嵌入式移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用研究

摘要：隨著移動(dòng)計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)逐步走向應(yīng)用，在嵌入式操作系統(tǒng)中移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)更顯示出其優(yōu)越性。本文分析移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)的特點(diǎn)、體系結(jié)構(gòu)；介紹移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中的一些關(guān)鍵性技術(shù)，并指出了移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用方向。 
關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)；移動(dòng)計(jì)算；事務(wù)處理 

0引言

數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)一直隨著計(jì)算的發(fā)展而不斷進(jìn)步，隨著移動(dòng)計(jì)算時(shí)代的到來，嵌入式操作系統(tǒng)對(duì)移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的需求為數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)開辟了新的發(fā)展空間。隨著智能移動(dòng)終端的普及，嵌入式移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)目前已經(jīng)從研究領(lǐng)域逐步走向廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。

在數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的研究歷史中，傳統(tǒng)的分布計(jì)算與分布式數(shù)據(jù)庫(kù)的研究是基于有線網(wǎng)絡(luò)和固定主機(jī)的。這些都采用了一些默認(rèn)的隱含假設(shè)，例如固定網(wǎng)絡(luò)連接、對(duì)等通信代價(jià)、主機(jī)節(jié)點(diǎn)固定不變等。但進(jìn)入20世紀(jì)90年代以來，隨著移動(dòng)通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)迅速發(fā)展，加之移動(dòng)計(jì)算機(jī)和移動(dòng)通信設(shè)備的大量普及，許多計(jì)算節(jié)點(diǎn)可以在移動(dòng)過程中與網(wǎng)絡(luò)建立連接，使得上述假設(shè)條件不成立。移動(dòng)計(jì)算環(huán)境具有移動(dòng)性、低帶寬、頻繁斷接性、網(wǎng)絡(luò)通信的非對(duì)稱性、電源電力的有限性等特點(diǎn)，使得傳統(tǒng)分布式數(shù)據(jù)庫(kù)中的方法和技術(shù)不能直接應(yīng)用于移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)。

1嵌入式移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)的定義

從數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的發(fā)展過程來看，計(jì)算環(huán)境和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)基本保持著一種同步發(fā)展的態(tài)勢(shì)，互相影響、互相促進(jìn)。移動(dòng)計(jì)算的概念是對(duì)“任何時(shí)間、任何地點(diǎn)的立即通訊”的擴(kuò)展。在分布式計(jì)算的基礎(chǔ)上，計(jì)算環(huán)境進(jìn)一步擴(kuò)展為包含各種移動(dòng)設(shè)備、具有無線通信能力的服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成了一個(gè)新的計(jì)算環(huán)境，即移動(dòng)計(jì)算環(huán)境。相應(yīng)地，數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)先后出現(xiàn)了集中式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)、分布式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)、B/A/S多層結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)、嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)和移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)。當(dāng)然，這些系統(tǒng)也可以共存在同一個(gè)計(jì)算環(huán)境中。

一般說來，嵌入式移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)可以從系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)方面來定義：嵌入式移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)是支持移動(dòng)計(jì)算或某種特定計(jì)算模式的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)與操作系統(tǒng)、具體應(yīng)用集成在一起，運(yùn)行在各種智能型嵌入設(shè)備或移動(dòng)設(shè)備上。其中，嵌入在移動(dòng)設(shè)備上的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)由于涉及數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、分布式計(jì)算技術(shù)，以及移動(dòng)通訊技術(shù)等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，目前已經(jīng)成為一個(gè)十分活躍的研究和應(yīng)用領(lǐng)域——嵌入式移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)或簡(jiǎn)稱為移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)（EMDBS）。

2嵌入式移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)的體系結(jié)構(gòu)及其主要特點(diǎn)

2.1體系結(jié)構(gòu)

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)之間是通過固定網(wǎng)絡(luò)連接并保持網(wǎng)絡(luò)的持續(xù)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)的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　　　　　　

其中，移動(dòng)客戶機(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)，具有無線通信接口；FH(Fixed Host)沒有無線通信接口，安裝有數(shù)據(jù)庫(kù)和數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)。

2.2主要特點(diǎn)

移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)的計(jì)算環(huán)境是傳統(tǒng)分布式數(shù)據(jù)庫(kù)的擴(kuò)展，它可以看作客戶端與固定服務(wù)器節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)連接的分布式系統(tǒng)。因此移動(dòng)計(jì)算環(huán)境中的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)是一種動(dòng)態(tài)分布式數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)。由于移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)在移動(dòng)計(jì)算的環(huán)境下應(yīng)用在嵌入型操作系統(tǒng)之上，所以它具有：微小內(nèi)核結(jié)構(gòu)、對(duì)標(biāo)準(zhǔn)SQL的支持、事務(wù)管理功能、完善的數(shù)據(jù)同步機(jī)制、支持多種連接協(xié)議、完備的數(shù)據(jù)庫(kù)管理功能和支持多種嵌入型操作系統(tǒng)的特點(diǎn)和功能需求。

在移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)中還需要考慮諸多傳統(tǒng)計(jì)算環(huán)境下不需要考慮的問題，如對(duì)斷接操作的支持、對(duì)位置相關(guān)查詢的支持、對(duì)查詢優(yōu)化的特殊考慮以及對(duì)提高有限資源的利用率和對(duì)系統(tǒng)效率的考慮等等。為了有效地解決上述問題，諸如復(fù)制與緩存技術(shù)、移動(dòng)事務(wù)處理、數(shù)據(jù)廣播技術(shù)、移動(dòng)查詢處理與查詢優(yōu)化、位置相關(guān)的數(shù)據(jù)處理及查詢技術(shù)、移動(dòng)信息發(fā)布技術(shù)等技術(shù)仍在不斷的發(fā)展和完善，它們會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的發(fā)展。

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)含蓋了當(dāng)今通信、計(jì)算機(jī)和嵌入式系統(tǒng)的最新成果，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。根據(jù)目前國(guó)際有關(guān)機(jī)構(gòu)研究的研究表明這些關(guān)鍵技術(shù)主要集中在以下幾個(gè)方面。

3.1數(shù)據(jù)復(fù)制與緩存

復(fù)制是在多個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)上維護(hù)數(shù)據(jù)的備份，包括服務(wù)器之間的復(fù)制和移動(dòng)計(jì)算機(jī)上保存數(shù)據(jù)庫(kù)的復(fù)制。一般前者稱為復(fù)制后者稱為緩存。復(fù)制的主要目的是提高分布式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的可用性、可靠性和訪問性能。首要的問題是如何維護(hù)多個(gè)復(fù)制節(jié)點(diǎn)上數(shù)據(jù)狀態(tài)的一致性。按照維護(hù)復(fù)制一致性的方式來劃分，現(xiàn)有的復(fù)制協(xié)議可以分為嚴(yán)格一致協(xié)議和弱一致協(xié)議兩種。嚴(yán)格一致協(xié)議要求任何時(shí)刻所有數(shù)據(jù)庫(kù)的復(fù)制都是一致的；而弱一致協(xié)議允許各個(gè)復(fù)制之間存在暫時(shí)的不一致，但這種不一致總能夠保持在一定的界限之內(nèi)，而且總是能夠趨于一致（收斂性）。目前，針對(duì)移動(dòng)計(jì)算特點(diǎn)開展數(shù)據(jù)復(fù)制/緩存技術(shù)的研究最具代表性的是：J. Gray的兩級(jí)復(fù)制機(jī)制、CODA系統(tǒng)以及緩存失效報(bào)告廣播技術(shù)等，另外，SYBASE公司的移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)產(chǎn)品SQL ANYWHERE和SQL REMOTE也采用該技術(shù)來支持移動(dòng)計(jì)算環(huán)境。

3.2數(shù)據(jù)廣播

通俗地講，數(shù)據(jù)廣播是指在移動(dòng)計(jì)算環(huán)境中，利用客戶機(jī)與服務(wù)器通信的不對(duì)稱性，以周期性廣播的形式向客戶機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。其最大的優(yōu)點(diǎn)是，廣播開銷不依賴移動(dòng)用戶數(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)的斷接問題。數(shù)據(jù)廣播的研究可分為服務(wù)器和客戶機(jī)兩個(gè)方面：服務(wù)器主要考慮如何組織廣播數(shù)據(jù)，即數(shù)據(jù)廣播的調(diào)度；移動(dòng)節(jié)點(diǎn)主要考慮如何利用本地緩存進(jìn)一步減少查詢廣播數(shù)據(jù)的時(shí)間。在國(guó)內(nèi)，長(zhǎng)沙國(guó)防科技大學(xué)的周興銘院士對(duì)數(shù)據(jù)廣播進(jìn)行了深入研究，提出了數(shù)據(jù)廣播的多盤調(diào)度算法。衡量數(shù)據(jù)廣播調(diào)度算法好壞的參數(shù)是訪問時(shí)間和調(diào)諧時(shí)間。

3.3位置相關(guān)查詢優(yōu)化

在移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)中，存在著與位置相關(guān)信息的查詢及更新。查詢通常是與位置相關(guān)的，即使是同一個(gè)問題，在不同的地方，所得查詢結(jié)果是不同的，如“最近的超市在哪里?”。移動(dòng)查詢優(yōu)化技術(shù)是指在傳統(tǒng)分布式數(shù)據(jù)庫(kù)查詢優(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)用戶最近報(bào)告的地址(無線單元的ID)，例如Cell1 ；

ERR——移動(dòng)用戶當(dāng)前所在的分割，例如，若LOC= Cell1 ，則ERR={Cell1，Cell2}；

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

在移動(dòng)查詢的應(yīng)用中，有各種各樣涉及地址的查詢，例如“請(qǐng)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(guān)查詢表示為：

SELECT x1 ，x2 ，…， xn

FROM Users

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

其中C(l1, …, ln )是關(guān)于地址l1, …, ln 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)用戶的集合。

3.4移動(dòng)事務(wù)處理

事務(wù)處理是數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)的一個(gè)基本功能，主要用于維護(hù)數(shù)據(jù)的一致性，支持多用戶的并發(fā)訪問，使用戶可以可靠地查詢和更新數(shù)據(jù)庫(kù)。一般來說，用戶對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的訪問都是通過事務(wù)來完成的。在傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中，一個(gè)事務(wù)由一系列讀寫操作組成。事務(wù)處理必須滿足四個(gè)準(zhǔn)則，即原子性、一致性、隔離性和永久性(簡(jiǎn)稱ACID)。移動(dòng)計(jì)算環(huán)境的特點(diǎn)，使傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中的事務(wù)處理技術(shù)不能滿足移動(dòng)事務(wù)處理的要求。

通常，將移動(dòng)客戶機(jī)發(fā)出的事務(wù)叫移動(dòng)事務(wù)，它屬于分布事務(wù)。移動(dòng)事務(wù)處理具有以下特點(diǎn)：

1)        移動(dòng)性。這不僅指移動(dòng)事務(wù)執(zhí)行期間，發(fā)出事務(wù)的移動(dòng)客戶機(jī)是移動(dòng)的，而且事務(wù)本身也在相應(yīng)地移動(dòng)。

2)        長(zhǎng)事務(wù)。由于無線網(wǎng)絡(luò)通信的低帶寬、高延遲以及移動(dòng)客戶機(jī)的頻繁斷接性，都可能使移動(dòng)事務(wù)成為長(zhǎng)事務(wù)。

3)        易錯(cuò)性。由于移動(dòng)客戶機(jī)不如固定結(jié)點(diǎn)可靠，而且無線網(wǎng)絡(luò)通信也不如固定網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定，因此，與一般事務(wù)相比，移動(dòng)事務(wù)更容易出錯(cuò)。

4)        異構(gòu)性。由于客戶機(jī)的移動(dòng)性，移動(dòng)事務(wù)可能要訪問分布的異構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。

　　總之，移動(dòng)事務(wù)不同于傳統(tǒng)事務(wù)，傳統(tǒng)的ACID模型已不能很好地描述移動(dòng)事務(wù)，需要為移動(dòng)事務(wù)尋找更好的模型。維護(hù)數(shù)據(jù)的一致性和解決過區(qū)切換(handoff)問題是移動(dòng)事務(wù)管理的重要任務(wù)。

4嵌入式移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)的應(yīng)用方向

移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的許多特性都與信息時(shí)代的不斷進(jìn)步的需求相吻合, 有著廣闊的發(fā)展空間。

4.1嵌入式移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)在物流領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景

物流的信息化在未來的物流發(fā)展中將發(fā)揮日益重要的作用，因?yàn)榧皶r(shí)準(zhǔn)確的信息有利于協(xié)調(diào)生產(chǎn)、銷售、運(yùn)輸、存儲(chǔ)等業(yè)務(wù)的展開，有利于降低庫(kù)存，節(jié)約在途資金等。在運(yùn)輸方面，利用移動(dòng)計(jì)算機(jī)與GPS/GIS車輛信息系統(tǒng)相連，使得整個(gè)運(yùn)輸車隊(duì)的運(yùn)行受到中央調(diào)度系統(tǒng)的控制。在存儲(chǔ)環(huán)節(jié)，帶有嵌入式移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)的手持計(jì)算機(jī)輸入的信息通過無線通信網(wǎng)絡(luò)寫入中央數(shù)據(jù)庫(kù)，大大提高了工作效率和信息的時(shí)效性，有利于物流優(yōu)化控制。在配送環(huán)節(jié)，輸入手持計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳入中央數(shù)據(jù)庫(kù)。因此，在投遞的同時(shí)，用戶即可查詢物品投遞的情況。

4.2嵌入式移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)為移動(dòng)銀行鋪平了道路

在我國(guó)，移動(dòng)用戶是最具消費(fèi)潛力的群體，因此針對(duì)移動(dòng)用戶開發(fā)的移動(dòng)銀行業(yè)務(wù)將具有很大的市場(chǎng)潛力，而且能夠推動(dòng)移動(dòng)電子商務(wù)的發(fā)展。移動(dòng)銀行可以使客戶在異地對(duì)自己的帳務(wù)進(jìn)行實(shí)時(shí)查詢、交易，方便、省時(shí)，降低成本，同時(shí)安全可靠，機(jī)動(dòng)靈活�？蛻艨梢栽谌魏螘r(shí)間，任何地點(diǎn)進(jìn)行交易，節(jié)約了去銀行的時(shí)間。出差或旅游在外仍可享受銀行服務(wù)。

4.3嵌入式移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)非常有助于提高實(shí)地調(diào)查/工作的效率

煤氣、水電等公用事業(yè)檢查員查驗(yàn)數(shù)據(jù)就是一個(gè)很好的應(yīng)用實(shí)例，目前一般的檢查員仍然是將檢驗(yàn)的數(shù)據(jù)記錄在紙上。如果利用移動(dòng)計(jì)算機(jī)記錄和傳輸數(shù)據(jù)，遇到糾紛時(shí)還可以實(shí)時(shí)地查詢歷史記錄，這將使得我國(guó)的公用事業(yè)單位的收費(fèi)工作大大地改善。

除了上述主要應(yīng)用之外，移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)還在零售業(yè)、制造業(yè)、金融業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域展現(xiàn)了廣闊的應(yīng)用前景。隨著移動(dòng)計(jì)算、移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)和無線數(shù)據(jù)通信等相關(guān)技術(shù)迅猛發(fā)展，移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)將成為信息社會(huì)的重要支柱。

5.總結(jié)

    本文給出嵌入式移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)的定義，描述了嵌入式移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)的體系結(jié)構(gòu)并簡(jiǎn)單分析它的特點(diǎn)，然后詳細(xì)分析了嵌入式移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)的關(guān)鍵技術(shù)，最后展望了嵌入式移動(dòng)數(shù)據(jù)應(yīng)用前景。嵌入式移動(dòng)數(shù)據(jù)的相關(guān)技術(shù)研究不斷取得進(jìn)步，這為嵌入式移動(dòng)數(shù)據(jù)的成熟應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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