（计算机应用技术专业论文）移动数据库在管理信息系统中的应用研究.pdf

武汉理t 大学硕士学位论文 摘要 移动数据库技术是分布式数据库技术和分柿式计算研究的重要分支 移动数据库是为了适应移动计算环境下的数据存取需求而产生和发展起来 的 通常可以看作是传统分布式数据库的扩展 移动计算环境相对于传统 分布式计算环境具有的新特点 使得传统分布式数据库中的技术不能完全 应用到移动数据库中 本文首先介绍了移动数据库的几个关键技术 并重点对复制和缓存及 数据一致性问题傲了深入的分析和研究 在此基础上提出了一种支持断接 操作的新策略 此策略分别从客户机缓存数据管理和数据同步及冲突检测 两个方面进行了研究 并将这两个方面有机的沟通整合起来 从而提高了 移动终端在断接情况下访问数据的有效性以及重新联机时暂态事务的提交 成功率 文章同时介绍了e m i s 恩旌州交通管理信息系统 的体系结构及主要 模块 并重点介绍了涉及移动应用的进度管理模块 从理论上给出了移动 数据库在此模块上的实现 关键字 移动计算 移动数据库 断接操作 复制和缓存 数据同步 m i s 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h em o b i l ed a t a b a s ei sab r a n c ho ft h es t u d yo fd i s t r i b u t e dd a t a b a s ea n d d i s t r i b u t e dc o m p u t i n g t h em o b i l ed a t a b a s ec a l lb et h o u g h ta st h ee x t e n s i o no f t h et r a d i t i o n a ld i s t r i b u t e dd a t a b a s e b u ta st h ed i f f e r e n tc h a r a c t e r i s t i c sb e t w e e n t h em o b i l ec o m p u t i n ga n dt h et r a d i t i o n a ld i s t r i b u t e dc o m p u t i n g t h et e c h n i q u e f o rd i s t r i b u t e dd a t a b a s ec a n tb e u s e di nm o b i l ed a t a b a s ec o m p l e t e l y f i r s t l y i nt h i sp a p e r t h i sp a p e ri n t r o d u c e ds e v e r a lk e yt e c h n o l o g i e su s e di n m o b i l ed a t a b a s e f o c u s i n go nt h es t u d yo fd a t ar e p l i c a t i o n c a c h ea n dd a t a c o n s i s t e n c y b a s e do nt h ea b o v ek n o w l e d g ew ep u tf o r w a r dan e ws t r a t e g yt o h a n d l et h ed i s c o n n e c t e do p e r a t i o n t h i ss t r a t e g ys e p a r a t e l ys t u d i e do nt h ed a t a m a n a g e m e n to nc a c h ei nm o b i l ec l i e n ta n dd a t as y n c h r o n i z a t i o n f u r t h e r m o r e i t c o m b i n et w oa s p e c t st oa t t a i nt h ed a t aa c c e s s i n gv a l i d i t yf o rm o b i l ec l i e n ti n d i s c o n n e c t e ds i t u a t i o na n dc o m m i t t i n gp r o b a b i l i t yo ft e m p o r a r yt r a n s a c t i o n r e p r o c e s s e di nt h es e r v e r f u r t h e r m o r e t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h ea r c h i t e c t u r ea n dm a i nm o d u l ei n e m i s f o c u s i n go l lt h es c h e d u l em o d u l et h a ta p p l i e di nm o b i l ed a t a b a s e t h e o r e t i c a l l y k e yw o r d s m o b i l ec o m p u t i n g m o b i l ed a t a b a s e d i s c o n n e c t e do p e r a t i o n d a t ar e p l i c a t i o n c a c h e d a t as y n c h r o n i z a t i o n m i s 此页若属实 请申请人及导师签名 独创性声明 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 据我所知 除了文中特剐加以标注和致谢 的地方外 论文中不包古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己 在论文中作了明确的说明并表示7 谢意 研究生签名 堡 1 日期宝 叠三 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内容 瓢以采用影印 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 研究生签名 垒 蛙 空导师签名 注 请将此声明装订在论文的目录前 期苎 笸 幺汐 武汉理工夫学硕上学位论文 第1 章引言 随着无线通信技术和计算机硬件技术的发展 以计算机网络为中心的 移动计算技术得到了广泛应用和发展 使得在任何时候 任何地点访问任 何所需信息成为可能 移动计算技术的应用促进了无线技术与数据库技术 的融合 推动了移动数据库技术的发展 移动数据库作为分布式数据库的 延伸和扩展 拥有分布式数据库的诸多优点和独有特征 有着广泛的应用 前景 所谓移动数据库技术是指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 移动数据库技术在移动计算平台 如h p c p d a 家庭信息环境 如 机顶盒和数字电视 通讯计算平台 电子商务平台 如智能卡应用 车 载计算平台等领域得到广泛的应用 正是基于这一事实 各国研究机构纷 纷展开了对移动数据库的研究 各大数据库厂商也将开发现有数据库系统 的移动数据库作为一个重要的发展方向 例如o r a c l e 公司的o r a c l el i t e i b m 公司的d b 2e v e r y w h e r e s y b a s e 公司的i a n y w h e r e 等针对移动计算环 境设计开发的产品相继推出 国内针对这一领域的主要的产品有人民大学 的 小金灵 嵌入式数据库 宝钢东软的嵌入式数据库o p e n b a s em i n i 北京大学的嵌入式数据库e c o b a s e 华中科技大学的d m 2 武汉大学的 w d d b s 3 2 东北大学的m u f o n e t 以及东南大学的s u n d d b 等 移动计算机技术的不断发展 已经使得移动终端所面对的不再是单纯 应用界面 而逐渐发展为可支持具有简单数据库管理系统的计算机 但由 于移动设备存在资源的限制 所以移动d b m s 所管理的数据集可能是后端 服务器中数据集的子集或子集的副本 另外 由于移动端的断接性 使得 移动数据库系统中的数据复制和缓存具有新的特征 与复制和缓存紧密相 关联的就是数据同步的问题 移动数据库的一个显著特点是移动终端之问 以及与后端服务器之间的连接是一种弱连接 即低带宽 长延迟 不稳定 和经常性的断开 为了支持用户在弱连接环境下对数据库的操作 现在普 遍采用乐观复制方法允许用户对本地缓存上的数据副本进行操作 待网络 重新连接后再与数据库服务器或其他终端交换数据修改信息 并通过冲突 检测和协调来恢复数据的一致性 武汉理工大学硕士学位论文 综上所述 在移动环境下 如何管理移动客户端的数据集 提高移动 终端在断接情况下访问数据的有效性以及重新联机之后数据的同步问题成 为移动数据库中的一个研究重点 本论文的主要工作如下 1 本文在移动数据库断接操作的实现方面进行了研究 通过分析得 出 实现断接操作有两个主要任务 网络断开前移动客户端缓存 的数据收集和网络重连接后各数据副本的数据同步及一致性维护 文中通过对这两种实现技术现状的研究 提出了一种基于客户端缓 存数据分类的同步机制 2 此同步机制将数据库中的数据根据使用性质分为三种 私有数据 公共数据和共享数据 在数据同步过程中基于不同种类的数据采用 不同的策略 移动客户端的缓存具有三种工作状态 一致性状态 断接状态和集成状态 在一致性状态下进行数据收集工作 每个进 入缓存的数据项都有一个优先级和数据类别的属性 根据移动客户 端事务操作的结果集和用户的需求进行缓存内容的更新及置换 在 断接状态下 客户端与服务器暂时断开连接 此时在客户端对数据 库的操作主要是在其缓存上实现的 在集成状态 私有数据在客户 端的操作可以直接上传到服务器端而无需冲突检测 只有共享数据 才需要进行冲突检测 从而提高了系统效率和暂时事务的成功提交 率 3 本文将这种同步机制应用到信息管理系统中去 针对系统的使用环 境对其进度管理模块进行了移动应用 从理论上分别给出了移动数 据库的客户端和服务器端在此模块上的实现 2 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章移动数据库概述 2 1 移动计算环境 随着网络技术的迅速发展和不断渗透 在任何时候 任何地点能接入 信息网获得所需的信息成为2 1 世纪人类的普遍需求 移动计算技术使这种 需求得以实现 移动计算的英文是 m o b i l ec o m p u t i n g 狭义的定义 为 使用便携终端在流动中进行信息处理 便携终端通常指体积小 重量 轻 集成度高的便携机 如笔记本电脑 掌上型的个人数字助理 p d a 个人通信器 p e r s o n a lc o m m u n i c a t o r 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 在传统的分布计算系统中 各个结点之间都是假定通过固定网络连接 并保持网络的持续连接性 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他移动结点的连接 一个典型的移动计算系统由移动客户机 无线单元 移动支持结点 固定 图2 1 移动计算环境的典型结构 3 武汉理工大学硕士学位论文 m u m o b i l eu n i t 移动结点 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 f h f i x e dh o s t 固定主机 没有无线通讯接口 在图2 1 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 又将这一部分网络称为可信部分 在固定网络中 连接 着一类特殊的结点 图示中的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的服务访问 一个移动支持 站所能覆盖的范围称为一个蜂窝 c e l l 每个蜂窝的大小是不同的 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 移动计算环境可以说是传统的分布式计算环境的扩充和延伸 在传统 的分布式计算环境中 各个计算结点间都是假设以固定网络连接 并且网 络连接是持续的 而在移动计算环境中 这些假设条件不再成立 整个移 动计算系统是由固定结点和移动结点共同构成的 这使得用户不再需要停 留在某个固定位置 而是可以携带便携式信息设备任意自由移动 而且在 移动的同时能保持和网络的连接以及对信息的访问 和传统分布式计算环 境相比 移动计算环境具有一下一些特点1 3 1 1 4 1 1 5 1 1 移动信息设备资源有限 目前的便携式移动信息设备 和个人电脑 相比 在计算能力 存储能力 电源 屏幕尺寸等方面资源还十分 有限 2 要求对设备移动性的支持 传统的分布式计算环境中 设备是固定 的 而在移动计算环境中 设备可以任意移动 而且要求在移动过 程中仍然要保持通讯和信息的处理 3 频繁的断接性 和分布式环境中主机之间持续的连接不同 由于设 备移动性所带来的网络环境的变化 以及昂贵的无线通讯费用 移 动计算环境中的移动信息设备和移动支持站之间可能会经常处于 主动或者被动的断接状态 这就要求移动计算系统的应用程序在断 接情况下仍然可以正常操作 4 无线网络通讯的不平衡性 在无线通讯中 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 表现在固定服务器结点可 以拥有强大的发送设备 而移动信息设备的发送能力非常有限 于 是下行链路 从服务器到移动结点 的通信带宽和代价与上行链路 4 武汉理工大学硕士学位论文 相差很大 这就要求系统的设计和实现要充分考虑这种差异 以便 最大化利用有限的网络资源 5 网络条件的差异 在移动计算环境中 由于设备的移动性 使得设 备在不同的时间处于不同的空间中 这直接导致了网络条件 例如 网络带宽 网络可靠性等方面 的不同 因此移动计算系统必须考 虑系统的灵活性和适应性 以消除不同的网络条件带来的差异 6 安全性方面的考虑 由于移动计算平台可以远程访问系统资源 从 而带来了新的不安全因素 另外 由于设备的便携性 使得移动设 备比固定设备更容易遗失和损坏 7 规模较大 在很多移动应用环境中 如公交信息系统 都要求系统 同时支持大量的移动用户并发访问 这就要求移动计算系统必须具 有比传统的客户 服务器分布式系统高得多的可伸缩性 因此 虽然移动计算环境和分布式计算环境在很多方面有共同之处 但由于上述的这些不同于分布式环境的特点 传统的分布式计算环境中的 技术和方法不能或者不能有效地支持移动计算环境 必须对原有的技术和 方法加以改进或者采用一些新的技术 才能使移动计算应用更好地为人们 所用 5 1 如今 移动计算己经成为了一个独立的学科分支 覆盖了许多领域的 研究课题 例如移动硬件设备技术 移动通信技术 移动网络技术 数据 链路层 网络层 传输层等 以及应用层的各种软件技术 如无线w w w 访问 移动数据库技术 无线客户 服务器应用 等许多方面巧1 近些年来 移动计算的发展还带动了一个更为广泛的研究领域 称为 普适计算 p e r v a s i v ec o m p u t i n g 或者无处不在的计算 u b i q u i t o u s c o m p u t i n g 1 无处不在的计算研究领域的先锋人物m a r kw e i s e r 把无处不 在的计算称为计算领域的第三次浪潮 无处不在的计算比移动计算延伸的 范围更广 连接到网络中的设备不再局限于通常的信息设备 而是任何电 子设备 例如家用电器等 都有可能成为网络中的一部分 这将使得网络 和信息渗透到生活和工作的每一个角落 网络和信息将无处不在 这也正 是无处不在的计算这个名称的由来 2 2 移动数据库的系统结构 移动数据库的目的就是有效地支持移动计算环境中的各种数据使用 满足在任意地点任意时刻访问任意数据的要求 在上述移动计算环境的基 础上 可以建立一个移动数据库的系统模型如图2 2 所示 武汉理工大学硕士学位论文 固 m c 图2 2 移动数据库系统结构 d s d a t a b a s es c i c r 数据库服务器 服务器之间通过高速网络相连 每个数据库服务器管理一个数据库副本 l s l o c a t i o ns e r v e r 位置服务器 m c m o b i l ec l i e n t 移动客户端 可以是掌上电脑 p d a 便携式电 脑等 移动客户端通过移动数据库系统管理本机的一部分数据库副本 可 以通过无线链路与 个m s s 通信 从而与整个固定网络连通 m s s m o b i l es u p p o r ts t a d o n 移动支持结点 处于固定网络中 通过 无线链路与移动客户端相连 提供移动客户端到固定网络的移动接入支持 r e p r e p l i c a t i o n 数据库副本 结合图2 2 的移动数据库系统结构可以看出 移动数据库系统和传统 的分布式数据库管理系统有很多相似的方面 一般都把移动数据库系统看 作是分布式数据库管理系统的继承和发展 是对分布式数据库的延伸和推 广 而分布式数据库管理系统则可以看作是移动数据库系统的一种特殊形 式 如图2 2 的系统结构所示 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者间接应用到移动数据库系统 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 6 武汉理工大学硕士学位论文 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 或者甚至需要提出一些新的解决方案 2 3 移动数据库的关键技术和研究目标 2 3 1 移动数据库的关键技术 移动数据库涉及的理论和技术涵盖了当今通信和计算机发展的最新成 果 其中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 移动 数据库的关键技术集中在如下几个方面 1 复制与缓存技术 数据复制 d a t ar e p l i c a t i o n 的主要目的是提高分布式数据库系统的可 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问的复制 并且假设服务器之间是经常保持联接的 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好复制布局后就固定不变了 如果系统中用 户访问模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 因此 传统复制技术在移动计算环境中不能有效的工作 缓存 c a c h e 技术则是通过在客户机上缓存部分数据 达到减少访问 数据库服务器的目的 从而提高系统性能 但传统缓存技术要求服务器与 客户机经常保持联系才能维护缓存的一致性 因此 对于经常要断接操作 的移动客户机来说 传统缓存技术也是不能适用的 2 数据广播技术 在一个无线单元以内 从服务器到m c m o b i l ec l i e n t 的下行通信宽 带一般要远大于从m c 到服务器上行通行宽带 而且m c 从服务器接收数 据的开销也远小于发送开销 在极端情况下 即使是处于断接状态的m c 也可利用这种网络的非对称性 将大多数m c 用户频繁访问的数据组织起 来 以周期性的广播形式提供给m c 访问 这就是移动计算环境下的数据 广播技术 与传统的服务器 客户机联机数据请求方式相比 这种数据广播 技术具有以下优点 1 因为服务器广播数据的开销与接收广播的m c 个数是无关 的 因此可以很小的代价支持大量的m c 同时访问数掘 2 m c 可以不需要数据缓存 因此不再需要预测未来的数据 请求 3 即使在断接时也允许m c 访问到最新数据 4 m c 从数据广播中获取数据 可以避免或减少与服务器问的 7 武汉理工大学硕士学位论文 上行网络通信 5 即使m c 事先不知道数据的存在 服务器也可以利用数据 广播将新产生的数据发送给m c 数据广播技术中的首要问题是如何调度待广播的数据 优化数据广播 的访问时问与调谐时间 访问时间代表了m c 访问广播数据的等待时间 而调谐时问则反映了m c 为接收指定数据而保持接听数据广播的总时间 目前这方面的研究还在处于初级阶段 3 移动查询处理 在移动数据库系统中 存在着与位置相关信息的查询及更新 这方面 的研究与时态 空间数据库有一定相关性1 7 1 在这方面最具有代表性的是 o u r iw o l f s o n 等人开展的d o m o i n o 项目 8 该项目的研究是在现有关 系d b m s 的外部在封装一层用于解决与移动对象位置相关的查询 他们设 计了m o s t 模型来描述移动对象 对传统的s q l 语言进行扩展来查询位置 相关信息 在移动查询优化方面 r a l o n s o n 提出了一种基于电源消耗的移 动查询优化模型 还给出了设计移动数据库系统的一些准则1 1 2 1 另钋 a es i s t l a 在具有空间查询能力的s q l 方面进行了大量的研究工作 8 1 m h d u n h a m 等对位置相关数据和查询研究进行了形式化描述和讨论 1 3 1 4 移动事务处理 事务是数据库理论中的一个重要概念 事务管理是数据库管理系统中 的重要组成部分 在传统的集中式和分布式数据库系统中 用户对数据的 访问都是以事务为单位的 多个事务可以并发执行 数据库系统的并发控 制机制能在保证数据一致性的基础上调度多个事务运行 提高了系统的吞 吐量 在传统数据库系统中 客户端始终与数据库服务器保持连接 任何断 开连接的情况均被视为故障事务而进行处理 因此常规的事务管理器 t r a n s a c t i o nm a n a g e r 能及时的获知各个事务对某个数据元素的操作请 求 并采用如2 p l 时问戳 基于有效性确认等协议进行有效的并发控制 既保证了数据库状态的一致性 又提供了很好的并发性 但是在移动数据库系统中 由于移动计算环境自身的特点 原有的事 务处理技术已经不能很好地支持移动环境下的事务处理 需要为移动环境 下的事务处理寻求一些更为适宜的事务模型 为了方便下文的展开 我们首先引入移动事务的概念 一个移动事务 是指由移动设备用户发起的 并且至少有一个移动用户参与事务执行过程 的事务1 1 4 1 由以上定义可以看出 移动事务实际上是一种分布事务 其中 8 武汉理工大学硕士学位论文 事务的一部分计算工作在移动设备上执行 另 部分在固定服务器上执行 移动事务的以下特点使得移动事务区别于传统的事务1 1 5 1 1 移动性 在事务执行期间 用户可能处于移动的状态 在这种情 况下 事务的执行 事务的管理 事务的状态都会随着用户的移 动而移动 2 长事务 通常情况下 传统的数据库事务执行过程较短 一个事 务很快就结束了 而在移动数据库系统中 由于无线网络通信的 低带宽 高延迟 以及移动设备的频繁断接性等 都可能使得移 动事务成为长事务 3 易错性 由于移动设备不如固定结点可靠 而且无线通信网络也 不如固定网络稳定 因此 与传统数据库事务相比 移动事务更 容易出错 4 异构性 由于移动设备的移动性 移动事务可能需要访问分布的 异构数据库系统 在传统的数据库系统中 事务的a c i d 特性 很好地保证了数据的一 致性 但由于上述的移动事务的不同于传统数据库事务的特征 移动事务 模型通常对传统事务的a c i d 特性的支持都做了不同程度的放松 以期获 得理想的性能 比较有代表性的移动事务模型有簇模型 c l u s t e r i n g 1 1 7 1 p r o m o t i o n 模型1 1 8 1 1 9 1 k a n g a r o o 模型t 2 0 lm d s t p m 模型 2 等 5 a g e n t 技术 移动计算环境的特点 使传统的客户服务器模型己不能满足需要 因 此需要一种更加灵活的体系结构 近年来 关于a g e n t 的研究引起了广泛 的关注 a g e n t 实际上是一个主动的程序实体 它由某个源计算机产生后 就脱离了该计算机的控制而自行执行下去 它可以在网络中漫游 逐个访 问各个相关的服务器 也可以和其他a g e n t 交互协作 直到完成用户赋予 它的任务 o 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1 2 2 1 周兴 铭教授等提出的移动数据库系统的三级体系结构1 2 3 1 南京邮电大学的徐小 龙等人提出的基于智能a g e n t 技术构建移动数据库系统模型1 2 4 1 2 3 2 移动数据库的研究目标 移动数据库系统的目的就是有效地支持移动计算环境中的各种数据应 9 武汉理工大学硕士学位论文 用 满足在任意地点 任意时刻访问任意数据的需求 一个理想的移动数 据库系统应当实现以下四个目标e 2 5 1 可用性与可伸缩性 s c a l a b i l i t y 在保证系统稳定性的同时 提供 高可用性和高伸缩性 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按的情况下访问或 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 2 4 移动数据库的应用 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 下面列举的是几个已经或是将要出现的典型 移动数据库应用 用以说明研究移动数据库技术的必要性及应用前景 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1 0 万个以上的移动用户提供服务 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 并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 一个旅 游者到达一个陌生的城市 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 得到的回答可能会是不同的 4 未来战场应用 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 在军事领域 移动计算有广泛的应用前景 如在战场医疗信息系统 携带移动设备的医护人员常常要查询战区士兵的健康状况 病历等数据 也可能需要访问后方医院的资料 战场战术数据的查询和分发是建立数字 化部队 构建数字化战场的关键技术之一 一个部队可能经常需要向上级 数据库系统查询其所在战区的地形 敌情 雷区 气象等各方面的情报 以支援其作战 此外 移动数据库技术配合g p s 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 2 5 小结 本章对移动计算作了介绍 由此对移动通信技术的发展 移动计算环 境的模型 移动计算环境的特点和移动数据库有了一个深入的了解 在此 基础上 对于移动数据库的介绍 更加清楚地突出了移动数据库的目标和 意义以及相关关键技术 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章实现断接操作相关技术综述 在第二章的2 1 中分析了移动环境的特点 其中突出的一点就是网络连 接的频繁断接性 移动计算环境的这个特点决定了移动数据库不能再是持 续保持在线连接的 移动数据库的一个主要目标就是要保证移动用户在断 接情况下对数据库的有效访问 也就是断接时候能够对数据进行一些必要 的操作 比如查询和更新 这些操作主要是基于客户端缓存而操作的 所 以缓存内容的选择很大程度上决定了数据访问的有效性 在重连机后 为 了保证服务器端数据库与客户端缓存的一致 还需将m c m o b i l ec l i e n t 即 移动客户端 的暂时事务发送到服务器中重新执行 若无冲突则可以将暂 时事务提交 否则夭折1 2 6 1 0 从以上分析可以得出 在移动环境中 为了能 够支持断按操作应有两个主要任务 1 网络断开前移动客户端缓存的数据收集 2 网络重连接后各数据副本的数据同步及一致性维护 目前在这两个方面国内外的许多专家都做了大量细致而深入的研究 并且提出了一系列的解决方案 下面对其进行研究分析 3 1 数据的收集技术 数据收集是将数据装入到移动客户机的缓存中 为即将发生的断接做 准备呓7 埘t 2 9 1 数据收集的目的是使客户机在断接期间能够使用本地数据 自主操作 在某种程度上 数据收集类似传统缓存机制中的预取过程 通 过使数据较快被存取来提高系统性能 预取与数据收集的主要不同之处在 于前者是利用网络通信量低的时候将未来使用可能性最高的数据传送到缓 存 而后者的执行不依赖于计划断接前网络的通信状况 上述两个过程具 有不同的目标 预取试图提高系统的性能 而数据收集试图提高数据的可 用性 3 1 1 数据收集要解决的问题 数据收集要解决的第一个的问题是 收集的单元 粒度 从服务器传 送到移动缓存的数据项的大小依赖于应用环境 可根据使用的数据模型而 有不同的值 在文件系统中 收集单元可能是文件 在关系数据库系统中 可能是属性 元组 多个元组或整个关系 在面向对象的数据库系统中 收集单元为单个对象 多个对象 整个类 第二个问题是 收集哪些数据项 即怎样预计在断接期间哪些数据将 1 2 武汉理t 大学硕士学位论文 为移动客户所需要 解决这个问题的困难在于 哪些数据项将被收集取决 于系统的应用设计 预计未来所需要的数据有两种解决途径 显式的和隐 含的 前一种方法要求用户显式指定哪些数据需要收集 收集描述 后一 种方法则根据以前操作的经历 数据存取经历 推导关于数据项的信息 两种方法可以结合使用以获得更好的性能 第三个问题是 什么时候进行数据收集 如果所有的或者大多数断接 可预报 数据收集可先于断接操作进行 另一个可能性是周期性进行数据 收集 这样可以使客户在不能预报或很少预报的断接时成功进行操作 实 时数据库系统中 事务和数据都有定时限制 收集时还要考虑数据的时效 对于一个断接周期 如果数据的时效小于断接周期 这样的数据将不被收 集 3 1 2 数据收集的关键工作 数据收集最初是一个用于文件系统中的概念 大多文件系统中对断接 操作的支持是通过扩展缓存管理来实现的 第一个支持断接操作的是c o d a 文件系统1 3 0 3 1 用户通过脚本语言指定感兴趣的文件 缓存管理器把这些 文件和l r u 最近最久未使用 算法得到的缓存数据结合起来构成本地缓 存 其收集过程需要用户的指导 另一个文件系统s p y u t i l i t y 通过使用 收集执行树自动进行收集处理b 收集执行树是基于文件引用路径建立的 s e e r 系统的自动预报数据收集是根据用户过去的行为 文件存取经历 寻 找文件系统间的语义关系 文件用一种称为语义距离的度量聚集在一起 语义距离是对文件之间关联密切度的度量臼3 11 3 4 1 在数据库系统中数据收集变得非常复杂 有下列原因 1 对于文件系统 收集的单位为文件 它对应于关系数据库中的关系 和面向对象数据库中的对象类 但是 这个粒度并不合适 较小的 粒度如属性 元组或部分元组将更有意义并能获得更好的性能 2 使用过去引用的经历推导数据库项问的依赖比标识出文件之间的 依赖复杂 由于文件系统是按层次组织的 找出文件间的相关相对 容易 一般而言 同一个目录下的文件比不同目录下的文件有更密 切的关系 一个文件系统下的用户通常只需要有限数量的文件 整 个文件系统的 部分 来完成工作 而数据库系统的查询可能涉 及大量的数据库 这意味着必须缓存大量的数据以支持数据库系统 的断接操作 3 在文件系统中 已有很好支持断接操作的系统实现 如收集算法 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 日志优化 重新连接后的冲突检测与消解 在数据库系统中 这些 问题正处于广泛研究中 仅有为解决数据库断接操作的一些尝试 文献 3 5 中 将数据挖掘技术引入到数据收集中 通过建立数据之 间的关联规则 提出了一种通用的自动数据收集算法 文献 3 6 中 介绍一种在面向对象数据库中通过扩展缓存管理来支 持断接操作的方法 它使用了三种级别的粒度 属性缓存 对象缓存 混 合缓存 试图在缓存中保存经常查询的数据项 文献 3 7 1 3 8 中 提出关系数据库的数据收集方法 数据库设计者 定义收集关键字 期望用来获取典型的存取模式 按关键字关系分成水平 段 以此作为收集单元 其问题是既然收集段是数据库管理员基于收集关 键字的定义而产生的 收集段对于一些移动客户可能没有意义 此外还有基于过去存取经历的收集方法1 3 9 1 以及基于概率图的数据收 集算法 4 0 1 3 2 数据复制 缓存技术 通过数据收集 将事务存取的数据特别是经常存取的数据缓存在移动 主机上 这样减少移动主机与固定主机的通信 从丽节省无线带宽 同时 在移动主机上缓存数据 使移动用户在断接时使用缓存数据完成事务处理 提高了数据的可用性 因此 在移动主机上缓存相关数据是移动环境中提 高系统性能的手段之一 设计一个有效缓存机制包括以下几个重要问题 1 缓存什么 什么时候缓存 缓存多长时问 2 什么时候以及如何使缓存失效 以什么粒度 3 以什么样的代价提供给用户数据一致性 由于移动主机可与固定主机断接 并可关机 特别在长时间断接后 移动主机很难知道其缓存的数据是否有效 因此缓存的一致性管理是移动 计算环境中的一个难点 缓存的一致性 c a c h ec o n s i s t e n c y 是指移动客户 缓存的数据与服务器中的数据保持一致 服务器数据更新及时反映到移动 客户中 移动客户对缓存的数据的更新及时传送到服务器中 再由服务器 传送到相关移动客户中 在移动实时数据库管理系统中 数据具有定时限 制 除了考虑通常的数据一致性外还要考虑数据库的一致性及数据的时效 数据复制 d a t ar e p l i c a t i o n 的主要目的是提高分布式数据库系统的可 用性 可靠性以及访问性能 在分布式数据库中 将同一数据对象复制成 多个副本放在不同的场地 用户的读写请求可以在多个场地得到满足 从 而提高系统的性能 同时 数据复制增强了系统的容错能力 提高了系统 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 的可用性 但是 与传统的分布式数据库中的复制不同的是 传统复制技术主要 考虑服务器之问的复制 并且假设服务器之间是经常保持连接的 并且 传统的复制策略都是静态的 即由管理员统一安排好复制布局后就固定不 变了 如果系统中用户访问模型发生较大变化而要求改变布局的时候 必 须要有管理员重新配置分布系统 因此 传统的复制技术在移动计算环境 中不能有效工作 与复制紧密相关的缓存 c a c h e 技术 缓存技术也在传统的分布式数 据库中得到广泛的应用 它通过在客户机上缓存部分数据 达到减少访问 数据库服务器的目的 从而提高性能 但是 传统的缓存技术要求客户机 保持与服务器的连接 才能维护缓存的一致性 因此对于经常需要断接的 移动客户机来讲 传统的缓存技术也不能适用 目前 针对移动计算的特点对复制和缓存技术展开了研究 最主要的 研究成果有 1 两级复制 j i m g r a y 等人在 1 中提出了适应移动计算环境的两级复制算法 这 是一种移动计算环境下极具代表性的算法 其主要贡献是引入了将系统进 行分级的思想 该算法充分考虑了典型的移动计算环境中可信部分和移动 部分的性能差异 将整个移动计算环境分为两级 第一级为通过固定网络 保持连接的基结点 每个基结点维护数据库的一个副本 第二级为时常处 于断接状态的移动结点 也存有数据库的部分副本 第一级复制是基结点 之间的复制 第二级复制是指移动结点与基结点之间的复制 这样 可信 部分总能保持传统分布计算环境下的若干特征 而不会因为移动计算的引 入对系统性能产生不良影响 在两级复制算法中 j i m g r a y 引入了基本事务 b a s e t r a n s a c t i o n 与暂态 事务 t e n t a t i v et r a n s a c t i o n 的概念 在移动结点上 每个数据对象都保存有 两个版本 主版本 m a s t e rv e r s i o n 和暂态版本 t e n t a t i v ev e r s i o n 在移动结 点和网络断开连接时 所有对数据的存取作为暂态事务在暂态版本的数据 副本上执行 并产生新的暂态版本数掘 当重新和网络连接时 所有的暂 态事务将提交给m s s 并转化为相应的基本事务在基结点上重新执行 系 统要比较暂态事务和对应基事务的执行结果 如果结果相同 则暂态事务 提交成功 暂态版本数据转化为主版本数据 否则 要回滚暂态事务的结 果 为了提高暂态事务在基结点上提交的成功率 系统可以规定若干约束 条件 系统将比较试验事务与基本事务结果问的差异 如果差异不违反这 武汉理工大学硕士学位论文 些约束条件 则认为事务成功完成 事务的结果永久性地写入到数据主版 本中 否则 事务宣告失败 服务器会向m h 通知失败原因 同时所有其 他读取该事务写集的事务也宣告失败 两级复制机制是解决移动计算环境下支持断接操作的一种可行办法 系统采用分级的方法提高了系统的可扩展性 用户可以自行定义暂态事务 与基本事务执行结果的可接受差异范围 增加了系统的灵活性 但是所有 的事务都要作为暂态事务和基本事务两次在移动结点和基结点上重复执 行 系统开销较大 在同一个移动结点上 暂态事务的执行结果对其他暂 态事务来说是可视的 这在某种程度上提高了系统的可用性 但也增加了 级联回滚的可能性 2 c o d a 文件系统 c o d a 系统是由美国卡奈基 梅隆大学 c m u 研制的一种支持移动计 算的分布式文件系统 c o d a 文件系统的目的是支持移动客户机在与服务器 断开网络连接时 能够继续使用c o d a 文件系统 与两级复制不同的是 c o d a 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 在 用户看来 c o d a 是一个集中的 位置透明的共享文件系统 c o d a 使用两种 不同而又互补机制来获得高度的可用性 第一种机制是服务器复制 允许 文件卷在多个服务器上拥有读写复制 另一种是断接操作 它允许客户机 在断接时 可以继续访问c o d a 文件系统 它采用的方案是在移动客户端增 加一个称之为v e n u s 的核心部件 v e n u s 在客户端断按时 通过本地缓存来 完成用户的请求 并且在客户重新联机时候将用户的更新结果送给服务器 经过一段时间的使用表明 c o d a 系统基本上达到了预期目标 能够比较好 的支持断接操作 具有移动的实用性 但它是基于分布文件系统为研究基 础 而不能有效支持移动数据库系统 3 缓存失效报告广播技术 移动客户机与服务器之间的无线网络带宽有限 而缓存技术可以有效 的减少通讯量 从而避免网络的拥塞 但是传统的两种维护客户缓存的有 效性的方法 服务器发送缓存失效信息给客户机和客户机通过查询服务柬 验证缓存的有效性都不适合维护移动客户机的缓存 d b a r b a r a 和 t i m i e l i n s k i 等人提出了一种新的缓存失效报告技术 4 称为缓存失效报告 广播技术 服务器定期或者异步地广播缓存失效报告 使移动客户机的缓 存保持同步 其中缓存失效报告可以有多种组织形式 缓存失效报告由最 近w 秒内被更新的数据对象的最新时间戳构成 或者缓存失效报告指包括 上次广播以来被更新数据对象的标示符 由于移动客户机断接频率的不同 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 上述两种算法各有不同的适用范围 4 三级复制 将数据广播技术纳入到移动数据库复制机制中 提出了三级复制的体 系结构n 3 m 1 t h r e e t i e rr e p l i c a t i o na r c h i t e c t u r e t r r 即服务器复制 空中复制和客户机缓存复制 其结构h 如图3 1 所示 它能灵活有效地支持 各种类型的移动数据应用 实现上面提到的移动数据库的四个基本目标 上 服务器级复制数据广播 户请求 机缓存 图3 1 三层复制体系结构示意图 第一层复制是指服务器之间利用传统的复制技术在固定高速网络中所 进行的复制 称之为 服务器级复制 为了支持移动计算环境 一般采用 一种弱一致性服务器级复制机s u w e a k l yc o n s i s t e n ts e r v e rr e p l i c a t i o n 简称 w c s r 这种策略让每个复制服务器都支持查询与更新操作 并且允许各 个复制之间存在暂时的不一致 因此 一个用户在访问数据库时 只需要 访问一个复制服务器即可 而且不仅可以执行查询事务 还支持更新事务 服务器接到一个查询事务之后 根据本地数据库的状态返回查询结果 对 于更新事务 服务器则将其记入暂时事务日志中