（计算机软件与理论专业论文）移动事务处理技术研究与应用.pdf

摘要 摘要 近年来，随着计算机网络技术、无线通信技术以及半导体技术地发 展，各种移动计算机，如笔记本电脑、个人数字助理( p d a ) 等得到了 广泛地应用，极大的方便了人们的工作和学习。移动计算机的广泛应 用和计算机技术的进步使人们在任何时间、任何地点访问所需信息的 愿望成为可能，推动了移动计算技术的发展。移动计算技术与数据库 技术相结合，进一步满足了人们对移动信息访问的要求，产生了移动 数据库应用系统。移动数据库应用系统是传统分布式数据库系统的扩 展和延伸，具有完全不同于分布式数据库系统的特征，因而，移动数 据库应用系统的事务处理也不完全等同于传统意义上事务处理，必须 采用不同的技术和策略。研究移动事务处理技术和策略，对提高移动 数据库应用系统的可靠性、可用性等方面具有重要意义。本文从移动 数据处理的应用需求出发，分析了移动数据库系统实现的物质基础以 及移动数据库系统的特征，介绍了移动数据库应用环境的关键技术。 在此基础上，重点分析了移动事务处理的特征，提出了动态移动事务 处理模型，介绍了该模型所采用的事务处理技术和协议。最后，分析 了移动事务处理系统的典型应用领域，介绍了现有的商业移动数据库 系统以及移动事务处理系统的设计等相关问题。 关键字：移动数据库移动计算移动事务移动断接同步 !望垫皇墨竺堡垫查塑壅量盟塑 a b s t r a c t 1 nr e c e n t y e a r s ，w i t hc o m p u t e r n e t w o r kt e c h n i q u e ，w i r e l e s s o m m u n i c a t i o n t e c h n i a u e a n ds e m i c o n d u c t o r t e c h n i q u ed e v e l o p i n g ，e v e r y k i n do fm o b i l e c 。m p u t e r s u c ha sn o t e b o o kc o m p u t e r ，p e r s o n a ld i g i t a la s s i s t a n t ( p d a ) e t c ，w e r eu s e d e x t e n s i v e l y a n dc r e a t e dm u c hm o r ec o n v e n i e n c e f o r p e o p l e i n w o r k i n g a n d s t u d y i n g t h ee x t e n s i v ea p p l i c a t i o n so f m o b i l ec o m p u t e ra n d p r o g r e s s e so fc o m p u t e r t e c h n i q u e m a k ei tp o s s i b l ef o rt h ep e o p l et oa c c e s sm u c hn e e d i n gi n f o r m a t i o na tm a y t i m ea n da ta n yl o c a t i o n ，d r i v et h ed e v e l o p m e n to f m o b i l ec o m p u t i n g ，t h ec o m b i n a t i o n b e t w e e nm o b i l ec o m p u t i n g a n dd a t a b a s et e c h n i q u es a t i s f i e sf o _ r t h l yt h er e q u e s tw h i c h t h ep e p o l ea c c e s sm u c hi n f o r m a t i o n ，c r e a t e sm o b i l ed a t a b a s ea p p l i c a t i o ns y s t e m t h e m o b i l ed a t a b a s e a p p l i c a t i o ns y s t e me x p a n d s t h et r a d i t i o nd i s t r i b u t ed a t a b a s e s y s t e m ，h o l d st h et o t a l l yd i f f e r e n tc h a r a c t e r i s t i cf r o mt h ed i s t r i b u t ed a t a b a s es y s t e m a s a r e s u l t ，t h et r a n s a c t i o np r o c e s si nm o b i l e d a t a b a s ea p p l i c a t i o ns y s t e ma l s oi n c o m p l e t e l y e q u a l st ot h et r a d i t i o n a lt r a n s a c t i o np r o c e s s ，m u s ta d o p tt h ed i f f e r e n tt e c h n i q u e sa n d s t r a t e g i e st h er e s e a r c ho f m o b i l et r a n s a c t i o np r o c e s st e c h n i q u e sa n ds t r a t e g i e sh a st h e i m p o r t a n ts i g n i f i c a n c ef o ri m p r o v i n gt h er e l i a b i l i t y a n du s a b i l i t y b e g i n n i n gw i t ht h e a p p l i c a t i o nn e e do fm o b i l ed a t ap r o c e s s ，t h i sp a p e ra n a l y z e st h e m a t e r i a lf o u n d a t i o n r e a l i z i n gm o b i l ed a t a b a s ea p p l i c a t i o na n d t h ec h a r a c t e r i s t i co f m o b i l ed a t a b a s es y s t e m ， i n t r o d u c e st h ek e yt e c h n i q u ei nm o b i l ed a t a b a s ea p p l i c a t i o ns y s t e ma n dt h e n ，t h e c h a r a c t e r i s t i c so fm o b i l et r a n s a c t i o np r o c e s s i n g i sa n a l y z e dm a i n l y ，a n dt h ed y n a m i c a l m o b i l et r a n s a c t i o n p r o c e s s i n g m o d e li s p u tf o r w a r d ，t h e t r a n s a c t i o n p r o c e s s i n g t e c h n i q u ea n dp r o t o c o lu s e di nt h i sm o d e la r ei n t r o d u c e d a tl a s t ，t h et y p i c a la p p l i c a t i o n r e a l mo ft h em o b i l et r a n s a c t i o np r o c e s s i n gs y s t e mi sa n a l y z e d ，a n dt h ec u r r e n tb u s i n e s s m o b i l ed a t a b a s es y s t e ma r ei n t r o d u c e d ，a n dt h er e l a t e dp r o b l e mi nd e s i g n i n gt h em o b l e t r a n s a c t i o np r o c e s s i n gs y s t e ma l s oa r ed i s c u s s e d k e yw o r d ：m o b i l ed a t a b a s e ； m o b i l ec o m p u t i n g ；m o b i l et r a n s a c t i o n ；m o b i l e d i s c o n n e c t i n g ；s y n c h r o n o u s 创新性声明 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。与我一闹工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已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，本人承担切相关责任。 本人签名：堡包童起日期! 乏：尘：2 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。本人保旺毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 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。( 保密的论 文在解密后遵守此规定) 本学位沦文属e 保警在一年解密后适用本授权书。 本人签名：塑 丌期d 于，。， 导师签名 摊 f 期峙口l 第漳绪论 1 第一章绪论 近年来，随着计算机技术和半导体技术的发展，各种移动计算机的处理能力 越来越强，应用也越来越广泛。移动计算机的广泛应用以及无线通信技术的发展 使一种新的计算范型移动计算逐渐走入了我们的生活，使我们随时随地访问 所需数据的愿望成为了现实，极大的方便我们的生活、工作、学习和商务活动， 提高了工作效率，节约了成本。移动计算技术被认为是未来最有影响的四大技术 之一( 其他为：网络基础设施、电子商务和软件重用) ，是一种新型的计算技术， 它使移动计算机在没有与固定物理设备相连的情况下能够传输数据，为用户提供 准确、即时的数据服务。为了实现这一目标，移动数据库的应用是关键。移动数 据库技术是移动计算环境应用开发的核心部件，有着广泛的应用前景。移动数据 库的发展将对人们使用信息的模式、概念、方式和方法带来全新的变革，对经济、 文化、教育和军事领域产生巨大的影响。因此，移动数据库的应用和研究引起了 国内外研究人员和数据库厂商的广泛的关注。国外有许多大学和研究机构投入了 大量的人力和物力进行这方面盼研究，并取得了一定的研究成果，开发出了相应 的移动数据库系统。国外一些著名的数据库厂商也推出了他们的移动数据库产品， 以满足不断增长的移动用户的需要。移动计算技术和移动数据库系统的应用必将 改变人们传统的数据访问模式，克服了传统数据处理造成的延迟和数据混乱，就 像移动电话改变人们通话方式一样，移动计算和移动数据库的应用也将揭开人类 信息访问的新纪元，有着广泛的应用前景。而在移动计算环境下，人们需要通过 移动事务来实现自己的访问请求，因而移动数据库系统必须提供事务处理能力。 但是，由于移动计算环境的限制，移动事务处理不完全等同于传统数据库系统的 事务，有着自己的特征和要求，如果不采取相应的技术来解决移动事务处理中存 在的问题，移动数据库系统的应用将受到影响，因此，研究移动事务处理技术， 提高移动数据库系统的可用性和可靠性，提高移动数据库系统的效率，有着重要 的意义。本研究结合国内外的研究现状对这一问题作研究。 1 1 本课题的研究目的和意义 移动数据库系统是传统分布式数据库系统的扩展，综合了分布式技术、数据 库技术和无线通信技术等多门学科，能够支持移动用户数据访问要求，冈此，移 动数掘库系统与传统的分布式数据库既有相似的特征，又有定的区别，拥有自 己独特的特点，如移动性、频繁的断接性、网络环境的易变性等。移动数据库系 统的这些特点决定移动数据的处理必须改进现有分布式数据处理技术，采用不同 的方式来适应移动计算环境的要求。在数据库系统中，事务处理是系统的一个基 本功能，主要用于支持多个用户的并发访问，维护数据的一致性，使用，可以叮 ： 一 堑塾童箜竺堡丝查笪签兰壁型 j一 靠地查询和更新数据朦。般来说，用户对数据库系统的访问都是通过事务来完 成的。事务是数据库处珊的逻辑单元，它是由一个或多个对数据库存取的操作组 成，事务必须完整的执行，以保证其正确性。传统事务处理必须满足四个准则， 即原子 生、一致性、隔离性和永久性，简称a c i d 特性。然而，在移动数据库计 算环境中，由于移动计算环境诸如客户机的移动性、频繁的断接性等特征的限制， 传统的事务处理技术不能有效的工作在移动数据库应用系统中，必须对现有的事 务处理技术加以改进或重新设计，满足移动数据库应用环境的要求，方便用户的 使用。 为了解决移动事务处理存在的问题，必须了解移动事务的特征，为此，我们 详细地分析了移动事务处理的特征，以及移动事务处理中存在的问题，提出移动 事务处理的设计要求以及移动事务处理系统必须满足的基本要求，并对几个典型 的移动事务处理模型进行了分析和比较，然后，结合其他移动事务处理模型的优 点，提出了动态移动事务处理模型，分析了移动事务处理的关键技术，提出了相 应的事务处理协议，并对移动计算的应用领域和应用前景作了简单的介绍，探讨 实现移动数据库系统的相关技术，提出了一个通用的移动事务处理系统的框架结 构。在移动应用环境中，移动事务处理技术是促进移动计算和移动数据库技术真 正走入实际应用的关键技术，因为，在现时生活中，用户的许多应用都是通过移 动事务来完成的。在研究中，根据移动数据库环境的特点，我们探讨了移动事务 处理的关键技术的研究与应用领域，对移动数据库技术的应用作了深入的探讨， 为促进移动数据库技术的研究做铺垫。 1 2 国内外的研究概况 移动数据库技术的出现时间虽然不长，但由于其有着诱人的应用前景，吸引 大量的研究人员的注意。最近几年来，移动数据库的研究取得了很大的进展，人 们对于移动计算和移动数据库的关注与日俱增。d h a w a n ( 1 9 9 7 ) 对移动计算技术 作了详细的研究。h o l t z m a n 和g o o d m a n ( 1 9 9 3 ) 讨论了无线网络技术及其发展前 景。i m i e l i n s k i 和b a d r i n a t h ( 1 9 9 4 ) 讨论了数据库问题。d u n _ h a m 和h e l a l ( 1 9 9 5 ) 探讨 了查询处理、数据分布、移动数据库的事务管理。f o r e m a n 和z a h o r j a n 讨论了移 动计算的性能问题，并提出了未来信息系统应用的可行解决方案。p i t o u r a 和 s a m a r a s ( 1 9 9 8 ) 探讨了移动数据库存在的问题及解决方案。c h i n t a l a p a l i 等人( 1 9 9 7 ) 提出了一个自适应的地址管理算法，b e r t i n o 等人( 1 9 9 8 ) 讨论了移动数据中容错 及恢复的方法。对于移动事务的研究，人们针对移动数据库应用环境的特点，作 出了某些暇设，提出了许多移动事务处理模型，如k a n g a r o o 模型、m u t i d a t a b a s e 事务模型、c l u s t e r i n g 模型、p r o - m o t i o n 事务模型、t o g g l e 事务模型、r e p o r t i n g a n d c o t r a n s a c t i o n 模型、基于语义的事务模型、预写事务模型等。在这些模型中， 有许多模型放松了对事务a c i d 特性的要求，针对移动数据库环境存在的问题， 第一章绪沦 提mj 评价移动事务正确性的新标准。 “j i 移动数据库具有厂阔的应用前景，有着巨大的市场需求。为r 适应移动 数据怍的应用需求，各数据库厂商纷纷介入移动数据库市场。国外一砦知名数据 库厂商，如o r a c l e ( o r a c l el i t e ) 、s y b a s e ( a d a p t i v es e r v e ra n y w h e r e ) 、i n f o r m i x ( c l o u d s c a p e ) 、i b m ( d b 2e v e r y p l a c e ) 和m i c r o s o f t ( s q l s e r v e r7 o ) 等都有自己极 富特色的移动数据库产品；国内的一些研究机构也积极开展了此方面的研究工作 并推出了自己的产品，如东北大学软件中心的o p e n b a s em i n i 和人大金仓公司的 小金灵系统。 1 3 论文的组织结构 本课题主要是研究移动事务处理技术与应用的相关问题，为了保证文章的完 整性和连续性，我们也对一些概念作了介绍。本课题研究内容及安排如下： 第一章移动数据库概论从移动数据库系统应用背景出发，探讨了移动数据库 的概念，指出了移动数据库系统的特征及其存在的问题，在此基础上，介绍了移 动数据库系统典型的体系结构，说明了移动数据库与传统意义上的分布式数据库 的关系，移动数据库系统研究的目标和意义，最后，介绍了移动数据库的分类， 为移动数据库技术的进一步研究打下基础 第二章移动数据库的关键技术介绍了当前人们进行移动数据库研究时需要 解决的关键技术及相应研究成果，如数据复制和缓存技术、数据广播技术、位置 管理、查询处理及优化、移动事务处理、移动a g e n t 技术、数据恢复和容错技 术、移动数据库接口技术及移动数据库设计问题等。 第三章移动事务处理技术研究介绍移动事务的概念和特征，分析了移动事 务处理中存在的问题，提出了一个理想的移动数据库系统的事务处理要求，介绍 相关的移动事务处理模型，最后，提出了结合移动事务的特征，提出了动态移动 事务处理模型，并介绍其中的关键技术和相应的协议。 第四章移动数据库的应用介绍了移动数据库的一些典型应用领域，分析了移 动计算技术和移动数据库技术在我国的应用前景，最后对国内外已经出现的移动 数据库系统作简单介绍和比较。 第五章移动事务处理系统的设计分析和探讨了移动事务处理系统设计的相关 技术，提出了一个通用的移动数据库系统的框架结构，探讨了实现移动事务处理 的相关技术。 最后，我们对全文作了简单的总结，并对移动数据库的研究做了展望。 !整垫童墨些堡垫查望塞兰翌望 第二章移动数据库概论 近年来，随着无线通讯技术和计算机网络技术的发展，使人们在任何时间、 任何地点访问所需数据的愿望成为现实，移动数据库技术是实现这一愿望的基础。 移动数据库( m o b i l ed a t a b a s e ) 技术是通信技术、分布式技术和计算机网络技术相 结合的产物。在现代社会里，移动数据库技术的研究具有广泛的理论和现实意义。 2 1 移动数据库的应用背景 2 0 世纪9 0 年代以来，随着半导体技术的发展，越来越多的用户拥有了各种便 携式的数字设备，如个人数字助理p a d 、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 m p u t e r ) 。而且，随着计算机技术的迸一步发展，这些便携式的移 动计算机的数据处理能力、存贮能力等性能指标正以每1 8 个月翻一翻的速度提高， 已有能力管理“超大规模”的数据库，支持一些复杂的数据管理任务。 另一方面，目前我们已经进入了以计算机网络为中心的时代，人们迫切需要 能在任何时间、任何地点访问任何所需数据，而正在飞速发展并逐渐成熟的无线 通信与联网技术为之提供了手段。可以预见，未来的绝大部分移动计算机都将配 备以无线为主的联网设备，以支持移动用户访问网络中数据的需要。这将是一种 更灵活、更复杂的分布式计算环境，人们称之为移动计算( m o b i l ec o m p u t i n g ) 。 移动计算环境是计算技术和无线通信技术相结合的产物。在这种环境下，各种移 动计算机无需固定地连接在某一网络中，而是可以根据用户的要求随时随地的与 固定网络或其他移动计算机相连，使人们随时随地访问信息的愿望成为可能。 移动计算模式代表了计算机网络和分布式技术发展的必然趋势。著名的国际 i t 市场研究机构m e t a g r o u p 和g a r t n e r g r o u p 等研究报告表明，在未来1 0 年内， 8 0 以上的商业用户将采用远程或移动解决方案，全球将有数亿职员摆脱传统的封 闭式的办公环境，使用一种开放的、移动办公方式。这些移动应用的核心是信息 的管理，而信息管理的核心技术是数据库技术，因此，为了提高移动计算技术的 广泛应用，人们对现有的数据库处理技术加以改进，促进了移动计算技术与数据 库技术的融合，创造了一个全新的应用领域移动数据库系统( m o b i l e d a t a b a s es y s t e m ) 。移动数据库正是在用户需求的推动下发展起来的，移动通信技 术是移动数据库发展的物质基础。 2 2 移动通信技术的发展 近年来飞速发展的移动通信技术为移动数据库的应用和发展提供了技术支 撑，特别是无线网络技术。目前已经投入使用的无线网络技术主要有以下几种： 1 ，模拟蜂窝系统 模拟蜂窝系统是早期的移动通话系统，它的覆盖区域划分为多各小区( 蜂窝) ， 第二：章移动数据厍概论 5 一一一 通过模拟调频信号传递话音，每个小区之间可以复制调频信道。c d p d ( c e l l u l a r d i g i t a 】p a c k c td a t a ) 是一种利用模拟蜂窝通信系统话音传输数据的技术，它所支持 的最大数据传输率为1 9 2 k b p s 2 数字蜂窝系统 数字蜂窝系统被称为第二代蜂窝系统，它采用了数字编码技术，具有很高的 鲁棒性和智能，可以灵活的与有线数字网集成，降低了r f 发射功率，可以对私有 数据加密，降低系统复杂度，支持更大的用户量。 3 无线局域网 无线局域网是采用c s m a c d 和c s m a c a 协议的无线网络，它的传输率可 达到2 - - 1 0 m b p s 4 红外技术 红外技术是利用红外线来传输数据，带宽较高( 可达到1 6 m b p s ) ，不需要分 配无线电频谱，不易受电子干扰，但传输距离有限，易受环境干扰。 5 卫星网络 移动卫星服务允许全球覆盖。在这些系统中，卫星起着移动通信基站的作用， 支持用户在地球的任意角落进行通信。 总之，由于移动通信技术的飞速发展和广泛的应用，促进了移动数据库技术 的产生和发展，移动通信与连网技术的进步是移动数据库环境得以产生和发展的 基础。 2 3 移动数据库的概念 无线通讯技术的飞速发展，移动计算机能力的提高，促进了移动数据库技术 的发展，改变了人们的生活和工作模式，也给移动数据库的设计人员提出了新挑 战。对于移动数据库，人们从不同的角度对其做出了描述，其中较为典型的有： ( 1 ) 移动数据库是一种断接数据库。移动计算机可以与固定网络保持连接， 也可以不与固定网络相连。在与固定网络断接前，移动计算机从固定网络复制数 据，并在本地完成数据操作。当重新与固定网络连接时，移动计算机向固定网络 传递数据，实现数据同步更新，移动计算机之间没有通信交流。这种类型的数据 库与普通的数据存取访问方式相同。 ( 2 ) 移动数据库是一种可变的数据库。移动计算机之间通过电缆连接，或者 彼此断开。它们从其他移动计算机上复制数据，在本地完成数据操作，重新连接 实现数据同步更新。 ( 3 ) 移动数据库是一组广播磁盘，固定网络上广播服务器定期向本地的移 动用户广播热点数据。 以上醴法，从不同的侧面反映了移动数据库的特点，但不全面。在这p ， 我们把移动数据库定义为：移动数据库是支持移动计算的分布式数据库，其数据 移动事务处理技术研究与应用 在地理上( 或物理上) 分散而存逻辑f ：集中。它是分佃式数据库、断接数据库、 町变数据库及广播磁盘的联合体，分布式数据库是移动数据库的基础，其他的数 据库主要是为移动用户服务。通俗的讲，移动数据库包括以下两层含义：( 1 ) 人 在移动是可以存取后台数据库或其副本。( 2 ) 人可以带着后台数据库的副本移动。 2 ，4 移动数据库的特点 前面我们已经说过，移动数据库是支持移动计算环境的分布式数据库，是一 种动态的数据库，是对分布式数据库的继承和发展。在数据库系统的研究历史中， 传统的分布式计算和分布式数据库的研究都是基于有线网络和固定主机的，各个 计算结点之间都是通过固定网络连接的，并始终保持网络的持续连接性，而移动 数据库是由移动主机通过无线通讯介质与高速固定网络相连，是由固定结点和移 动结点构成的分布计算系统，它将使用户不再需要停留在固定位置不变，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 点或其它移动结点的连接，也可以根据自己的意愿随时断开与固定网络的连接。 这决定了移动数据库与传统分布式数据库具有显著不同的特征。与传统的分布式 数据库系统相比，移动数据库系统具有如下特点： ( 1 ) 移动性与位置相关性。m d b ( m o b i l ed a t a b a s e ) 可以在无线通讯单元及 单元之间自由移动，而且在移动的同时仍然可能保持通讯连接：此外应用程序及 数据查询可能是位置有关的，如用户需要了解沿其前进方向半径为1 kt i 】的地区的 天气和交通情况在不同地点、时间的查询结果是不同的，这就导致系统访问布局、 资源的变化。因此要求移动数据库能支持移动性，解决过区切换问题，并实现位 置相关的处理。 ( 2 ) 频繁的断接性。一般移动计算机与网络不是长时间连接，而是频繁、有 预见的入网和断接。m d b 与固定网络之间就会经常处于主动或被动的断接状态，这 要求移动数据库系统中的事务在断接情况下仍然继续运行，或者进入休眠状态， 不会因网络断接而撤消。 ( 3 ) 网络条件的多样性。在整个移动计算空间中，不同的时间和地点连网条 件相差十分悬殊，n i l ：l 移动数据库系统应能提供充分的灵活性和适应性，提供多 种系统运行方式和资源优化方式，以适应网络条件的变化。 ( 4 ) 系统规模庞大。在移动计算环境下，用户规模比常规网络环境庞大得多 采用普通的处理方法将导致移动数据库系统的效率极为低下。 ( 5 ) 系统安全性及可靠性较差。因移动计算平台可以远程访问系统资源带来 新的不安全因素，且移动主机的遗失、失窃等现象也容易发生，从而移动数据库 系统应该提供比普通数据库系统更强大的安全机制。 ( 6 ) 资源的有限性。移动设备的电源通常只能维持几个小h , j ，i j = l k l - 移动设备 还受通讯带宽、存储容量、处理能力的限制。移动数据库系统必须充分考虑这些 第一章移动数据库概论 限制，在鹰询优化、事务处理、存储管i 里等环节应提高资源的利用率。 ( 7 ) 刚络通讯的非对称性。由于物理通信媒介的限制，般无线嘲络通信都 是非对称性的，表现在固定服务器节点可以拥有强大的发射设备，而移动计算机 的发送能力有限，于是上行链路的通讯代价与下行链路有很大差别，这要求移动 数据库的实现中充分考虑到这种差异，采用合适的方式( 如数据广播) 传递数据。 2 5 移动数据库系统体系结构 移动数据库系统是支持移动计算环境的动态分布式数据库系统，这种系统是一 种更加复杂的分布式计算系统，它是数据库技术、分布式技术和无线通讯技术等 多种技术的结合，具有自己独特的特征，这些特征使传统的数据库技术不能很好 的适应移动计算环境的需要，为移动用户及时、准确的提供信息服务，必须对之 加以改造和扩充，一种典型的移动数据库模型如图2 1 所示。 m c m c 蠹稚 j 芷：r nc m s ，i s v r u 【) 8 l d b 一话压磊磊f 型：竺! 竺 住寿i an l d b 曼篓鲁光)燕拽单纯 田毳手鬻 毪受至 一11 = 坚望i 蒡p 1 2 m h ，文 ，嘣c ，罐啦崩域踟 m o h i l e c t l e j n 旺移动窑，、机 m i q b i l t - s u p l i p m ms r _ * i o n 室持嵇j 自 十9 嗥= 的围崔站 点艇宿置缝通信接口1 s e e “固定主执，管理水地数据库 l o e q i d f n n l m 8 e ( 本地数姑库 图2 l 移动数据厍体系结构 在移动数据库环境中，系统主要由三类节点组成：移动客户机m c ( m o b i l e c l i e n t ) 、固定主机服务器s v r ( s e r v e r ) 和移动支持站m s s ( m o b i l es u p p o r ts t a t i o n 、。 固定主机服务器s v r 般为固定结点，每个服务器维护一个本地数据库，服 务器之间由可靠的高速互联网络连接在一起，构成个传统意义上的分布式数据 库系统：服务器可以处理客户的联机请求，并可以保持所有请求的。 移动支持纬点m s s 也位于高速网络中，并具有无线联网能力，它们用于支持 一个无线网络单元( c e l l ) ，该单元内的移动客户机既可以通过无线链路与一个 m s s 通信，从而与整个固定网络连通，也可以接收由s v r 发送的广播信息，服务器 与m s s 可以是同一。台机器。 移动客户机m c 的处理能力与存储能力相对于服务器来说非常有限，且具有移 动性( 即可以出现在任意个无线单元中) ，经常与服务器断接( 指m c 无法与服 务器联机通信) ： 即使在与服务器保持连接时，由于m c 所处的网络环境多变， m c 与服务器之间的网络带宽相差很大，且可靠性较低、网络延迟较大 !望垫至箜竺堡垫查婴茎兰些旦 显然，我们可以把移动数据库系统看作分布式数据库系统的延伸和扩展。一 个移动数据库应用环境是一个动态的分佑式计算环境，在这个动态的环境中，网 络结点之间的连接是动态变化的，而这些动态变化的连接是指移动数据库环境中 的移动结点与固定结点之间的连接。 2 6 移动数据库与分布式数据库的关系 移动数据库是分布式数据库的延伸和推广，具有分布式数据库的某些特征， 即物理分布性、逻辑整体性和站点自治性等。因此，人们认为，传统分布式数据 库的许多研究成果可以直接应用到移动数据库系统，但实际上并不是如此，许多 在分布式数据库中的先进技术并不能在移动数据库系统中取得理想的效果，甚至 可能引起性能的急剧下降，这主要是因为，虽然移动数据库系统与分布式数据库 系统在某些方面具有相似之处，但也有明显的差别。表2 1 列举了移动数据库与 传统分布式数据库之间的些主要差别。 表2 1 移动数据库与分布式数据库的主要差别 数据管理技术移动数据库与分布式数据库的差别 1 、可能是位置相关的 应用程序 2 、需要适应可变的系统环境 l 、能够支持事务的过区切换( h a n d o f f ) 事务处理 2 、能够描述移动性的新模型 1 、频繁的网络分割 2 、移动计算机的断接操作不能被认为是系统故障 故障恢复 3 、移动性要求更多的日志记录 4 、在过区切换时从短暂断接中恢复技术 1 、不同程度的一致性约束 数据复制 2 、缓存刷新必须采用新技术 1 、位置相关性 2 、不同的代价因素( 如网络带宽、花费、电源消耗等) 查询处理 3 、查询结果可能返回到不同的位置 4 、需要可适应技术( 网络条件的变化) 5 、特殊查询方式：数据广播( 网络的非对称性) 名字解析移动性和断接性要求采用新型的全局命名策略( 如移动 计算机的地址，可以移动服务器上的数据库的命名等) 因此，人们必须对传统的分布式数据库系统技术加以改进，或者研究新的技 第二章移动数据库概论9 术，从而更好的支持移动计算环境，为人们提供及时、准确的数据访问，提高人 们随时、随地访问数据的效率，推进移动数据库的更加深入的应用和发展。 2 7 移动数据库的研究目标j 意义 个理想的移动数据库系统要做到有效地支持移动计算环境中的各种数据应 用，满足人们能在任意地点、任意时刻访问任意数据的需求，实现如下四个目标： ( 1 ) 可用性与可伸缩性( s c a h b i l i t y ) ：在保证系统稳定性的同时，提供高 可用性和可伸缩性，并且移动客户数不受限制，能满足大规模移动用户的同时接 入 ( 2 ) 移动性( m o b i l i t y ) ：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 ) 可串性( s e r i a l i z a b i l i t y ) ：支持满足可串性的并发事务执行 ( 4 ) 收敛性( c o n v e r g e n c e ) ：使系统总能收敛于一致状态，从而避免出现 混乱。 图2 2 移动数据库系统分类 2 8 移动数据库的分类 移动数据库系统可以看作是分布式数据库系统的扩展。o s z u 和v a l d u r i e z 按照 自治性、分布性和异构性，对分布式数据库进行了分类。d u n h a m 等人对上述分类 进行了扩展，提出了移动数据库的概念。一个移动数据库系统必然包含固定网络 部分和移动单元，其中固定网络可能构成传统的分布式系统，因此他们在分布性 坐标轴上增加了一个特殊点表示移动性，如图2 2 所示，进而认为移动数据库在一 般意义上属于异构多数据库系统的范畴，但是也可以简单构建在分布式数据库上。 2 9 总结 本章从移动数据库系统应用背景出发，探讨了移动数据库的概念，指出了移 动数据库系统的特征及其存在的问题，介绍了移动数据库系统典型的体系结构， 说明了移动数据库与传统意义上的分布式数据库的关系，移动数据库系统研究目 标和意义，介绍了移动数据库的分类，为移动数据库的研究打下基础。 ! ! 堡垫皇堑竺堡垫查婴堑兰翌型 一一 第三章移动数据库的关键技术 移动数据库技术是分式计算技术、无线通信技术和数据库技术等多门学科的 综合，它涉及当今通信和计算机技术发展的最新成果。如何根据移动数据库的特 征，改进现有技术以解决移动计算中存在的问题。实现移动数据的有效管理，保 证系统有效地、准确地为移动用户提供即时的数据服务，是移动数据库系统所要 解决的关键技术。移动数据管理可以分为全局数据管理和局部数据管理。全局数 据管理主要处理网络层的问题，具体包括：定位、寻址、复制和广播等。局部数 据管理涉及用户层的问题，具体包括能效的数据访问、断接管理和查询处理等。 目前，国内外的学者和专家对移动数据库环境下的数据管理问题进行了广泛 的研究和探讨，取得了相当多有价值的理论成果。根据国内外一些研究机构的研 究表明，当前移动数据库环境下数据管理研究主要集中在以下几个方面： 3 1 数据复制和缓存技术 数据复制( d a t a r e p l i c a t i o n ) 的主要目的是提高移动数据库系统的可用性、 可靠性以及访问性能。传统的复制技术主要考虑在服务器之间的数据复制，并且 假设服务器之间经常保持连接的。此外，传统的复制策略都是静态的，即由系统 管理员统一安排复制布局后就固定不变了，如果系统用户访问范型发生较大变化 而要求改变这种布局时，必须要管理员重新配置分布系统。 缓存( c a c h e ) 技术是通过在客户机上缓存数据服务器上的部分数据，减少客 户访问数据库服务器的频率，从而提高系统的性能。这项技术被广泛地应用到分 布式数据库系统。但是，分布式的缓存技术要求客户机保持与服务器的连接，以 保证缓存数据的一致性，而在移动数据库系统，用户经常处于断接状态，客户机 卜缓存的数据就有可能处于不一致的状态，因此，传统的缓存技术不能很好的适 用于移动数据库系统。 目前，针对移动计算的特点，人们已开始对复制和缓存技术展开了研究。其 中具有代表性的研究成果有j g r a y 的两级复制机制、c o d o 系统支持客户断接操作 的缓存技术、缓存失效报告广播技术等。 3 11 两级复制机制 在分析了现有数据复制技术在移动计算环境中存在的问题，针对移动客户机 频繁断接的特点，j g r a y 提出了种两级复制机制。两级复制机制以主拷贝更新复 制协议为基础。它假设移动数据库系统由两类接点组成：一类是基结点，它们连 接在固定网络中，每个结点都维护数据库的一个复制( 即第一级复制) ，并且是大 部分数据对象的主结点：另一类是移动结点，它们有时通过无线网络与基结点联 接，有州处于断接状态，它们也有数据库的复制( 即第二级复制) ，- j 以在断接时 第三章移动数据库的关键技术 11 提交暂态事务( t e n t a t i v et r a n s a c t i o n ) 。 个移动结，t 氯也可以是部分数据对象的主结 ： 。 移动结点的每个复制数据对象都维护两个版本： ( 1 ) 主版本：从对象主结点得到的最新值。 ( 2 ) 暂态版本：由本地暂态事务更新的对象值。 类似的，事务也分为两类： ( 1 ) 基事务：基事务只在对象的主结点上执行，并更新对象的主拷贝。 它们 运行时可以涉及多个基结点，但虽多只能访问一个联机的移动结点。 ( 2 ) 暂态事务：暂态事务对本地暂态数据操作，产生新的暂态版本。以后它 将产生一个基事务，以更新主拷贝值，使暂态版本永久化。 当移动结点处于联机状态时，两级复制机制类似与主拷贝复制更新协议，但 是附加了一个限制条件：任何事务不能同时访问主结点多于一个移动结点的数据 对象；当移动结点处于断接状态时，两级复制机制允许用户继续使用移动结点上 的数据库复制。该结点在断接状态继续工作，生成若干暂态事务，这些暂态事务 将更新结果记录在移动结点的暂态版本中。如果该移动结点需要访问这些数据对 象，它所看到的实际上都是暂态版本，也就是说，暂态事务生成的暂态结果对移 动结点都是可见的。 当移动结点结束断接状态，重新与基结点相联时，移动结点将： 1 ) 丢弃基数据对象的暂态版本，从主结点得到更新值； 2 ) 将主结点为自己所有数据对象的更新值传递给相联的基结点，由该基结点 继续传播给其他基结点： 3 ) 将所有暂态事务及其输入参数传送给基结点，由该基结点按照暂态事务在 移动结点上提交顺序依次执行对应的基事务； 4 ) 从基结点接收所有主结点不是自己的数据对象的更新值； 5 ) 接收每个暂态事务生成的基事务是否成功提交的信息： 与该结点相联的基结点是两级复制机制中另一级。当发现一个移动结点联机 时，基结点将： 1 ) 将所有延迟未发的复制数据对象更新事务发送给移动结点； 2 ) 接收主结点是该移动结点的数据对象的更新事务序列； 3 ) 接收移动结点的暂态事务序列、它们的输入参数以及可接受准则，依次以 基事务的形式重做每个暂态事务，并将成功提交的事务结果返回给移动结点； 4 ) 基结点提交一个事务之后，将该复制更新事务传播给其他所有复制结点； 5 ) 当所有暂态事务都通过基事务重新处理之后，移动计算机的数据复制与基 结点达成致。 综上所述，两级复制机制的主要特点是： 移动事务处理技术研究与戍用 ( 1 ) 移动结点叮以做暂态数据库更新： ( 2 ) 基事务的执行服从单拷贝可串性，因此，基结点的状态是可串化执行的 结果； ( 3 ) 只有在对应的基事务完成时，一个事务的结果才会成为永久的； ( d ) 所有相联接点的复制都将收敛与基结点系统的状态。 3 1 2c o d a 系统的断接操作 c o d a 系统是美国卡耐基梅隆大学研究的一种支持移动计算的分布式系统，能够 很好地支持移动客户机与服务器断接时继续使用c o d a 文件系统。c o d a 系统只在客 户机上缓存部分对象( 目录、文件) ，而不是整个文件系统的复制。因此，如何 确定移动客户需要缓存哪些对象，以及如何保持缓存对象与服务器的同步，都是 c o d a 系统致力解决的问题。 c o d a 系统使用两种不同而又互补的机制来获得高度的可用性。第一种复制是 服务器复制，允许文件卷在多个服务器上拥有读写复制。一个卷的复制结点集合 称为它的卷存储组( v s g ) ，一个客户机当前访问的v s g 的子集称为a v s g 。为了提高 性能，客户机可以缓存部分队象，缓存管理器v e n u s 使用一种回叫( c a l l b a c k ) 机制 来保证每个文件的内容都是a v s 6 中最新的。所谓回叫机制，就是当客户机的某个 缓存对象已被服务器更新时，由服务器通知客户机该缓存对象已不再有效。 另一种机制就是断按操作，它允许客户机在断接时，即a v s g 为空集时，可以 继续访问c o d a 文件系统。此时，v e n u s 通过本地缓存来完成用户的请求，并在客户 机重新联机时将用户的更新结果回送服务器。客户机的机构如图3 1 所示，其中 v e n u s 是支持断接操作的核心部件。 应用程序v e n u s 卜_ 斗 f 系统调用接口 f iv 。口卜 卜n o d m 竺竺竺竺：1 接c o d a 服务器 到3 1c o d a 客户机图 在c o d a 文件系统中，v e n u s 具有三个工作状态，即收集( h o a r d i n g ) 、仿真 ( e m u l