（计算机软件与理论专业论文）基于dm2的移动数据库关键技术研究.pdf

华中科技大学博士学位论文 摘要 目前，我们已经进入以网络计算为中心的时代，人们迫切需要能在任何时候、任何 地点访问任何所需数据，移动计算为之提供了手段。它是无线通信、网络技术与移动 计算设备相结合的产物，是一种更加灵活、复杂的分布计算环境，具有移动性、频繁 断接性、网络条件的多样性、低带宽、有限电源容量、网络通信的不对称性、高伸缩 性等特点。研究表明，由于移动计算环境的上述特点，使得传统的分布式数据库技术 不能支持或不能有效地支持移动计算，并由此引发了对移动数据库技术的研究热潮。 所谓移动数据库技术是指支持移动计算的分布式数据库技术，它目前已经成为当今国 际数据库界一个新的研究方向。t 本学位论文系统深入地研究了基于d m 2 的移动数据库技术，内容主要包括：移动 数据库管理系统体系结构，移动子集技术，移动事务处理，移动查询处理，以及d m 2 数据库服务器与p r a o 并行数据库服务器的多级扩展技术和负载平衡技术。 首先，本文讨论了客户服务器结构的数据库管理系统功能划分以及适用于移动数 据库系统的几种客户服务器模式。之后，从客户机与服务器的相对关系出发，根据运 动的相对性原理提出了虚拟服务器概念，并由此得出移动数据库是一种动态分布式数 据库的新观点。在此基础上，本文提出了种移动数据库管理系统体系结构，重点阐 述了虚拟服务器功能组成和体系结构特点。分析表明，该体系结构具有较强的通用性 和具有较好的可扩展性。本部分最后着重讨论了基于d m 2 的移动数据库管理系统m d m 2 s e r v e r 核心的组成和主要关键技术、处理策略，以及客户端d b m sl i t e 的系统结构、 主要功能模块及其相互关系。 其次，研究了移动子集技术，它是一种基于语义的数据缓存技术，是解决移动数 据库系统中频繁断接问题的有效措施。本部分首先提出并阐述了移动子集的观点和概 念。之后，讨论了移动子集的组织和构造问题。移动子集的查询处理是本部分的重点， 在该部分主要阐述了判断查询可在移动子集中得以完成的检验方法：在讨论了查询与 i 华中科技大学博士学位论文 移动子集的语义片段的五种关系基础上，给出了相应的查询修剪算法、基于二分树的 查询计划树构造算法、查询结果合并算法等。本部分最后阐述了移动子集中语义分区 的合并、基于l r u 的语义片段替换、基于更新失效的一致性维护策略和方法等移动子 集的维护问题。 再次，研究了虚拟服务器技术中的移动事务处理和移动查询处理。在分析了移动 事务处理的特点和要求后，通过引入预读锁和预写锁，提出了一种移动事务处理模型， 它可通过虚拟服务器上的移动事务代理来支持移动事务的移动特性。此外还分析基于 该模型的移动事务的可串行性。针对移动查询处理，本部分内容首先阐述了虚拟服务 器对移动客户机位置和查询管理策略，在分析了位置属性的动态属性特点之后，提出 了一种对客户机位置进行索引的方法。这种方法在对移动对象进行“冷”和“热”分 类的基础上，采用了b n 树索引结构，完成对移动对象的索引。试验结果表明效果良好。 本部分最后阐述了支持移动对象查询的s q l 语言扩展的语法、语义和实现问题。 最后，本文研究了在数据库服务器高端为整个移动数据库系统提供高可用性、高 伸缩性的支持机制。由于移动数据库系统中存在潜在的大用户量和大规模数据库管理 的压力，为此必须提供合适的数据库组织方式和高性能数据库服务器。本部分内容首 先在引入收集属性概念的基础上，研究了适合移动数据库的数据分片组织方式，这可 以减少冲突提高系统的可伸缩性；接着阐述了在d m 2 数据库副本基础上的负载平衡技 术，对d m 2 系统平均响应时间进行了灰色建模并应用于负载平衡算法之中：本部分最 后研究了d m 2 数据库服务器的多级扩展技术，提出了一种分布式数据库服务器与并行 数据库服务器构成的多级客户服务器方式的数据库体系结构。试验结果表明通过级联 扩展的d m 2 数据库服务器将具有更高的系统整体性能。并由此可以构成基于多级客户 服务器模式的移动d b 分布式d b 并行d b 的数据库体系结构。 关键字：移动数据库，虚拟服务器，移动子集，移动事务模型，移动查询，。负载平衡 客户服务器，多级扩展 u 华中科技大学博士学位论文 a b s t i 己a c t n o ww ea r ei na ne r ao fn e t w o r kc o m p u t i n g t h e r ei sa nu r g e n tn e e df o rp e o p l e t oa c c e s si n f o r m a t i o na n y w h e r ea n da ta n y t i m e ， a n de 【i o b i l ec o m p u t i n gs a t i s f i e s t h en e e d m o b i l ec o m p u t i n gc o m e si n t oe x i s tw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f c o m p u t e rt e c h n 0 1 0 9 y ， w i r e l e s sc o 肿n u n i c a t i o na n dn e t w o r k i n g t e c h n 0 1 0 9 i e s c o m p a r e dw i t ht h ec o n v e n t i o n a ld i s t r i b u t e dc o m d u t i n ge n v i r o n m e n t s ， m o b i1 e c o m p u t i n gi sam o r ef l e x i b l e ，c o m p l e xd i s t r i b u t e dc o m p u t i n gp a r a d i g mw i t ht h e d i s t i n g u i s h e d c h a r a c t e r i s t i c ss u c ha s m o b i l i t y ，f r e q u e n td i s c o n n e c t i o n ， d i v e r s i t y o fn e t w o r k c o n d i t i o n ， l o w b a n d w i d t h ， 1 i m i t e d b a t t e r yp o w e r ， 8 s y 咖e t r i co fn e t w o r kc o 咖u n i c a t i o n ，e t c m a n yr e s e a r c h e sh a v ei n d i c a t e dt h a t t h ec o n v e n t i o n a ld i s t r i b u t e dd a t a b a s et e c h n 0 1 0 9 i e sd on o ts u i tt oo rc a n n o t e f f i c i e n t l ys u p p o r t m o b i l e c o 珊p u t i n g m o b i l ed a t a b a s e t e c h n o l o g y i st h e d i s t r i b u t e dd a t a b a s et e c h n 0 1 0 9 ys u p p o r t i n gm o b i1 ec o m p u t i n g i to f f e r sn e w c h a l l e n g i n gp r o b l e m s a n dh a sb e e n b e c o m i n g an e wd i r e c t i o nf o rt h e i n t e r n a t i o n a ld a t a b a s er e s e a r c hc o m m u n i t y t h ed m 2b a s e dm o b i l ed a t a b 8 s et e c h n o l o g i e sa r ep r o f o u n d l ys t u d i e di nt h i s d i s s e r t a t i o n i tf o c u s e so nt h ea r c h i t e c t u r eo fm o b i l ed a t a b a s em a n a g e m e n t s y s t e m ，m o b i l es u b s e tm e c h a n i s m ，m o b i l et r a n s a c t i o np r o c e s s ，m o b il eq u e r y p r o c e s s ，d m 2e x t e n s i b l et e c h n o l o g yb yt h ei n t e g r a t i o no fd m 2d a t a b a s es e r v e r a n dp a r a l l e ld a t a b a s es e r v e rp a r o ，a n d1 0 a db a l a n c i n gt e c h n 0 1 0 9 ye t c f i r s t l y ， t h ef u n c t i o nd i s t r i b u t i o no fc l i e n t s e r v e r ( c sf o rs h o r t )d b 骼 a n ds e v e r a lc sm o d e l ss u i t a b l ef o rm o b i l ed a t a b a s es y s t e ma r ed i s c u s s e d f r o m t h er e l a t i o nb e t w e e nt h ec l i e n ta n dt h es e r v e r ， a c c o r d i n gt ot h er e l a t i v i t y o ft h em o b i l e o b j e c t s ， t h e c o n c e p t o fv i r t u a ls e r v e r ( v s f o r s h o r t ) i s i n t r o d u c e d ，a n dt h en e wi d e at h a tt h em o b i l ed a t a b a s ei sad y n a m i cd i s t r i b u t e d +_， n i 华中科技大学博士学位论文 o n ec o m e si n t ob e i n g s ot h a ta na r c h it e c t u r eo fm o b i1ed a t a b a s em a n a g e m e n t s y s t e mi si n t r o d u c e d ， a n dt h ec o m p o n e n t so fv sa n di t sc h a r a c t e r i s t i c sa r e d i s c u s s e d t h e a n a l y s i s s h o w st h a tt h i sk i n do fa r c h i t e c t u r ei so f g o o d g e n e r a l i z a t i o na n de x t e n s i b i l i t y a tt h ee n do ft h i ss e c t i o n ，t h ec o m p o n e n t s a n dk e y t e c h n o l o g i e so fd m 2b a s e ds e r v e rk e r n e lo ft h em o b il ed a t a b a s e m a n a g e m e n ts y s t e mm d m 2 ， t h ea r c h i t e c t u r ea n dc o m p o n e n t so fc l i e n t s i d ed b m s l i t ea r ed i s c u s s e di nd e t a i l s e c o n d l y ， t h em o b i l es u b s e t t e c h n o l o g y 。 ak i n do fc l i e n t s c a c h e t e c h n o l o g y ，i ss t u d i e di nt h i sd i s s e r t a t i o n i ti sa ne f f i c i e n tm e t h o dt os o l v e t h ed i s c o n n e c t i o ni s s u ei nm o b i l ed a t a b a s ee n v i r o n m e n t i nt h i ss e c t i o n t h e c o n c e p to fm o b i l es u b s e ti si n t r o d u c e d ， a n dt h e nt h eo r g a n i z a t i o no fm o b i l e s u b s e ti sp r o p o s e d t h eq u e r yp r o c e s s i n go fm o b i l es u b s e ti st h ef o c u so ft h i s s e c t i o na n ds o m ed i s c u s s i o n so nk e yt e c h n 0 1 0 9 i e sa r ep r o v i d e d s u c ha s ，t h e m e t h o d st o j u d g ew h e t h e rt h eq u e r yc a nb es a t i s f i e di nm o b i l es u b s e ta r e d i s c u s s e d ，a n dq u e r yp r o c e s s i n ga l g o r i t h m si n c l u d i n gq u e r yt r i m m i n ga l g o r i t h m ， b i n a r yt r e eb a s e dq u e r yp l a nt r e eg e n e r a t i n ga l g o r i t h m ，q u e r yr e s u l tm e r g i n g a l g o r i t h ma r ep r o p o s e d a tt h ee n do ft h i ss e c t i o n ， s o m em a i n t e n a n c es t r a t e g y f o rm o b il es u b s e ts u c ha s f r a g m e n tm e r g i n g ， l r ub a s e ds e m a n t i c f r a g m e n t r e p l a c e m e n t ，u p d a t ei n v a l i d a t i o nb a s e dc o n s i s t e n c ym a i n t e n a n c ea n ds oo n ，a r e a l s od i s c u s s e d t h i r d l y ，m o b i l et r a n s a c t i o np r o c e s s i n ga n dm o b i l eq u e r yp r o c e s s i n gi nt h e v sa r es t u d i e d a f t e rt h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dr e q u i r e m e n t so fm o b il e t r a n s a c t i o nb e i n ga n a l y z e da n dt h ep r e r e a dl o c ka n dt h ep r e w r i t e1 0 c kb e i n g p r e s e n t e d ， t h e nam o b i l et r a n s a c t i o np r o c e s sm o d e l ，w h i c hc a n s u p p o r t t h e m o b i l i t yo fm o b i l et r 8 n s a c t i o nt h r o u g ht h em o b i l et r a n s a c t i o na g e n t sw i t h i n t h ev s ，i sp r o p o s e d b e s i d e s ，t h es e r i a l i z a t i o no ft h em o b i l et r a n s a c t i o nb a s e d l v 华中科技大学博壬学位论文 o nt h em o d e li sa n a l y z e d + i no r d e rt os t u d yt h em o b i l eq u e r yp r o c e s s i n g ，t h el o c a t i o na n dq u e r y m a n a g e o n e n ts t r a t e g ya d a p t e d i nt h ev sa r es t u d i e d a f t e r a n a l y z i n g t h e 1 0 c a t i o n sd y n a m i ca t t r i b u t e sc h a r a c t e r i s t i c s ，ak i n do fi n d e xt e c h n i q u et o l c l i e n t s 1 0 c a t i o n si sp r o p o s e d t h em e t h o di sb a s e do nc l a s s i f y i n gt h em o b i l e o b j e c ti n t o “c o l d ”o n e sa n d “h o t ”o n e s ，a n dt h e nu t i l i z e sb “一t r e es t r u c t u r e l t oi n d e xt h e1 0 c a t i o n so fm o b i l eo b j e c t s t h ee x p e r i m e n t sr e s u l t si n d i c a t e i l t h a tt h i si n d e x t e c h n i q u e i so fa g o o dp e r f o r m a n c e b e s i d e s ， t h e s y n t a x ， i ) s e m a n t i ca n di m p l e m e n t a t i o no fs q le x t e n s i o nw h i c hs u p p o r t i n gm o b i l eo b j e c t ； q u e r ya r es t u d i e d f i n a l l y 。 t h e s u p p o r t i n g m e c h a n i s mo ft h e h i g h e n d d a t a b a s es e r v e r t e c h n 0 1 0 9 i e st h a tp r o v i d eh i g ha v a i l a b i l i t ya n dh i g hs c a l a b i l i t yf o rt h ew h o l e m o b i l ed a t a b a s es y s t e ma r es t u d i e di nt h i sd i s s e r t a t i o n d u et ot h ed o t e n t i a l m a s s i v en u m b e ro fm o b i l eu s e r sa n d1 a r g es i z ed a t a b a s em a n a g e m e n ti nt h em o b i l e d a t a b a s es y s t e m ，t h es y s t e mh a st op r o v i d eb o t hr e a s o n a b l eo r g a n i z a t i o no f d a t a b a s ea n dh i g hp e r f o r m a n c ed a t a b a s es e r v e r i nt h is s e c t i o n ， t h ec o n c e p t o fh o a r d i n ga t t r i b u t ei s p r e s e n t e d ，a n dt h ef r a g m e n to r g a n i z a t i o nm e t h o d s s u i t a b l et om o b i l ed a t a b a s ea r ed i s c u s s e d i ti sa b l et oe l i m i n a t ec o n f l i c t i o n a n di n c r e a s et h es y s t e m sa v a i l a b i l i t ya n ds c a l a b i l i t y a n dt h e n ， t h e1 0 a d b a l a n c i n gt e c h n 0 1 0 9 yi nd m 2s e r v e ri sd i s c u s s e d ag r e ym o d e lo fr e s p o n s et i m e i sp r o p o s e da n da p p l i e dt ot h el o a d b a l a n c i n ga l g o r i t h m a tt h ee n do ft h j s s e c t i o n ，e x t e n s i b l et e c h n 0 1 0 9 yi si n v e s t i g a t e d am e t h o dt o i n t e g r a t et h e d i s t r i b u t e dd a t a b a s es e r v e ri 瑚2w i t hp a r a l l e ld a t a b a s es e r v e rp a r oi sp r o p o s e d t h ee x p e r i m e n t sr e s u l t si n d i c a t et h a th i g h e rp e r f o r m a n c ec o u l db ea c h i e v e d b yt h i sk i n do fm u l t i t i e re x t e n s i o nm o d e l b ya p p l y i n gt h i sk i n do fe x t e n s i o n t e c h n o l o g y ad a t a b a s e s y s t e m w i t hm o b i l ed a t a b a s e d i s t r i b u t e d v 华中科技大学博士学位论文 d a t a b a s e p a r a l l e l d a t a b a s eb a s e d。nm u l t i t i e r c s8 r c h i t e c t u r ec a nb el c o n s t r u c t e d i k e y 霄o r d 8 ：m o b i l ed a t a b a s e ，v i r t u a ls e r v e r ，m o b i l es u b s e t 。m o b i l et r a n s a c t i o n m o d e l ，m o b i l eq u e r y ， l o a d b a l a n c i n g ，c 1 i e n t s e r v e r m u l t i t i e re x t e n s i o n 一 v l 华中科技大学博士学位论文 1 1 研究背景、目的及意义 1 绪论 进入九十年代以来，越来越多的用户开始拥有各种便携的计算设备，小一点的 如掌上型的个人数字助理( p d a ) 或个人通信器( p e r s o n a lc o 咖u n i c a t o r ) ，大一 些的如装备较大内存和较强处理能力的笔记本电脑等，我们把它们统称为移动计 算机( m o b i l ec o 册p u t e r ) 。随着半导体技术的飞速发展，移动计算机的处理能力、 存储容量等性能指标正以每1 8 个月翻一番的速度提高( 摩尔定律) ，其中高档的 移动计算机足可以与同类台式机相媲美。如今，移动计算机已经有能力管理在不 久前还曾被看作是“超大规模”的数据库，支持一些复杂的数据管理任务。 目前，我们已经进入以网络计算为中心的时代，人们迫切需求能在任何时候、 任何地点访问任何所需数据。而正在迅速发展并逐渐成熟的移动通信技术与移动 计算机的结合为之提供了手段。由此可以预见，未来的绝大部分移动计算机都将 配备以无线网络为主的移动联网设备，以支持移动用户访问网络中数据的需要。 这将是一种更加灵活、复杂的分布计算环境，人们称之为移动计算( m o b i l e c o m p u “n g ) 。目前，移动计算已成为包括w e b 计算、数据仓库和挖掘在内的“以 客户为中心”应用的三大技术手段之一。 在传统的分布计算系统中。各个计算结点之间都是假定通过固定网络连接，并 保持网络持续连接性，而移动计算系统改变了这种假设条件。移动计算系统是由 固定结点和移动结点构成的分布计算系统，它将使用户无需停留在固定的位置不 变，而是可以携带着移动计算机自由移动，并在移动的同时通过移动通信网络保 持与固定结点或其他移动结点的连接。这种移动性将创造一类全新的应用，使得 人们能够更加方便地访问各种信息。 华中科技大学博士学位论文 1 1 1 移动计算环境典型系统结构 在一个移动计算环境中，移动设备( m o b i l eu n i t ，m u ) 通常是通过移动服务支 持结点( m o b i l es u p p o r ts t a t i o n ，m s s ) 与固定网络连接的。图1 1 展示了一种 移动计算环境的典型体系结构“1 。在这个移动计算环境中，高速固定网络部分构成 连接固定结点的主干。固定网络中拥有若干固定主机( f i x e dh o s t ，f h ) 和移动服 务支持结点m s s ，每个m s s 负责建立一个无线网络单元( 如图1 1 所示的无线广播 单元或无线局域网单元) ，单元内的移动计算机与m s s 之间通过无线网络连接。 ：，一一。| ，z 一 ， 7m u i 、无线蜂窝 、- - 这些无线网络单元的覆盖范围取决于它们所采用的无线通信技术，例如无线 l a n 单元覆盖直径约为几百米，而采用卫星通信的无线网络单元只需几个即可覆盖 整个地球。 因此，在图1 1 所示的移动计算环境中，移动计算机可以从任何一个无线网络 单元经由m s s 联接到固定网络中，从而实现了自由的移动性。 1 1 2 移动计算环境的特点 目前，移动计算的研究覆盖了许多研究领域，如移动硬件设备，移动通信，移 动联网技术，无线w w w 访问，移动数据库技术，无线客户服务器应用等。与数据 华中科技大学博士学位论文 库技术密切相关的研究是移动数据库技术，即支持移动计算的分布式数据库技术。 与基于固定网络的传统分布计算环境相比，移动计算环境具有以下几个特点 1 移动性 在移动计算环境中，一台移动计算机不仅可以在不同的地方联通网络，而且在 移动的同时也可以保持网络的连接。这种计算平台的移动性可能导致系统访问布 局的变化和资源的移动性。 2 频繁断接性 移动计算机在移动过程中，由于受使用方式、电源、无线通信费用、网络条件 等因素的限制，一般不采用持续联网的工作方式，而是主动或被动地间歇性的入 网、断接( d i s c o n n e c t i o n ) 。 3 网络条件的多样性 移动计算机的移动性使得不同时间可用的网络条件( 如网络带宽、通信代价、 网络延迟以及服务质量等) 往往差别非常大：移动计算机可以工作在高带宽的有 线l a n ，也可工作在低带宽的无线l a n ，甚至根本无网可上( 处于断接状态) 。 4 网络通信的不对称性 这表现在固定服务器结点可以拥有强大的发送设备，而移动计算机的发送能力 有限，造成下行链路( 服务器到移动计算机) 的通信带宽和代价与上行链路( 移 动计算机到服务器) 的相差很大。 5 移动计算机的电源能力 移动计算机的电池容量一般只够维持几个小时，电池容量有限的问题将长期存 在。 6 可靠性 无线网络与固定网络相比，可靠性差，故障率高。此外，也存在安全问题。 7 规模 许多移动应用环境，如公共交通信息系统“1 ，都要求系统同时支持大量的移动 用户并发访问，这要求移动计算系统必须具有比传统的客户服务器及分布式系统 华中科技大学博士学位论文 高的多的可伸缩性。 研究表明，由于移动计算环境的上述特点，使得传统的分布式数据库技术不能 支持或有效支持移动计算环境。“。我们必须认识到，移动计算这种看起来仅仅提 供了有限数据访问类型和有限数据容量的计算手段正好适应了企业计算在后端不 断向高性能、大容量方向发展的趋势，为前端的易管理、易操作性提供了良好思 路，将给未来的数据库带来深远的影响。作为传统数据库应用的一种延伸，移动 数据库应用会在工业领域更快地推广起来。 1 1 3 移动数据库的典型应用 目前，移动数据库技术已经成为国际数据库界一个新的研究方向”“”。移动 数据库的典型应用有： 1 公共信息发布 比如，移动用户需要经常访问的股票、天气和交通等信息。以文献 7 中提到 的a t i s 系统( a d v a n c e dt r a f f i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ，a t i s ) 为例，它将为配 置有移动计算机的各种车辆提供城市交通信息。在交通高峰时段，一个大城市的 a t i s 系统将同时为超过1 0 0 ，0 0 0 个移动客户服务，对于这种同时服务大规模用户 的应用，传统的客户服务器数据库技术显然难以适用。 2 移动办公 比如，用户在移动的汽车上借助移动计算机可以与公司保持联络处理相关信 息。从一家美国汽车保险公司雇员移动办公的例子州，可以看到在移动数据库环境 中，工作效率大大提高。同时，我们也可看到移动数据库的事务通常是一种长事 务，事务处理要解决断接问题。断接问题是移动数据库系统要解决的基本问题之 一o 3 数字战场 现代战争对信息的需求越来越强烈，通过移动计算机在联机或断接情况下辅助 处理战场相关情况。目前，美军正在实施一项战场获知与数据发布研究计划b a d d 。 4 位置相关查询 4 华中科技大学博士学位论文 查询与移动用户位置和或移动方向相关的数据和信息。例如，查询“最近的 餐馆在哪里? ”，其结果取决于用户所处的位置。 1 1 4 移动数据库与分布式数据库的区别 分析传统分布式系统与移动数据库系统之间的关系表明“1 ，移动数据库环境是 移动的、异构的、多数据库系统，它是对传统分布式数据库系统的扩展，是固定 结点和移动结点构成的分布计算系统。分布式数据库系统是移动数据库系统的一 种特例。因此，传统分布式数据库的许多研究成果可以应用到移动数据库中。虽 然二者有许多相似之处，但是它们之间的差别也是十分明显的。一个主要差别是 分布式数据库的目标是位置透明性，而移动数据库的目标是位置不透明，位置相 关查询很好地说明了这一点。另一个主要差别是不同的代价性能观，这使得分布 式数据库中许多问题的最佳解决方案在移动计算环境中反而不可接受。具体来讲， 移动数据库与传统分布式数据库之间的主要差别具体表现在： 1 从应用程序的角度来看，移动数据库应用可能是位置相关的，它要适应可 变的系统环境。 2 从事务处理的角度来看，移动数据库要提供可以描述移动性的新模型，并 且要解决事务过区切换( h a n d o f f ) 问题( 即在不同服务器覆盖范围之间的移动) 。 传统分布式数据库中不存在这些问题。 3 从故障恢复的角度来看，移动数据库系统不认为断接是系统故障，并要为 管理移动性提供更多的日志记录，还要能提供在过区切换时从短暂断接中恢复的 技术。传统分布式数据库的故障恢复工作不考虑过区切换问题。 4 从数据复制的角度来看，移动数据库中存在不同程度的一致性约束( 弱一 致性或可变一致性) 。此外频繁断接性要求采用新的缓存维护技术。 5 从查询处理的角度来看移动数据库存在位置相关查询，它具有与分布式 数据库不同的代价因素( 如网络带宽、花费和电源消耗等) 。移动数据库中的查询 结果会因为客户机的移动性而返回到不同的位置。此外，移动数据库还要提供适 应网络条件变化的可适应技术以及数据广播技术等。 华中科技大学博士学位论文 这些差别进一步说明，传统分布式数据库管理系统已经不能有效地支持移动计 算。因此有必要对移动数据库技术进行研究，在此基础上设计和开发适于移动计 算环境的移动数据库管理系统。 1 1 5 移动数据库系统的理想目标 一个理想的移动数据库系统应当实现以下四个目标“0 1 ： 1 可用性和可伸缩性。在避免系统不稳定性的同时，提供高可用性和可伸缩性。 2 移动性。允许移动计算机在和网络断接的情况下访问或更新数据库。 3 可串行性。支持满足可串行性的并发事务执行。 4 收敛性。系统最终总能达到一致性。 总之，移动计算环境的出现，使人们看到了可随时随地访问所需信息的希望。 移动数据库技术的研究与实现，对未来移动环境中的许多重要应用，诸如战场指 挥系统，移动办公系统，移动电子商务1 ，公共信息发布等，都将具有重要的理 论意义和巨大的实用价值，其应用前景广阔。 在开展移动数据库技术研究之前，我们在分布式数据库技术方面进行了大量的 研究，最有代表性的成果是分布式多媒体数据库管理系统d m 2 。该系统采用关 系层次0 0 数据模型，符合数据库语言s q l 标准。系统从客户端到服务器 提供了多层次、多途径、多机制的完整性控制，实现了唯一性约束、引用约束、 检验约束的定义、检查与处理。系统具备故障恢复功能。系统提供站点透明性， 支持副本，各服务器之间协调工作，共同完成分布式查询、更新等任务，能够保 证多个站点上数据库状态的一致性。系统提供了o d b c 接口和嵌入式、交互式i s q l 方式操纵数据库，支持多媒体、地图信息管理功能，实现了对常规数据、多媒体 数据、地图数据的一体化定义、存储和操纵。系统安全级达到b 1 级。 根据应用需求以及在国防预研项目基于客户服务器方式的分布式数据库 管理系统( 项目编号：1 5 4 1 ) 和华中科技大学计算机学院青年基金移动对象 的建模与查询( 项目编号：2 0 0 0 0 3 ) 的资助下，我们开展了基于d m 2 的移动数据 库关键技术研究。 6 华中科技大学博士学位论文 1 2 国内外研究概况 目前，移动计算的研究覆盖了许多研究领域，如移动硬件设备，移动通信，移 动联网技术，无线哪w 访问，移动数据库技术，无线客户服务器应用等。与数据 库技术密切相关的研究是移动数据库技术。 从应用的角度来看，国外数据库公司o r a c l e ，s y b a s e 和i n f o r m i x 也各自推出 相应的移动计算产品。0 r a c l e 公司的m o b i l ea g e n t “可以支持移动计算机访问 数据库。通过引入m 0 b i l ea g e n t 将传统的客户服务器结构扩展到移动计算环境， 形成了客户a g e n t 服务器的三层结构。移动客户机与服务器之间的通讯全部交给 a g e n t 完成，a g e n t 位于固定网络中，可以与服务器位于同一台主机上。 与o r a c l e 的m o b i l ea g e n t 类似，i n f o r m i x 公司的i m o b i l e 也是基于一种三 层的体系结构“”，采用了基于消息的移动中间件( m i d d l e w a r e ) 方式，它负责建 立各种有线或无线数据传输通道。在i n f o r m i x 公司的移动计算体系结构中采用了 动态数据压缩技术，存储一转发式消息传送技术等。 与0 r a c l e 和i n f o r m i x 不同的是，s y b a s e 采用数据复制技术来支持移动计算， 推出了s y b a s es q la n y l v h e r e 和s q lr e m o t e 两种产品”。 以上这些产品对移动计算环境的支持能力相当有限。o r a c l e 和i n f o r m i x 公司 的产品都是侧重于解决客户机与数据服务器之间因为无线网络的低带宽、高延迟 和易中断等特点而带来的网络连接问题，借助扩展传统的客户服务器结构来提高 无线网络的利用率，而对移动客户机的缓存及断接操作，数据复制，客户机的移 动性等方面都没有加以考虑。s y b a s e 公司则是通过扩展其复制服务器 ( r e p l i c a t i o ns e r v e r ) 来支持移动计算，但并没有真正解决客户机的移动性( 需 要访问不同的服务器) 问题。 从研究的角度来看，移动数据库技术是国际数据库界的一个重要研究方向，有 大量学者投入到这一新兴研究领域。 在国内，长沙国防科技大学周兴铭院士主持的研究组对这方向作了大量的工作 “”。中国人民大学王珊教授，东北大学张霞教授等在嵌入式移动数据库系统方面 华中科技大学博士学位论文 的工作也具有代表性。在国外，美国r u t g e r ，p u r o u e 大学，m a r y l a n d 大学，m i t l 实验室，i l l i n o i s 大学对移动计算环境中数据管理技术的研究具有代表性。这些 工作可以归纳为几个方面：移动查询技术，数据复制缓存技术，数据广播，移动 事务处理和移动a g e n t 技术等。 1 2 一移动数据库体系结构 目前，移动数据库系统多采用客户代理服务器三层体系结构。这方面的研究 通常与移动代理( m o b i l ea g e n t ) 技术相关。所谓移动代理实质是具有跨平台持 续运行能力、自我更新能力、模拟人类行为关系，并能够提供一定人类智能服务 的程序恤1 ；移动a g e n t 的思想是让a g e n t 在网络中移动到其他结点上代理执行以 完成某些功能，它是分布式计算和人工智能技术相结合的产物。0 r a c l e 、s y b a s e 和i n f o r m i x 等数据库公司将移动a g e n t 技术应用到数据库系统中形成了其适应移 动计算环境的数据库产品。在体系结构上有代表性的研究有，p i t o u r ae 等人提 出的基于a g e n t 的移动数据库模型。周兴铭教授等提出的移动数据库系统的三 级复制体系结构“”。张霞和王珊教授等都分别研究的基于同步服务器的嵌入式移 动数据库系统“。m a r y l a n d 大学对支持移动性、可动态扩展的分布式d b m s 进行 了研究，提出了一种基于j a v a 虚拟机的分布式d b 惦体系结构。”。p r a v i nb h a g w a t 提出了一个在i n t e m e t 环境下支持移动计算机的集成框架阱1 。 1 2 2 移动数据库系统的关键技术 为了实现移动数据库系统必须解决移动计算环境中断接性、移动性、通讯的不 对称性等因素对数据库系统的影响。下面将分别介绍移动数据库系统主要关键技 术的研究状况。 l 移动事务处理 通常，将移动客户机上发出的事务叫移动事务，它属于分布事务。该事务一部 分在客户机上完成，一部分在服务器上完成。m h d u n h a m 研究了移动性对移动事 华中科技大学博士学位论文 务的影响。”，还提出了适用于各种类型事务的m c 协议和针对位置相关性的m l c 协 议。“。目前对移动事务提交协议的研究都是对传统的2 p c 协议进行扩展“7 2 ”。主 要的移动事务模型有： ( 1 ) l ( t 模型( k a n g a r o o t r a n s a c t i o n )