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移动数据库重要技术与其运用

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一、移动数据库

移动计算机指掌上型或便携式计算机,小一点的如PDA,大一些的如笔记本电脑。但无论尺寸如何,这些移动计算机都将装配无线联网设备,从而能够与固定网络甚至其它的移动计算机相联。这样的计算环境称之为移动计算(MobileComputing),它使用户不必再固定连接在某一个网络中,而是可以携带着计算机自由地行动。

移动计算机中的系统一般都要进行数据存储、与主服务器进行数据交换以及进行数据处理,因此需要一个小型的或微型的数据库及相应的DBMS,还要有相应的特殊配套软件使之能适应它们的特殊要求。在这种情况下,传统的分布式数据库技术已经不能支持或是不能有效支持移动计算,因此,研究移动计算环境中的数据管理技术,已经成为目前分布式数据库研究的一个新的方向,称之为移动数据库技术。

二、微终端移动数据库及应用

随着各种便携式终端(尤其是手机)的数量的不断增加,以及移动通讯技术、无线联网技术的成熟和应用,越来越多的人希望摆脱固定终端在地域上的束缚,能在移动状态下与网络中的节点保持通信,并且当在移动终端改变自身位置时,原来的网络连接并不中断。而便携式终端功能的不断增强,也使得大量数据驻留在终端中成为可能。

微终端移动数据库即是在这种情况下出现的,它是指移动数据库存储在微型终端设备中———微型终端设备指的是:手机、具有通信功能的PDA,不考虑笔记本电脑等稍大一点的设备。微终端移动数据库在实现方面有其优点:终端设备类似、可以使用移动通信系统中的网络设备、协议统一、带宽基本一致。在应用中不可忽视的一个优势是拥有这类设备的人数庞大,并且日益增加;而且其功能也在不断加强。

微终端移动数据库除了具有移动数据库的特性外,还具有其自身的特点:①体积小;②电源受限;③移动性更强(频繁过区切换);④频繁断接;⑤规模大。

由于微终端设备(主要是智能手机)的普及和功能的不断强化,已经出现了很多商务应用,如:移动银行、移动支付、移动证券交易、股票实时查询。但这些服务都是以文字和极简单的图片为主,并且大都是在生活、娱乐方面,功能有限。当然,随着3G网络的普及,今后一定会出现针对具体企业的无线网络应用。我们来看几个例子:

例1:一家三口自行驾车进行异地旅行,在陌生的城市可能会有这样的疑问:“下一个高速公路岔道口是否有加油站?”“最近的能用招行一卡通付费的旅店在哪里?”如果他们能用手机进行数据查询,可能会得到满意的回答。与基于集中和分布式数据库查询不同的是,上述查询的答案是和位置相关的,甚至会和运动方向、速度有关。所以,服务器上的位置相关数据库应该存储各种有关旅店、餐馆等信息,并提供其他一些有用的本地化信息。

这个例子可能并不需要在移动终端上驻留移动数据库(但也不一定:如果用户需要的话,他可以在手机中存储有关数据以显示他所在城市的地图),但下面的例子就不同了。

例2:公司的推销人员面对客户促销时,需要查询一些有关客户的信息。当然,他可以使用笔记本电脑通过Internet进入企业网站进行查询,但公司不可能为每一位推销人员配备笔记本电脑,如果用手机就能完成查询,并将数据存储在手机上就更加方便了,因为如果笔记本电脑不能联网,或联网效果不佳的话,将无法得到所要的数据,而在移动数据库环境中,上述查询既可以在联网时发给远端的服务器,也可以在网络情况不好甚至断接时从本地移动数据库中得到结果。

例3:以往人们总是在每一个个人设备上拷贝一份诸如日程表、地址簿之类的信息。如果将这些信息放置在一个中央数据库中,人们就可以从工作用的桌面计算机、移动电话、无线PDA,甚至家中电器通过Internet和无线网络访问同一份信息并下载存储。而公司存储在中央数据库中的工作计划、客户资料等也可以由员工使用联网设备自由访问。在以上几个例子中,能充分体现出微终端移动数据库在移动商务和移动办公中的强大功能。尤其是针对跨区域大型企业的商务应用。

三、微终端移动数据库的关键技术

(1)缓存/数据一致性维护

传统的复制/缓存技术都是假设客户机和服务器之间是经常保持连接的,并基于这个前提来维护一致性。这在移动计算中是不适用的。移动环境一般采用部分复制方式。三层复制体系结构可减少网络拥塞。

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”。第二层复制是指服务器利用无线网络固有的广播能力将数据库中经常被大部分用户访问的公共热点数据组织起来,向无线网络单元内的所有移动终端广播,这实际上是在无线广播信道上做数据复制,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。第三层复制是为了支持移动用户的断接操作,移动终端利用本身的处理和存储能力缓存数据库中部分数据,称之为“终端缓存”。由于移动数据库的有限带宽和低信道速率,缓存(Cache)是改善系统性能的有效途径。

Cache技术在传统的分布式数据库中得到广泛应用,它通过在客户机上缓存部分数据,达到减少访问主数据库的目的,从而提高了性能。但是,传统的缓存技术要求客户机保持与服务器的连接,这样才能维护缓存的一致性。

移动终端上的数据库是一个动态变化的小型数据库,是数据库整体的一个子集,是移动终端上的自治数据库,同时也是整个数据库的一个时间、空间副本。而移动终端又不能与主服务器一直保持连接,因此它与传统数据库中的缓存存在一定区别。

在移动数据库中,由于数据量的限制,每个移动系统中都有一个固定的中央系统与之相关联,它们之间通过无线通讯联系,可以将中央设备系统中的数据库看成是移动系统中的数据库的后援数据库,移动数据库中所要的数据可以从中央数据库中取得;反之,移动设备所获得的数据可以通过移动数据库随时转存到中央数据库中。同时,由于一个中央数据库可能对应几个移动数据库,因此存在着多个数据库间的数据的同步与一致问题。为解决此问题,必须在数据库中设置同步机制,以保证数据的一致性。

断接性是移动数据库环境下众多特点中很重要的一条。采用复制/缓存技术是解决数据库断接操作的一条有效途径。移动数据库的存在最主要的作用就是支持移动终端的断接操作。由于移动数据库只能是缓存部分数据对象,于是,合理选择移动数据库中的数据是关键。因为移动计算机上的数据库容量是有限的,并且在实际运行时会发生变化,所以应能有效地替换移动数据库中不再需要使用或使用频率较低的信息和数据。

(2)位置管理和移动性支持

移动数据库因为处于移动环境,所以移动终端的位置管理是一个重要问题。在集中式数据库中,每个数据对象只有—份。在分布式环境中则可能存在多个副本,但只有一个唯一正确的值。移动数据库在微终端的Cache中缓存数据,该数据是主服务器中的一个副本,但因为查询是与位置相关的,所以即使是同一个问题,在不同的地方,所得到的查询结果也可能存在多个值。比如,开车途中查询离旅游者位置最近的加油站,在旅游者发出查询与获取结果这个时间段中,位置已经变化,导致所获得的副本具有不同的值。这种情况被称为多副本的多值性。这种应用的技术关键在于移动定位。

移动定位系统是移动通信网络为用户提供定位功能的服务。在移动计算环境中,位置相关信息的更新及查询是一个重要的应用。在美国联邦通信委员会公布的E-911标准中,定位服务是3G网络必备的基本功能。移动终端的移动性与地理位置密切相关。

移动终端的移动性管理主要采用归属位置数据库(HLR)和拜访位置数据库(VLR)。移动时须进行信道切换,切换涉及的移动网络实体可能不同。移动计算系统本质上是一个树型结构。树根是MSC(移动交换中心),其各级枝干依次是:BSC(基站控制器)、BS(基站)、MU。随着传感网络的发展和应用,MU还可以作为传感网络的汇聚节点,进行数据融合和分发。在切换时需根据位置数据库,进行位置数据查询、迁移和在新的基站或交换局进行注册、信道分配等处理。

(3)广播机制

数据广播是指在移动计算环境中,利用网络信道带宽的不对称性,以周期性广播的形式向客户机发送数据。其最大的优点是减少客户请求的网络流量,提高信道利用率,改进用户的访问性能,且广播开销与移动用户的数目无关。数据广播是移动无线网络的数据和信息分发的主要方式,借助数据广播,也可以在一定程度上解决移动数据库系统的断接问题。

数据广播的主要问题在于广播内容的选择。在频繁请求数据的情况下,可以通过自动热点数据收集的方式来提高系统性能。其过程可分为三个阶段:(1)在主服务器侧分析SQL历史查询;(2)构建候选集;(3)形成结果集并发送到移动终端,终端将数据保存在各自的Cache中。其理论依据是最近被访问的数据更有可能在最近的将来被访问,将其缓存在客户端可大大提高访问效率,减少带宽的消耗,降低网络冲突。

数据广播在无线网络中作为信息发布的主要方式,对热点数据广播频率高,对冷数据广播频率低,虽在一定程度上节约了带宽和终端节点的能量消耗,但可能造成服务器单点失效,同时维护访问频率表占用了处理时间和存储空间,并易于造成冷数据的饥饿现象。

(4)事务处理和并发控制

移动事务处理技术是数据库管理系统的—个基本功能,它主要用于维护数据的一致性,支持多用户的并发访问,使用户可以可靠的查询和更新数据库。在传统的数据库系统中,一个事务由一系列读写操作组成,事务处理必须满足ACID准则。

与传统事务相比,移动事务模型应适应通信可靠性低、低带宽、能量有限、存储容量小的移动计算环境,具备可分解、可移动、长事务、低回滚、低通信开销、支持并发、断接和复制一致性、局部自治等特点。

由于偶然因素或有意的节能、移动导致拓扑变化等原因,移动终端经常从网络断开。与传统主机不同,这样的断连是可容忍的,事务处理仍可在服务器或移动终端继续执行。移动终端的本地自治性使得事务持续执行,在重连后提交到主服务器,从而保证数据库的—致性和事务的正确性。另外,无线网络信道延迟也可能使事务执行的时间延长。因此,事务管理可看作是长事务,往往涉及到并发控制和缓存一致性。

在移动数据库中一般采用弱一致性的并发控制机制。用户可能需要随时随地访问数据库,如付款、转账等。移动数据库系统必须具备多用户并发事务处理的能力。两层复制下的并发控制机制的主要算法思想是:允许用户在移动终端本地更新,在连接到服务器后作为原子事务再度提交更新,并在失败时通知各MU。

四、结语

在过去的几年里,智能手机用户呈爆炸式的增长,这致使无线通信成为世界上最热门和发展速度最快的技术之一。在中国大陆,短短几年内,手机用户已超过5亿,对于这样庞大的群体,其中蕴涵的巨大商机是无法想象的。与手机数量的爆炸式增长形成鲜明对比,手机厂商预装的软件和网络提供商所提供的服务早已不能满足用户日益增长的需求,更重要的是,与桌面领域和企业服务领域趋于饱和的情况不同,移动设备的软件及服务几乎是一片空白,所有的应用软件都需要重新设计,所有的商务应用也要从零开始。微终端移动数据库作为企业商务应用的底层技术,一定会有广阔的发展前景。

移动数据库重要技术与其运用责任编辑:陈老师    阅读:人次