( d eb ) 和无线网络控制器( r n c ) 两部分。 1 、n o d eb n o d e b 是w c d m a 系统的基站( 即无线收发信机) ，通过标准的i u b 接口和 r n c 互连，主要完成u u 接口物理层协议的处理。它的主要功能是扩频、调制、 信道编码及解扩、解调、信道解码，还包括基带信号和射频信号的相互转换等功 能。 2 、r n c ( r a d i on e t w o r kc o n t r o l l e r ) r n c 是无线网络控制器，主要完成连接的建立和断开、切换、宏分集合并、 无线资源管理控制等功能。具体如下： ( 1 ) 执行系统信息广播与系统接入控制功能； f 2 ) 切换和r n c 迁移等移动性管理功能； ( 3 ) 宏分集合并、功率控制、无线承载分配等无线资源管理和控制功能。 3 c n ( c o r en e t w o r k ) c n ，即核心网络，负责与其他网络的连接和对u e 的通信和管理。在w c m d a 系统中，不同协议版本的核心网设备有所区别，以3 g p p 公布的标准现在有 r 9 9 ，r 4 ，r 5 。并且还在更新中。从总体上来说，r 9 9 版本的核心网络分为电路域和 第三章w c d m a 网络结构及数据库系统分布 分组域两大块，r 4 版本的核心网也是一样，只是把r 9 9 电路域中的m s c 的功能 改由两个独立的实体：m s cs e r v e r 和m g w 来实现。r 5 版本的核心网络相对r 4 来说增加了一个l p 多媒体域，其他的与r 4 基本一样。r 9 9 版本核心网络的主要 功能实体如下： 1 1m s c l r m s c 且是w c d m a 核心网c s 域功能节点，它通过i u c s 接口与u 1 1 r a n 相连，通过p s 耵岍s d n 接口与外部网络( p s l n 、i s d n 等) 相连，通过c 接 口与h u v a u c 相连，通过e 接口与其它m s 叫i r 、g m s c 或s m c 相连，通过 c a p 接口与s c p 相连，通过g s 接口与s g s n 相连。m s c ，ir 的主要功能是提 供c s 域的呼叫控制、移动性管理、鉴权和加密等功能。 2 、g m s c g m s c 是w c d m a 移动网c s 域与外部网络之间的网关节点，是可选功能节 点，它通过p s n 岍s d n 接口与外部网络( p s t n 、l s d n 、其它p l m n ) 相连，通 过c 接口与h u t 相连，通过c a p 接口与s c p 相连。它的主要功能是完成v m s c 功能中的呼入呼叫的路由功能及与固定网络等外部网络的网间结算功能。 3 、s g s n s g s n ( 服务g p r s 支持节点) 是w c d m a 核心网络p s 域功能节点，它通过 i u - p s 接口与u 1 1 乙n 相连，通过g r l g p 接口与g g s n 相连，通过g r 接口与 h l r a u c 相连，通过g s 接口与m s c 且，通过。廿接口与s c p 相连，通过 g d 接口与s m c 相连，通过g a 接口与c g 相连，通过g i l g p 接口与s g s n 相连。 s g s n 的主要功能是提供p s 域的路由转发、移动性管理、会话管理、鉴权和加密 等功能。 4 1g g s n g g s n ( 网关g p r s 支持节点) 是w c d m a 核心网络p s 域功能节点，通过 g n g p 接口与s g s n 相连，通过g i 接口与外部数据网络( h l t e m e t i i l t r 卸e t ) 相 连。g g s n 提供数据包在w c d m a 移动网和外部数据网之问的路由和封装。g g s n 主要功能是同外部l p 分组网络的接口功能，g g s n 需要提供u e 接入外部分组网 络的关口功能，从外部网的观点来看，g g s n 就好象是可寻址w c d m a 移动网络 中所有用户i p 的路由器，需要同外部网络交换路由信息。 5 、h l r h u t ( 归属位置寄存器) 是w c d m a 核心网络c s 域和p s 域共有的功能节 点，它通过c 接口与m s c m r 或g m s c 相连，通过g r 接口与s g s n 相连，通 过g c 接口与g g s n 相连。h l r 的主要功能是提供用户的签约信息存放、新业务 支持、增强的鉴权等功能。 从3 g p p r 9 9 标准的角度来看，u e 和u t r a n ( u m t s 的陆地无线接入网络) w c d m a 核心两中的数据库系统 由全新的协议构成，其设计基于w c d m a 无线技术。而c n 则采用了g s m g p r s 的定义，这样可以实现网络的平滑过度，此外在第三代网络建设的初期就可以实 现全球漫游。 3 1 2w c d m a 核心网基本结构 为了确保运营商的投资利益，在r 9 9 网络结构设计中充分考虑了2 g 侣g 的 兼容性问题，以支持g s m g p r s ，3 g 的平滑过渡。因此，在网络中c s 域和p s 域 是并列的，r 9 9 核心网络设备包括：m s c ，v i 且、m ，f 、s g s n 、g g s n 、h i r ，a l l c 、 e 瓜等。为支持3 g 业务，有些设备增添了相应的接口协议，另外对原有的接口 协议进行了改进。r 9 9 中c s 域的功能实体包括有：m s c 、v 1 且等。其中，运营 商可以根据连接方式的不同将m s c 设置为g m s c 、s m g m s c 、s m n m s c 等。 为实现网络互通，在系统中配置i 、】i ，f ( 一般结合于m s c ) 。除上述功能实体之外， p s 域特有的功能实体包括s g s n 和g g s n ，为用户提供分组数据业务。h l r 、 a u c 、e i r 为c s 域和p s 域共用设备。 r 4 版本中p s 域的功能实体s g s n 和g g s n 没有改变，与外界的接口也没有 改变。c s 域的功能实体仍然包括有：m s c 、v l r 、h i 且、a u c 、e i r 等设备，相 互间关系也没有改变。但为了支持全口网发展需要，r 4 版本中c s 域实体有所 变化，把业务和承载相分离，如图3 3 所示r 4 核心网。 r 4 核心网络的变化如下 幽3 3 r 4 核心网 第三章w c d m a 网络结构及数据库系统分布 1 m s c 根据需要可分成两个不同的实体：m s c 服务器( m s cs e r v e f ，仅用 于处理信令) ，和电路交换媒体网关( c s m g w ，用于处理用户数据) ，m s cs e r v e r 和c s m g w 共同完成m s c 功能。对应的g m s c 也分成g m s c s e r v e r 和c s m g w 。 1 1m s c 服务器( m s cs e r v e r ) m s cs e r v 盯主要由m s c 的呼叫控制和移动控制组成，负责完成c s 域的呼 叫处理等功能。m s cs e c r 终接用户网络信令，并将其转换成网络网络信令。 m s c s e r v e f 也可包含v u t 以处理移动用户的业务数据和g w e l 相关数据。m s c s e n ，e r 可通过接口控制c s m g w 中媒体通道的关于连接控制的部分呼叫状态。 2 1 电路交换媒体网关( c s m g w ) c s m g w 是p s 耵帅l m n 的传输终接点，并且通过i u 接口连接核心网和 u t r n 。c s m g w 可以是从电路交换网络来的承载通道的终接点，也可是分组 网来的媒体流( 例如，i p 网中的r t p 流) 的终接点。在i u 接口上，c s m g w 可 支持媒体转换、承载控制和有效载荷处理( 例如，多媒体数字信号编解码器、回 音消除器、会议桥等) ，可支持c s 业务的不同i u 选项( 基于a a l 孔蛆m ，或基 于r t p ，l y d p i p ) 。 3 1g m s c 服务器( g m s cs e r v e r ) g m s cs e e r 主要由g m s c 的呼叫控制和移动控制组成。 2 h l r 可更新为归属位置服务器( h s s ) 。 3 i h 新增一个实体：信令网关( s g w ) 。 3 2 数据库运行环境及分布 3 2 1 数据库系统的运行环境 w c d m a 核心网中数据库系统分为前台数据库和后台数据库。前台数据库是 核心网中真正用于网络管理的数据库系统，后台数据库仅仅用于前台数据库数据 的配置和数据传送。下面说明一下各自的运行环境。 1 前台数据库运行环境 上一节中我们简要介绍了w c d m a 的系统构架和w c d m a 核心网络的组成 部分。可以知道在通信网络中，系统是按网元进行划分的。在r 4 网络划分中， 我们知道有几个重要的构成部分，分别是c s 域的m s cs e i w e r 、c s m g w 以及 p s 域的g g s n 、s g s n 以及公用的h u t 等。因此在数据库的管理中，是按照网 络网元划分进行管理的。核心网机架运行环境参考图3 4 核心网络机架示意图。 1 4 w a ) m a 核心网中的数据库系统 c s 域 p s 域 s m ps m f p0 m p0 m p c m pc m p 主板备板主板备板 主板备板 s m p s m po m po m pc m pc m p 主板备板主板备板 主板 备板 图3 4核心网机架示意图 核心网络机架是由实现各种网络网元功能的单板构成，每个板子对应网络中 的某个模块的实现，比如m s cs e r v e r 功能的单板。每个功能单板都设计有主 板和备板。主板是工作运行板子，备板用于主板的数据备份，在主板运行期间如 果出现故障，备板可以立即接替主板的工作。o m p 板子用于统一管理其它的运行 单板。其它单板统一称为m p 单板，每个m p 板子下面可以有辅助运行的业务单 板，统一称为p p 单板。 每种单板基于不同的运用需求，其硬件结构也不一样。一般而言，运行环境 硬件上c p u 主要是奔腾系列、p o w e r p c 系列以及a r m 系列。存储系统一般为 f l a s h ，有的板子还提供硬盘用于数据备份。接口上提供串口、网口、光纤和 u s b 等。软件环境是v x w b r l 【s 5 4 内核( f o rx 8 6 、f o r a r m 、f o rp p c ) 。 2 后台数据库运行环境 后台数据库提供前台数据库的数据配置和数据监控。后台数据运行环境是一 般的p c 服务器。后台在数据库的选择上考虑一般的商业数据库系统，主要有 o r a c l e 和s v b 硒e 。操作系统为w i n d o w s2 0 0 0 服务器版。使用j a 、，a 编写数据库应 用软件，连接商用数据库系统。 3 2 2 数据库系统的分布 前面说明了数据库的运行环境。由于在不同的平台上运行不同的数据库，并 且其功能不同，数据库的选择和设计是不一样。 前台运行环境在单板上，由于通讯系统的特殊需求，传统的数据库管理系统 不再适合。因为传统的数据库管理系统的所有数据都是放在磁盘上进行管理，需 要频繁地访问磁盘来进行数据的操作。由于磁盘数据访问本身的性能瓶颈，数据 第三章w c d m a 网络结构及数据库系统分布 库管理系统的性能受到了很大的限制。在通讯系统这样的运行环境中，其运行效 率显然是不能满足需求的。而且，单板上运行的操作系统是风河公司的v x w b r i 【s ， 传统的数据库系统也无法在其平台上运行。此外，通讯系统中数据处理的特殊性， 专用性都限制了普通商业数据库的使用。因此，前台的数据库需要自主设计，研 发。根据其运行环境、效率需求，前台选择主存数据库系统。 因为前台数据库是运行在单板上的主存数据库系统，对用户而言是不可见 的。但是，用户需要一个平台来配置，管理前台数据库，这样就提出了后台数据 库的需求。后台数据库需要给用户提供一个可视化，直观的数据库管理界面，但 其功能比较简单，仅仅是用于对前台数据库数据的配置、修改、导入导出等功能。 因此，后台数据库采用商业数据库系统，运行在普通p c 上。连接示意图如图3 5 所示。 图3 5 前后台数据厍迮接图 前台数据库的运行环境和后台数据库系统运行环境是不同的，而且也不是同 种数据库系统。这种情况下一般称之为异构数据库系统。因为异构数据库之间是 不能直接访问的，所以我们采用基于s o c k e t 的机制来实现其数据交换。s o c k e t 足 网络上运行的两个程序问双向通讯的一端。它既可以接收数据传输请求，也可以 发送数据传输请求，利用s o c k e t 编程可以方便的实现网络上数据的传递。后台运 行一个“数据传送代理服务程序”。该程序是一个服务进程，它一方面接收后台客 户端的控制消息，并回送相应的应答消息和数据：另一方面，它负责和前台0 m p 的实际的数据传送，并向客户端显示传送进度消息。前台关系表的一致性检验由 后台来保证。前台统一由o m p 对各个m p 进行数据分发。各个m p 单板上不保 存数据，前台数据库所有数据统一由o m p 保存。 对于后台而言，数据库系统采用商业系统，所有数据库运行的数据统一存储， 1 6w c d m a 核心网中的数据库系统 比较简单。而前台数据库就比较复杂了，由于机架环境上是各个单板在协同工作， 对于不同单板的功能是不一样的，因此不同单板所需要用到的数据自然就有差别。 这样，每个不同功能单板上的数据库数据也就不一样，在主存数据库中对应的表 实例也就不同。比如m s c r v e r 单板上和m g w 单板上的数据表就不一样。所有 前台数据库可以看成是集中式管理的分布式数据库系统。数据库数据分布可以参 看图3 6 。不同的m p 、p p 单板上运行的数据表可能是不一样的，所有的数据库 数据统一在o m p 上保存，单板启动的时候由0 m p 根据表的属性统一分发。 图3 6 数据库数据分布 第四章前台主存数据库系统功能设计 第四章前台主存数据库系统功能设计 本章根据系统中主存数据库的特点详细研究了主存数据库系统的功能。设计 了主存数据库的管理、应用两个模块。其中数据库管理模块又划分为数据库内核 和数据库维护两个小模块。详细设计了各个模块的功能。为后续的实现做宏观上 的指导。 4 1 前台主存数据库系统概述 由于w c d m a 网络是基于g s m 网络演化而来的。因此在前台数据库系统的 设计上必须遵守以下几个原则。 1 继承性 尽可能继承公司已有产品的成果。相关软件功能尽可能的参考相关产品的功 能，以最大限度的满足不同产品需求。 2 兼容性 为了最大限度方便支持成果的移植，底层的设计尽可能的保持原有的接口不 变。数据库的编码方式兼顾各个产品。 3 扩展性 数据库底层核心部分增加了一些接口的重载，便于事业部根据实现需求扩展 相关功能。 数据库系统分布在前台各单板上。从结构上看数据库系统属于分布式数据库 系统，主要为网络中运行的各种应用程序提供数据支持。数据库系统内部结构如 图4 1 所示。 图4 1 数据库内部结构 1 8 w c d m a 核心网中的数据库系统 数据库系统从功能上可以分为两大块：数据库管理系统和数据库应用系统。 其中数据库管理系统又分为两部分：数据库内核和数据库维护。数据库内核 部分完成对数据定义、描述、操作等功能；数据库维护部分负责数据安全性和分 布数据的同步和一些数据维护。 数据库应用系统又可以分为数据库和数据应用接口。其中数据库是一个结构 化的相关数据的集合，包括数据本身和数据间的联系；它独立于应用程序而存在， 是数据库管理系统的管理对象：数据库应用接口用于接受各类应用程序对数据库 的不同操作请求，以便形成对各种应用的具体处理。 对应通用数据库系统的分层体系结构，数据库内核模块属于内部层，数据库 数据模块属于概念层，数据库访问接口模块属于外部层。由于内存数据库的特性， 划分上并非如此严格，为便于理解，从总体上看基本相符。 4 2 1 数据库内核模块功能 4 2 数据库管理模块功能 数据库内核模块用于描述数据物理结构和存储方法，是整个数据库的最底层 结构的表示。该模块定义了存储记录的类型、存储域的表示、存储记录的物理顺 序、索引等各种数据的存储组织。包括提供数据表、索引和队列等创建的基本原 语调用：数据库内核是采用面向对象的方法来实现的，相关的功能就是每个对象 所支持的功能。按其对象分类：有数据表对象、索引对象、单向队列对象、双向 队列对象以及扩展对象。 数据表对象是用来定义和描述二维表的特征和方法的数据对象，每个二维表 都是表对象的一个具体实例，数据表对象包括描述数据表对象的字段描述表、数 据表对象登记表、操作数据表对象的方法。 索引的目的是为了加快对二维表的记录的检索速度。索引对象是用来描述不 同类型和算法的索引的一种数据对象。一个特定二维表的索引表就是索引对象的 一个具体实例。索引对象包括描述索引对象的索引对象登记表及操作索引对象的 方法。 双向队列对象是描述资源中涉及的各种形式的队列的一种数据对象。存在于 系统中的各种资源队列都是双向队列对象的具体实例。它专门用于管理资源，实 现对资源的快速检索。从快速检索这一点来看，它的功能同索引相似。不过，它 专为管理资源而设计，因此管理资源更有效。队列对象包括描述它的对象登记表 和操作队列对象的方法。 单向资源队列对象是供数据表对象和同步对象内部使用的对象，它用于辅助 第四章前台主存数据库系统功能设计1 9 数据表对象和同步对象的功能实现，在数据表对象中用于辅助内存的管理。数据 表对象要对大量的记录进行管理，而这些记录的存储需要内存，在数据表对象中 内存是通过静态分配方式一次申请足够的内存实现的，然后再对表的各个记录的 内存进行分配，这时就要解决一个问题，在数据表对象为表记录分配内存时，要 快速知道哪块内存是空闲的，哪块已被占用。而单向资源队列对象的就是对这些 空闲内存块做一个记录，以便快速定位。在同步对象中，需要记录哪些记录处于 失步状态，为此需要有个队列来维护这些失步记录信息，这是单向资源队列在同 步对象中的作用。 为了实现不同的功能，双向队列按照其实现方式