摘 要：隨著互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，嵌入式移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)已成為目前數(shù)據(jù)庫(kù)領(lǐng)域的一個(gè)新的研究分支。文中分析了嵌入式移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)的體系結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)地闡述了嵌入式移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)的關(guān)鍵技術(shù)，并完善了相應(yīng)的解決方案。 關(guān)鍵字：嵌入式系統(tǒng); 體系結(jié)構(gòu); 移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù) 1 引言 　　隨著嵌入式系統(tǒng)和無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，出現(xiàn)了移動(dòng)辦公、移動(dòng)通信等嶄新的移動(dòng)服務(wù)理念，人們對(duì)獲取信息和使用信息的場(chǎng)合、時(shí)間、方式及方法提出了越來(lái)越多的需求。在這種應(yīng)用需求推動(dòng)的背景下，嵌入式移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)運(yùn)而生，成了近年來(lái)數(shù)據(jù)庫(kù)發(fā)展的一個(gè)重要分支。本文對(duì)嵌入式移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)進(jìn)行了深入的研究，完善和解決了嵌入式移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。 2 嵌入式移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)的系統(tǒng)模型 　　在傳統(tǒng)的分布式計(jì)算系統(tǒng)中，各個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)是通過(guò)固定網(wǎng)絡(luò)連接并保持網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)連接性的，而移動(dòng)計(jì)算系統(tǒng)改變了這種假設(shè)條件。移動(dòng)計(jì)算系統(tǒng)是固定節(jié)點(diǎn)和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的分布式計(jì)算系統(tǒng)。移動(dòng)計(jì)算的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境具有鮮明的特點(diǎn)：移動(dòng)性、斷接性、帶寬多樣性、可伸縮性、弱可靠性、網(wǎng)絡(luò)通信的非對(duì)稱(chēng)性、電源能力的局限性等。移動(dòng)環(huán)境中的分布式數(shù)據(jù)庫(kù)就是移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)。它是傳統(tǒng)分布式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的擴(kuò)展，可以看作客戶(hù)與固定服務(wù)器節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)連接的分布式系統(tǒng)。移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的模型[2][6]如圖1所示。 　　其中，移動(dòng)客戶(hù)機(jī)MC（Mobile Client）包括便攜式電腦、PDA等;MSS（Mobile Support Station）支持移動(dòng)計(jì)算的固定節(jié)點(diǎn)，具有無(wú)線通信接口;FH（Fixed Host）沒(méi)有無(wú)線通信接口，安裝有數(shù)據(jù)庫(kù)和數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)。 3 嵌入式移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)的關(guān)鍵技術(shù) 　　移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)涉及的理論和技術(shù)涵蓋了當(dāng)今通信和計(jì)算機(jī)發(fā)展的最新的成果，其中，在移動(dòng)環(huán)境下如何進(jìn)行數(shù)據(jù)管理是實(shí)現(xiàn)移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)的關(guān)鍵。在移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，需要考慮諸多在傳統(tǒng)分布式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中不需要考慮的問(wèn)題，如客戶(hù)端的移動(dòng)、客戶(hù)端與網(wǎng)絡(luò)的頻繁斷接、網(wǎng)絡(luò)條件多樣性、網(wǎng)絡(luò)通信非對(duì)稱(chēng)、移動(dòng)計(jì)算部件電源容量有限、可靠性低、伸縮性高、客戶(hù)端與服務(wù)器數(shù)據(jù)的不一致性、移動(dòng)數(shù)據(jù)查詢(xún)等問(wèn)題。為了解決上述問(wèn)題，關(guān)于數(shù)據(jù)復(fù)制/緩存技術(shù)、數(shù)據(jù)廣播技術(shù)、位置相關(guān)的查詢(xún)優(yōu)化等技術(shù)的研究，在移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)中具有特別重要的意義。這些技術(shù)都是解決由于客戶(hù)端移動(dòng)而帶來(lái)的一系列問(wèn)題的關(guān)鍵性技術(shù)。下面對(duì)移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)所涉及的幾個(gè)關(guān)鍵性技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)的闡述。 　　3.1 數(shù)據(jù)復(fù)制/緩存技術(shù) 　　該技術(shù)是解決移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)斷接性的關(guān)鍵技術(shù)。傳統(tǒng)的復(fù)制/緩存技術(shù)都是假設(shè)客戶(hù)機(jī)和服務(wù)器之間是經(jīng)常保持連接的，并基于這個(gè)前提來(lái)維護(hù)一致性。這在移動(dòng)計(jì)算中是不適用的。目前，人們已經(jīng)提出了多種移動(dòng)復(fù)制算法，最典型的一個(gè)算法是:三層復(fù)制體系結(jié)構(gòu)（Three-Tier Replication Architecture，簡(jiǎn)稱(chēng)TTR結(jié)構(gòu)），下面我們就以TTR為例來(lái)介紹復(fù)制。三層復(fù)制體系結(jié)構(gòu)[3]，如圖2所示。 　　第一層復(fù)制是指服務(wù)器之間利用傳統(tǒng)的復(fù)制技術(shù)在固定高速網(wǎng)絡(luò)中所進(jìn)行的復(fù)制，稱(chēng)之為“服務(wù)器級(jí)復(fù)制”。為了支持移動(dòng)計(jì)算環(huán)境，一般采用一種弱一致性服務(wù)器級(jí)復(fù)制機(jī)制（ Weakly Consistent Server Replication，簡(jiǎn)稱(chēng)WCSR）。這種策略讓每個(gè)復(fù)制服務(wù)器都支持查詢(xún)與更新操作，并且允許各個(gè)復(fù)制之間存在暫時(shí)的不一致。因此，一個(gè)用戶(hù)在訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)，只需要訪問(wèn)一個(gè)復(fù)制服務(wù)器即可，而且不僅可以執(zhí)行查詢(xún)事務(wù)，還支持更新事務(wù)。為了降低通信開(kāi)銷(xiāo)，提高可靠性，WCSR采用了一種周期成對(duì)同步的方式，即每個(gè)服務(wù)器周期地選擇另一個(gè)服務(wù)器，兩個(gè)服務(wù)器之間交換各自的暫時(shí)事務(wù)日志，經(jīng)過(guò)有限次的成對(duì)同步過(guò)程，最終使所有數(shù)據(jù)庫(kù)狀態(tài)達(dá)成一致。 　　第二層復(fù)制是指服務(wù)器利用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)固有的廣播能力將數(shù)據(jù)庫(kù)中經(jīng)常被大部分用戶(hù)訪問(wèn)的公共熱點(diǎn)數(shù)據(jù)組織起來(lái)，經(jīng)由MSS向無(wú)線網(wǎng)絡(luò)單元內(nèi)的所有MC廣播，這實(shí)際上是在無(wú)線廣播信道上做數(shù)據(jù)復(fù)制，稱(chēng)之為“空中復(fù)制”，空中復(fù)制充分利用了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)非對(duì)稱(chēng)性的特點(diǎn)。首先，因?yàn)闊o(wú)線網(wǎng)絡(luò)特有的廣播能力與普通網(wǎng)絡(luò)中的廣播顯著不同，它可以支持大量MC同時(shí)接收，而且不管接收的客戶(hù)數(shù)有多少，MSS的廣播代價(jià)并不改變，這就允許大規(guī)模的移動(dòng)用戶(hù)同時(shí)訪問(wèn)被廣播的熱點(diǎn)數(shù)據(jù)，極大地提高系統(tǒng)的可伸縮性;其次，由于MC可以從空中復(fù)制取得常用的熱點(diǎn)數(shù)據(jù)，使得其向服務(wù)器發(fā)送訪問(wèn)請(qǐng)求的頻率也大幅減少，甚至沒(méi)有必要再與服務(wù)器聯(lián)機(jī)，這不僅可以使MC更有效地使用上行鏈路或避免代價(jià)較高的無(wú)線通信，而且減少了服務(wù)器處理每個(gè)聯(lián)機(jī)MC的開(kāi)銷(xiāo)，進(jìn)而使服務(wù)器可以同時(shí)接收更多聯(lián)機(jī)MC的訪問(wèn)。可見(jiàn)，空中復(fù)制是一項(xiàng)開(kāi)銷(xiāo)不大，但卻很有實(shí)際應(yīng)用意義的技術(shù)。 　　第三層復(fù)制是為了支持移動(dòng)用戶(hù)的斷接操作，MC利用本身的處理和存儲(chǔ)能力緩存數(shù)據(jù)庫(kù)中部分?jǐn)?shù)據(jù)，稱(chēng)之為“客戶(hù)機(jī)緩存”。由于MC的存儲(chǔ)容量無(wú)法與數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器相比，而且普通用戶(hù)也不需要在斷接期間訪問(wèn)整個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，因此在TTR體系中一般采用一種支持?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)的子集緩存的MC緩存機(jī)制，稱(chēng)作MCC（Mobile Client Caching）機(jī)制。MCC緩存機(jī)制的核心是緩存管理器，它在不同的網(wǎng)絡(luò)連接條件下具有三種不同的工作狀態(tài)，即聯(lián)機(jī)狀態(tài)、脫機(jī)狀態(tài)、集成狀態(tài)。在聯(lián)機(jī)狀態(tài)下，緩存管理器將MC用戶(hù)的事務(wù)轉(zhuǎn)交給服務(wù)器執(zhí)行，并負(fù)責(zé)建立與維護(hù)MC的緩存:在脫機(jī)狀態(tài)下，緩存管理器仿真服務(wù)器的功能，并將用戶(hù)更新事務(wù)記錄在本地的脫機(jī)事務(wù)日志中:在集成狀態(tài)下，緩存管理器與服務(wù)器合并，并回到聯(lián)機(jī)狀態(tài)。 　　3.2 數(shù)據(jù)廣播 　　通俗地講，數(shù)據(jù)廣播[4]是指在移動(dòng)計(jì)算環(huán)境中，利用客戶(hù)機(jī)與服務(wù)器通信的不對(duì)稱(chēng)性，以周期性廣播的形式向客戶(hù)機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。其最大的優(yōu)點(diǎn)是，廣播開(kāi)銷(xiāo)不依賴(lài)移動(dòng)用戶(hù)數(shù)量的變化而變化，借助數(shù)據(jù)廣播，可以在一定程度上解決移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的斷接問(wèn)題。 　　數(shù)據(jù)廣播技術(shù)研究的關(guān)鍵問(wèn)題是:數(shù)據(jù)廣播調(diào)度問(wèn)題。而數(shù)據(jù)廣播調(diào)度的關(guān)鍵是采用什么樣的調(diào)度算法，如何確定廣播的周期。日前，有關(guān)數(shù)據(jù)廣播調(diào)度的研究主要集中在訪問(wèn)時(shí)間和調(diào)諧時(shí)間的優(yōu)化問(wèn)題上，但存在較大的局限性，如只考慮訪問(wèn)時(shí)間的優(yōu)化或調(diào)諧時(shí)間的優(yōu)化，不能較好地將兩者結(jié)合起來(lái)，且現(xiàn)有的數(shù)據(jù)廣播的調(diào)度機(jī)制大都缺乏可操作性，不支持移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用。針對(duì)這些不足，數(shù)據(jù)廣播技術(shù)研究中有必要從理論上分析訪問(wèn)時(shí)間和調(diào)諧時(shí)間的最優(yōu)值，并以理論分析為指導(dǎo)，提出一種能在優(yōu)化調(diào)諧時(shí)間的同時(shí)仍保持較低訪問(wèn)時(shí)間的數(shù)據(jù)廣播調(diào)度算法。 　　數(shù)據(jù)廣播的調(diào)度可以看作一個(gè)帶寬分配問(wèn)題:給定所有客戶(hù)機(jī)訪問(wèn)數(shù)據(jù)項(xiàng)的概率分布，服務(wù)器試圖確定每個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)在廣播帶寬中所占的最佳比例，然后根據(jù)這個(gè)比例產(chǎn)生廣播程序。一種最簡(jiǎn)單的調(diào)度方法是將所有待廣播的數(shù)據(jù)項(xiàng)簡(jiǎn)單地并在一起，在每個(gè)廣播周期里任意數(shù)據(jù)項(xiàng)都出現(xiàn)一次且只有一次，且每個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)的平均訪問(wèn)時(shí)間都是相同的（即廣播周期的一半），這種調(diào)度稱(chēng)為平坦調(diào)度。如果在一個(gè)廣播調(diào)度中，各個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)出現(xiàn)的次數(shù)不一定為1，即所占的帶寬比例不一定相同，則將該調(diào)度稱(chēng)作非平坦調(diào)度。但是，僅僅確定各數(shù)據(jù)項(xiàng)的帶寬比例是不夠的，如果在一個(gè)廣播周期中數(shù)據(jù)項(xiàng)的間距（即兩次出現(xiàn)之間的時(shí)間差）不均勻，那么非平坦調(diào)度并不能產(chǎn)生好的效果。這里可以通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的例子說(shuō)明這一點(diǎn)。如圖3所示，包含3個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)的數(shù)據(jù)廣播可以有3種不同的調(diào)度方式:程序a是平坦調(diào)度;而程序b和程序c是非平坦調(diào)度，其中數(shù)據(jù)項(xiàng)d1在一個(gè)廣播周期中出現(xiàn)兩次，而數(shù)據(jù)項(xiàng)d2和d3只出現(xiàn)一次。程序b是一種偏斜調(diào)度，因?yàn)樵谝粋€(gè)周期里，數(shù)據(jù)項(xiàng)d1的兩次出現(xiàn)連在一起，使得d1的廣播間隔時(shí)間不均勻。程序a則是一種均勻調(diào)度，其廣播周期中每個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)在廣播帶寬中所占的間隔時(shí)間都是均勻的，這樣，數(shù)據(jù)項(xiàng)dl好像存在一個(gè)速度比d2和d3快一倍的磁盤(pán)上，這種調(diào)度稱(chēng)為多盤(pán)調(diào)度（Multi-Disk schedule）。假設(shè)移動(dòng)客戶(hù)機(jī)數(shù)據(jù)項(xiàng)訪問(wèn)請(qǐng)求的到達(dá)是完全隨機(jī)的，即可能落在數(shù)據(jù)廣播周期內(nèi)的任意時(shí)刻.表1列出了在不同的數(shù)據(jù)項(xiàng)訪問(wèn)概率分布下三種調(diào)度程序的平均訪問(wèn)時(shí)間。 [align=center] [/align] 　　表1說(shuō)明了三個(gè)問(wèn)題：首先，當(dāng)數(shù)據(jù)項(xiàng)訪問(wèn)概率均勻分布時(shí)（即為1/3）平坦調(diào)度的平均訪問(wèn)時(shí)間最低。這說(shuō)明多盤(pán)調(diào)度技術(shù)不能隨意使用，在某些場(chǎng)合下可能得不償失。其次，當(dāng)數(shù)據(jù)項(xiàng)訪問(wèn)概率分布趨向偏斜時(shí)，非平坦調(diào)度的性能將優(yōu)于平坦調(diào)度。最后，在兩種非平坦調(diào)度中，多盤(pán)調(diào)度的性能都將優(yōu)于偏斜調(diào)度，這說(shuō)明均勻的非平坦調(diào)度可以獲得更好的性能。 　　多盤(pán)調(diào)度算法構(gòu)造一個(gè)廣播調(diào)度程序的過(guò)程為： 　　（1）將所有數(shù)據(jù)對(duì)象按照訪問(wèn)概率遞減次序排序。 　　（2）將這些數(shù)據(jù)對(duì)象依次分割到K個(gè)相鄰的租，稱(chēng)為“磁盤(pán)”。定義磁盤(pán)Bi的容量Ci為磁盤(pán)對(duì)象的個(gè)數(shù)。 　　（3）確定各盤(pán)的相對(duì)廣播頻率fi，即各盤(pán)對(duì)象在廣播中所占的帶寬之比。fi必須是互質(zhì)的整數(shù)，i=1，2，……, k。 　　（4）產(chǎn)生廣播調(diào)度程序。 　　● 將每個(gè)盤(pán)分割成若干塊。首先，求得所有盤(pán)的廣播頻率的最小公倍數(shù)LCM;然后,將每個(gè)盤(pán)Bi分割為num_chunks（i）=LCM/fi個(gè)相同大小的塊,記為Cij ，j=1，……，num_chunks（i）。若Bi不能整分，則在不滿的塊中填充空閑數(shù)據(jù)。 　　● 按如下程序交錯(cuò)廣播各盤(pán)的塊，生成廣播調(diào)度。 　　For（i=0; i 　　 For（j=1; j=k; j++） 　　 廣播塊 C[sub]j（i mod num_chunks（j））[/sub]; 　　3.3 位置相關(guān)查詢(xún)優(yōu)化 　　在移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)中，存在著與位置相關(guān)信息的查詢(xún)及更新。查詢(xún)通常是與位置相關(guān)的，即使是同一個(gè)問(wèn)題，在不同的地方，所得查詢(xún)結(jié)果是不同的，如“最近的醫(yī)院在哪里?”。移動(dòng)查詢(xún)優(yōu)化技術(shù)是指在傳統(tǒng)分布式數(shù)據(jù)庫(kù)查詢(xún)優(yōu)化技術(shù)的基礎(chǔ)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(xún)引擎能夠根據(jù)當(dāng)前可用網(wǎng)絡(luò)條件采取恰當(dāng)?shù)膬?yōu)化策略;同時(shí)，針對(duì)移動(dòng)計(jì)算機(jī)有限電源能力，合理地組織本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)管理、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)等耗電能較多的操作，達(dá)到節(jié)能目的，延長(zhǎng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)的可用時(shí)間。 　　采用基于分割的地址更新策略時(shí)，由位置服務(wù)器維護(hù)的移動(dòng)用戶(hù)對(duì)象包含以下數(shù)據(jù)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(dòng)用戶(hù)最近報(bào)告的地址（無(wú)線單元的ID），例如Cell1; 　　ERR——移動(dòng)用戶(hù)當(dāng)前所在的分割，例如，若LOC=Cell1,則ERR=｛Cell1,Cell2｝; 　　loc（）——一個(gè)方法，用于返回該用戶(hù)的實(shí)際地址，即上面介紹的地址查詢(xún)過(guò)程。 　　在移動(dòng)查詢(xún)的應(yīng)用中，有各種各樣涉及地址的查詢(xún)，例如“請(qǐng)尋找一名校園附近的醫(yī)生”，“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(lèi)地址相關(guān)查詢(xún)表示為： 　　SELECT x1,x2,…，xn 　　FROM Users 　　WHERE（x1.loc=11∧…∧xn.loc=1n）∧C（11,…，1n）∧W（x1,…,xn） 　　其中C（11,…，1n）是關(guān)于地址11，…，1n的n元約束條件，而W（x1,…,xn）是關(guān)于對(duì)象x1,x2,…，xn非地址屬性的n元約束條件，Users是所有移動(dòng)用戶(hù)的集合。 　　這種位置相關(guān)查詢(xún)需要檢查各個(gè)對(duì)象的實(shí)際地址是否滿足約束條件而這些實(shí)際地址必須進(jìn)行地址查詢(xún)才能得到,因?yàn)槲恢梅?wù)器只提供分到一級(jí)不精確的地址。因此，要求得位置相關(guān)查詢(xún)的最終答案，必須先查詢(xún)足夠的精確地址信息。若對(duì)這一類(lèi)查詢(xún)進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化，可以大大減少查詢(xún)地址信息所需的通信開(kāi)銷(xiāo)。 4 結(jié)束語(yǔ) 　　嵌入式移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)將隨著各種移動(dòng)設(shè)備、智能計(jì)算設(shè)備、嵌入式設(shè)備的發(fā)展而迅速發(fā)展。它將在未來(lái)的軍事、航空、國(guó)土資源管理、移動(dòng)醫(yī)療等領(lǐng)域中扮演越來(lái)越重要的角色。嵌入式移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)是一個(gè)嶄新的研究課題，至今還有許多問(wèn)題有待解決，在移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)逐步走向成熟的時(shí)候，必將產(chǎn)生巨大的商業(yè)和社會(huì)價(jià)值。 本文作者創(chuàng)新點(diǎn)： 　　鑒于移動(dòng)計(jì)算環(huán)境中客戶(hù)機(jī)與服務(wù)器通信的不對(duì)稱(chēng)性和數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄嘟有詥?wèn)題，筆者提出了三層復(fù)制體系結(jié)構(gòu)和多盤(pán)調(diào)度算法，并對(duì)部分問(wèn)題探討了其初步的解決方式。 參考文獻(xiàn)： 　　[1]D Barara. 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