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1、嵌入式挪动数据库及关键技术研究ronggang导语：随着互联网络技术和无线通讯技术的开展，嵌入式挪动数据库技术已成为目前数据库领域的一个新的研究分支。文中分析了嵌入式挪动数据库的体系构造，系统地阐述了嵌入式挪动数据库的关键技术，并完善了相应的解决方案摘要：随着互联网络技术和无线通讯技术的开展，嵌入式挪动数据库技术已成为目前数据库领域的一个新的研究分支。文中分析了嵌入式挪动数据库的体系构造，系统地阐述了嵌入式挪动数据库的关键技术，并完善了相应的解决方案。关键字：嵌入式系统;体系构造;挪动数据库随着嵌入式系统和无线通讯网络技术的飞速开展，出现了挪动办公、挪动通讯等崭新的挪动效劳理念，人们对获取信息
2、和使用信息的场合、时间、方式及方法提出了越来越多的需求。在这种应用需求推动的背景下，嵌入式挪动数据库应运而生，成了近年来数据库开展的一个重要分支。本文对嵌入式挪动数据库系统进展了深化的研究，完善和解决了嵌入式挪动数据库系统的关键技术。2嵌入式挪动数据库的系统模型在传统的分布式计算系统中，各个计算节点是通过固定网络连接并保持网络的技术连接性的，而挪动计算系统改变了这种假设条件。挪动计算系统是固定节点和挪动节点构成的分布式计算系统。挪动计算的网络环境具有鲜明的特点：挪动性、断接性、带宽多样性、可伸缩性、弱可靠性、网络通讯的非对称性、电源才能的局限性等。挪动环境中的分布式数据库就是挪动数据库。它是传
3、统分布式数据库系统的扩展，可以看作客户与固定效劳器节点动态连接的分布式系统。挪动数据库系统的模型26如图1所示。其中，挪动客户机MCMobileClient包括便携式电脑、PDA等;MSSMobileSupportStation支持挪动计算的固定节点，具有无线通讯接口;FHFixedHost没有无线通讯接口，安装有数据库和数据库治理系统。3嵌入式挪动数据库的关键技术挪动数据库涉及的理论和技术涵盖了当今通讯和计算机开展的最新的成果，其中，在挪动环境下怎样进展数据治理是实现挪动数据库的关键。在挪动数据库系统设计中，需要考虑众多在传统分布式数据库系统中不需要考虑的问题，如客户端的挪动、客户端与网络的
4、频繁断接、网络条件多样性、网络通讯非对称、挪动计算部件电源容量有限、可靠性低、伸缩性高、客户端与效劳器数据的不一致性、挪动数据查询等问题。为理解决上述问题，关于数据复制/缓存技术、数据播送技术、位置相关的查询优化等技术的研究，在挪动数据库中具有十分重要的意义。这些技术都是解决由于客户端挪动而带来的一系列问题的关键性技术。下面对挪动数据库所涉及的几个关键性技术进展具体的阐述。3.1数据复制/缓存技术该技术是解决挪动数据库断接性的关键技术。传统的复制/缓存技术都是假设客户机和效劳器之间是经常保持连接的，并基于这个前提来维护一致性。这在挪动计算中是不适用的。目前，人们已经提出了多种挪动复制算法，最典
5、型的一个算法是:三层复制体系构造Three-TierReplicationArchitecture，简称TTR构造，下面我们就以TTR为例来介绍复制。三层复制体系构造3，如图2所示。第一层复制是指效劳器之间利用传统的复制技术在固定高速网络中所进展的复制，称之为“效劳器级复制。为了支持挪动计算环境，一般采用一种弱一致性效劳器级复制机制WeaklyConsistentServerReplication，简称WCSR。这种策略让每个复制效劳器都支持查询与更新操纵，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效劳器即可，而且不仅可以执行查询事务，还支持更新事务
6、。为了降低通讯开销，进步可靠性，WCSR采用了一种周期成对同步的方式，即每个效劳器周期地选择另一个效劳器，两个效劳器之间交换各自的暂时势务日志，经过有限次的成对同步经过，最终使所有数据库状态达成一致。第二层复制是指效劳器利用无线网络固有的播送才能将数据库中经常被大局部用户访问的公共热门数据组织起来，经过MSS向无线网络单元内的所有MC播送，这实际上是在无线播送信道上做数据复制，称之为“空中复制，空中复制充分利用了无线网络非对称性的特点。首先，由于无线网络特有的播送才能与普通网络中的播送显著不同，它可以支持大量MC同时接收，而且不管接收的客户数有多少，MSS的播送代价并不改变，这就允许大规模的挪
7、动用户同时访问被播送的热门数据，极大地进步系统的可伸缩性;其次，由于MC可以从空中复制获得常用的热门数据，使得其向效劳器发送访问恳求的频率也大幅减少，甚至没有必要再与效劳器联机，这不仅可以使MC更有效地使用上行链路或者防止代价较高的无线通讯，而且减少了效劳器处理每个联机MC的开销，进而使效劳器可以同时接收更多联机MC的访问。可见，空中复制是一项开销不大，但却很有实际应用意义的技术。第三层复制是为了支持挪动用户的断接操纵，MC利用本身的处理和存储才能缓存数据库中局部数据，称之为“客户机缓存。由于MC的存储容量无法与数据库效劳器相比，而且普通用户也不需要在断接期间访问整个数据库系统，因此在TTR体
8、系中一般采用一种支持数据库的子集缓存的MC缓存机制，称作MCCMobileClientCaching机制。MCC缓存机制的核心是缓存治理器，它在不同的网络连接条件下具有三种不同的工作状态，即联机状态、脱机状态、集成状态。在联机状态下，缓存治理器将MC用户的事务转交给效劳器执行，并负责建立与维护MC的缓存:在脱机状态下，缓存治理器仿真效劳器的功能，并将用户更新事务记录在本地的脱机事务日志中:在集成状态下，缓存治理器与效劳器合并，并回到联机状态。3.2数据播送通俗地讲，数据播送4是指在挪动计算环境中，利用客户机与效劳器通讯的不对称性，以周期性播送的形式向客户机发送数据。其最大的优点是，播送开销不依
9、靠挪动用户数目的变化而变化，借助数据播送，可以在一定程度上解决挪动数据库系统的断接问题。数据播送技术研究的关键问题是:数据播送调度问题。而数据播送调度的关键是采用什么样的调度算法，怎样确定播送的周期。日前，有关数据播送调度的研究主要集中在访问时间和调谐时间的优化问题上，但存在较大的局限性，如只考虑访问时间的优化或者调谐时间的优化，不能较好地将两者结合起来，且现有的数据播送的调度机制大都缺乏可操纵性，不支持挪动数据库系统的实际应用。针对这些缺乏，数据播送技术研究中有必要从理论上分析访问时间和调谐时间的最优值，并以理论分析为指导，提出一种能在优化调谐时间的同时仍保持较低访问时间的数据播送调度算法。
10、数据播送的调度可以看作一个带宽分配问题:给定所有客户机访问数据项的概率分布，效劳器试图确定每个数据项在播送带宽中所占的最正确比例，然后根据这个比例产生播送程序。一种最简单的调度方法是将所有待播送的数据项简单地并在一起，在每个播送周期里任意数据项都出现一次且只有一次，且每个数据项的平均访问时间都是一样的即播送周期的一半，这种调度称为平坦调度。假如在一个播送调度中，各个数据项出现的次数不一定为1，即所占的带宽比例不一定一样，那么将该调度称作非平坦调度。但是，仅仅确定各数据项的带宽比例是不够的，假如在一个播送周期中数据项的间距即两次出现之间的时间差不均匀，那么非平坦调度并不能产生好的效果。这里可以通
11、过一个简单的例子讲明这一点。如图3所示，包含3个数据项的数据播送可以有3种不同的调度方式:程序a是平坦调度;而程序b和程序c是非平坦调度，其中数据项d1在一个播送周期中出现两次，而数据项d2和d3只出现一次。程序b是一种偏斜调度，由于在一个周期里，数据项d1的两次出现连在一起，使得d1的播送间隔时间不均匀。程序a那么是一种均匀调度，其播送周期中每个数据项在播送带宽中所占的间隔时间都是均匀的，这样，数据项dl好似存在一个速度比d2和d3快一倍的磁盘上，这种调度称为多盘调度Multi-Diskschedule。假设挪动客户机数据项访问恳求的到达是完全随机的，即可能落在数据播送周期内的任意时刻.表1
12、列出了在不同的数据项访问概率分布下三种调度程序的平均访问时间。align=center/align表1讲明了三个问题：首先，当数据项访问概率均匀分布时即为1/3平坦调度的平均访问时间最低。这讲明多盘调度技术不能随意使用，在某些场合下可能得不偿失。其次，当数据项访问概率分布趋向偏斜时，非平坦调度的性能将优于平坦调度。最后，在两种非平坦调度中，多盘调度的性能都将优于偏斜调度，这讲明均匀的非平坦调度可以获得更好的性能。多盘调度算法构造一个播送调度程序的经过为：1将所有数据对象按照访问概率递减次序排序。2将这些数据对象依次分割到K个相邻的租，称为“磁盘。定义磁盘Bi的容量Ci为磁盘对象的个数。3确定各
13、盘的相对播送频率fi，即各盘对象在播送中所占的带宽之比。fi必须是互质的整数，i=1，2，,k。4产生播送调度程序。将每个盘分割成假设干块。首先，求得所有盘的播送频率的最小公倍数LCM;然后,将每个盘Bi分割为num_chunksi=LCM/fi个一样大小的块,记为Cij，j=1，num_chunksi。假设Bi不能整分，那么在不满的块中填充空闲数据。按如下程序交织播送各盘的块，生成播送调度。Fori=0;iForj=1;j=k;j+播送块Csubjimodnum_chunksj/sub;3.3位置相关查询优化在挪动数据库中，存在着与位置相关信息的查询及更新。查询通常是与位置相关的，即使是同一
14、个问题，在不同的地方，所得查询结果是不同的，如“最近的医院在哪里?。挪动查询优化技术是指在传统分布式数据库查询优化技术的根底上，利用多种方法，消除带宽多样性、断接等因素造成的影响，使查询引擎可以根据当前可用网络条件采取恰当的优化策略;同时，针对挪动计算机有限电源才能，公道地组织本地数据库治理、远程数据库访问等耗电能较多的操纵，到达节能目的，延长关键数据的可用时间。采用基于分割的地址更新策略时，由位置效劳器维护的挪动用户对象包含以下数据成员和方法：分割集合记录MSS的分割情况，例如Cell1,Cell2,Cell3,Cell4,Cell5;LOC记录挪动用户最近报告的地址无线单元的ID，例如Ce
15、ll1;ERR挪动用户当前所在的分割，例如，假设LOC=Cell1,那么ERR=Cell1,Cell2;loc一个方法，用于返回该用户的实际地址，即上面介绍的地址查询经过。在挪动查询的应用中，有各种各样涉及地址的查询，例如“请寻找一名校园附近的医生，“查找X，Y，Z，这三人都在同一条公路上，且Y在X与Z之间，等等。一般地，可以把这一类地址相关查询表示为：SELECTx1,x2,，xnFROMUsersWHEREx1.loc=11xn.loc=1nC11,，1nWx1,xn其中C11,，1n是关于地址11，1n的n元约束条件，而Wx1,xn是关于对象x1,x2,，xn非地址属性的n元约束条件，U
16、sers是所有挪动用户的集合。这种位置相关查询需要检查各个对象的实际地址是否知足约束条件而这些实际地址必须进展地址查询才能得到,由于位置效劳器只提供分到一级不准确的地址。因此，要求得位置相关查询的最终答案，必须先查询足够的准确地址信息。假设对这一类查询进展适当的优化，可以大大减少查询地址信息所需的通讯开销。4完毕语嵌入式挪动数据库将随着各种挪动设备、智能计算设备、嵌入式设备的开展而迅速开展。它将在将来的军事、航空、国土资源治理、挪动医疗等领域中扮演越来越重要的角色。嵌入式挪动数据库是一个崭新的研究课题，至今还有很多问题有待解决，在挪动数据库技术逐步走向成熟的时候，必将产生宏大的贸易和社会价值。
17、本文作者创新点：鉴于挪动计算环境中客户机与效劳器通讯的不对称性和数据传输的断接性问题，笔者提出了三层复制体系构造和多盘调度算法，并对局部问题讨论了其初步的解决方式。参考文献：1DBarara.MobilecomputinganddatabaseAsurvey.IEEETransonKnowledgeandDataEngineering.1999,111:108117.2王珊,丁治明.挪动计算中的挪动数据库N.微电脑世界,2001,8.253胡虚怀，郑假设忠.挪动数据库及其关键技术J.计算机系统应用，2000,51:2932.4王磊，邵时.挪动数据库中播送技术的研究：硕士学位论文D.上海：华东师范大学计算机科学技术系，2004.1315.5李东，曹忠升.挪动数据库技术研究综述J.计算机应用研究，2000,10:476牛立新，关永，刘旭敏.嵌入式挪动数据库研究J,微计算机信息，2006，第22卷第1-2期，85-87页转251页.