嵌入式系統移動數據庫研究論文

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摘要：隨著移動計算技術的發展，移動數據庫逐步走向應用，在嵌入式操作系統中移動數據庫更顯示出其優越性。本文分析移動數據庫的特點、體系結構；介紹移動數據庫系統中的一些關鍵性技術，并指出了移動數據庫應用方向。

關鍵詞：嵌入式系統；移動數據庫；移動計算；事務處理

0引言

數據庫技術一直隨著計算的發展而不斷進步，隨著移動計算時代的到來，嵌入式操作系統對移動數據庫系統的需求為數據庫技術開辟了新的發展空間。隨著智能移動終端的普及，嵌入式移動數據庫技術目前已經從研究領域逐步走向廣泛的應用領域。

在數據庫系統的研究歷史中，傳統的分布計算與分布式數據庫的研究是基于有線網絡和固定主機的。這些都采用了一些默認的隱含假設，例如固定網絡連接、對等通信代價、主機節點固定不變等。但進入20世紀90年代以來，隨著移動通信技術和網絡技術迅速發展，加之移動計算機和移動通信設備的大量普及，許多計算節點可以在移動過程中與網絡建立連接，使得上述假設條件不成立。移動計算環境具有移動性、低帶寬、頻繁斷接性、網絡通信的非對稱性、電源電力的有限性等特點，使得傳統分布式數據庫中的方法和技術不能直接應用于移動數據庫。

1嵌入式移動數據庫的定義

從數據庫技術的發展過程來看，計算環境和數據庫技術基本保持著一種同步發展的態勢，互相影響、互相促進。移動計算的概念是對“任何時間、任何地點的立即通訊”的擴展。在分布式計算的基礎上，計算環境進一步擴展為包含各種移動設備、具有無線通信能力的服務網絡，構成了一個新的計算環境，即移動計算環境。相應地，數據庫系統先后出現了集中式數據庫系統、分布式數據庫系統、B/A/S多層結構的數據庫系統、嵌入式數據庫和移動數據庫。當然，這些系統也可以共存在同一個計算環境中。

一般說來，嵌入式移動數據庫可以從系統的體系結構方面來定義：嵌入式移動數據庫系統是支持移動計算或某種特定計算模式的數據庫管理系統，數據庫系統與操作系統、具體應用集成在一起，運行在各種智能型嵌入設備或移動設備上。其中，嵌入在移動設備上的數據庫系統由于涉及數據庫技術、分布式計算技術，以及移動通訊技術等多個學科領域，目前已經成為一個十分活躍的研究和應用領域——嵌入式移動數據庫或簡稱為移動數據庫（EMDBS）。

2嵌入式移動數據庫的體系結構及其主要特點

2.1體系結構

在傳統的分布式計算系統中，各個計算節點之間是通過固定網絡連接并保持網絡的持續連接性的，而移動計算系統改變了這種假設條件。移動計算系統是固定節點和移動節點構成的分布計算系統。

移動計算的網絡環境具有鮮明的特點：移動性、斷接性、帶寬多樣性、可伸縮性、弱可靠性、網絡通信的非對稱性、電源能力的局限性等。移動環境中的分布式數據庫就是移動數據庫。它是傳統分布式數據庫系統的擴展，可以看作客戶與固定服務器節點動態連接的分布式系統。移動數據庫系統的體系結構如圖1所示。

其中，移動客戶機MC(MobileClient)包括便攜式電腦、PDA等；MSS(MobileSupportStation)支持移動計算的固定節點，具有無線通信接口；FH(FixedHost)沒有無線通信接口，安裝有數據庫和數據庫管理系統。

2.2主要特點

移動數據庫的計算環境是傳統分布式數據庫的擴展，它可以看作客戶端與固定服務器節點動態連接的分布式系統。因此移動計算環境中的數據庫管理系統是一種動態分布式數據庫管理系統。由于移動數據庫在移動計算的環境下應用在嵌入型操作系統之上，所以它具有：微小內核結構、對標準SQL的支持、事務管理功能、完善的數據同步機制、支持多種連接協議、完備的數據庫管理功能和支持多種嵌入型操作系統的特點和功能需求。

在移動數據庫中還需要考慮諸多傳統計算環境下不需要考慮的問題，如對斷接操作的支持、對位置相關查詢的支持、對查詢優化的特殊考慮以及對提高有限資源的利用率和對系統效率的考慮等等。為了有效地解決上述問題，諸如復制與緩存技術、移動事務處理、數據廣播技術、移動查詢處理與查詢優化、位置相關的數據處理及查詢技術、移動信息技術等技術仍在不斷的發展和完善，它們會進一步促進移動數據庫技術的發展。

3嵌入式移動數據庫的關鍵技術

移動數據庫涉及的理論和技術含蓋了當今通信、計算機和嵌入式系統的最新成果，其中在移動環境下如何進行數據管理是實現移動數據庫的關鍵。根據目前國際有關機構研究的研究表明這些關鍵技術主要集中在以下幾個方面。

3.1數據復制與緩存

復制是在多個移動節點上維護數據的備份，包括服務器之間的復制和移動計算機上保存數據庫的復制。一般前者稱為復制后者稱為緩存。復制的主要目的是提高分布式數據庫系統的可用性、可靠性和訪問性能。首要的問題是如何維護多個復制節點上數據狀態的一致性。按照維護復制一致性的方式來劃分，現有的復制協議可以分為嚴格一致協議和弱一致協議兩種。嚴格一致協議要求任何時刻所有數據庫的復制都是一致的；而弱一致協議允許各個復制之間存在暫時的不一致，但這種不一致總能夠保持在一定的界限之內，而且總是能夠趨于一致（收斂性）。目前，針對移動計算特點開展數據復制/緩存技術的研究最具代表性的是：J.Gray的兩級復制機制、CODA系統以及緩存失效報告廣播技術等，另外，SYBASE公司的移動數據庫產品SQLANYWHERE和SQLREMOTE也采用該技術來支持移動計算環境。

3.2數據廣播

通俗地講，數據廣播是指在移動計算環境中，利用客戶機與服務器通信的不對稱性，以周期性廣播的形式向客戶機發送數據。其最大的優點是，廣播開銷不依賴移動用戶數量的變化而變化，借助數據廣播，可以在一定程度上解決移動數據庫系統的斷接問題。數據廣播的研究可分為服務器和客戶機兩個方面：服務器主要考慮如何組織廣播數據，即數據廣播的調度；移動節點主要考慮如何利用本地緩存進一步減少查詢廣播數據的時間。在國內，長沙國防科技大學的周興銘院士對數據廣播進行了深入研究，提出了數據廣播的多盤調度算法。衡量數據廣播調度算法好壞的參數是訪問時間和調諧時間。

3.3位置相關查詢優化

在移動數據庫中，存在著與位置相關信息的查詢及更新。查詢通常是與位置相關的，即使是同一個問題，在不同的地方，所得查詢結果是不同的，如“最近的超市在哪里?”。移動查詢優化技術是指在傳統分布式數據庫查詢優化技術的基礎上，利用多種方法，消除帶寬多樣性、斷接等因素造成的影響，使查詢引擎能夠根據當前可用網絡條件采取恰當的優化策略；同時，針對移動計算機有限電源能力，合理地組織本地數據庫管理、遠程數據庫訪問等耗電能較多的操作，達到節能目的，延長關鍵數據的可用時間。

采用基于分割的地址更新策略時，由位置服務器維護的移動用戶對象包含以下數據成員和方法：

分割集合——記錄MSS的分割情況，例如{Cell1，Cell2}，{Cell3，Cell4，Cell5}；

LOC——記錄移動用戶最近報告的地址(無線單元的ID)，例如Cell1；

ERR——移動用戶當前所在的分割，例如，若LOC=Cell1，則ERR={Cell1，Cell2}；

loc()——一個方法，用于返回該用戶的實際地址，即上面介紹的地址查詢過程。

在移動查詢的應用中，有各種各樣涉及地址的查詢，例如“請尋找一家校園附近的超市”，“查找X，Y，Z，這三人都在同一條公路上，且Y在X與Z之間”，等等。一般地，可以把這一類地址相關查詢表示為：

SELECTx1，x2，…，xn

FROMUsers

WHERE(x1.loc=l1∧…∧xn.loc=ln)∧C(l1，…，ln)∧W(x1，…，xn)

其中C(l1,…,ln)是關于地址l1,…,ln的n元約束條件，而W(x1,…,xn)是關于對象x1，x2,…,xn非地址屬性的n元約束條件，Users是所有移動用戶的集合。

3.4移動事務處理

事務處理是數據庫管理系統的一個基本功能，主要用于維護數據的一致性，支持多用戶的并發訪問，使用戶可以可靠地查詢和更新數據庫。一般來說，用戶對數據庫系統的訪問都是通過事務來完成的。在傳統的數據庫系統中，一個事務由一系列讀寫操作組成。事務處理必須滿足四個準則，即原子性、一致性、隔離性和永久性(簡稱ACID)。移動計算環境的特點，使傳統數據庫系統中的事務處理技術不能滿足移動事務處理的要求。

通常，將移動客戶機發出的事務叫移動事務，它屬于分布事務。移動事務處理具有以下特點：

1)移動性。這不僅指移動事務執行期間，發出事務的移動客戶機是移動的，而且事務本身也在相應地移動。

2)長事務。由于無線網絡通信的低帶寬、高延遲以及移動客戶機的頻繁斷接性，都可能使移動事務成為長事務。

3)易錯性。由于移動客戶機不如固定結點可靠，而且無線網絡通信也不如固定網絡穩定，因此，與一般事務相比，移動事務更容易出錯。

4)異構性。由于客戶機的移動性，移動事務可能要訪問分布的異構數據庫系統。

總之，移動事務不同于傳統事務，傳統的ACID模型已不能很好地描述移動事務，需要為移動事務尋找更好的模型。維護數據的一致性和解決過區切換(handoff)問題是移動事務管理的重要任務。

4嵌入式移動數據庫的應用方向

移動數據庫技術的許多特性都與信息時代的不斷進步的需求相吻合,有著廣闊的發展空間。

4.1嵌入式移動數據庫在物流領域有著廣闊的應用前景

物流的信息化在未來的物流發展中將發揮日益重要的作用，因為及時準確的信息有利于協調生產、銷售、運輸、存儲等業務的展開，有利于降低庫存，節約在途資金等。在運輸方面，利用移動計算機與GPS/GIS車輛信息系統相連，使得整個運輸車隊的運行受到中央調度系統的控制。在存儲環節，帶有嵌入式移動數據庫的手持計算機輸入的信息通過無線通信網絡寫入中央數據庫，大大提高了工作效率和信息的時效性，有利于物流優化控制。在配送環節，輸入手持計算機的數據通過無線網絡傳入中央數據庫。因此，在投遞的同時，用戶即可查詢物品投遞的情況。

4.2嵌入式移動數據庫為移動銀行鋪平了道路

在我國，移動用戶是最具消費潛力的群體，因此針對移動用戶開發的移動銀行業務將具有很大的市場潛力，而且能夠推動移動電子商務的發展。移動銀行可以使客戶在異地對自己的帳務進行實時查詢、交易，方便、省時，降低成本，同時安全可靠，機動靈活。客戶可以在任何時間，任何地點進行交易，節約了去銀行的時間。出差或旅游在外仍可享受銀行服務。

4.3嵌入式移動數據庫非常有助于提高實地調查/工作的效率

煤氣、水電等公用事業檢查員查驗數據就是一個很好的應用實例，目前一般的檢查員仍然是將檢驗的數據記錄在紙上。如果利用移動計算機記錄和傳輸數據，遇到糾紛時還可以實時地查詢歷史記錄，這將使得我國的公用事業單位的收費工作大大地改善。

除了上述主要應用之外，移動數據庫技術還在零售業、制造業、金融業、醫療衛生等領域展現了廣闊的應用前景。隨著移動計算、移動數據庫和無線數據通信等相關技術迅猛發展，移動數據庫將成為信息社會的重要支柱。

5.總結

本文給出嵌入式移動數據庫的定義，描述了嵌入式移動數據庫的體系結構并簡單分析它的特點，然后詳細分析了嵌入式移動數據庫的關鍵技術，最后展望了嵌入式移動數據應用前景。嵌入式移動數據的相關技術研究不斷取得進步，這為嵌入式移動數據的成熟應用打下了堅實的基礎。

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