（计算机应用技术专业论文）移动数据库及其在gis中的应用研究.pdf

摘要 摘要 近几年，随着信息技术，无线通讯技术和计算机硬件技术的迅猛发 展，移动数据库应运而生。 移动数据库也称为随身携带的数据库，它是指支持移动计算环境的 分布式数据库，通常应用在掌上电脑、p d a 、车载设备、移动电话等嵌 入型设备中。由于平台的移动性、连接的频繁断接性、网络条件的多样 性、网络通信的非对称性、系统的高伸缩性和低可靠性以及电源能力的 有限性等因素，移动数据库在实际应用中必须解决好数据的一致性( 复 制性) 、高效的事务处理、数据的安全性等问题。 本文主要介绍了移动计算环境和移动数据库的概念及其特点，针对 这些特点重点讨论了移动数据库中的关键技术，包括数据复制缓存，数 据广播，移动事务处理，位置相关查询优化等；同时根据实际项目中移 动客户端的开发，提出了断点续传，多线程以及空间数据索引优化等策 略，这些技术和策略在后续章节的实现中得到应用。该课题通过比较目 前主流的移动数据库产品，选择以s y b a s e 作为数据库平台，针对工程图 形数据的特点选择以s v g 作为图形显示格式，实现在手机终端移动数据 库与中心服务器数据库的同步，完成数据库信息查询，图形的显示，缩 放和平移等功能。该设计针对如何提高数据存取和更新的效率，保证数 据传输的可靠性和一致性等问题采取了多线程技术，三层复制缓存体系 结构，优化空间数据组织，a j a x 异步传输机制，冲突检测机制等措施。 经过测试，均取得良好效果，对于嵌入式移动数据库应用研究有重大现 实意义。 关键词：嵌入式移动数据库，空间数据库，数据同步，可靠性，冲突检测 a b s t r a c t a b s t r a c t i nr e c e n t y e a r s ，a l o n g w i t ht h e t e c h n o l o g y , w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y , m o b i l ed a t a b a s ea p p e a r e d r a p i dd e v e l o p m e n ti n i n f o r m a t i o n t e c h n o l o g ya n dc o m p u t e rh a r d w a r e m o b i l ed a t a b a s ei sa l s oc a l l e dt h e b o d y - c a r r i e dd a t a b a s e , i ti s t h e d i s t r i b u t i o n a ld a t a b a s es u p p o r t t i n gm o b i l ec o m p u t i n ge n v i r o n m e n t i tu s u a l l y h a st h ea p p l i c a t i o no ne m b e d d e de q u i p m e n t ss u c ha sp a l m ，p d a ，o n b o a r d e q u i p m e n ta n dm o b i l ep h o n e a sar e s u l to ft h ep l a t f o r m sm o b i l i t y , t h e d i s c o n n e c t i o n ，t h e n e t w o r kc o n d i t i o n s m u l t i p l i c i t y , n e t w o r k s e r v i c e s a s y m m e t r y , s y s t e m sh i g he l a s t i c i t ya n dl o wr e l i a b i l i t ya sw e l la sp o w e r s o u r c ea b i l i t y sl i m i t a t i o na n ds oo n ，t h ed a t au n i f o r m i t y ( r e p l i c a b i l i t y ) a sw e l l a st h eh i g h l ye f f e c t i v et r a n s a c t i o na n dd a t as e c u r i t ym u s tb es o l v e di nt h e p r a c t i c a la p p l i c a t i o no fm o b i l ed a t a b a s e t h i sa r t i c l em a i n l yi n t r o d u c e dt h ec o n e 印ta n dc h a r a c t e r i s t i e so fm o b i l e c o m p u t i n ge n v i r o n m e n ta n dm o b i l ed a t a b a s e ，i nv i e wo ft h e s ec h a r a c t e r i s t i c s ， d i s c u s s e dt h ek e yt e c h n o l o g i e si nm o b i l ed a t a b a s e ，i n c l u d i n gt h ed a t a d u p l i c a t i o n b u f f e r , t h ed a t ab r o a d c a s t i n g ，m o b i l et r a n s a c t i o n ，p o s i t i o nr e l a t e d q u e r yo p t i m i z a t i o na n ds oo n ；s i m u l t a n e o u s l ya c c o r d i n gt ot h ed e v e l o p m e n t o fm o b i l ec l i e n ti nt h ep r o j e c t ，p r o p o s e dt h es t r a t e g i e ss u c ha sb r o k e n p o i n t c o n t i n u i n g l yt r a n s f e r r i n g ，m u l t i - t h r e a d a sw e l la s s p a t i a l d a t ai n d e x o p t i m i z a t i o n ，t h e s et e c h n o l o g i e sa n ds t r a t e g i e sa r er e a l i z e da n da p p l i e di nt h e f o l l o w i n gc h a p t e r t h r o u g hc o m p a r i n gp r e s e n tm a i n s t r e a mm o b i l ed a t a b a s e p r o d u c t ，t h i ss u b j e c tc h o o s e ds y b a s ea st h ed a t a b a s ep l a t f o r m ，i nv i e wo ft h e p r o j e c tg r a p h i cd a t a sf e a t u r e ，t a k e ds v ga sd i s p l a yf o r m ，r e a l i z e dt h e s y n c h r o n i z a t i o nb e t w e e nt h em o b i l et e r m i n a l sd a t a b a s ea n dt h ec e n t r a ls e r v e r d a t a b a s e ，c o m p l e t e dt h ed a t a b a s ei n f o r m a t i o n si n q u i r y , g r a p h i c sd i s p l a y , s c a l i n g ，t r a n s l a t i o na n ds oo n t h i sd e s i g na i m e da th o wt oi m p r o v et h e e f f i c i e n c yo fd a t aa c c e s sa n dr e n e w a l ，g u a r a n t e et h ed a t at r a n s m i s s i o n s i l l 武汉工程大学硕士学位论文 r e l i a b i l i t y a n d u n i f o r m i t y , s ot h em u l t i - t h r e a d t e c h n o l o g y , t h r e e d u p l i c a t i o n b u f f e ra r c h i t e c t u r e ，s p a t i a ld a t ao r g a n i z a t i o n so p t i m i z a t i o n ，a j a x a s y n c h r o n o u st r a n s m i s s i o nm e c h a n i s ma n dc o l l i s i o nd e t e c t i o nm e c h a n i s m h a v eb e e na d o p t e dt os o l v et h ep r o b l e ma b o v e a f t e rt e s t e d ，i to b t a i n e dg o o d e f f e c t s ，w h i c hh a sg r e a tr e a l i s t i cs i g n i f i c a n c et oe m b e d d e dm o b i l ed a t a b a s e a p p l i c a t i o na n dr e s e a r c h k e yw o r d s ：e m b e d d e dm o b i l ed a t a b a s e ，s p a t i a ld a t a b a s e ，d a t as y n c h r o n i z a t i o n ，r e l i a b i l i t y , c o l l i s i o nd e t e c t i o n i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位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，除文中已经标明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对 本文的研究做出贡献的个人和集体，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：枷呜 珈7 年6 月手日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解我校有关保留、使用学位论文的规定， 即：我校有权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。本人授权武汉工程大学研究生处可以将本学位 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和汇编本学位论文。 保密o ，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密、。 ( 请在以上方框内打“”) 指导教师签名 1 鲥 第1 章绪论 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 数据库技术从诞生到现在，在不到半个世纪的时间里，形成了坚实 的理论基础、成熟的商业产品和广泛的应用领域。数据库系统从最早的 基于层次和网状模型到基于关系模型，最后发展到面向对象模型，经历 了深刻的变革。它不再作为简单的数据存储的工具，而是能够实现数据 共享，减少数据冗余，保持数据的独立性，实现数据集中控制，维护数 据一致性，确保数据安全性和可靠性的综合性系统。应用领域的不断扩 展和计算机领域自身的发展又对数据库提出了新的要求，使得数据库面 临着新的挑战。移动通信技术的出现【l 】满足了人们在自由移动的过程中访 问网络的愿望，原来传统的基于有线网络和固定主机的分布式数据库几 乎不能想象人可以不受时空的限制访问任何数据，然而移动数据库神奇 地做到了。利用它可以进行本地操纵，支持离线访问。移动数据库这个 新兴名词给数据库领域注入了新的活力，带来了数据库技术的质的飞跃。 移动计算环境中计算节点的可移动性推翻了原来分布式数据库中的 基于有线网络和固定主机等假设条件【2 】，因此嵌入式移动数据库需要新的 不同于传统分布式数据库的方法和技术的支持。 本文中所用到的g i s 空间数据库，是用于存储和管理工程勘察数据。 它的数据来源多样化，既有固定设备，也有移动设备，移动设备还分为 多种；数据传输方式和索引方式也不同；用于记录工程信息的数据量庞 大；用于记录图形的数据多维、数据组织关系复杂、而且需要动态修改、 各种数据相互关联。在网络上传输这样的一个数据库不是一般的传输速 度所能满足的。同时在数据访问的过程中也会受到存储容量和网络带宽 等方面的限制。提高数据更新和存取的效率和保证数据传输的可靠性和 一致性是我们必须解决的核心问题。利用三层复制缓存体系结构，冲突 检测机制和多线程技术，我们能够有效的提高数据的可靠性和一致性， 同时优化数据组织对提高数据传输的效率效果显著。 武汉工程大学硕士毕业论文 1 2 国内外研究动态 移动数据库充分满足用户所需，即只要你需要，不管你在哪里，什 么时候，都能进行数据访问。移动计算环境的出现给分布式数据应用带 来了许多挑战，凸显了原来分布式数据库的许多不足。未来信息社会中， 移动数据库将占据一个很重要的位置。 近年来，国内外许多研究机构和软件供应商都积极投入到这一领域 的研究【引。 1 2 1 国内研究状况 在国内近几年来，已有三大软件工程国家实验室对移动数据库的一 些关键技术进行了研究，并己取得有意义的成果和技术突破。 1 “小金灵”嵌入式移动数据库k i n g b a s e l i t e ，支持多种操作系统并具 有较小内存。 2 东软的o p e n b a s e ：可在多种操作系统平台上运行，具有很好的平台 移植性。该产品具有三层体系结构；它支持t c p i p 网络通讯协议； 提供了五种编程接e l 4 。 目前在国内，尽管移动计算的应用还处在初级阶段，但各种随身设 备已经备受欢迎，因此移动计算的应用具有良好的市场前景和发展空间。 1 2 2 国外研究状况 目前，国外市场的移动数据库产品有： 1 i b md b 2e v e r y p l a c e ：面向个人数字助理( p d a ) 和智能电话等移动设 备。它只需6 0 k 内存就可以通过关系型数据库和同步服务器，将企业 应用程序和数据扩展到移动设备上。 2 o r a c l el i t e - 适合w i n d o w sc e 和p l a mo s 平台，需要5 0 k z 至7 5 0 k 的内存开销，包括3 个关键组件，o r a c l el i t ed b m s 、i c o n n e c t 和w e b - t o g o 。 3 s y b a s es q la n y w h e r e ：针对移动计算和移动设备开发。它花费较小 第1 章绪论 开销，对物理资源要求低，它包含a d a p t i v es e r v e ra n y w h e r e 、m o b i l i n k 同步技术、s q lr e m o t e 、s y b a s ec e n t r a l 、u l t r a l l i t e 提交技术、内置 的o d b c 与j d b c 驱动。a d a p t i v e s e r v e ra n y w h e r e 提供两个数据库 服务器版本：个人数据库服务器和网络数据库服务器。网络数据库服 务器除具有个人数据库服务器的功能外，还支持网络上的客户服务 器通信，而个人数据库服务器只能接受来自在同一计算机上运行的应 用程序的连接。请求处理引擎在这两种服务器上是等同的。应用程序 使用编程接口o d b c 、j d b c 、o l ed b 、s y b a s eo p e nc l i e n t 或嵌入式 s q l 与数据库服务器通信。 4 m i c r o s o f ts q ls e r v e r2 0 0 0w i n d o w sc e e d i t i o n ( s q l s e r v e rc e ) v e r - s i o n 2 0 ，它是一个小巧的数据库产品，功能强大，支持结构化查询语 言( s q l ) ，提供了与s q ls e r v e r 一致的开发模型和a p i ，对于程序开 发是一个极大的便利。 目前的数据库的移动计算产品都有各自的侧重点和弱势 5 3 ，不能完全 满足移动计算环境的要求。移动数据库还有相当长的路要走。 1 3 课题研究的目的及意义 在了解了国内外关于移动数据库的发展动态后，对现存的不足提出 自己的看法和改进措施，并结合m o b i l ed a t a b a s e 的关键技术，完成设计。 此次毕业设计的目的就是通过理论研究探讨与应用程序的编写实践 完成基于g i s 的移动数据库的同步实现，并解决在同步过程中可能遇到 的问题。例如，如何通过优化数据组织和建立有效的索引方式等方法提 高数据传输的效率，如何解决冲突，维护数据一致，选择何种图像显示 格式更有效，如何保证数据传输的安全性等等。 通过设计我们对移动数据库的概念及其相关知识，x m l 语言，s v g 图象格式有了更加清晰的了解和更灵活的运用，加深我们对理论知识的 巩固，培养我们的动手实践能力、创新能力，拓宽我们的知识面。同时 结合课题我们也了解了与图形图像处理方向相关的前沿的专业知识和应 用程序的开发过程，了解了图形图像处理的发展现状和在生产科研中的 武汉工程大学硕士毕业论文 应用，以及流行的图形图像处理开发工具，并熟练使用某种开发工具实 现图形图像处理相关算法。 1 4 预期需求 由于该设计同时涉及p c 端，浏览器端和移动客户端的开发，因此下 面简单介绍各自应实现的功能。 1 p c 客户端： 1 ) 数据同步功能 2 ) 数据发布功能 2 浏览器客户端： 在p c 客户端进行了数据同步和数据发布的基础上，系统支持基于 h t t p 协议的客户机在不安装客户端程序的情况下使用浏览器访问系统 服务器。系统服务器在逻辑上包括w e b 服务器和数据库服务器，访问功 能使用a s p ，a j a x 等方式实现。 3 移动客户端： 系统支持移动客户端使用在线和离线的方式来访问工程数据。在线 方式下，客户端使用h t t p 协议访问w e b 服务器，可对数据进行在线浏 览和数据下载，数据下载包括下载通用格式数据( e x c e l 表格数据和s v g 图形数据) 和下载同步移动数据库。离线方式下，客户端可对已下载到本 地的数据进行浏览和查询，其中查询操作通过对移动数据库的访问来实 现。 移动数据库的设计是本文关键，已连接上的移动数据库应具有如下 特点： 1 移动客户端经常需要访问网络后台服务器。后端应用程序需要聚集数 据来生成专供移动设备使用的图形或报表文件，并随着关联数据的更 新即时更新。 2 后台能共享每个移动终端信息，比如移动终端需要将工作现场采集的 数据及时上传到后台数据库服务器。 因此移动客户端不但应该提供离线设备的数据管理，而且应该当网 第1 章绪论 络可用时提供后台数据库的数据同步。后台数据库当作简单移动设备管 理的一个内容储存库是同步解决方案的一种特例。 对于用户而言，该系统实现如下功能： 1 g i s 功能 在p d a 智能手机上显示各种平面图，柱状图，剖面图及相关的基础 地理数据，提供对以上电子图纸的放大、缩小、平移等基本操作，能够 实现查询相关的信息( 包括工程信息和地理信息数据) 。 能够自动选择适合当前显示区域的比例，并且实现多级比例之间的 平滑切换显示，支持鹰眼功能。 系统应提供多图层( 剖面图和柱状图的土层填充层) 的控制与显示，且 根据需要，方便快捷地控制各个图层的显示与关闭，并提供基于名称的 查找功能。 该系统应实现对电子图纸的标注修改、存储、传输与回放功能。即： 支持打开已有的电子图纸进行修改，标注修改要求这些图元目标在图纸 上保持原有位置，不仅修改目标图元的文本值，还应支持对图元目标进 行灵活的增加和删除。修改结束后，系统应支持对所标注的结果进行存 储，并最终同步更新后台服务器数据。 2 卫星定位 在行进过程中，p d a 手机可以接收并显示高精度的时间、速度、位 置信息，在平面图上定位到当前所在位置，根据g p s 定位信息，将位置 数据录入到对应图中或根据用户所在的位置查询周围的情况。 3 数据库的关联查询功能 主要用于在现场作业或不在局域网内的情况下，可以使用移动设备 进行工程基本信息的查询，其中工程基本信息包括工程的各项基本情况 ( 如工程名称，工程编号，项目负责人，项目地点等) 及工程下各项数据的 基本情况( 如数据名，数据类型，生成日期，修改者，所属工程等) ，对数 据项的查询使用关键字匹配的模糊查询法，查询后的数据列表显示，同 时可以点击数据项进入数据显示( 图形，报表等) 。 4 数据上报 武汉工程大学硕士毕业论文 提供原位试验信息上报功能，工作人员可通过p d a 智能手机将现场 试验数据记录下来，同时通过g p s 定位当前位置，然后通过无线通讯网 络上传到系统后台服务器，使得现场工作数据、项目的地理位置等信息 更加快捷、直观的保存下来，为下一步工作提供重要的数据支持。在通 讯中断的情况下，可以使用移动设备进行原始数据的录入和修改，在录 入结束后，再将数据即时上传到后台数据库或稍后批量上传到后台数据 库。 5 用户管理 针对不同用户的应用权限设置、管理与维护模块，可对用户进行分 组，并按不同的组指定不同的访问权限( 查看数据，下载数据，修改数据， 上传数据1 ) 。 本文中主要完成的设计工作如下： 1 ) 分析移动客户端在线和离线的数据访问与控制流程，包括数据的 查询，插入与删除等； 2 ) s v g s v g t 图形文件的生成与显示； 3 ) 统一数据库与远程数据库之间的同步实现； 4 ) 实现图形缩放和平移等功能； 5 ) 冲突的控制与解决； 6 ) 安全性保障。 1 5 各章概要 1 第一章：绪论，主要介绍课题的研究背景，数据库的发展历程，国内 外研究动态，包括先后出现的各种移动数据库产品及其各自的特点和 应用，同时提出了目前数据库产品的不足，移动数据库有待发展，最 后阐述了课题研究的目的，意义及预期需求，即本文的主旨。 2 第二章：m o b i l ed a t a b a s e 简介，在这一章中主要介绍了m o b i l e d a t a b a s e 的概念，应用，系统组成及工作原理，特点及优势，并对移 动应用中的关键技术作了详细的阐述。 3 第三章：关键问题研究，主要探讨研究中会遇到并需要解决的关键问 第1 章绪论 题，包括前期的准备工作( 移动数据库环境的搭建与配置) ，数据库 的设计思路，图形图像格式的选择，数据读取及图形文件的生成过程， 冲突问题等，并给出解决方案。 4 第四章：核心技术的应用实现。在第三章研究的基础上实现预期需求， 从设计的角度出发，构建软件的体系结构，分析移动客户端在线和离 线的数据访问流程，定义数据字典，建立并配置服务器端数据库和移 动数据库，使用同步技术实现同步，并分别测试浏览器端和移动端数 据访问及图形生成的实现效果。 7 第2 章移动数据库简介 第2 一章移r 一4 - j 数据库简介弟覃移裂培厍间 2 1 移动计算与移动数据库 移动计算是“不限时不限地的实时通讯。 移动计算，即m o b i l ec o m p u t i n g 。用户随身携带m o b i l ed a t a b a s e 、 个人数字助手p d a 、b p 机和其他电讯设备，这得益于各种无线电射频( r f ) 技术或蜂窝通信技术。m o b i l ec o m p u t i n g 结合了消息传递技术和无线通 信技术。 m o b i l ed a t a b a s e 这个概念，在五年前还很陌生。但是现在，其应用 已经十分广泛。以前的数据存储在服务器或p c 机上，现在的数据可以存 放在内存和各种性能相对受限的移动设备上。这些部署在移动设备上， 用来管理和操作数据的系统就是m o b i l ed a t a b a s e 。 移动数据库具有如下的优势： 一1 减少中心服务器的负载 以前所设计的系统获取数据信息大多需要通过程序，从中心服务器 数据库中读取。服务器在应对大量的访问请求时会陷入繁忙的状态，容 易导致性能的瓶颈问题。智能客户端的出现很好的解决了这个问题，它 实现了离线和在线模式下的数据访问，网路连接状态不影响程序的运行。 如果可以将中心服务器数据库中的部分数据保存到移动数据库中，这样 很多的功能就可以直接在移动设备端完成，大幅度减少了中心服务器的 负荷和压力。 2 信息可以随时取得 很多人都有这样的经历，来到一个完全陌生的城市，地图因为没有 及时进行路线更新，区域设施更新等而不能满足需求时，你是否会感到 茫然? 肯定有一点，但如果你的手机具有定位查询功能，通过给出一些 简单的特征信息，如“附近最近的四星级宾馆在哪里? ，相关信息都可 以通过位置查询服务系统来完成。这些都是移动数据库可以做到的。不 仅如此，在网络断开的情况下，可以预先保存信息到移动数据库中。一 旦有需要，直接访问先前保存的本地数据，同样可以获得相应的信息。 o 武汉工程大学硕士毕业论文 所有的信息都不会因为时间来不及，地理位置偏僻等因素而不可得。 2 2 移动数据库的应用举例 移动数据库应用领域遍及生活的每一个角落，它涵盖服务业，零售 业，金融业和科学考察等多个领域。下面举几个移动数据库应用的例子。 1 行业解决方案 相信很多人都寄过邮件，以前的邮件投递方式很单一，先看寄到哪， 邮递员送到指定位置，等接收人签名确认。工作量大而繁琐，工作效率 低。如今，有了m o b i l ed a t a b a s e 的帮助，快递公司也方便不少。投递员 投递一份邮件，不需要在邮局的记录本上费劲时间的查找该寄到哪，直 接通过p d a 查看将要发送的邮件的信息，包括收件人、收件地址和联系 方式，并且提供最佳的投递路线。当邮件送达后，客户可以直接在p d a 上进行签名确认，完成后投递员将客户签名和货物送达信息直接通过无 线网络传回中心服务器。 这种方式在政府部门中也普遍采用来提高工作效率。北京政府的很 多部门都使用了移动办公系统完成公文审批、人事管理、绩效审核等工 作，有效解决了因出差、会议等延误事件处理的问题，极大提高了办公 效率。 2 交通路线查询系统 在武汉市，交通出行是一个很大的问题。如果我们将这个城市的交 通路线信息都保存到移动数据库中，就可以携带移动设备很方便地查看 乘车路线，便于出行。我们可以通过网络从中心数据库检索信息，存放 到移动数据库，具备较好的实时性，同时节省了多次联网的费用。 3 无线点菜 衣食住行是我们最基本的生活方式，说到食，餐饮业这个传统的服 务行业一点也不落后，移动无线点菜就是一个很好的验证。它最大的优 势就是再也看不见服务人员在餐厅和厨房之间的来回奔波的热闹场面， 消费者的菜单直接发送到厨房中心的计算机上，消费者的最终消费情况 直接发送至结算中心，中间的许多环节都省了。再也不用排着队等着买 第2 章移动数据库简介 单。 4 股票看盘系统 这两年的中国股市风云变幻，越来越多的中国人也积极投入了炒股 的热潮中。很多手机生产商发现了这个商机，将股票看盘系统集成到手 机中，作为它的一个卖点来提高销售量。通过网络，股民可以实时地获 得股市的“指数走势 、“个股走势”、“行情揭示 等信息，也可以通过无线 的方式对股票进行买入卖出的操作。除此之外，我们还可以将一些重要 数据保存到移动数据库中，以便日后的查询分析。 移动数据库的具有广阔的应用前景。一个产业和技术的发展，是由 多种因素决定的。首先，智能手机备受青睐，其使用数量和以前相比不 可同日而语，其功能也在不断完善和强大。其次，现在，中国的无线网 络覆盖面积已经非常广泛，3 g 也即将在中国全面铺开，这将大大缓解当 前无线网络存在的速度瓶颈问题。这两个因素都会促进移动数据库的应 用和发展。 2 3 嵌入式移动数据库系统的组成 嵌入式移动数据库系统主要包括以下部分： 1 d b s v r ( d a t a b a s es e r v e r ) ：数据库服务器 2 e m d b ：嵌入式移动数据库 3 m s s ( m o b i l es u p p o r ts t a t i o n ) ：移动支持结点 4 l s ( l o c a t i o ns e r v e r ) ：位置服务器 5 可信部分v s 6 m c ( m o b i l ec l i e n t ) ：移动客户机 7 本地数据库r e p ( r e p l i c a t i o n ) 副本 移动数据库系统中，m c 发送查询请求，首先在本地数据库中查找满 足查询条件的结果直接返回给m c ，若找不到就向v s 提交该请求，由 v s 完成查询并将结果返回给m c 。若m c 网络不畅通，则只能在m c 上 执行本地查询。若在网络不可用期间修改了m c 上的数据，则该数据将 在下次网络畅通时，进行数据更新，通过维护算法来保证一致性。其系 武汉工程大学硕士毕业论文 统模型【6 】如下： 图2 1 移动数据厍系统模型 2 4 移动数据库与移动计算环境的特点 2 4 1 移动数据库的特点 1 微小内核结构 2 对标准s q l 的支持 3 事务管理功能 4 完善的数据同步机制 5 支持多种连接协议 6 完备的数据库管理功能 7 支持多种嵌入型操作系统的特点和功能需求 2 4 2 移动计算环境的特点 移动计算系统是由固定结点和移动结点共同组成的动态分布式系统 叼。与传统的分布计算环境相比，移动计算环境的主要特点如下： 1 移动性的时空相关性：m o b i l ed a t a b a s e 可在移动过程中保持网络畅 第2 章移动数据库简介 通。应用程序及数据查询可能与位置和时间有关【8 】，如用户需要了解 在距离前方驱车距离为2 k m 的区域的交通路况，以便决定驾车路线， 拿武汉市来讲，因为所处的地段不同，在广埠屯和汤逊湖所得到的查 询结果显然不同，前一个为交通拥挤地段，后一个为城市郊区，另外， 在早上八点和夜里十二点查询同一个地方，得到的查询结果也会不 同。因此要求移动数据库能支持移动性，解决地区切换问题，并实现 时空相关的处理。 2 网络经常不畅通 3 网络条件的差异与变化 4 系统规模庞大，用户多 5 系统安全性及可靠性较差 6 资源有限 7 网络通讯的非对称性 2 5 移动数据库的关键技术 在移动数据库系统设计中，需要考虑诸多在传统分布式数据库系统 中不需要考虑的问题【9 】【1 0 1 ，如客户端的移动、客户端与网络的频繁断接、 网络条件多样性、网络通信非对称、移动计算部件电源容量有限、可靠 性低、伸缩性高、客户端与服务器数据的不一致性、移动数据查询等问 题。为了解决这些问题，必须应用移动数据库的一些关键技术。 2 5 1 数据复制缓存技术 数据复制缓存技术【ll 】是解决移动数据库断接性的关键技术。 每个数据库服务器管理一个基于地方位置信息的数据库副本。复制 是为了保持系统数据一致。缓存为了减少通信量和服务器负荷，避免网络 拥塞。数据的一致性需要复制、缓存和检测机制来共同维护( 1 2 】。 众多的移动复制算法中，最典型的是三层复制体系结构( t h r e e t i e r r e p l i c a t i o na r c h i t e c t u r e ，简称，丌r 结构) 【1 3 】【1 4 1 。 武汉工程大学硕士毕业论文 图2 - 2 三层复制体系结构 第一层：“服务器级复制”复制，顾名思义，即复制发生在服务器之 间，采用传统的复制技术与周期成对匹配，交换暂时事务日志的方式实 现同步。 第二层：“空中复制 复制，所谓空中即无线广播，其核心是服务器 通过无线广播组织焦点数据，由m s s 向所有m c 发送。它的优势在于充 分利用了无线网络非对称性的特点。第一，无论多少m c 同时接收，m s s 的广播代价不变；第二，对向服务器的访问请求也因广播热点数据而减 少。空中复制开销不大，实际应用意义却非凡。 第三层复制：“客户机缓存”，m c 本身有一定的存储容量，可以暂时 存储数据库中部分数据，即数据库子集。 2 5 2 数据广播技术 通俗地讲，数据广播是指在移动计算环境中，利用客户机与服务器 通信的不对称性，以周期性广播的形式向客户机发送数据1 5 】 1 6 】。其最大 的优点是，广播开销与移动用户规模无关。数据广播多采用多盘调度算 法【1 7 1 。 1 4 第2 章移动数据库简介 2 5 3 移动事务处理 事务处理是数据库管理系统的一个基本功能。简单的讲，移动客户 端提交的一个请求就是一个移动事务，这个事物要么在服务器端完成， 要么在移动客户端完成。对于基站服务器而言，由于它管理的移动客户 端数量众多，可同时接收多个来自移动客户端的请求。为保证查询服务 的正常有序进行，维护数据的一致性，支持多用户的并发访问，建立完 善的移动事务管理机制是极其必要的。 2 5 4 位置相关查询优化 前面提到过，同一个问题，在不同的地方，所得查询结果是不同的。 位置相关查询【掩】【1 9 1 隐含有查询者所在位置信息。它要将移动用户的 位置信息加入到查询条件中，还有可能要添加上必要的语义信息( 如“5 公 里内”等) 。移动查询优化技术的目的是最大限度地屏蔽额外因素造成的 影响，使查询更切实有效；同时，针对移动计算机电源能力的有限性， 合理地组织本地数据库管理、远程数据库访问等耗电能较多的操作，提 高能源使用效率，延长关键数据的可用时间。 2 5 5 移动a g e n t 技术 a g e n t 这个概念起源于人工智能，它就是一段程序，用于模拟人类行 为与关系，具有一定智能并能够自主运行和提供相应服务。移动a g e n t 是一个能够在异构网络中自主地从一台主机迁移到另外一台主机，并可 与其它a g e n t 或资源交互的程序。实际上它是a g e n t 技术与分布式技术 的混血儿。移动a g e n t 具有自主性、移动性、协作性、安全性、智能性 等特性【1 9 1 【2 0 1 。 2 5 6 容错和恢复技术 地址错误、介质失败、事务失败以及通信失败在移动计算中经常发 生。首先，电池电量不足经常导致地址错误；其次，移动主机在穿越不 武汉工程大学硕士毕业论文 同的区域时会引发事务失败。因此，移动数据库必须具有相应的恢复和 容错机制，能够自动检测到系统发生的各种错误，并能针对错误产生的 不同原因，分别采用不同的处理方法。 2 6 移动数据库的安全性考虑 无线电波经常会受磁场干扰，空中传播的信息也很容易被侦听和窃 取，移动设备本身也容易失窃或遗失，加上数据库本身存在的不安全因 素，以及某些数据的高隐私性要求，使得保证移动数据库的安全性成为 移动数据库设计中一个很重要的环节【2 1 1 。目前可采取的主要措施有：对 移动终端进行认证【2 2 1 ，防止非法终端的欺骗性接入；对无线通信进行加 密，防止数据信息泄漏；对下载的数据副本进行加密存储，以防移动终端 物理丢失后的数据泄密。 2 7 其他技术介绍 2 7 1 断点续传 移动数据库中离不开上传和下载操作，移动客户端所有的数据信息 都需要从服务器端读得，甚至需要在网络不畅通的情况下，还可能需要 保存部分数据到本地数据库并修改；这些更改最终也需要上传到数据库 服务器中维持一致。断点续传是指在下载或上传时，将下载或上传任务， 通常为一个文件或一个压缩包，人为的划分为几个部分，每一个部分采 用一个线程进行上传或下载。如果碰到网络故障，可以从已经上传或下 载的部分开始继续上传下载剩余的部分，而没有必要重新开始上传下载。 节省时间，提高速度。 目前，断点续传是通过一个链表或数组记录分块的各项标记，包括 起始偏移量，长度，是否下载等，下载线程取出下载标记为否的一个记 录，根据其中标示的起始偏移和块长度从远程进行下载，下载结束后写 入本地文件中对应位置，并修改相关记录信息。 第2 章移动数据库简介 2 7 2 多线程技术 让我们通过一个生活实例去理解多线程：当我们做饭的时候，总是 会先将饭放在电饭煲里蒸好，炖菜放在高压锅里煮好，然后趁这段时间 去洗菜，炒菜，人还是一个人，但同时做几件事情，这样就可以大大地 提高效率。人就相当于资源，事情就相当于需要处理的事件或实现的功 能，c p u 也可以像人一样花同样多的时间去完成所有的事情，通过多线 程技术，让用户在视觉上觉得计算机在同时处理多件事情，更好地改善 用户体验。 由于移动设备具有内存小，计算能力弱和电池供电不足等特点，如 何使应用程序在其上高效运行成为开发中的一个难题。尤其针对手机等 移动信息设备，无线的特点对程序又提出了更高的要求。为了应对网络 连接状态和速度的最大不确定性，采用多线程传输成为一个重要技术手 段。 s h r a n a 0r e q m s t c o r m e e 幻r e 叩唧c 坤加 n几兀 | 【l l j 图2 - 3 多线程工作原理图 p u b l i c 町，i l c k o n i z e dv o i dr u n o w h i l e ( d e a l i n g ) t r y w a i t o ； ) 线程等待 c a t c h ( i n t m u p t e x l e x c p t i o ni o ) 1 7 武汉工程大学硕士毕业论文 i f ( d e a l i n g ) r e q u e s t c o n n e c t o ； ) p u b l ms y n c h r o n i z e dv o i dd e a l o n o t i f y o ；唤醒线程 其中d e a l i n g 变量用于定义一个锁，当其为t r u e 时，当前线程等待， 直到用户激活c o m m a n d 事件之后，调用d e a l ( ) 方法中的n o t i f y ( ) 唤醒当前 线程继续运行。这样程序就显得相当的高效，也在很大程度上避免了线 程间的死锁问题。 系统建立了两套消息交换机制，系统消息队列和时间锁，通过控制 连接进程的激活和挂起，真正成为一个异步通讯系统。通过实现网络多 线程传输处理机制，利用线程进行同步并行处理，解决了网络连接时的 阻塞和中断问题，达到了程序高效运行的目的。 2 7 3 空间索引优化 选择合适的空间索引对于矢量数据的管理至关重要。我们可以建立 三种空间索引以及本地缓存，按照不同的数据应用类型选择合适的空间 索引】。 1 经常需要修改的数据：在数据需要经常变动的应用中，比如工程图纸 等，比较适合使用四叉树索引，这种索引在编辑数据的时候维护成本 比较低，不容易出现由于索引不完整导致空间数据无法正常显示的问 题。 2 不需要经常变动的数据：地质原始信息及统计，管理等方面的空间数 据基本属于静态数据，比较适合使用r 树索引【2 4 】，这种索引的访问效 率比四叉树索引高。 3 大数据量的数据：对于大数据量的数据，特别建立了一个类别提供三 级索引，可以按照字段或者范围来索引，对于提高性能也是很有效的。 第2 章移动数据库简介 4 网络带宽很低的情况下访问大数据量：网络带宽比较低的情况下，为 了减少网络传输量，可以将一些静态的不需要经常变动的数据使用本 地缓存的方式管理。 前两种索引是互斥的，只能有一种存在，而后两种是在前两种的基 础上附加的。本地缓存在三级索引的基础上使用效果较好。 2 8 本章小结 m o b i l ed a t a b a s e 作为一个较新的研究领域，涉及到数据库、移动计算 等多个学科。本章主要说明了m o b i l ed a t a b a s e 的概念，介绍了系统组成及 工作方式，比较了m o b i l ed a t a b a s e 相比其它数据库的特点并详细阐述了其 关键技术等。移动设备和无线通讯技术的快速发展和人们对m o b i l e c o m p u t i n g 应用需求的日益增加使得m o b i l ed a t a b a s e 具有良好的研究和应 用前景。 第3 章关键问题研究 第3 章关键问题研究 3 1 移动数据库开发环境的搭建及相关配置 3 1 1 关键技术及开发工具 1 表达层 p c 平台：v i s u a ls t u d i o n e t2 0 0 5 ，h t m l 语法，a s p 语法，a s p 数据库访问技术，a j a x n e t 异步数据访问技术，c 撑n e t ，j a v a s c r i p t ， x m l ，x s l t 和c s s 语法，s v g 图形格式数据结构，s v g 图形显示及交 互技术。 移动平台：v i s u a ls t u d i o n e t2 0 0 5 ，j 2 m e ，w i n c e 平台应用软件开 发，w i n c e 平台s v g 图形显示技术，w i n c e 平台h t t p 传输技术， w i n c e 平台后台数据库访问技术，m i c r o s o f