（计算机应用技术专业论文）移动数据库中数据广播技术的研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 随着计算机技术、移动通讯技术和互联网技术的迅速发展，移动数据库得 到广泛的应用。公共信息发布的应用中，分布广泛的数据库系统通过广播向客 户端发布数据，客户端监听广播信道，当数据到来时，客户端读取所需的数据。 对于移动客户来说，获取最新的数据是非常重要的，访问过时的信息是毫无意 义的，因此数据广播更有利于维护数据的新鲜性和有效性。同时在无线单元内， 从服务器到移动客户的下行通信带宽一般要远大于从移动客户到服务器的上行 通信带宽，而且移动客户从服务器接受数据的开销也远小于发送开销，因此即 使是处于断接状态的移动客户也可以选择接收从服务器发送的下行广播数据。 于是，可以利用这种网络的非对称性，由数据服务器把大量的客户感兴趣的数 据组织起来，以周期性的广播形式提供给移动客户。 在数据广播中，数据记录被访问的概率各不相同，因此可以通过访问概率 建立索引树。索引树的结构决定了平均访问索引节点的数目，但是即使对于相 同的索引结构，如果采用不同的广播序列，则平均访问时间也不尽相同。要为 给定的索引结构设计最优广播序列不仅需要考虑已经存在的索引结点，还需要 考虑索引树的结构。采用索引广播的方式可以使移动设备选择性地侦听信道， 通过建立基于数据访问概率的索引树，以降低平均访问代价。 本文根据数据广播中数据记录被访问的概率不同的特点，通过对数据广播 中的索引广播技术的研究，包括已有的基于数据访问概率的索引树，同时分析 研究了具有很低数据平均预期延迟时间数据广播算法数据广播中高效通道分 配树算法，最后提出基于可变数据项的通道分配算法( v d c a ) ，从而减少数据 广播的数据平均预期延迟时间。同时降低了平均访问代价。 关键词：移动数据库；数据广播；索引广播；索引树：广播通道 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t i np a c ew i t hr a p i dd e v e l o p m e n ti nt h e c o m p u t e rt e c h n o l o g y , t h em o b i l e c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n dt h ei n t e m e tt e c h n o l o g y , t h em o b i l ed a t a b a s ei s e x t e n s i v e l ya p p l i e d i nt h ep u b l i ci n f o r m a t i o ni s s u ea p p l i c a t i o n ，t h ew i d e s p r e a d d a t a b a s es y s t e mi s s u ed a t at h r o u g ht h eb r o a d c a s tt ot h ec l i e n ts i d e t h ec l i e n ts i d e m o n i t o rt h eb r o a d c a s tc h a n n e l ，t h ec l i e n ts i d er e a d i n gt h er e q u i r e dd a t aw h e nd a t a a r r i v a l i ti sv e r yi m p o r t a n tt og a i nt h em o s tr e c e n td a t at ot h em o b i l ec l i e n t ，t h ev i s i t s o ft h eo b s o l e t ei n f o r m a t i o ni s i n s i g n i f i c a n t ，t h e r e f o r et h eb r o a d c a s t i sm o r e a d v a n t a g e o u st os e r v i c ed a t af r e s ha n dt h ev a l i d i t y m e a n w h i l ei nt h ew i r e l e s su n i t t h ed o w n s t r e a mc o m m u n i c a t i o na l w a y sf a rm o r et h a nt h eu p s t r e a mc o m m u n i c a t i o n ， m o r e o v e rt h ee x p e n s e so f t h em o b i l ec l i e n ta c c e p t sd a t af r o mt h es e r v e ra l s of a rt ob e s m a l l e rt h a nt h et r a n s m i s s i o ne x p e n s e s ，e v e ni fu n d e rt h es e p a r a t i o nc o n d i t i o n ，t h e m o b i l ec l i e n ta l s ot ob ep o s s i b l et os e l e c t i v er e c e i v et h eb r o a d c a s td a t aw h i c h t r a n s m i t sf r o mt h es e r v e r t h e r e f o r e ，m a yu s et h i sk i n do ft h ea s y m m e t r yo ft h e n e t w o r k ，t h ed a t as e r v e ro r g a n i z et h ed a t aw h i c ht h em o b i l ec l i e n ti n t e r e s t e d ，a n d s e n tt ot h em o b i l ec l i e n tb yt h ep e r i o d i cb r o a d c a s t i nt h ed a t ab r o a d c a s t ，t h ev i s i t s p r o b a b i l i t yo ft h ed a t a r e c o r di s v a r i o u s ， t h e r e f o r et h ei n d e xt r e em a yb eb u i l tt h r o u g hv i s i tp r o b a b i l i t y t 1 1 es t r u c t u r eo ft h e i n d e xt r e ed e c i d e st h ea v e r a g ei n d e xn u m b e rt ob ev i s i t e d ，b u te v e nr e g a r d i n gt h e s a m ei n d e xs t r u c t u r e ，t h ea v e r a g ev i s i tt i m ei sd i f f e r e n ti ft h eb r o a d c a s ts e q u e n c ei s d i f f e r e n t i fw ew a n tt od e s i g nt h em o s ts u p e r i o rb r o a d c a s ts e q u e n c ef o rt h ee x i s t e d i n d e xs t r u c t u r e ，w es h o u l dc o n s i d e rn o to n l yt h ee x i s t e di n d e xp o i n t ，b u ta l s ot h e s t r u c t u r eo f t h ei n d e xt r e e t h em o b i l ec l i e n tm a ys e l e c t i v e l yt oi n t e r c e p tt h ec h a n n e l b yt h ei n d e xb r o a d c a s t , t h ea v e r a g ec o s tc a nb er e d u c e dt h r o u g ht h ee s t a b l i s h m e n t b a s eo nt h ed a t aa c c e s s i n gp r o b a b i l i t yo f t h ei n d e xt r e e n l i sd i s s e r t a t i o na c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e ro f t h ed i f f e r e n tv i s i tp r o b a b i l i t yo f t h er e c o r di nt h ed a t ab r o a d c a s t ，t h r o u g ht h er e s e a r c ho ni n d e xb r o a d c a s tt e c h n o l o g y o ft h ed a t ab r o a d c a s t ，i n c l u d i n gt h ee x i s t e di n d e xt r e eb a s eo nt h ed a t aa c c e s s i n g p r o b a b i l i t y , a n di n t r o d u c et h ed a t ab r o a d c a s ta l g o r i t h mw i t hv e r yl o wd a t aa v e r a g e 哈尔滨工程大学碗j 学位论文 e x p e c t e dd e l a y e 硒c i e n tc h a n n e la l l o t a t i o l it r e ei i ld a t ab r o a d c a s t 、f i n a l l yt h e a l g o r i t h mo fv a r yd a t ac h a m a e la l l o c a t i o n ( v d c a ) i sp r o p o s e dt or e d u c et h ed a t a a v e r a g ee x p e c t e dd e l a yo f 也ed a t ab r o a d c a s t ，a n dr e d u c et h ea v e r a g ev i s i tc o s ta tt h e s a m et i m e k e y w o r d s ：m o b i l ed a t a b a s e ；d a t ab r o a d c a s t ；i n d e xb r o a d c a s t ；i n d e xt r e e ；b r o a d c a s t c h a n n e l 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。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。 作者( 签字) ： 支l 刚 日期：20 d 6 年2 月卫p 曰 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 随着网络技术的迅速发展和不断渗透，在任何时间、任何地点都能接入信 息网获取所需的信息已经成为二十一世纪人们的普遍需求，在这种需求的推动 下，也必将使其成为新世纪信息系统的显著特征。同时随着计算机技术、移动 通讯技术和互联网技术的迅速发展，移动数据库得到广泛的应用，如公共信息 发布、移动办公、位置相关查询等。 1 1 数据库相关技术发展及移动数据库 1 1 1 数据库的相关技术发展 随着数据库系统的日益普及和用户要求的不断提高，关系数据库的一些局 限，比如不利于表达复杂的数据结构、无法包容更多的数据类型等，使它已经 无法适应现代信息系统应用开发的要求。如果说过去是数据库技术的发展带动 了应用发展的话，那么今天则是应用反过来推动了数据库技术的进一步变革a ( 1 ) 面向对象数据库：面向对象是一种认识、描述事物的方法论。它起 源于程序设计语言，并迅速渗透到计算机科学的各个领域。面向对象方法以客 观世界中存在的实体对象为基本元素，通过类和继承来表达事物之间具有的共 性和关系，并采用一种比较直接的映射方式很好地实现了抽象、封装、复杂性 控制、信息隐蔽等机制。目前已有一些成功的纯面向对象数据库产品，比如c a 的j a s m i n e ，此外，许多关系数据库产品也在其新版本中加入了对于面向对象的 支持。 ( 2 ) in t e r n e t 数据库：目前几乎所有的大型数据库厂家都可提供i n t e m e t 环境下的数据库应用，甚至专门开发与i n t e m e t 无缝衔接的版本，o r a c l e 公司推 出的基于i n t e m e t 的数据库o r a e l e 9 i 就是一个非常典型的例子。 ( 3 ) 多媒体数据库：以数字化和数据压缩为基础的多媒体技术与数据库 技术的结合形成了数据库家族中的新成员，多媒体数据库的出现极大地丰富了 数据库存储和表现的内容与形式，进一步拓宽了数据库技术的应用领域。将多 媒体数据库所支持的系统应用于图书馆、博物馆等，将可以极大地提高现有的 哈尔滨工程大学硕士学位论文 服务水平。与传统的数据库相比，多媒体数据库的技术含量更高，即要求多媒 体数据库管理系统能够支持并实现系统中不同媒体的混合以及新旧媒体的互换 等，这一切对于用户来说是透明的。 ( 4 ) 移动数据库：“信息无处不在”是当今社会的一大特征。任何人能 够在任何可以上网的地方访问到后台的巨大数据库，所使用的工具仅仅是一个 小小的手持计算设备p d a ( p e r s o n a ld i g i t a la s s i s t a n t ，个人数字助理) 或者掌上 电脑( h p c ) ，而未来的负载者可能仅仅是一部移动电话，人们可以随时随地处 理业务，传递信息。移动计算的兴起引发了数据库技术的又一次突破，许多移 动数据库或是数据库的移动计算版本应运而生，比如i b md b 2 的卫星版及漫 游版可用于p a l m0 s 或w i n d o w sc e 等移动计算平台。目前的移动数据库一般 利用掌上设备，通过有线或无线通信手段下载主机数据，再由自身的数据管理 和处理系统来实现特定的应用，以适应移动办公以及特殊环境的需求。 除上述这些之外，还有联盟式数据库、分布式数据库、并行数据库、知识 库技术、模糊数据库技术、时序数据库、工程数据库技术、统计数据库技术、 图形数据库以及空间数据库技术等。信息化社会在一定意义上也就是数字化社 会，这离不开对数字的控制和处理，离不开对数据库技术和产品的依赖，同时 它也将驱动着数据库技术继续向前迈进。 1 1 2 移动数据库和分布式数据库 移动数据库是分布式数据库的推广，是分布式数据库的一种特殊形式。因 此，传统的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中。尽管 两者之间在许多方面是相同的，但是它们之间仍存在着不少关键的差别。主要 差别有：分布数据库的目标具有位置透明性，而移动数据库的目标是位置不透 明的；两者具有不同的代价、性能观等。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是不可接受的。表1 1 列举了移动数据库的 关键技术与传统分布式移动数据库之间的一些主要差别”。 表1 1 移动数据库与分布式数据库的差别 数据管理技术移动数据库与分布式数据库的差别 可能是位置相关的 应用程序 需要适应可变的系统环境 哈尔滨工程大学硕士学位论文 表1 1 移动数据库与分布式数据库的差别( 续) 数据管理技术 移动数据库与分布式数据库的差别 能够描述移动性的新模型 事务处理 事务的过区切换( 在不同服务器覆盖范围之间的移动1 频繁的网络分割 移动计算机的断接不认为是系统的故障 故障恢复 移动性可能要求更多的日志记录 在过区切换时从短暂断截中恢复的技术 不同程度的一致性约束( 弱一致性或可变一致性) 教据复制 频繁的断接使移动计算机的缓存刷新必须采用新技术 位置相关 不同的代价因素( 如网络带宽、花费、电源消耗等) 查询处理查询结果, 7 f l 返回到不同的位置( 客户机的移动性) 需要可适应新技术( 网络条件的变化) 特殊查询方式：数据广播( 网络的非对称性) 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 名字解折 机的地址、可移动服务器上数据库的命名等) 1 2 移动数据库的概念 从数据库技术的发展过程来看，计算环境和数据库技术基本保持着一种同 步发展的态势，互相影响、互相促进。移动计算的概念是对“任何时间、任何 地点的立即通讯”的扩展。在分布式计算的基础上，计算环境进一步扩展为包 含各种移动设备、具有无线通信能力的服务网络，构成了一个新的计算环境， 即移动计算环境。相应地，数据库系统先后出现了集中式数据库系统、分布式 数据库系统、b a s 多层结构的数据库系统、嵌入式数据库和移动数据库。当 然，这些系统也可以共存在同一个计算环境中。 移动数据库技术是移动计算技术和分布式数据库技术结合的产物，即支持 移动计算环境的分布式数据库技术，它涉及数据库、分布式计算以及移动通讯 等多个学科领域，已成为分布式数据库一个新的研究方向。由于移动数据库系 哈尔滨工程大学硕士学位论文 统的终端设备通常不是传统的台式计算机，而是诸如掌上电脑、p d a 、车载设 备、移动电话等嵌入式设备，因此，它又被称为嵌入式移动数据库系统。 一般说来，移动数据库可以从系统的体系结构方面来定义：移动数据库系 统是支持移动计算或某种特定计算模式的数据库管理系统，数据库系统与操作 系统、具体应用集成在一起，运行在各种智能型嵌入设备或移动设备上1 “。 1 3 移动数据库的典型应用 移动数据库技术的许多特性都与信息时代的需求特点相吻合，因此在许多 领域获得了成功的应用。 ( 1 ) 公共信息发布 在移动计算环境中，大量的移动用户将通过笔记本电脑、掌上电脑、p d a 、 车载平台等移动设备的无线通讯接口获取各种各样的公共信息，如股票行情、 天气状况和交通信息等。以交通信息发布为例，一个大城市的移动信息系统将 同时为超过1 0 万个移动用户提供服务。 ( 2 ) 实时数据采集 以保险业务员为例，目前许多保险业务员都使用笔记本电脑或掌上电脑管 理有关客户和保单数据。在外出联系业务的途中，业务员需要随时从总部调出 最新的数据资料，井随时查询某个客户的信息；完成交易后，又需要将最新输 入的保单信息即时反馈给总部。这种模式摆脱了时间、地点和场合的限制，克 服了传统数据处理方式造成的延误和混乱，提高了数据管理的效率。 ( 3 ) 位置相关查询 位置相关查询是移动数据库应用中最具特色也是最吸引人之处。设想一个 旅游者抵达个陌生的城市，可以通过随身携带的移动设备查询许多信息，如 最近的餐厅在哪里，怎样去最近的医院等等。与传统的数据库查询不同的是， 上述查询的结果是与位置相关的，同样一个问题在不同的地理位置得到的回答 可能是不同的。 此外，移动数据库技术配合g p s ( g l o b a lp o s i t i o ns y s t e m ) 技术，可以用于 智能交通管理、大宗货物运输管理和消防现场作业等。移动数据库技术还在零 售业、制造业、金融业、医疗卫生等领域展现了广阔的应用前景。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 4 移动环境下的数据广播技术 1 4 1 采用广播方式的原因及优点 由于移动客户机经常处于断接状态，而且与服务器通信( 特别是移动客户 机向服务器发送信息的上行信道) 的网络带宽也很有限，因此要实现大规模移 动用户随时随地访问数据的目标是一个真正的挑战，在这种移动计算环境下， 要用传统技术实现数据密集型应用是很困难的，原因是： ( 1 ) 移动客户机无法完全正确的预测各种应用程序在断接时可能需要哪 些数据，因此仅凭客户缓存不能完全解决断接时的数据处理问题。 ( 2 ) 移动客户机本身的存储能力有限。 ( 3 ) 特定的应用中移动客户机需要频繁的获得最新的数据。 另一方面，在无线环境中，从服务器到移动客户机的下行通信带宽一般要 远大于从移动客户机到服务器的上行通信带宽，而且移动客户机从服务器接收 数据的开销也远小于发送开销。因此在大部分场合，即使是处于断接状态的移 动客户机也可以选择接收从服务器发送的下行广播信息。于是，可以利用这种 网络的非对称性，由数据库服务器把大多数用户频繁访问的数据( 即热点数据) 组织起来，以周期性的广播形式提供给移动客户机访问。 以广播的方式传递数据具有以下几个重要的优点： ( 1 ) 很好的可伸缩性：由于服务器广播数据的开销与接收广播的客户机 数是无关的，因此广播能够以很小的代价支持大量客户机同时访闯数据； ( 2 ) 对缓存要求的降低：由于广播的存在，客户机可以主要依赖广播获 得所需的数据，所以可以不需要或只需要少量的缓存； ( 3 ) 承担对热点数据的需求满足：数据库中一些热点数据被大量的客户 机所需要，如果每个客户机都独自的向服务器提出请求，然后服务器单独的给 与响应，这种方式的通信带宽和服务器处理资源的利用率不高。所以可以由服 务器把热点数据集中起来加以广播； ( 4 ) 便于客户机预取( p r e f e t c h ) ：广播中广播的数据都是服务器认为是比 较热点的、比较流行的、近段时间内被许多客户机所需要的数据，所以其对 特定的客户机而言也是有一定价值的，尤其是不同客户机的数据需求比较相似 晗尔滨工程大学硕士学位论文 的应用中。因此，对菜个特定的客户机而言，它可以在缓存空间比较充裕的前 提下将广播中的数据提前保存下来，也就是预取。这样真正需要该数据项的时 候就不必再从服务器端获得，从丽大大缩短了访问时间； ( 5 ) 广播最新的数据：客户机并不总是知道自己需要的数据是什么，它 也无法知道服务器端是否产生了最新的数据，所以为保证客户机得到最新的数 据，就必须依靠服务器的广播。这在证券交易、信息发布、城市交通信息发布 等这些应用中是非常重要的”。 1 ，4 2 数据广播技术的研究现状 利用无线网络通信不对称的特点，为支持大规模的移动用户对热点数据的 并发访问，研究将热点数据组织在共享无线信道上的广播技术，通过对空中数 据及其索引的合理组织，使移动用户以最小的代价有选择地接收数据，从而提 高查询效率及移动数据库的可伸缩性。 目前，人们对数据广播技术的研究刚刚起步。r u t g e r s 大学在这方面作了一 些有益的尝试，i m i e l i n s k i 等人不仅详细讨论了在未来无线信息系统中数据广播 的重要性与可行性，而且初步研究了空中广播信道的数据组织方法，提出了散 列方法、柔性( f l e x i b l e ) 索引、分布索引等结构，并对这些结构的访问时间、 调谐( t u n i n g ) 时间进行了分析m 。但是，这些方法仍具有很大的局限性，如数 据项大小固定、所以数据无论访问频率如何都以相同的周期广播、未考虑热点 数据与其它数据的区别处理等。 b r o w n 大学的s a c h a r y a 等人也对数据广播进行了研究。他们提出一种多 盘广播( m u l t i d i s kb r o a d c a s t ) 机制m 。与i m i e l i n s k i 不同，他们的广播机制侧重 于将数据组织成以不同周期广播的形式，即更有可能被大多数移动用户访问的 热点数据的广播频次要高于其它数据，此外，这种多盘广播机制还考虑了客户 机上的缓存问题，利用预取缓存技术来进一步提高用户访问空中数据的性能。 但是，a c h a r y a 没有考虑被广播的数据库频繁更新的情况，而是假设每次广播 的数据库结构、大小都是固定的，因而也就未考虑索引机制和缓存一致性问题。 本文在分析总结以上的数据广播研究现状之后，综合考虑实际的数据广播 中被广播数据项的被访问概率的变化和被广播数据项的增删情况，以多盘数据 广播通道的方式，提出了“数据广播中基于可变数据项的通道分配算法( v d c a ， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 v a r yd a t ac h a n n e la l l o c a t i o n ) ”，从而减少数据广播的数据平均预期延迟时间， 同时降低了平均访问代价。 1 5 移动数据库产品 为适应移动数据库广泛应用的需求，各大数据库厂商纷纷介入这一市场 当前主要的移动数据库的产品如下： ( 1 ) s y b a s es q la n y w h e r e ( 2 ) o r a c l e9 il i t e ( 3 ) 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 ( 4 ) i b m sd b 2e v e r y p l a c e ( 5 ) o f t pm i d d l e w a r e ：o f f l i n et r a n s a c t i o np r o c e s s i n g 1 6 本文主要研究内容 首先介绍移动计算及移动数据库技术相关内容，包括移动数据库的一般结 构、移动数据库的基本特征、移动数据库的关键技术等内容。 其次介绍移动数据库的数据广播技术相关内容，包括移动数据广播技术特 点、数据广播技术研究中的基本假设、c s 体系中的广播技术、移动数据库环 境中的广播技术等内容。 然后对数据广播中数据的调度与优化策略相关内容进行研究，包括移动数 据库数据广播中的数据传递、数据广播的调度策略、广播调度平均访问时间的 理论最优值、多盘广播的调度算法等内容。 最后涉及到数据广播中的索引广播技术，包括已有的基于数据访问概率的 索引树，同时介绍具有很低数据平均预期延迟时间数据广播算法数据广播中 高效通道分配树算法，最后提出基于可变数据项的通道分配算法( v d c a ) ，并 将其与数据广播中高效通道分配树算法和f l a t 算法相对比。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章移动计算及移动数据库技术 移动计算( m o b i l ec o m p u t i n g ) 是指利用移动终端通过无线和固定网络与远 程服务器交换数据的分布计算环境。移动计算技术使得计算机或其它信息设备 在没有与固定的物理连接设备相连的情况下，能够传输数据。移动计算的作用 在于：将有用、准确、及时的信息与中央信息系统相互作用，分担中央信息系 统的计算压力，使有用、准确、及时的信息能提供给在任何时间、任何地点需 要它的任何用户。移动计算环境比传统的计算环境更为复杂和灵活，计算平台 的移动性、连接的频繁断接性、网络条件的多样性、网络通讯的非对称性、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，对移动数据库的性能 提出了相当高的要求。 随着信息产业竞争的曰趋激烈，移动通信技术将加速发展，智能化终端产 品的将不断涌现，移动计算硬件平台的技术改进和价格的不断下降，移动电子 商务应用解决方案的不断完善，企业对移动计算的需求将会稳步增长。一个无 缝覆盖的数字化的地球将随着移动计算的发展一步一步走近。随着移动数据库 的发展，才真正进入了一个信息无所不在的信息时代。通过具有移动计算功能 的移动计算机、汽车、手机甚至是手表等新一代的智能化设备，随时随地地利 用移动数据库连接所需的信息系统、获取所需的信息，这将大大地改变人们的 生活方式和工作方式。移动计算将为人类描绘一幅崭新的画卷，尤其是移动数 据库的发展对移动计算的广泛应用起着重要的推动作用。 2 1 移动计算和数据库的结合 移动计算包含硬件、软件和数据的移动，通常有两方面的含义：一是指代 码的移动，称为m o b i l ec o m p u t a t i o n ，如a g e n t 等：二是指计算设备的移动，称 为m o b i l ec o m p u t i n g 。这里是指第二种含义，即移动计算是指用户使用便携式 计算机、p d a 和掌上电脑等移动设备在不固定的场地按入有线或无线网络，从 计算环境中获取数据和信息进行相应的计算处理和决策的过程w 。 移动计算的出现，对计算机技术的发展有着深远的意义，移动计算是当今 许多计算机领域的研究热点，如计算机网络、分布式系统、操作系统、分布式 哈尔滨工程大学硕士学位论文 数据库、软件工程、应用开发等。由于移动计算使得计算机不必有固定的位置 和网络地址，摆脱了有线网络的束缚，使得人们在任何时间、任何地点以任何 方式存取信息成为现实。 随着移动设备和无线通信网络的技术发展以及硬件价格的逐步低廉，移动 计算的应用将会越来越普及，同时也提出了对移动环境下数据库应用的需求。 公司职员可以在旅途中使用便携式计算机通过无线网络或i n t e m e t 连接到公司 的数据库，处理日常事务；保险推销员可以使用p d a 向客户提供保险咨询、 接受用户订单以及处理理赔事件；邮递服务使用移动计算机辅助邮件的跟踪； 紧急响应服务使用移动计算机在灾难、医疗急救及类似情况下访问现场信息， 并且输入与当时情况有关的数据。 移动计算与数据库技术的结合成了一个新的研究领域，由于移动计算环境 具有其鲜明的特点：移动性、断接性、低带宽和带宽的多样性、弱连接性、可 伸缩性、网络通信的非对称性、计算资源和电源的局限性等，这些环境特点限 制了许多传统数据库技术在移动环境下的运用，决定了移动环境下数据库技术 的不同解决方案。移动数据库由于c p u 、存贮嚣等计算资源的局限，又兼有嵌 入式数据库的特点一。 2 。2 移动数据库的一般结构 从数据库技术的发展过程来看，计算环境和数据库技术基本保持着一种同 步发展的态势，互相影响、互相促进。移动数据库( m o b i l ed a t a b a s e ) 是指支 持移动计算环境的分布式数据库，涉及数据库技术、分布式计算技术、移动通 讯技术等多个学科领域，包含以下两层含义：人在移动时可以存取后台数据库； 人可以带着后台数据库的副本移动。移动数据库系统与操作系统、具体应用集 成在一起，运行在各种智能型嵌入设备或移动设备上，因此又被称为嵌入式移 动数据库系统。 在传统的分布计算环境中总是假定各个节点通过固定网络连接并保持网 络的持续连接性，移动计算改变了这种假设。移动计算系统假设计算节点包括 固定节点和移动节点，它使用户不必限于固定位置，而是可以携带移动终端自 由移动，并在移动过程中通过移动通信网络与固定节点和其他移动节点连接和 交换信息”。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 典型移动数据库的结构主要包括：数据库服务器d b s v r ( d a t a b a s e s e r v e r ) 、 移动支持结点m s s ( m o b i l es u p p o r ts t a t i o n ) 、位置服务器l s ( l o c a t i o ns e r v e r ) 、 本地数据库r e p ( r e p l i c a t i o n ) 、移动交换中心m s c ( m o b i l es w i t c h i n gc e n t e r ) 、 基站b s ( b a s es t a t i o n ) 、移动设备m u ( m o b i l eu n i t ) 等，具体结构如图2 ，1 所示。 图2 1 典型移动数据库的结构 ( 1 ) 数据库服务器( d a t a b a s es e r v e r , d b s v r ) ：一般为固定结点，每个服 务器维护一个本地数据库( l o c a ld a t a b a s e ，l d b ) ，服务器之间由可靠的高速互 联网络连接在一起，构成一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历史记录。服务器可以有多个，实 际中也可以只有一个，或者再加上一台备份服务器。 ( 2 ) 移动支持结点( m o b i l es u p p o r ts t a t i o n ，m s s ) ：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m s s 发送的广播信息。服务器与m s s 可以是同一台机器。 ( 3 ) 移动客户机( m o b i l ec l i e n t ，m c ) ：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( 即可以出现在任意一个无线单元中) ，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 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 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。 在这个移动计算环境中，高速固定网络部分构成连接固定节点的主干。固 定网络中拥有若干移动服务支持节点m s s ，每个m s s 负责建立一个无线网络 单元( 如图2 i 中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。相对于可靠性不高的无线网络单元，将固 定网络部分称为可信部分。这些无线网络单元的覆盖范围取决于它们采用的无 线通信技术，例如无线l a n 单元只能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。总之，在图2 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 连接到固定网络 中，从而实现了自由的移动性，移动数据库即为移动客户机上内置的数据库管 理系统，它是服务器所维护的数据库的子集，它从服务器中获得自己所需要的 数据，并将本地所做的更新提交给服务器。 2 3 移动数据库的基本特征 与基于固定网络的传统分布式数据库相比，移动数据库系统具有以下基本 特征： ( 1 ) 移动性及位置相关性：移动设备可以在无线通讯单元内及单元间自 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 询可能是位置相关的。这要求移动数据库系统支持这种移动性，解决过区切换 同题，并实现位置相关的处理。 ( 2 ) 频繁的断接性：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，移动设备与固定网络之间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能继续运行，或者自动进入休眠 状态，而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 接网络的条件相差十分悬殊。因此，移动数据库系统应该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 ) 网络通信的非对称性：由于物理通信媒介的限制，一般的无线网络 通信都是非对称的，表现在固定服务器节点可以拥有强大的发送设备，而移动 哈尔滨工程大学硕士学位论文 设各的发送能力非常有限。 ( 5 ) 资源的有限性：移动设备的电源通常只能维持几个小时；此外，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 考虑这些限制，在查询优化、事务处理、存储管理等诸环节提高资源的利用效 豪。 ( 6 ) 较低的安全可靠- 陛：由于移动计算平台可以远程访问系统资源，从 而带来新的不安全因素。此外，移动主机遗失、失窃等现象也容易发生，因此 移动数据库系统应该提供比普通数据库系统更强的安全机制。 ( 7 ) 较大的规模i 生：在移动计算环境下，用户规模比常规网络环境中大 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。 ( 8 ) 网络通信的非对称性：上行链路与下行链路的通讯代价有很大的差 异，这要求在移动数据库的实现中充分考虑到这种差异，采用合适的方式来传 递数据1 ”。 2 4 移动数据库的应用划分 移动数据库的应用可划分为水平应用和垂直应用。所谓水平应用，是指应 用方案能够用于多种不同行业，只需要极少的定制工作；而垂直应用则针对特 定行业的应用，数据处理具有独特性。 2 4 1 水平应用 ( 1 ) 数据库信息存取：移动用户通过前端嵌入式数据库应用工具，直接 向网络数据库服务器提交查询，将检索到的结果缓存或复制到嵌入式数据库中， 进行本地管理。 ( 2 ) 场地内或场地间的移动应用：应用中的移动用户在某个或某几个场 地内移动，同时保持与基地服务器的联系。 ( 3 ) 基于g p s ( g i o b a lp o s i t i o ns y s t e m ) 和g i s ( g l o b a li n f o r m a t i o ns y s t e m ) 的应用：这类应用通过地球同步通讯卫星( g p s 类) 传送地图信息或位置信息， 或者通过发射器的信号广播( g 1 s 类) 来发送位置信息，各种位置信息、环境 信息以及其它的辅助资料可以保留在嵌入式数据库中。 ( 4 ) 现场审计和检查：移动用户是具有一定审计、检查、监督等权利的 哈尔溟1 程大学硕士学位论文 检查人员，在处理过程中要连接到受检查者的信息数据库，并进行必要的更新， 同时更新被检查者的嵌入式数据库“。 2 4 2 垂直应用 与水平应用相比，垂直型应用具有明显的行业特殊性，不同领域的应用之 间差别较大，结果表示和服务器数据库的管理也有很大不同。 ( 1 ) 金融行业的应用：主要涉及保险业、银行业、股票交易等。基于掌 上电脑或其它移动设备上的嵌入式数据库所建立的移动应用能够很好地满足应 用的需求。 ( 2 ) 零售业和分销行业应用：手工操作或固定的p o s ( p o i n to f s e l l s ) 销 售，已经发展为无线网络中基于嵌入式数据库的移动电子存单管理和无线p o s 系统。另外，支持无线m o d e m 的移动自动售货机可以支持信用卡支付，以无 线通讯方式实时进行注册、验证，完成交易处理。 ( 3 ) 卫生保健应用：这类应用包括远程会诊、紧急医疗服务、现场医疗 数据收集等。医生通过无线网络，可以在任何地方提取病人病历，研究疾病， 制定处方。 ( 4 ) 法律和公共安全：移动用户的可移动性在案犯追捕中具有明显的优 点。警务人员的移动设备的嵌入式数据库中保留一定的案犯信息，可以随时检 索疑犯信息。 ( 5 ) 运输业：使用移动计算技术可以降低送货、装货的成本，运输工具 上安装定制的微型计算机，可以接入所在地区的服务器，并在计算机中保存交 通信息数据库，来指导司机的决定”。 2 5 本章小结 本章主要介绍移动计算及移动数据库技术相关内容，包括移动计算技术、 移动数据库的一般结构、移动数据库的基本特征、移动数据库的水平应用和垂 直应用等内容，针对移动数据库的结构和实现过程进行了比较详细的介绍。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第3 章移动数据库的数据广播技术 近年来，迅速发展的移动通信技术与正在大量普及的移动计算机相结合， 产生了一种更加灵活、复杂的分布计算环境，人们称之为移动计算。移动计算 与基于固定网络的传统分布计算环境相比具有鲜明的特点，如计算平台的移动 性、连接的频繁断接牲、网络条件的多样性、网络通讯的非对称性、系统的高 伸缩性和低可靠性以及电源能力的有限性等。移动数据库实际上是支持这种移 动计算环境的分布式数据库技术。由于移动数据库系统的终端设备通常不是传 统的台式计算机，而是诸如掌上电脑、p d a 、车载设备、移动电话等嵌入式设 备，因此，它又被称为嵌入式移动数据库。在嵌入式移动计算环境中，如何实 现大规模移动用户随时随地访问数据的目标是一个真正的挑战，因为采用传统 技术实现数据密集型应用是很困难的。但是，在一个典型的无线网络单元内， 从服务器到移动客户机的下行通信带宽往往要远大于从移动客户机到服务器的 上行通信带宽，而且移动客户机接受数据的开销也远小于发送开销；即使是在 客户机处于断接状态无法向服务器发送消息的情况下，移动客户机也可以选择 接收从服务器发送的下行广播信息。于是，数据库服务器可以利用这种网络的 非对称性，把大多数移动客户机用户频繁访问的热点数据以一定的方式组织起 来，以周期性的广播形式主动提供给移动客户机访问，这样可以以较小的代价 解决大量用户访问的问题。因此，数据广播是解决移动数据库系统用户规模庞 大及网络通信非对称性等问题的一个有效方法。 3 1 移动数据广播技术特点 随着计算机技术、移动通讯技术和互联网技术的迅速发展，移动数据库在 公共信息发布、移动办公、位置相关查询等方面得到广泛的应用。公共信息发 布的应用中，如天气信息系统、电子商务应用、交通控制信息系统等，分布广 泛的数据库系统通过广播向客户端发布数据，客户端监听广播信道，当数据到 来时，客户端读取所需的数据。这种应用的特征是少量的服务器和对相似数据 感兴趣的广泛的客户端。通过广播，即使处于断开状态下的移动客户也可以选 择接收从服务器发送的广播信息。存储在移动数据库系统中的数据信息，例如 哈尔滨工程大学硕士学位论文 道路的当前交通信息、城市的当前的天气概况等，这些信息相当敏感并需要频 繁的更新。对于移动客户来说，获取最新的数据是非常重要的，访问过时的信 息是毫无意义的，因此数据广播更有利于维护数据的新鲜性和有效性m 。 在移动计算环境中，客户端和服务器间的通信具有如下的特性：在一个无 线单元内，从服务器到m c ( m o b i l ec l i e n t ) 的下行通信带宽一般要远大于从 m c 到服务器的上行通信带宽。面且m c 从服务器接收数据的开销也远小于发 送开销，在极端的情况下，即使是处于断接状态( 即无法向服务器发送消息) 的m c 也可以选择接收从服务器发送的下行广播信息。因此，采用数据广播是 解决移动数据库系统用户规模庞大和网络通讯非对称性等问题的一个有效的方