基于移動自組網的數據庫系統關鍵技術研究

（哈爾濱師范大學文理學院，哈爾濱150300）

摘要：隨著互聯網絡技術和無線通信技術的發展，移動自組網數據庫技術已成為目前數據庫領域的一個新的研究分支。闡述了嵌入式移動數據庫的關鍵技術，并就數據庫復制、數據庫查詢等關鍵技術進行了系統的研究。

關鍵詞：移動自組網；數據庫復制；數據庫查詢

中圖分類號：TP392 文獻標志碼：Ａ文章編號：１６７３－２９１Ｘ（２０11）23－０285－02

引言

隨著無線通信技術、嵌入式計算技術和計算網絡的飛速發展和日益成熟，PDA、筆記本電腦、手持電話等移動通訊設備迅速普及，移動Ad Hoc網絡（以下簡記MANET）引起了研究人員的極大重視。MANET是移動服務器和客戶機的集合，它不需要基站的支持。基于MANET的數據管理與處理技術可以使得人們在任何時間，任意地點訪問到其上的任意數據，MANET數據庫技術在國防軍事、國家安全、環境監測、交通管理、金融、移動辦公、醫療衛生、制造業、災難預防等領域得到了特別的重視。由于移動通信網絡固有的一些特點，查詢處理、事務處理、故障恢復等基本操作與節點的移動性、斷接性、網絡帶寬以及電源能量等因素密切相關，MANET環境下的數據庫研究因此成為了一個重要的研究領域。MANET除了具有傳統移動通信網絡的問題之外，還必須考慮服務器的電源消耗和移動性。MANET還有一個關鍵特性，即客戶機之間可以直接通信，不需服務器的干預。因此在MANET中，查詢優化、數據緩沖和復制、事務管理，以及路徑查找等問題都將與傳統移動通信網絡下的移動數據庫有很大差別。傳統的移動數據庫技術已經遠遠不能滿足基于MANET數據庫系統的需要。

一、移動自組網的數據庫簡介

移動自組網的數據庫技術即支持移動計算環境的分布式數據庫技術，它涉及數據庫，分布式計算，以及移動通訊等多個學科領域，目前已成為分布式數據庫研究的一個新的方向。通俗地講，移動自組網的數據庫可以包括以下兩層含義：（1）用戶可以在移動時存取后臺數據庫；（2）用戶可以帶著后臺數據庫的副本移動并周期性地與后臺數據庫同步。移動自組網的數據庫技術是分布式數據庫技術的繼承與發展，是對分布式數據庫的推廣；而分布式數據庫則是移動自組網的數據庫的一種特殊形式。移動自組網的數據庫的體系結構由兩部分組成：可信部分本身即是一個分布式數據庫系統；移動部分發展和突破了分布式系統對主機位置固定的約束條件，支持主機位置的隨意移動性。二者的這種聯系使得分布式數據庫技術的許多研究成果可以直接應用于移動自組網的數據庫中，或者僅需稍加改進即可應用于移動計算環境。例如移動事務處理及并發控制、移動查詢處理及優化、移動復制技術、移動自組網的數據庫的數據分片、以及故障恢復技術等都直接借鑒了分布式數據庫的成果。

二、移動自組網的數據庫的關鍵技術

在移動自組網的數據庫中需要考慮諸多傳統計算環境下不需要考慮的問題，如對移動性及位置相關查詢的支持、對斷接操作的支持、對跨區長事務的支持、對查詢優化的特殊考慮、對提高有限資源的利用率及系統效率的考慮等等。為了有效地解決上述問題，如下關鍵技術在移動自組網的數據庫中具有特別的意義：移動數據庫復制技術、移動事務處理技術、移動對象數據庫技術、位置相關數據的處理技術、位置相關的查詢處理、數據廣播及移動信息發布、移動Agent技術等。在本文的研究中，并沒有涵蓋所有關鍵技術，而僅選擇進行移動數據庫的復制技術和查詢技術研究。

（一）數據復制技術

該技術是解決移動數據庫斷接性的關鍵技術，在現有 DBMS基礎上進行修補以適應移動計算也采用該技術。傳統的復制/緩存技術都是假設客戶機和服務器之間是經常保持連接的，并基于這個前提來維護一致性，但這在移動計算中是不適用的。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。

兩級復制機制是解決移動計算環境斷連問題的一種有效方法其主要貢獻是引入系統分級的思想。該算法充分考慮了移動計算環境中可信部分和移動部分的性能差異，將整個移動計算環境分為兩級。這樣，可信部分總能保持傳統分布計算環境下的若干特征，而不會因為移動計算的引入對系統性能產生不良影響。兩級復制機制在很大程度上滿足了理想的復制模式應達到的目標： 可用性、 可擴展性、 移動性、 串行性和收斂性。

針對移動數據庫系統規模龐大的特點，將傳統的數據庫復制技術與數據廣播技術及客戶機緩存技術結合起來，本文提出了三級復制體系結構。

三級復制體系結構由服務器級復制、空中復制、客戶機緩存等三級復制機制組成。服務器級復制為第一級復制，這一級復制采用傳統的復制技術，以保證服務器之間的一致性；空中復制為第二級復制，服務器將經常被訪問的熱點數據組織起來，通過MSS向所有的MH廣播，這實際上等同于在無線信道上做了一級數據復制；客戶機緩存為第三級復制，MH利用本身的處理及存貯能力緩存數據庫中的部分數據，以支持移動用戶的斷接操作。

在三級復制體系結構中，服務器負責第一、二級復制，移動客戶機負責第三級復制。這三個復制級別相互配合，共同完成移動用戶的數據讀寫請求。當移動客戶機需要訪問數據庫時，首先判斷能否從服務器上聯機地訪問數據庫，如果可以，則用戶的請求將由服務器完成；否則移動客戶機將從其它兩級復制中獲得數據：若事務為只讀型的，則從數據廣播中獲取數據；反之則從本地數據緩存中獲取數據，并將相應的事務操作記錄在日志中，以便下次連機時將更新結果集成到服務器中。由于引入了數據廣播機制，三級復制算法有效地提高了系統的可伸縮性。但該算法同時也存在著一定的局限性，如算法沒有考慮如何保證數據庫的一致性的問題，以及讀寫型事務的全局提交問題等。

（二）數據查詢技術

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。 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（ ）——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。

這種位置相關查詢需要檢查各個對象的實際地址是否滿足約束條件而這些實際地址必須進行地址查詢才能得到，因為位置服務器只提供分到一級不精確的地址。因此，要求得位置相關查詢的最終答案，必須先查詢足夠的精確地址信息。若對這一類查詢進行適當的優化，可以大大減少查詢地址信息所需的通信開銷。

3.位置相關的查詢處理技術

位置相關的數據（Location Dependent Data簡稱LDD）是指其值依賴于地理位置的數據，在不同的地理區域其值是不同的。顯然，位置相關的數據不同于移動對象數據。移動對象的位置屬性具有連續變化的特性，它可以看成是時間的函數，因此屬于“動態”數據；而位置相關數據的值并不會隨著時間的推移而動態變化，除非被顯式地修改，從這個意義上說，位置相關的數據屬于“靜態”數據。

位置相關的持續查詢（Location Dependent Continuous Query，簡記為LDCQ）。持續查詢（Continuous Query）是指具有一定生存期的查詢。在查詢的生存期之內，只要被查詢的數據對象發生了變化，或者查詢語句的隱含條件發生了變化，就需要對用戶的結果進行刷新，從而使用戶總能實時地得到最新的查詢結果。LDCQ是指查詢結果依賴于查詢用戶當前位置或被查詢對象位置的持續查詢，例如在公路上行進的救護車輛可以提交這樣的查詢：“請在未來的10分鐘之內隨時告訴我附近的醫院”，該查詢的結果是隨著救護車的行進而不斷刷新的。

在LDD數據庫中，LDCQ的查詢結果依賴于被查詢數據對象的內容以及移動查詢用戶所處的數據區域。為了簡化敘述，我們假設在查詢的生存期內被查詢的數據對象未發生變化。這樣，當移動查詢用戶在同一個數據區域內移動時，查詢結果是不會發生變化的，此時沒有必要重新執行查詢；只有當移動用戶跨越了數據區域的邊界時，才需要觸發查詢的重計算。為此，我們可以對LDCQ進行如下處理：當移動用戶提交一個LDCQ時，服務器將執行首次查詢，同時將被查詢的數據對象當前所處的數據區域的位置信息（即頂點序列）發送給移動計算機（如果用戶的查詢涉及到多個LDD，則每個LDD的當前數據區域信息均需要發送給移動計算機）；在移動用戶移動的過程中，需要不斷地進行地理位置的比較，一旦發現跨越了其中的一個地理區域，就要主動發起一個重計算請求，服務器重新計算查詢結果之后，再將新的結果和新的數據區域信息發送給移動計算機。上述過程一直持續下去，直到到達規定的時間為止。

移動數據庫技術將大大提高企業的運行效率。移動數據庫使得管理者和移動的工作人員都能夠更及時、準確地掌握有關的信息，從而能夠提高企業的管理和決策效率；另外，它將使企業網絡資源的調配更具靈活性，從而降低企業的成本。移動計算的發展克服了有線網絡接入的局限性，提高了數據信息接入的普遍性，從而能夠吸引更多的用戶，大大提高數據通信覆蓋的人群比例，更有效地推動電子商務的發展。因此，移動數據庫技術在我國將會有很大的發展和廣泛的應用前景。

參考文獻：

[1] 丁治明，王珊，孟小峰.移動復制數據庫系統沖突檢測及消解策略[J].計算機學報，2002，25（3）.

[2] 丁治明，孟小峰，王珊.復制的移動數據庫系統事務級同步處理策略[J].軟件學報，2002，13（2）.

[3] 王珊，丁治明.移動計算中的移動數據庫[N].微電腦世界，2001-08-25.