（计算机应用技术专业论文）emdb在基于pda的道路稽查规费征收中的应用研究.pdf

摘要 道路规费征收系统集交通规费稽查征收与内部管理于一体，是发展道路运输 信息化的重要组成部分之一。随着现代通信技术和信息管理技术的飞速发展，尤 其是无线通信技术的发展，原有的以广域网为中心的同城通缴网络已无法满足要 求，人们希望能在任何时间、任何地点进行收费、缴费、打印票据、查询车辆信 息。随着现代移动通讯技术和移动通讯设备的迅速发展，构建一个成熟和稳定的 移动计算基础平台已成为可能。 本文设计并实现了移动道路稽查规费征收系统，该系统以g p r s 无线网络作为 数据传输的载体，以p d a 作为稽查征费的平台，以嵌入式移动数据库的事务处理 和同步机制作为数据无线传输与处理的依据。本系统使工作人员只需携带可移动 通讯设备p d a 就能实现上门收费，道路稽查，现场裁票。本系统能有效解决道路 规费征费点有限、征费高峰排队时间过长、查询缴费情况不便等问题，这对于提 高运政管理部门的工作效率，服务人民生活，推动道路运输健康、快速发展都具 有重要的现实意义。同时也能加大上门、上路稽查力度，切实把欠费车辆的规费 征收到位，加大对黑车、未入籍车辆和异地车辆的稽查力度，充分发挥稽查工作 的震慑性。 本文首先对无线传输与移动计算环境进行了简单的介绍，包括无线网络与p d a 应用模式及p d a 与g p r s 的优势及应用情况，然后重点介绍了移动数据库技术的产 生和发展以及该领域的关键技术。然后本文系统分析当前典型的移动事务处理模 型，根据移动道路稽查规费征收系统的项目需求，以k a n g a r o o 事务模型为基础， 提出了w i l - m t 事务处理模型，实现了移动客户端的断接处理、过区切换和故障 恢复。接下来本文详细论述了s q ls e r v e rc e 中实现与远程数据库服务器连接并 处理相应数据的r d a ( r e m o t ed a t aa c c e s s 一远程数据访问) 同步复制机制，分 析了其不足之处并提出了改进算法，实现了移动客户端与中心数据库之间高效的 数据同步。最后本文对整个系统各模块的设计与实现都进行了详细的介绍，并展 望了系统设计和实现的下一步工作 关键字：e m d b ，p d a ，g p r s ，移动事务处理，同步复制 a b s t r a c t t r a f f i ci n s p e c t i o na n df e e sl e v ys y s t e mi n c l u d e si n s p e c t i o n 、l e v ya n di n t e r n a l m a n a g e m e n t ，w h i c h i so n eo ft h em o s ti m p o r t a n t p a r t so fd e v e l o p i n g r o a d t r a n s p o r t a t i o ni n f o r m a t i z a t i o n w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm o d e mc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y a n di n f o r m a t i o n m a n a g e m e n tt e c h n o l o g y ,e s p e c i a l l y w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , t h ef o r m e rn e t w o r kb a s e do nw i d ea r e an e t w o r k ( w a n ) c a n tm e e tt h er e q u i r e m e n t i ti st ob eh o p e dt h a tp e o p l ec a l lc h a r g e 、p a y 、p r i n tr e c e i p t a n da s kf o ri n f o r m a t i o no fv e h i c l ea ta l lt i m e sa n dp l a c e s m o d e mm 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 dm o b i l ec o m m u n i c a t i o ne q u i p m e n tm a k ei tp o s s 如l et o e s t a b l i s ham a t u r ea n ds t a b l em o b i l ec o m p u t i n gb a s i cp l a t f o r m t h i sp a p e rd e s i g n sa n di m p l e m e n t sam o b i l et r a f f i ci n s p e c t i o na n df e e sl e v y s y s t e m i tt r a n s f e r sd a t av i ag p r s i tu s e sp d a a st h ep l a t f o r mo fi n s p e c t i o na n dl e v y a n di tu s e sm 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 ds y n c h r o n o u sr e p l i c aa st h eb a s i so f t r a n s f e r r i n ga n dp r o c e s s i n gd a t aw i r e l e s s l y f i r s to fa n t h i sp a p e ri n t r o d u c e sw i r e l e s st r a n s f e ra n dm o b i l ec o m p u t i n g e n v i r o n m e n ts i m p l y , a n di n t r o d u c e se m d b so r i g i na n dd e v e l o p m e n tw i t hg r e a t e m p h a s i s a f t e rt h a t t h i sp a p e rs y s t e m a t i c a l l ya n a l y s e s c u r r e n tc l a s s i cm o b i l e t r a n s a c t i o np r o c e s s i n gm o d e l a c c o r d i n gt ot h er e q u k e m e n to fm o b i l et r a f f i ci n s p e c t i o n a n df e e sl e v ys y s t e m ，b a s e do nk a n g a r o ot r a n s a c t i o np r o c e s s i n gm o d e l ，w er a i s e d m v i l - m tt r a n s a c t i o np r o c e s s i n gm o d e lw h i c hs u p p o r t st h e m o b i l i t y , f r e q u e n t d i s c o n n e c t i o na n df a i l o v e r t h e nt h i sp a p e re l a b o r a t e so nt h er d a ( r e m o t ed a t a a c c e s s ) s y n c h r o n o u sr e p l i c a m e c h a n i s mi ns q ls e r v e rc ew h i c hr e a l i z e st h e c o n n e c t i o nb e t w e e nm o b i l ec l i e n ta n dr e m o t es e r v e ra n dp r o c e s s e sc o r r e s p o n d i n gd a t a w ea n a l y z e di t sd e f i c i e n c ya n dr a i s e do p t i m i z a t i o ns t r a t e g yw h i c hr e a l i z e se f f i c i e n t s y n c h r o n i z a t i o nb e t w e e nm o b i l ec l i e n ta n dr e m o t es e r v e la tl a s t ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e s t h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o ni nd e t a i la n dd e a l sw i t ht h en e x tw o r ka b o u tt h e s y s t e m sd e s i g na n di m p l e m e n t a t i o n k e yw o r d s ：e m d b ，p d a , g p r s ，m o b i l et r a n s a c t i o np r o c e s s i n g ，s y n c h r o n o u s r e p l i c a t i o n 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本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的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：差垒叠垒导师签名：盔查垒日期：坐 武汉理丁大学硕十学位论文 1 1 课题背景及意义 第1 章绪论 公路规费是指经国家和省人民政府批准征收，用于公路基础设施建设、养护 和管理的公路养路费、公路客运附加费、公路货运附加费和公路运输管理费，是 交通基础设施建设的重要资金支撑，是国家专项用于交通建设和行业管理的政府 财政性资金，是国家实施积极财政政策的重要资金来源。交通规费征收对交通建 设的重要作用如果以一句话通俗的话来说，就是“取之于车、用之于路，造福于 民”。 近年来，我省公路规费收入快速增长，屡创历史新高，2 0 0 0 年一2 0 0 2 年三年 间，共完成养路费1 2 6 1 2 5 万元，客附费1 4 1 0 1 万元，货附费9 6 4 3 万元，年均增 幅达到9 9 4 。2 0 0 3 年，市征稽处养路费完成5 5 2 2 5 万元，同比增长5 8 7 2 万元： 客附费完成5 8 7 2 万元，同比增长1 1 4 3 万元；货附费完成4 4 7 3 万元，同比增长 1 0 6 7 万元，“三费”合计6 5 5 6 9 万元，同比增长1 0 0 2 7 万元，实现了连续四年跨 越式增长。为了推动运输生产力进一步发展，我省大力发展道路运输信息化，以 广域网为中心，充分发挥其各项功能，基本实现了电子审批、核销票证、车辆管 理、监控费源等功能，大大增强了运政部门管理执法的效率。 然而在具体实施过程中还存在着不少问题，征费点有限、征费高峰排队时间 过长、查询缴费情况不便、缴费窗口过少、缴费窗口门前停车不便等，给人民生 活带来很大困扰。特别是在边远山区，群众收费缴费极为困难。另外，由于历史 陈帐、历年滚欠等因素，欠费车辆仍然大量存在，新增欠费不断增加。传统的固 定网络已无法满足需求，人们希望能在任何时间、任何地点进行收费、缴费、打 印票据、查询车辆信息，让公路规费征稽走出传统的征费点。 随着现代移动通讯技术和移动通讯设备的迅速发展，构建一个成熟和稳定的 移动计算基础平台已成为可能。移动数据库能够使移动计算机或其它通讯设备在 移动过程中，通过无线网络自由交换数据，从而实现人们随时随地访问所需数据 资源的愿望。采用无线网络技术和嵌入式移动数据库，通过可移动无线通讯设备 p d a ，就能大大增加缴费的灵活性。工作人员可以上门服务，现场裁票，杜绝手工 武汉理丁大学硕十学位论文 票的不规范操作，这对于提高运政管理部门的工作效率，服务人民生活，推动道 路运输健康、快速发展都具有重要的现实意义。另外，由于历史陈帐、历年滚欠 等因素，欠费车辆仍然大量存在，新增欠费不断增加。通过p d a 就能加大上门、 上路稽查力度，切实把欠费车辆的规费征收到位，加大对黑车、未入籍车辆和异 地车辆的稽查力度，充分发挥稽查工作的震慑性。 1 2 国内外的研究现状 近年来，有很多公司研发过将p d a 用于道路稽查征费系统。 我省现在使用的“掌上通”、“车牌通”系统，采用离线工作方式，将所需 数据通过与电脑连接的方式定期导入p d a ，工作人员携带p d a 即可在任何时间、 任何地方进行征费、稽查，并在p d a 中记录相关信息，最后将这些信息通过固定 征费点上传。这种方式实现简单，成本较低，查询速度快，但查询数据更新不及 时，征费信息也无法及时上传，容易丢失数据，安全性较差，也增加了工作人员 的工作量。 河南省交通厅道路运输局运政无线联网稽查系统采用在线方式工作，稽查人 员通过p d a 等工具向稽查服务器发出请求：稽查服务器挂接u d p 协议，接收请求 信息，解包判断请求；然后从数据库中检取相关内容，将结果打包后返回请求者。 这种实现方式避免了离线操作数据更新不及时的缺陷，但查询更新速度慢，对网 络依赖强，一旦出现服务器负担过重、网络故障或网络拥挤，就会出现执行效率 低下，或无法工作；在偏远山区，信号较差的地区该系统无法使用。 这些系统普遍不支持p d a 驱动打印机现场打票，工作过程中现场征费往往使 用手工票，为票据规范化管理带来困难。 移动道路稽查征费系统应能保证信息及时更新，可靠性强，在网络条件差的 情况下也能正常工作，并能通过蓝牙、红外、串口等驱动打印机进行打票，被授 权的p d a 能通过与服务器的无线连接对数据库进行增、删、改等操作。该系统由 一个主服务器、多个带有无线通讯接口的移动支持站和多个移动客户端组成，因 此广义上讲仍然是分布式数据库的系统构架，而狭义上则是移动数据库系统。移 动数据库系统可以看作是传统分布式系统的扩展，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之上。目前，移动数据库系统 相关的研究和实践一般都基于这个定义开展。 2 武汉理工大学硕士学位论文 国外的移动数据库产品已经进入比较成熟的市场应用阶段，但是基本上所有 的移动数据库产品对于弱连接的无线网络支持还不太成熟。移动数据库是分布式 数据库的一个新的研究方向，但由于许多条件的限制，对移动数据库的研究大多 处于理论探索和局部试验的阶段。到目前为止，移动计算环境仍然不能够为构建 分布式信息系统提供透明的通信解决方案。因此，对移动数据库的研究必须考虑 移动客户端的移动性、弱连接性、频繁断接以及带宽限制等特点。目前对移动数 据库的研究内容包含数据的同步和复制，数据广播、移动事务处理等，其中建立 有效的移动事务处理机制和安全地数据同步是其应用的核心。但是，移动计算环 境下不适宜采用传统的事务模型对移动事务进行有效描述，需要为它寻找更好的 模型，这正是本课题研究的目的之一。 1 3 论文的任务和结构 本文通过系统分析和研究道路稽查规费征收的业务流程和需求，结合g p r s 无 线数据传输的特点、移动数据库相关技术，提出一种实现移动道路稽查规费征收 的系统架构。 论文围绕着移动数据库技术展开讨论，共分为五个部分： 第一章：绪论。对本文的研究背景以及当前的研究情况做了简单介绍，并阐明 了本文的主要研究内容和研究意义。 第二章：无线网络与p d a 应用模式。主要介绍了p d a 与g p r s 的优势及应用情 况。 第三章：移动数据库技术概述。主要介绍了移动数据库的结构及其运行环境， 并对移动数据库研究的关键技术做了详细介绍。 第四章：移动道路稽查规费征收系统关键技术分析。主要介绍了移动事务处 理和同步复制技术在系统中的应用，提出了m v i l m t 事务处理模型和基于r d a 的 同步复制机制。 第五章：系统的设计与实现。本章介绍了系统的实现技术，给出了具体的设计 框架。 第六章：结束语。最后总结了我们的工作，并对移动数据库的研究作了展望。 3 武汉理工大学硕十学位论文 第2 章无线网络与p d a 应用模式 2 1g p r s 网络概述 g p r s 是通用分组无线业务( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 的简称，是一种 基于全球手机系统( g s m ) 的无线分组交换技术，提供端到端的、广域的无线i p 连接，它突破了g s m 网只能提供电路交换的思维方式，只通过增加相应的功能实 体和对现有的基站系统进行部分改造来实现分组交换。g p r s 实现了用户数据与无 线网络资源的最佳结合及i p 协议的透明传送，特别适用于间断的、突发性的或频 繁的、少量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输。g p r s 具有以下优势： 资源利用率高g p r s 引入了分组交换传输模式，使得原有采用电路交换模式 的g s m 数据传输方式发生了根本性变化。电路交换模式中，用户无论是否传送数 据在整个连接期都独自占有无线信道。而对于分组交换模式，用户只有在发送或 接收数据期间才占用资源，意味着多个用户可高效率地共享同一无线信道，提高 了资源利用率。g p r s 用户的计费以通信的数据量为主要依据，g p r s 用户的连接时 间可能长达数小时，却只需支付相对低廉的连接费用。 传输速率高g p r s 可提供高达1 1 5 k b s 的传输速率( 最高值为1 7 1 2 k b s ) 。 g p r s 用户能和i s d n 用户一样快速地上网，同时也使一些对传输速率敏感的移动 多媒体应用成为可能。 接入时间短分组交换接入时间少于1 秒，能提供快速即时的连接，可大幅 度提高事务效率，可使i n t e r n e t 应用操作更加便捷流畅。 利用g p r s 网络实现数据传输和远程监控，其网络组建、平台搭设、方案实施 都比较方便，并且无需专门布线，投入设备比较少，通信费用合理、低廉，投入 资金将不会很大，并且后期升级维护成本低。结合移动道路稽查规费征收系统间 断性的、突发的、少量的数据传输的应用特点可知，g p r s 网络在本系统中做数 据传输链路的应用是非常适合的。g p r s 系统结构如图2 1 所示： 4 武汉理t 人学硕十学位论文 图2 1 g p r s 系统结构 图中，笔记本电脑通过串行或无线方式连接到g p r s 蜂窝电话上；g p r s 蜂窝 电话与g s m 基站通信，但与电路交换式数据呼叫不同，g p r s 分组是从基站发送到 g p r s 服务支持节点( s g s n ) ，而不是通过移动交换中心( m s c ) 连接到语音网络上。 s g s n 与g p r s 网关支持节点( g g s n ) 进行通信；g g s n 对分组数据进行相应的处理， 再发送到目的网络，如因特网或x 2 5 网络。 来自因特网标识有移动台地址的i p 包，由g g s n 接收，再转发到s g s n ，继而 传送到移动台上。s g s n 是g s m 网络结构中的一个节点，它与m s c 处于网络体系的 同一层。s g s n 通过帧中继与b t s 相连，是g s m 网络结构与移动台之间的接口。s g s n 的主要作用是记录移动台的当前位置信息，并且在移动台和g g s n 之间完成移动分 组数据的发送和接收。g g s n 通过基于i p 协议的g p r s 骨干网连接到s g s n ，是连 接g s m 网络和外部分组交换网( 如因特网和局域网) 的网关。g g s n 主要是起网关作 用，也有将g g s n 称为g p r s 路由器。g g s n 可以把g s m 网中的g p r s 分组数据包进 行协议转换，从而可以把这些分组数据包传送到远端的t c p i p 或x 2 5 网络。s g s n 和g g s n 利用g p r s 隧道协议( g t p ) 对i p 或x 2 5 分组进行封装，实现二者之间的数 据传输。图2 2 给出了g p r s 网络结构的接入与参考点的简图。 图2 2g p r s 总体结构及接入接口和参考点 武汉理工大学硕士学位论文 g g s n 到外部分组网络是通过g i 参考点连通的，而其他g p r s 网络是通过g p 接口连通的。另外，从m s 端到g p r s 网络有两个接入点，u m 接口用于无线通信接 入而r 参考点用于信息的产生或接收。移动终端m t ( 例如手机) 通过u m 接口接入 g p r s p l m n ，r 则是m t 和t e ( 如笔记本电脑) 之间的参考点。这里的m s 由t e 和m t 两部分组成，它们通过r 参考点组成一个整体，另外，m s 也可单独由一个移动终 端( m t ) 组成。对于一个支持g p r s 的公共陆地移动网络( p l m n ) ，当它运行g p r s 业 务时可能涉及到任何其他网络，这时就产生了网络互通的需求。g p r s 网络通过g i 参考点和g p 接口实现同其他网络的互通。对于具有g p r s 业务功能的移动终端， 它本身具有g s m 和g p r s 业务运营商提供的地址，这样，分组公共数据网的终端利 用数据网识别码即可向g p r s 终端直接发送数据。另外g p r s 支持与基于i p 的网络 互通，当在t c p 连接中使用数据报时，g p r s 提供t c p i p 报头的压缩功能。由于 g p r s 是g s m 系统中提供分组业务的一种方式，所以它能广泛应用于i p 域。其移 动终端通过g s m 网络提供的寻址方案和运营商的具体网间互通协议实现全球网间 通信。 2 2p d a 应用背景介绍 p d a 是p e r s o n a ld i g i t a la s s i s t a n t 的缩写，意思是“个人数字助理”。这 种手持设备集中了计算、电话、传真、采集和网络等多种功能。p d a 可用来管理 个人信息( 如通讯录，计划等) ，更重要的是可以上网浏览，收发e m a i l ，可以发 传真，甚至还可以当作手机来用。尤为重要的是，这些功能都可以通过无线方式 来实现。当然并不是任何p d a 都具备以上所有功能，即使具备，也可能由于缺乏 相应的服务而不能实现。但可以预见，p d a 发展的趋势和潮流就是计算、通信、 网络、存储、娱乐、电子商务等多功能的融合。 p d a 的发源可以追溯到a p p l e 公司于1 9 9 3 年推出的n e w t o nm e s s a g ep a d 。之 后不久，就有厂商推出类似产品。目前，p d a 的价格还偏高，但专家们相信，它 将最终走进“寻常百姓家”，成为真正的“个人数字助理”。以上所说的是广义的 p d a 。目前，对p d a 还有一种狭义的理解。狭义的p d a 可以称作电子记事本，其功 能较为单一，主要是管理个人信息( 如通讯录、记事本和备忘录) 、日程安排、便 笺、计算器、录音和辞典等功能。而且这些功能都是固化的，不能根据用户的要 求增加新的功能。广义的p d a 主要指掌上电脑，当然也包括其他具有类似功能的 6 武汉理工大学硕士学位论文 小型数字化设备，而且掌上电脑一词也有不同解释，狭义的掌上电脑不带键盘， 采用手写输入、语音输入或软键盘输入，而广义的掌上电脑则既包括无键盘的， 也包括有键盘的。不过，目前在中国市场，几乎所有的掌上电脑都不带键盘，而 用手写输入或语音输入。p d a 所使用操作系统主要有p a l mo s ，w i n d o w sc e 和e p o c 。 适合p d a 的嵌入式操作系统主要有如下特征： 1 内存空间需求小且整体效率高 这是一般嵌入式系统的核心基本要求，p d a 上面的只读内存( r o m ) 有 限，因此通常完整的操作系统都会在几百k b y t e 以内，加上附加的基本的应用程 序大小( 如输入法、记事本、时钟、同步软件等) 大概在i mb y t e 左右，不过再加 入中文字体就另当别论了。 2 良好的省电功能 和手机一样，p d a 上面的电池容量通常不高，能待机越久者越有优势。因此， 只要硬件有支持省电功能，操作系统就可以且应该提供这项服务。 3 与p c 沟通的功能 p d a 能与外界沟通信息附加值才会高，例如传送通讯录、e - m a i l ，或下载电 子书等。为了达到这个目的，大部分会通过u s b 端口或是红外线来传输。 4 开放应用程序编写环境与动态载入应用程序 动态载入应用程序就是通过与p c 的同步传输，将应用程序下载到p d a 上。 下面介绍的w i n d o w sc e 显然就具备这些特性。 2 3w i n c e 操作系统介绍 w i n d o w sc e 3 0 提供对a c t i v e x 控件、m s m q 、组件对象模型( c o m ) 接口、活动 模板库( a t l ) 、和微软基础类( m f c ) 库的支持。不论是使用串行口、u s b 口、红外 接口还是网络线路，a c t i v e s y n c 都能为桌面系统和嵌入式设备之间提供方便简单 的连接。 w i n d o w sc e 3 0 内建有对安全性和多媒体的支持，包括d i r e c t xa p i 以及包 括t c p i p 。t a p i 和s n m p 在内的通信协议。其他一系列完整的应用程序，比如 p o c k e ti n t e r n e te x p l o r e r 。p o c k e tw o r d ，p o c k e te x c e l 和p o c k e to u t l o o k ， 可以使你扩展并优化当前的系统，同时也可以扩展你自己的应用程序的功能。 w i n d o w sc e 还支持多种外围硬件设备和网络系统，包括键盘、鼠标、触摸屏、 7 武汉理j 二大学硕士学位论文 串行端口、以太网连接、音频设备、调制解调器、通用串行总线( u s b ) 设备、并行 端口、打印机设备和存储设备( 例如p c m c i a 卡) 。 w i n d o w sc e 使嵌入式系统的设计者得以充分利用m i c r o s o f t 的3 2 位基于 w i n d o w s 的开发工具的全部的函数。w i n 3 2 应用编程接口的目的是提供了一个常用 的界面的设置，可是虚拟或不同的平台由于不同的特性及硬件的约束，其应用编 程接口也不同。其中为紧凑的嵌入式应用软件和小型设备而设计的w i n d o w sc e ， 它的w i n 3 2 a p i 最受限制。w i n d o w sc e 的w i n 3 2a p i 比其他的3 2 位的w i n d o w s 操 作系统的w i n 3 2 a p i 要小，它只包括大约相当于w i n d o w sn t 的半数的a p i 。尽管 如此，w i n d o w sc e 的a p i 也是足够完善的，能够处理实际的大量的高级的嵌入式 应用程序。 但是w i n d o w sc e 的w i n 3 2 a p i 也有其他系统所没有的特性。例如：通知a p i ， 它能够在操作系统的层次，而不是在运行的应用程序的层次上处理通知事件( 如时 钟) 。还有触屏的a p i 和对w i n d o w sc e 的数据库的内置的支持也是其他的操作系 统所没有的。触屏的a p i 用于触觉敏感显示器的屏幕校正并且使得用户交互的管 理容易实现，而数据库的a p i 提供了一般用途的、快速简捷的、访问紧凑的数据 库工具。 8 武汉理t 大学硕士学伊论文 第3 章移动数据库技术概述 3 1 移动计算和移动数据库 3 1 1 移动计算和移动数据库技术的产生和发展背景 随着移动通信技术的迅速发展和使用，以p d a 为代表的许多移动智能设备已 经可以在自由移动的过程中保持与网络的连接。于是人们迫切需求能在任何时候、 任何地点访问任何数据，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可能。所谓移动计算，指的是在任何地点和运动状态下，便 携式设备的用户都能通过相应的网络设施从数据源处获得信息与服务。移动计算 技术是网络技术和无线通讯技术相结合而形成一种新型的技术，它允许计算机或 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，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 户访问网络中的数据。 对于数据库领域而言，由于无线通信和便携式设备的自身特点，采用传统的 集中式或者分布式等数据库模式很难有效地支持这种应用，研究移动计算环境中 的数据管理技术，已成为目前数据库研究的一个新方向，即移动数据库技术。纵 观数据库技术发展过程，计算环境和数据库技术基本保持着一种同步发展的态势， 它们互相影响，互相促进。计算环境先后经历了集中式、分布式、网络以及目前 受到广泛关注的移动计算环境m c e ( m o b i l ec o m p u t i n ge n v i r o n m e n t ) 等多种计算 模式。相应地，数据库系统的发展也经历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和移动数据库系统等多个阶段。移动数据库是 将传统的分布式数据库应用到移动计算环境中，它的数据在地理上分散而在逻辑 上集中。通常移动数据库系统嵌入在掌上电脑、p d a 、车载设备等移动终端设备中。 用户可以借助这些移动终端设备与节点服务器连接，实现数据处理、查询、接收 等功能。一般说来，因为移动数据库通常被应用于诸如p d a 、车载电话等嵌入式 设备中，所以移动数据库也被称为嵌入式移动数据库( e m b e d d e d m o b i l ed a t a b a s e ) 9 武汉理丁大学硕十学位论文 m ，本文简称为e m d b 。e m d b 介于嵌入式设备的操作系统和应用程序之间，为需 要数据库功能的应用提供支撑和驱动。 与基于固定网络的传统分布计算环境相比，移动计算环境具有移动性、频繁 断接性、网络条件多样性、网络通信的非对称性、不可靠性、规模易变性及电源 能力有限等特点。这些特点都要求移动实时数据库系统必须具有比传统客户服务 器及分布式数据库系统高得多的可伸缩性。同时，那些传统分布式计算和分布式 数据库的研究基于有线网络和固定主机的默认隐含假设，如固定网络连接、对等 通讯代价、主机节点固定不变等在此也己不再成立。 二十世纪9 0 年代，与移动电话市场相比，移动计算市场还不成熟，主要原因 是速率低、费用高以及产品的标准混乱。但随着信息社会的发展，人们对使用信 息的场合、时间、方式和方法提出了越来越多全新的概念，人们不再满足于传统 的局限在有限空间里的信息存取方式，也不再满足于固定的信息存取模式，人们 希望能随时随地查询数据，甚至在移动的过程中处理数据，如在旅途中处理日常 办公事务，查询交通、天气预报等信息。在商务领域，“电子商务”正受到来自“移 动商务”的挑战，这意味着移动计算技术会给企业应用模式带来彻底的变革。 同时，通讯技术和相应硬件、软件技术的飞速发展也为移动计算技术的发展 提供了可靠的技术保障。移动通信广域网从模拟网到第二代数字移动通信网，还 将继续过渡到第三代，目前已过渡到二代半，g p r s 的引入，使分组交换与移动通 信结合，给移动计算提供了传输手段，移动通信广域网、无线局域网、红外技术、 卫星网络等移动通信技术给移动计算的发展提供了基础，近年来，无线通信可提 供的速率在不断地增长，二十世纪9 0 年代的移动计算机系统速率是4 8 - 8 k b i t s ，g s m 数字移动通信的速率是9 6 k b i t s ，而二十一世纪g p r s 可提供 的速率最高可达1 7 1 k b i t s ，第三代移动通信可提供达2 m b i t s 的速率；电子技 术的发展，设备生产的国产化，使无线通信的成本越来越低，目前移动通信设备 的造价不到移动建设初期成本的3 0 ，移动计算的费用也在不断降低，移动通信 和i n t e r n e t 上网对用户的收费一直在下调，而且g p r s 的引入，按照数据流量 ( 即只在用户收发数据时) 计费，使用户上网费用大大降低：移动计算机终端的发 展，为移动计算的发展提供了可能，笔记本电脑、膝上型电脑、个人数字助理( p d a ) 的增长率己经远远超过p c 机的增长率：移动计算的相关规范正在逐步标准化， 网络规范、通信和应用软件在逐步的向规范、标准化的方向迈进。 在以上这些因素的交互作用下，移动计算技术在许多领域中获得了巨大的成 1 0 武汉理r 大学硕士学位论文 功，并涌现出许多令人耳目一新的实用系统，如基于g p s 的自动派遣系统、实时 数据采集系统、移动办公系统等。 3 1 2 移动数据库的特点 移动数据库技术是数据库技术和移动计算技术的融合，它将传统的数据库技 术应用到移动计算环境中，借助于移动终端设备及无线通信设备，使得数据库系 统的应用脱离了地理位置等条件的限制，而变得更为灵活。其典型的运行环境如 图3 1 所示： 图中，m s s ( m o b i l es u p p o r ts t a t i o n ) ：移动支持站，带有无线通讯接口。 删( m o b i l eu n i t ) ：移动结点。 m c ( m o b i l eh o s t ) ：移动客户端。 f h ( f i x e dh o s t ) ：固定主机，不带无线通讯接口。 在移动计算环境下，m s s 之间通过固定网络相互通信；m s s 通过无线接口与位 于它所负责的无线通信单元内的移动主机m c 通信，传递本地m c 与固定网络的数 据与消息：每个m c 在任何时刻只能同一个m s s 通信；m c 之间不直接通信，而是通 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 过所在单元内m s s 中转。由于其特殊的运行环境，一般认为典型移动数据库系统 具备如下结构特征和功能性： ( 1 )移动性：在移动计算环境中，最突出的特征是设备的移动性，包括移 动设备的移动性和移动事务的移动性。一个移动设备可以在不同的 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 平台的移动性导致了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。 ( 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，一般不采用保持持续联网 的工作方式，而是主动或被动地间歇性入网、断接“1 。移动数据库 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，表现为固定服务器节点可以拥有强大的发送设 备，而移动计算机的发送能力却非常有限，于是下行链路( 服务器 到移动计算机) 的通信带宽与代价和上行链路( 移动计算机到服务 器) 相差很大。在一个无线单元内，从服务器到移动客户机的下行通 信带宽般要远大于从移动客户机到服务器的上行通信带宽，在应 用8 0 2 1 l a 标准的无线网络中，下行通信带宽可达1 0 到1 l i - f o p s ，在 8 0 2 1 l b - g 标准下可达到5 4 m b p s ，而上行通信带宽却只有几百k b p s ， 而且移动客户机从服务器接受数据的开销也远小于发送开销。这要 求移动数据库的实现中采用适合的方式( 如数据广播) 等来传递数 据。 ( 4 )低可靠性：无线网络与固定网络相比，可靠性较低，而且易受到干 扰而出现网络故障；此外移动设备由于其便携性也带来很多潜在的 不安全因素。 ( 5 )移动设备的资源有限性：与固定设备相比，移动设备资源相对有限， 如c p u 速度、存储容量、电源能力等。 武汉理丁大学硕十学位论文 3 1 3 移动数据库的体系结构 移动数据库系统是分布式数据库系统的扩充和发展，所以其结构类似于分布 式数据库系统。在移动数据库系统中，一般包括两大部分：一部分是固定位置的 主机和运行在其上的通用数据库管理系统，另一部分是移动设备和小型的嵌入式 数据库管理系统。这两个部分通过中间层连接在一起。图3 2 所示的是一个移动 数据库系统的参考结构。 注：s y n cs e r w r ：n 步服务器( 鸯f d b s ：f i x e dd a m b a s 州州固定网络上的数据库服务器) r e p ：r e p l i c a t i o n ( 数据库副本) m h ：m o b i l eh 璐“移动主机) l s ：l o c a t i o ns e r v e r ( 位置服务嚣) e m d b ；e m b e dd a t a b ；a s e 0 嵌入式移动数据库) 图3 2 移动数据库体系结构 在图示的系统结构中，固定主机主要包括数据库服务器( f d b s ) 、位置服务器 ( l s ) 、和同步服务器( s y n cs e r v e r ) 。每个数据库服务器维护一个本地数据库， 武汉理t 大学硕+ 学位论文 服务器可以是彼此独立的，也可以由可靠的高速互联网连接在一起，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，并可以保存所 有请求的历史记录；同步服务器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， 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；位置服务器用来定位移动设备当前所在区域。 移动客户端( 删m c ) 通常通过中间层，如m s s ，与固定网络连接。移动客户 端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) 。由于有嵌入式移动数据库( e m d b ) 系统支持，移 动终端上可以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。 每当移动客户端发出一个查询请求时，它首先查询本地数据库，如果找到满足查 询条件的数据则直接返回给移动客户端，否则就提交查询请求，由中心数据库代 替移动客户端完成查询并将结果返回给移动客户端( 前提是两者处于连接状态) 。 若移动客户端处于断接状态，则也只能在移动客户端上执行本地查询。在断接状 态时，如果用户更新了移动客户端上的数据，则该数据将在中心数据库再次连接 时，进行数据重集成，通过一致性维护算法来保证一致性。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。 3 2 移动数据库的关键技术 移动数据库涉及到数据库技术、分布式计算技术、移动通讯技术以及嵌入式 技术等多个学科领域，己经受到多个领域的研究者关注，这些研究涵盖了移动数 据库的关键技术，如复制与缓存技术、数据广播技术、移动事务处理、移动查询 处理与优化、位置相关的数据处理及查询技术、移动信息发布技术、移动数据库 的安全技术等。下面分别加以简单介绍。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 3 2 1 移动事务处理技术 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。在传统的数据库 系统中，一个事务由一系列读写操作组成。事务处理必须满足原子性、一致性、 隔离性和永久性( 简称a c i d ) 四个准则。移动事务通常属于长事务，因此事务执 行时易出错，而且通常要访问更加复杂的数据资源，因此需要研究适应于移动计 算环境的新的事务模型。如何解决移动事务的移动性、频繁断接性及对交互式事 务的处理都是移动事务研究的重点。 移动事务处理技术的要点主要有下面三个方面： ( 1 ) 移动事务有可能跨越多个无线通信单元，因此该移动事务的管理工作可能 涉及多个移动支持工作站，如何描述移动事务的移动性、如何保证多个移动支持 工作站平滑地合作管理移动事务问题。 ( 2 ) 如何在和移动支持工作站经常断开连接的情况下对移动单元提交的事务 进行有效的，平滑的管理。 ( 3 ) 为了防止操作失败导致数据库的完整性被破坏，m c 的数据管理机构还应提 供对于事务故障、系统故障和介质故障有效的恢复，从而为用户提供可靠一致的 数据库视图。 3 2 2 复制和缓存技术 传统的复制技术主要考虑在服务器之间的复制，并假设服务器是经常连接且复 制位置固定不变。传统的缓存技术要