（计算机应用技术专业论文）嵌入式移动数据库系统nimbledb的研究与实现.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 移动计算的网络环境具有其鲜明的特点：移动性、断接性、带宽多样性、 可伸缩性、弱可靠性、网络通信的非对称性、电源能力局限性等等。而现有的 数据库管理系统不能或是不能有效地解决移动计算环境中的数据管理问题。因 此，有必要对已有的传统数据库加以改进，或者重新设计，形成一种能全面支 持移动计算环境的数据库技术嵌入式移动数据库。 事务管理是数据库管理系统的一个基本功能，它主要用于维护数据的一致 性，支持多用户的并发访问，使用户可以可靠地查询和更新数据库。嵌入式移 动数据库系统同样要求提供事务处理能力，以满足移动应用的需求。移动计算 环境的特殊性使得在设计嵌入式移动数据库系统中需要考虑诸多传统计算环境 下不需要考虑的问题，如客户机的移动性、频繁断接性、弱连接性，过区切换 等等问题。所以如何使服务器能够完善地处理好移动事务，成为嵌入式移动数 据库技术中一个非常重要的研究课题。 本课题的研究目标是设计一个嵌入式移动数据库系统n i m b l e d b ，结合实际 移动数据管理需求，通过对移动事务处理技术、复制技术、数据广播技术等的 研究，或利用改进现有方案或设计新方案，有效消除移动计算环境的影响，进 而形成一个支持行业应用的嵌入式移动数据库系统。考虑到移动事务处理所处 的基础地位及其技术发展现状，在本文正文部分，我们将主要精力放在对移动 事务处理技术的研究上，并以此为基础开发完成n i m b l e d b 系统。在本文当中， 考虑了移动计算环境对移动数据库事务管理的限制和约束，在吸取以往移动事 务模型，特别是0 2 p c - m t 模型的经验基础之上，提出了e 0 2 p c m t 移动事务模型。 e 0 2 p c m t 模型充分考虑了实际应用中对数据强一致性和弱一致性的需求，设计 了强一致性模式和弱一致性模式，两种模式分别采用不同的事务处理策略，支 持移动事务的移动性、断接性和数据一致性。 关键字：移动计算，嵌入式移动数据库，事务处理，移动事务，移动事务处 理模型 塾堡里三奎堂堡主堂垡笙茎 a b s t r a c t t h en e m o r ke n v i r o n m e n to fm o b i l ec o m p u t i n gh a sb r i g h tc h a r a c t e r i s t i c s ： m o b i l i t y ， d i s c o n n e c t i o n ， b a n d w i d t h d i v e r s i t y ， s c a l a b i l i t y ， w e a k r e l i a b i l i t y n o n - s y m m e t r yo fn e t w o r kc o m m u n i c a t i o n ， l i m i t so fp o w e 豫b i l i t y ，e l c m o b i l e c o m p u t i n ga n du n i q u ec h a r a c t e r i s t i cm a k ee x i s t i n gd b m su n a b l et os u p p o nt h e m o b i l ec o m p u t i n ge n v i r o n m e n te f l e d i v e l y ，s om u s tt om e n do rr e d e s i g nt r a d i t i o n a l d a t a b a s e ，f b 瑚ak i n do fd a t a b a s et e c h n o l o g yt h a tc a ns u p p o nt h em o b i l ec o m p u t i n g e n v i r o n m e n ti na na l lr o u n dw a y ，t h a ti se m b e d d e dm o b i l ed a t a b a s e t r a n s a c t i o np r o c c s s i n gi sab a s i cf u n c t i o no ft h ed a t a b a s em a n a g e m e n ts y s t e m ，i t i su s e df o rm a i n t a i n i n gt h ec o n s i s t e n c yo ft h ed a t am a i n l y ，s u p p o r tl h em u l t i u s e r s c o n c u r r e n c yv i s i t ，m a k eu s e rc a nq u e r ya i l du p d a t et h ed a t a b a s er e l i a b l y i ti sd e m a n d t h a tm o b i l ed a t a b a s es y s t e mo f ! f c rt r a n s a c t i o np r o c e s s i n ga b i l i t yt 0 0 ，i no r d e rt om e e t t h em o b i l ea p p l i e dr e q u i r e m e n t o na c c o u n to ft h ep a r i t c u l a r i t yo fm o b i l ec o m p u t i n g e v i m n m e n t ，i ti sn e c e s s a r yt 0c o n s i d e rt h eq u e s t i o nw h i c hn e e d n tc o n s i d e ri n t m d i t i o n a lc o m p u t i n ge n v i m n m e n t 抽d e s i g n i n gm o b i l ed a t a b a s es y s t e m ，s u c ha s m o b i l j t y0 f t h ec l i e n t ，f r e q u e n td i s c o n n e c t i n g ，w e a kc o n n e c t i o n ，s w i t c h i n gi nd i f f e r e n t a r e a sa n ds oo n s 0h o wt om a k es e r v e rp r o c e s sm o b j l et r a n s a c t i o np e r f e c t l yb e m e av e r yi m p o n a n ts u b j e c t t 1 l eg o a lo ft h i ss u b j e c ti sd e s i g na ne m b e d d e dm o b i l ed a t a b a s es y s t e m ，c a l l e d n i m b l e d b n i m b l e d bc o n s i d e r sp r a c t i c a ld a t am a n a g er e q u i r e m e n t ，t h r o u g ht h e r c s e a r c h0 nm o b i l et r a n s a c t i o n p r o c e s s i n gt e c l l l l o l o g y c o p y i n gt e c h n o l o g y a i l d b r o a d c a s t i n gt e c h n o l o g y ，e i t h e ru s ee x i s t i n gt e c h n o l o g y ，o rd e s i g nn e wt e c h n o l o g y ， a v o i dt l l ef l u e n c eo fm o b i l ec o m p u t i n ge n v i r o n m e n te f ! f e c t i v e ly ，t h e nf 0 姗a n e m b e d d e dm o b i l ed a t a b a s e s y s t e mt os u p p o na p p l i c a t i o n i nv a r i o u sj n d u s t r i e s b e c a u s eo ft h eb a s i c a lp o s i t i o no fm o b i l et r a n s a c t i o np r o c c s si ne m d b s ，i nt h i s s u b j e c t ，w op l a c eo u ra t t e n t i o no nm o b i l et r a n s a c t i o np r o c e s s i n g a n dw ed e s i g i l n i m b l e d bo nm eb a s i so ft h er e s e a r c ho nm o b i l et r a n s a c t i o np 1 0 c e s s i n g w ec o n s i d e r m o b i l e c o m p u t j n ge n v i r o n m e n t a lc o n f i n ea n dr e s t r i c t i o n o nc h em o b i l ed a t a b a s e t r a n s a c t i o nm a n a g e m e n t ，i m b i b et 1 1 ee x p e r i e n c eo ft h ep a s tm o b i l et r a n s a c t i o nm o d e l ， p m p o s e de 0 2 p c m tm o b i l et r a n s a c t i o nm o d e l e 0 2 p c m tm o d e ln s i d e r s 武汉理工大学硕士学位论文 s u 笳c i 即t l yl h er e q u i r e m n lo fs l r i c c o n s i s t e n c ya n dw e a l cc o n s j s l e n c yt od a c a m a n a g c m e n ti np a n i c a la p p l i c a t i o n ，d e s i g n ss t r i c t c o n s i s t e n c ym o d ea n dw e a k c o n s i s t e n c ym o d e t h et w om o d e su s e sd i f f b r e n tt r a n s a c t i o np r o c e s s i n gs t r a t e g y s u p p o r t st r a n s a c t i o nm o b i l t y f r e q u e n td i s c o n n e c ta n dd a t ac o n s i s t e n c ve f f e c t i v e l v k e yw o r d s ：m o b i l ec o m p u t i n g ；e m b e d d e dm o b j l ed a t a b a s e ；t r a n s a c t i o np r o c e s s i n g ； m o b i l et r a n s a c t i o n ：m o b i l et r a n s a c t i o nm o d e l i i i 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第1 章引言 研究移动计算环境中的数据管理技术，已成为目前分布式数据库研究的一 个新的方向，即移动数据库技术。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特点：移动性、频繁断接性、带宽多样性、网络通信的 非对称性、移动主机的电源能力有限和可伸缩性等。移动计算环境的出现，使 人们看到了能够随时随地访问任意所需信息的希望。但是，移动计算以及它所 具有的独特特点，对传统的数据库技术，如分布式数据库技术和客户服务器数 据库技术，提出了新的要求和挑战。移动数据库系统要求支持移动用户在多种 网络条件下都能够有效地访问所需数据，完成数据查询和事务处理；要求支持 移动用户即使在断接的情况下也可以继续访问所需的数据，从而继续自己的工 作，这使得移动数据库系统具有高度的可用性 1 。此外，移动数据库系统能够 尽可能地提高无线网络中数据访问的效率和性能。而且，它还可以充分利用无 线通信网络固有的广播能力，以较低的代价同时支持大规模的移动用户对热点 数据的访问，从而实现高度的可伸缩性，这是传统的客户服务器或分布式数据 库系统所难以比拟的。 本研究的最终目标是自主研制完成嵌入式移动数据库系统n i m b l e d b ，结合 实际移动数据管理需求，通过对移动事务处理技术、复制技术、数据广播技术 等的研究，或利用改进现有方案或设计新方案，有效消除移动计算环境的影响， 进而形成一个支持行业应用的嵌入式移动数据库系统。考虑到移动事务处理所 处的基础地位及其技术发展现状，在目前研究阶段，我们将主要精力放在对移 动事务处理技术的研究上，并以此为基础开发完成一期n i m b l e d b 系统。 事务处理是数据库管理系统的一个基本功能，移动数据库系统同样要求提 供事务处理能力，以满足移动应用的需求。传统数据库系统中的各种事务处理 模型较好地解决了传统应用环境下事务的并发控制问题，但不能有效地支持移 动计算环境。在移动数据库中，固定主机和移动主机均能发起事务，其中移动 计算机发起的事务称为移动事务。由于有限的通信带宽以及频繁断接操作的影 武汉理工大学硕士学位论文 响，移动事务通常属于长事务；在移动事务执行的过程中，移动主机物理位置 的改变会带来复杂的过区切换问题。移动事务的上述特点使得研究移动事务处 理技术具有重要意义，最终可以提高移动数据库系统的可用性和可靠性，提高 移动数据库的效率。 1 2 国内外研究现状 移动数据库技术涉及数据库技术、移动计算技术、移动通讯技术等多个学科 领域，这使得移动数据库成为国际上一个十分活跃的研究领域，并引起了越来 越广泛的关注。 在国外，美国r u t g e r 大学，p u r d u e 大学，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。国外数掘库 公司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 ) 也各自推出相应的移动计算产品 2 儿3 。 从目前的有关资料来看，上述几家商用数据库的移动计算产品仍是非常初步的， 对移动计算环境的支持相当有限，例如o r a c l e 和i n f o r m i x 公司的移动数据库 产品都只是侧重于解决客户机与数据库服务器之间因为无线网络的的低带宽、 高延迟和易中断等特点而带来的网络连接问题，通过扩展传统的c s 结构来提 高无线网络的利用率，而对于移动主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 公司则是通过将其旗舰产品一复制服 务器加以扩展，以支持移动计算，但它仍然有移动的局限性，如没有涉及客户 机的移动性、数据广播方式、应用对数据的不同一致性要求等问题。 在国内，近几年来，中国人民大学、南京大学、国防科技大学等单位对移动 数据库的些关键技术进行了创造性的研究，并且已经取得了有意义的成果和 技术突破。如中国人民大学的“小金灵”嵌入式移动数据库系统，其核心是支 持多移动客户的同步服务器，支持s q l 以及数据的上下载 4 。国防科技大学在 移动数据库系统复制、广播与缓存技术取得了较大进展，提出了三级复制结构 t t r 、启发式多盘调度算法以及客户机缓存机制 5 。 在移动事务处理方面，目前已有很多人已经提出各种移动事务模型，在此方 面已取得了一定的技术进步。m h d u n h a m 研究了移动性对移动事务的影响，还 提出了针对位置相关性的协议【6 。目前对移动事务提交协议的研究都是对传统 2 武汉理工大学硕士学位论文 的两阶段提交协议进行扩展。国外提出的移动事务模型主要有：g d w a l b o r n 和 p k c h r y s a n t h i s 提出的p r ( 卜m o t l 0 n 事务模型、d u n h a m 提出的k a n g a r o o 事务 模型、p i t u r a 和b h a r g a v a 提出的c l u s t e r i n g 模型等 7 。国内提出的移动事务 模型主要有丁治明等人提出的0 2 p c m t 事务模型等 8 。 但由于移动计算环境的复杂性，移动事务研究的机制和算法大都存在某种假 设条件和一定的局限性。它们基本上都是从改变目前已有数据库事务管理模式 的角度进行探讨，来提出各种移动事务模型。其中有的模型放松了对事务a c i d 准则 9 的限制；有的则要求整个移动事务必须在一条消息中传送到数据库服务 器，不能支持交互式的移动事务；有的虽能支持交互式移动事务，但要求移动 终端在一个操作的结果收到之前不能移出当前的无线网络单元，因此对移动性 有限制。 1 3 本文所做的主要工作 移动事务是指从移动主机上发起的数据操作集合。它具有天然的弱连接性、 频繁断接性和移动性。那么，如何设计一个较好的移动事务模型以支持数据一 致性、移动性、事务恢复就成为了此课题的研究内容。为此，本人对移动事务 技术进行了认真的学习，在查阅了国内外相关研究成果的前提下，系统地研究 了现有移动事务模型对移动事务关键技术，即事务移动性、数据一致性、事务 恢复特性的支持，并对现有的移动事务模型及事务处理协议进行了扩展和改进。 具体所做工作可以用以下三点来概括： 1 ) 对嵌入式移动数据库系统中涉及移动事务处理技术的各个方面的关键问 题作了较为详细的总结和分析；重点分析了乐观事务策略( 0 2 p c m t ) 的事务处 理技术，详细分析了这类事务处理技术在支持事务移动性、数据一致性、事务 恢复特性方面的能力，以及各自的优缺点。 2 ) 在详细分析各种已有的移动事务处理技术的基础上，我们以0 2 p c m t 模 型为参考，提出了一种扩展的乐观两阶段提交移动事务处理模型e 0 2 p c m t 。其 最重要的思路在于充分考虑了实际数据应用中的强一致性和弱一致性需求，定 义了两种模式，采用不同的事务处理策略，区分对待这两种需求。文中详细阐 述了这种方案的主要思想，并且对具体实现中所涉及的嵌入式数据库管理系统、 同步服务器都给出了较为详细的设计。 武汉理j = 大学硕士学位论文 3 ) 通过性能分析以及和其它方案的比较，我们看出这种移动事务处理方案 是一种综合性能较为平衡的方案，具有以下优点：a 支持实际数据管理需求中 的强一致性和弱一致性要求；b 对长事务、弱连接、断接性的支持；c 对移动 性的支持；d 提高了事务的并发度，提升了系统性能。 1 4 论文结构 论文主体组织如下： 第一章，引言：本章介绍了本课题的研究背景，以及与本课题相关的国内外 技术研究与应用现状，最后简要介绍了本文所做的主要工作。 第二章，嵌入式移动数据库的系统模型及关键技术：本章较为详细地介绍 了移动计算环境、嵌入式移动数据库的系统模型、嵌入式移动数据库系统的关 键技术。 第三章，几种典型的移动事务处理模型：本章首先介绍了移动事务的概念 特点、移动事务处理的典型结构、移动事务处理的关键技术、移动事务处理模 型的理想特性。然后，本章详细讨论了现有几种典型的移动事务处理模型及它 们的移动事务处理技术，重点分析了乐观移动事务处理策略( 0 2 p c m t ) 模型， 并总结了它们各自的优缺点。 第四章，n i m b l e d b 的移动事务管理策略和算法：本章首先分析了移动事务 的本质，然后提出了扩展的乐观两阶段提交移动事务处理模型e 0 2 p c m t ，介绍 了其主要思想，侧重分析了其在处理弱一致性数据管理需求时的事务处理流程， 事务处理协议，以及涉及到的数据结构，并分析了其对移动性、数据一致性、 事务恢复特性方面的支持。 第五章，n i m b l e d b 的实现：给出嵌入式移动数据库管理系统n j m b l e d b 的体 系结构，并对其组成部分嵌入式数据库s q l i t e 、同步客户端、同步服务器的设 计作了较为详细的介绍。 第六章，性能分析及结论：侧重分析了e 0 2 p c m t 模型的优缺点。 结束语：总结论文所做的工作，对今后的研究做了介绍。 武汉理：i ：大学硕士学位论文 第2 章嵌入式移动数据库的系统模型及关键技术 2 1 移动计算环境 近年来，通讯技术和硬件技术的发展里加速趋势，相应的软件技术也有较大 的飞跃，为移动计算技术的发展提供了可靠的技术保障。在无线通讯技术领域， 模拟及数字蜂窝通讯系统、无线局域网、无线广域网、红外技术、卫星通信等 技术都获得了巨大的发展。硬件技术的发展使得同嵌入式软件和移动计算技术 相关的各种硬件设备的处理能力及存储容量每1 8 个月就翻一番。智能手机、掌 上电脑、p d a 等琳琅满目，形成了一个济济一堂的大家族。在软件方面，各种支 持移动计算的操作系统、数据库系统、通讯软件系统和中问件得到了不断地完 善和发展。据最新资料显示，目前专为掌上电脑开发的软件就有5 0 0 0 余种之多。 正是在上述两种因素的交互作用下，移动计算技术已经在许多领域中获得了 巨大的成功。典型的移动计算环境系统结构 2 如图2 1 所示： m s sm o b i l es u p p o ns t a t i o n ( 移动支持站，带无线收发接口) f hf i x e d h o s t ( 固定主机，元无线收发接口) 图2 1 移动计算环境的典型结构 武汉理工大学硕士学位论文 在图2 一l 中所示的系统结构中，网络分为两个部分，分别为固定网络部分和 无线网络部分。由于传统的有线固定网络具有较高的传输速率、较好的可靠性 等特性，我们又把这一部分网络称为可信部分( 图中黑线框范围内即是可信部 分) 。在固定网络中，连接着一类特殊的结点( 图中的m s s ) ，称为移动支持站。 这类结点带有无线通讯接口，用于支持移动信息设备对固定网络点的服务访问。 一个移动支持站所能覆盖的范围称为一个无线单元( c e l l ) 。每个无线单元覆盖 的区域大小是不同的，这取决于移动支持站所采用的具体无线通讯技术。在这 样的一个移动计算环境中，移动信息设备可以通过任何一个移动支持站连接到 固定网络中，由此来获取所需的信息服务。 与基于固定网络的传统分布式计算环境相比，移动计算环境具有以下一些主 要特点 2 ： 移动性：这是移动环境下最突出的特征。m h 可以在不同的地方连通网络， 而且在移动的同时也可以保持网络连接。这种计算平台的移动性可能进一步导 致系统访问布局的变化和资源的移动性。移动也致使网络条件多变、设备断接。 移动设备资源有限性：尽管跚在软硬件处理能力上有了很大的发展， 但与固定设备相比，它们总是资源相对有限。而且，m h 主要依靠蓄电池供电， 而电池容量总是相对有限。 移动设备的频繁断按性：棚在移动过程中，由于受使用方式、电源、无 线通信费用、网络条件多样等因素的限制，一般不采用一直保持联网状态的工 作方式，而是主动或被动的间隙性入网。 网络通讯的非对称性：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m h 的发送 能力非常有限。于是下行链路( 服务器一 m h ) 的通信带宽与代价和上行链路( m h 服务器) 相差很大。 低可靠性：无线网络与固定网络相比，可靠性较低，更容易受到干扰而 出现网络故障。此外，m h 由于其便携性和工作环境，也带来潜在的不安全因素， 如碰撞、磁场干扰、遗失、失窃等。 2 2 嵌入式移动数据库的系统模型 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 武汉理工大学硕士学位论文 电脑、p d a 、车载设备、智能手机等嵌入式设备，因此，它又被称为嵌入式移动 数据库系统。图2 2 所示的是一个典型的嵌入式移动数据库系统模型： 删m o b i l eh o s t ( 移动主机) s y n cs e r v e r 同步服务器，以m s s 为基础 c d b s v r 中心数据库服务器 c d bc e n t r a ld a t a b a s e ( 中心数据库) e m d be m b e d e dm o b i l ed a t a b a s e ( 嵌入式移动数据库，在m h 上) 图2 2 嵌入式移动数据库系统模型 图2 2 中系统由三类节点组成： 中心数据库服务器( c 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。服务器可以是彼此独立的，也可以由可靠的高速互联网络连接在 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，并可以保存所有请求的历史记录。中心数据库可以是任意的大型数据库系 统，如o r a c l e 、s y b a s e 、d b 2 、s q ls e r v e r 等，也可以是集中式数据库、分布式 数据库，甚至是联邦式数据库。中心数据库如果是集中式数据库，则p a r t l 虚 武汉理工大学硕士学位论文 线框中就只有一个数据库；如果是分布式数据库，则虚线框中多个物理上分布 的数据库构成一个逻辑上统一的中心数据库。 同步服务器( s y n cs e r v e r m s s ) ：对应于移动计算环境模型中的m s s ，m s s 也位于高速网络中，并具有无线联网能力，用于支持一个无线网络单元( c e l l ) 内的通信。该单元内的移动主机既可以通过无线链路与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。中心数据库服务器与m s s 可以是同一台机器。作为三级复制模式的中间层，同步服务器的作用是进行分 布式事务处理、控制移动数据库( e m d b ) 和中心数据库( c d b ) 之间的数据交换。 同步服务器负责接收来自移动终端的操作请求并提交给中心数据库服务器，然 后将执行结果再传送给移动终端。对中心数据库服务器来说，它的客户端就是 同步服务器，它看不到移动终端。因此，同步服务器的引入屏蔽了中心数据库 系统的异构性。 移动主机( 姗m c ) ：m h 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网络单元中) 。m h 可能是任何一种移 动终端，比如笔记本、p d a 、掌上电脑、智能手机等。移动终端有嵌入式移动数 据库( e m 明) 系统支持，并具有嵌入式数据库系统的事务管理功能。移动终端 上保存中心数据库的一部分副本，并通过e m d b 对本地数据进行管理。e m d b ，表 示移动终端i 上的嵌入数据库，它是中心数据库中用户i 所感兴趣的部分数据 的复制，能够和中心数据库保持双向同步。移动计算设备是单用户，它们通过 同步服务器访问中心数据库，因此中心数据库系统的异构性对它们是透明的。 2 3 嵌入式移动数据库的特点 如图2 2 中的系统结构所示，嵌入式移动数据库系统的固定网络部分实际 上就是一个分布式数据库系统。而移动部分的加入，使得分布式数据库系统中 主机位置固定的假设条件不再成立，从而能够支持设备的移动性。这两者的结 合体使得原有的许多技术可以直接或间接应用到嵌入式移动数据库系统中，例 如对于移动事务处理及并发控制、移动查询处理及优化、移动复制技术、移动 数据库的数据分片、以及故障恢复技术等都直接或间接地借鉴了分布式数据库 系统的研究成果，但对于涉及移动性的部分，则需要改进原有的一些技术，甚 至需要提出一些新的解决方案。表2 1 列出了嵌入式移动数据库和传统分布式 武汉理工大学硕士学位论文 数据库之间的一些主要区别 1 3 表2 1 嵌入式移动数据库和分布式数据库的主要区别 涉及的数据库嵌入式移动数据库和分布式数据库的差别 技术 事务处理 1 ) 需要能够描述结点移动性的新模型 2 ) 事务的过区切换( h a n d o f f ) ，即如何处理结点在不同基站覆 盖范围之间的移动所带来的问题 故障恢复1 ) 移动结点和网络的断接不能认为是系统的故障 2 ) 移动性可能要求更多的日志记录 3 ) 在过区切换时如何从短暂断接中恢复的技术 数据复制1 ) 不同程度的一致性约束( 弱一致性或可变一致性) 2 ) 频繁的断接使移动设备的缓存刷新必须采用新技术 查询处理1 ) 可以是位置相关的 2 ) 要考虑不同的代价因素( 如网络带宽、花费、电源消耗等) 3 ) 由于结点的移动性，查询结果可能需要返回到不同的位置 4 ) 需要可适应性技术，以适应例如网络条件的变化等 2 4 嵌入式移动数据库应解决的问题和关键技术 由于移动设备的资源限制，嵌入式移动数据库一般和应用系统集成在一起， 作为整个应用系统的前端而存在，而它所管理的数据集可能是后端服务器中数 据集的子集或予集的副本。在移动环境下如何进行数据管理是实现移动数据库 的关键。在文献 2 中，作者将目前移动数据库应着重解决的问题分为以下几个 方面：数据分发、数据一致性、位置相关查询、用户界面。嵌入式移动数据库 系统必须完善解决这几个关键问题中的技术。 2 4 1 数据分发 由于移动主机经常处于断接状态，而且与服务器通信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。 武汉理工大学硕士学位论文 另一方面，在一个无线网络单元内，从服务器到移动主机的下行通信带宽 一般要远大于从移动主机到服务器的上行通信带宽，而且移动主机从服务器接 收的开销也远小于发送开销。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 播形式提供给移动主机访问。这种数据发布方式称为数据广播技术。 在数据广播技术的研究方面，学者们已取得不少成果。如a c h a r y a 等人在 文献 1 l ，1 2 提出了一种在移动计算环境下使用定期数据分发的结构，称之为 广播磁盘( b r o a d c a s td i s k s ) ，这是一种基于p u s h _ b a s e d 的模型。还有国内学 者李霖等提出的非对称网络环境中数据广播的启发式多盘调度算法 5 。 2 4 2 数据一致性 如何保证各个移动主机和服务器间的数据一致性问题非常重要，它是协同 工作和事务处理的基础。解决这个问题可以从两个方面着手，是数据复制和 同步，另一个是移动事务处理。 1 数据复制和同步 在移动数据库系统中，移动设备经常处于和服务器断接的状态。为了支持 移动数据库在断接情况下对数据的操作，引入了数据复制技术，以便支持在本 地数据副本上的事务操作。当移动设备再次和服务器连接时，需要进行两个方 向上的数据同步，即上载方向和下载方向上的同步。 人们对移动数据库的复制技术进行了大量的研究，并取得不少成果。如两 级复制算法 1 3 ，虚拟主副本方法 1 4 ，三级复制机制 1 等。 2 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，它主要用于维护数据的一致 性，支持多用户的并发访问，使用户可以可靠地查询和更新数据库。 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。它具有移动性、长事务、易 错性和异构性的特点【1 5 。 移动事务处理技术在移动数据库研究中处于关键地位，因此对移动事务处 理模型的研究一直都是移动数据库研究领域的热点。如何解决移动事务的移动 性、频繁断按性及对交互式事务的处理都是移动事务研究的重点。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 2 4 3 位置相关查询 在传统的分布式数据库系统中，一个重要的目标就是给用户提供位置透明 性，即对于用户来说，不必关心主机的位置以及数据的物理分布情况。而在移 动数据库系统中，基于位置的变化给用户提供位置相关的信息却是移动数据库 系统中的一个重要应用。如何有效地存储位置信息以及如何快速响应位黉相关 查询是这个方面研究的主要内容。 2 4 4 用户界面及其它 如何在小巧的便携式设备的屏幕上直观、有效地和用户进行交互，来接收 用户输入数据和向用户展现结果数据也是移动数据库的一个重要研究方向。 除了前面介绍的问题之外，移动数据库系统的研究还涉及到其他些问题： 1 ) 安全：目前主要是对移动客户机m c 进行认证，防止未注册的m c 欺骗 性接入：对无线路径加密，以防第三方盗用；对移动用户进行身份保护，防止 用户位置泄密或被跟踪。 2 ) 省电查询优化：即根据各种候选查询规划的耗电量选择最佳执行规划。 此时，除了传统的事务吞吐率之外，降低单个事务的耗电量也将成为移动数据 库系统的设计原则之一。 2 5 嵌入式移动数据库系统刈i m b i e d b n i m b l e d b 系统是本课题研究的成果。n i b l e d b 系统支持面向行业的移动计 算，如图2 3 所示。图中的中心数据库c d b 就是企业信息系统的数据服务器， 它可以是集中式数据库、分布式数据库、甚至是联邦式数据库。企业的移动办 公人员使用的移动终端( 如p d a 、掌上电脑等这类移动计算设备) 上安装有嵌 入式数据库管理系统( 印b m s ) ，并通过同步服务器层( m s s ) 访问中心数据库， c d b 的异构性对它们是透明的。m s s 、c 陷和s d b 可以处于固定网络中同一台物 理的服务器上，也可以分别处于不同的服务器上。 武汉理工大学硕士学位论文 图2 3 面向行业应用的移动计算环境总体结构 n i m b l e d b 系统在传统的两级复制基础上引入同步服务器，采用三级复制模 式，即嵌入式数据库一一同步服务器一一中心数据库，移动终端通过同步服务 器访问中心数据库并与其同步。在该系统中，可信部分由固定网络以及固定网 络上的固定主机( 基结点) 组成。其中固定主机又可分为两类，一类是不带无 线通信接口的主机，如中心数据库服务器；另一类是带有无线通信接口的同步 服务器( m s s ) ，每个m s s 支持一个无线网络单元。无线网络单元内有多个移动 终端( m h ) ，每个m h 上也有数据库的一个副本，由本地e m d b m s 进行管理，m h 可 通过m s s 连入固定网络。有了e m d b m s 和m s s 的支持，移动终端上的应用就可以 在网络断接的情况下离线访问已经复制到移动端上的数据库，并可以保持一定 的同步，使得企业用户的工作场所的范围大大扩大。 在基结点中，各个数据库副本之间通过固定网络保持持续性的连接，可利 用传统分布式数据库系统中的副本控制方法( 如r o w a ) 保证它们的一致性，因 此可以将它们视为一个逻辑实体。各个移动结点之间以及移动结点与基结点之 间保持弱一致性，需要定的机制对它们进行控制。基结点通过加锁机制实现 并发事务( 包括基结点自身提交的事务以及由移动结点发起的同步处理事务) 的可串行化调度执行。基结点上的事务满足事务的a c t d 准则 7 ，但移动结点 武汉理工大学硕士学位论文 上的事务提交时仅处于本地提交状态，需要在基结点上验证通过后方能全局提 交，将其所做的数据更新写入中心数据库。 2 6 小结 为了满足在移动计算环境中对数据存取的需求，才产生了移动数据库，因此 本章首先介绍了移动计算环境的基本概念，并分析了移动计算环境的主要特点。 对于嵌入式移动数据库，本章给出了一个参考的系统结构，这是一个较为抽象 的结构，根据采用具体技术的不同，这个结构可能会有所调整。接着分析了嵌 入式移动数据库系统的一些不同于传统分布式数据库系统的特征，由于这些特 征，需要一些新的或者改进的技术来支持移动数据库，也就产生了移动数据库 目前的主要研究方向。本章选择性地讨论了和本文较为相关的一些关键技术， 对其他技术则做了概要介绍，最后提出了嵌入式移动数据库系统n i m b l e d b 。 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章几种典型的移动事务处理模型 事务处理最早源于陷m s ，是保证共享数据的并发访问一致性和失效恢复正 确性的关键技术。事务是构成一个逻辑工作单元的操作集合，其正确执行需要 保证a c i d ( a t o m i c 原子性，c o n s i s t e n t 一致性，i s o l a t e d 隔离性，d u r a b l e 持 久性) 特性。并发控制和恢复是事务处理的两个核心技术 1 6 。移动事务具有移 动性、长事务、易错性和异构性的特点。利用复制技术维护数据一致性、事务 过区切换和存储介质不稳定情况下的事务恢复是移动事务处理技术需要主要解 决的问题 1 7 1 8 j 。 3 1 移动事务的概念和特点 一般认为由移动主机发出的事务即可称为移动事务。移动事务实际上是一 种分布式事务，其中部分计算工作放在移动主机上完成，而其它部分则交给固 定服务器完成。 每个m s s 上一般都会有一个协调器，它负责从移动主机接收事务操作，将 它们发给固定网络中的服务器执行，并监视它们的运行情况。例如，对于一个 读操作，协调器将它发送到能够完成此操作的服务器执行，然后将结果回送给 移动主机；如果接收到一个事务提交操作，协调器将负责监视所有相关服务器 执行特定提交协议，以完成该事务的提交。移动主机发起事务的方式有两种： 1 ) 在一个请求消息中发送事务的全部操作( 即整个事务) 。这样，移动主 机与协调器的交互就以整个事务为基本单元，并且在发回事务请求后，执行控 制权交给协调器，直到该事务执行完毕并返回结果。 2 ) 一个事务的操作可以分开多次发送。这时，一个请求消息只包含一个或 一组事务操作，移动主机交互式地分批将事务发送给协调器，但是，只有在前 面的事务操作已经执行完毕且返回之后，才能发送后续操作。 在移动计算环境下，移动主机从一个无线网络单元迁移到另一个无线网络 单元，随之而来的是事务的状态、被访问的数据对象的状态和位置状态等信息 也在移动，并要求此事务在新区域内可以继续执行，同时保证数据一致性。移 动事务的上述特性使得移动事务处理成为一个具有挑战性的研究领域。归纳起 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 来，移动事务处理具有以下几个特点 1 5 ： 1 ) 移动性：移动事务执行期间，不仅移动主机是移动的，而且事务本身也 在移动； 2 ) 长事务：由于无线网络通信的低带宽、高延迟，以及移动主机的频繁断 接性，都可能使移动事务成为长事务； 3 ) 易错性：由于移动主机不如固定结点可靠，而且无线网络通信也不如固 定网络稳定，因此与传统事务相比，移动事务更容易出错； 4 ) 异构性：由于移动主机的移动性，移动事务可能要访问分布异构的数据 库系统。 从移动事务的特点可以看出，传统分布式事务模型不适用于移动数据库系 统的最主要障碍是不支持事务的移动性和长事务带来的系统低效率。因此需要 合适的移动事务处理模型来消除移动计算环境给系统处理带来的不利影响。 3 2 移动事务处理的典型结构 移动计算环境可以看成是分布式系统的延伸，移动主机上运行的应用程序 访问固定网络上分布式数据库的数据对象，并进行计算和处理。一个典型的移 动事务处理体系结构如图3 1 所示。 a p pa p p l i c a t i o n ( 应用程序) m cm o b l i ec l i e n t ( 移动客户机，和m h 一样) s e r v e r 固定节点服务器( 是对若干中心数据库服务器和同步服务器 ( m s s ) 的统称) m t mm o b li et r a n s a c ti o nm a n a g e r l d bl o c ld a t a b a s e ( 本地数据库 ( 移动事务管理器) 供中心数据库服务器或m s s 存取) 图3 1 移动事务处理系统结构 武汉理工大学硕士学位论文 先对s e r v e r 作些说明，在图2 2 中我们描述了嵌入式移动数据库的系统模 型，其中同步服务器( m s s ) 和中心数据库服务器构成的是传统分布式数据库环 境，对于移动事务处理过程来说，可以将它们统一对待，看作若干个固定服务 器( s e r v e r ) ，并有l d b 支持。 m c 上的应用程序随时随地连接到s e r v e r 上。m c 所在无线网络单元中的 s e r v e r 负责m c 的通信和数据库访问。m c 上应用程序对数据对象的操作( 读、 写操作) 都将被组织成移动事务，交由s e r v e r 负责处理。s e r v e r 上运行的 f t m 具体执行m c 发出的移动事务，具体操作数据库，完成移动用户的应用需求。 事务处理相关的部件主要是m c 和s e r v e r 上的m 1 m ，下面分别介绍其功能。 1 ) m c 的角色 m c 负责执行应用程序的各种计算，由于移动网络连接的不稳定