嵌入式移动数据库的特点及关键性技术分析

移动环境中所具有的移动性、频繁的断接收、低带宽、电池电量有限性等特性，决定了移动数据库中的计算环境不同于分布式数据库，给移动数据库的研究提出了许多新的挑战。本文分析移动数据库的特点、体系结构；介绍移动数据库系统中的一些关键性技术，及移动Agent在移动数据库中的应用。
　　移动数据库是移动计算环境中的分布式数据库，由于移动数据库的应用大都嵌入到诸如掌上电脑、PDA、车载设备等移动通信设备中，故移动数据库有时也称为嵌入式移动数据库。在数据库系统的研究历史中，传统的分布计算与分布数据库的研究是基于有线网络和固定主机的。这些都采用了一些默认的隐含假设，例如固定网络连接、对等通信代价、主机节点固定不变等。但进入20世纪90年代以来，随着移动通信技术和网络技术迅速发展，加之移动计算机和移动通信设备的大量普及，许多计算节点可以在移动过程中与网络建立连接，使得上述假设条件不成立。移动计算环境具有移动性、低带宽、频繁断接性、网络通信的非对称性、电源电力的有限性等特点，使得传统分布式数据库中的方法和技术不断直接应用于移动数据库。目前，移动数据库的应用与研究正在成为学术界的一个研究热点，有大批学者投入到这一新的研究领域。
　　1 嵌入式移动数据库的体系结构
　　在传统的分布式计算系统中，各个计算节点之前是通过固定网络连接并保持网络的技术连接性的，而移动计算系统改变了这种假设条件。移动计算系统是固定节点和移动节点构成的分丰计算系统。移动计算的网络环境具有鲜明的特点：移动性、断接性、带宽多样性、可伸缩性、弱可靠性、网络通信的非对称性、电源能力的局限性等。移动环境中的分布式数据库就是移动数据库。它是传统分布式数据库系统的扩展，可以看作客户与固定服务器节点动态连接的分布式系统。移动数据库系统的结构如图1所示。
　　
　　其中，移动客户机MC（Mobile Client）包括便携式电脑、PDA等；MSS（Mobile Support Station）支持移动计算的固定节点，具有无线通信接口；FH（Fixed Host）没有无线通信接口，安装有数据库和数据库管理系统。
　　2 嵌入式移动数据库的关键技术
　　为了实现移动数据库，必须解决移动计算环境中断接性、移动性、网络通信的不对称性等因素对移动数据库系统的影响。
　　（1）数据复制与缓存技术
　　该技术是解决移动数据库数接性的关键技术，在现有DBMS基础上进行修补以适应移动计算也采用该技术。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。目前，针对移动计算特点开展数据复制/缓存技术的研究最具代表性的是：J.Gray的两级复制机制、CODA系统以及缓存失效报告广播技术等。另外，SYBASE公司的移动数据库产品SQL ANYWHERE和SQL REMOTE也采用该技术来支持移动计算环境。
　　（2）数据广播
　　通俗地讲，数据广播是指在移动计算环境中，利用客户机与服务器通信的不对称性，以周期性广播的形式向客户机发送数据。其最大的优点是，广播开销不依赖移动用户数量的变化而变化，借助数据广播，可以在一定程度上解决移动数据库系统的断接问题。数据广播的研究可分为服务器和客户机两个方面：服务器主要考虑如何利用本地缓存进一步减少查询广播数据的时间。在国内，长沙国际科技大学的周兴铭院士对数据广播进行了深入研究，提出了数据广播的多盘调度算法。衡量数据广播调度算法好坏的参数是访问时间和调谐时间。
　　（3）位置相关查询优化
　　在移动数据库中，存在着与位置相关信息的查询及更新。查询通常是与位置相关的，即使是同一个问题，在不同的地方，所得查询结果是不同的，如“最近的医院在哪里？”。移动查询优化技术是指在传统分布式数据库查询优化技术的基础上，利用多种方法，消除带宽多样性、断接等因素造成的影响，使查询引擎能够根据当前可用网络条件采取恰当的优化策略；同时，针对移动计算机有限电源能力，合理地组织本地数据库管理、远程数据库访问等耗电能较多的操作，达到节能目的，延长关键数据的可用时间。
　　
　　采用基于分割的地址更新策略时，由位置服务器维护的移动用户对象包含以下数据成员和方法：
　　分割集合——记录MSS的分割情况，例如{Cell1，Cell2}，{Cell3，Cell4，Cell5}；
　　LOC——记录移动用户最近报告的地址（无线单元的ID），例如Cell1；
　　ERR——移动用户当前所在的分割，例如，若LOC=Cell1，则ERR={Cell1，Cell2};
　　loc（）——一个方法，用于返回该用户的实际地址，即上面介绍的地址查询过程。
　　在移动查询的应用中，有各种各样涉及地址的查询，例如“请寻找一名校园附近的医生”，“查找X，Y，Z，这三人都在同一条公路上，且Y在X与Z之间”，等等。一般地，可以把这一类地址相关查询表示为：
　　SELECT x1，x2，…，xn
　　FROM Users
　　WHERE（x1，loc=11∧…∧xn.loc=1n）∧C（11，…，1n）∧W（x1，…，xn）
　　其中C（11，…，1n）是关于地址11，…，1n的n元约束条件，而W（x1，…，xn）是关于对象x1，x2，…，xn非地址属性的n元约束条件，Users是所有移动用户的集合。
　　（4）移动事务处理
　　事务处理是数据库管理系统的一个基本功能，主要用于维护数据的一致性，支持多用户的并发访问，使用户可以可靠地查询和更新数据库。一般来说，用户对数据库系统的访问都是通过事务来完成的。在传统的数据库系统中，一个事务由一系列读写操作组成。事务处理必须满足四个准则，即原子性、一致性、隔离性和永久性（简称ACID）。移动计算环境的特点，使传统数据库系统中的事务处理技术不能满足移动事务处理的要求。
　　通常，将移动客户机发出的事务叫移动事务，它属于分布事务。移动事务处理具有以下特点：
　　①移动性。这不仅指移动事务执行期间，发出事务的移动客户机是移动的，而且事务本身也在相应地移动。
　　②长事务。由于无线网络通信的低带宽、高延迟以及移动客户机的频繁断接性，都可能使移动事务成为长事务。
　　③易错性。由于移动客户机不如固定结点可靠，而且无线网络通信也不如固定网络稳定，因此，与一般事务相比，移动事务更容易出错。
　　④异构性。由于客户机的移动性，移动事务可能要访问分布的异构数据库系统。
　　总之，移动事务不同于传统事务，传统的ACID模型已不能很好地描述移动事务，需要为移动事务寻找更好的模型。维护数据的一致性和解决过区切换（handoff）问题是移动事务管理的重要任务。
　　3 移动Agent技术
　　Agent的研究起源于人工智能领域。Agent是指模拟人类行为与关系，具有一定智能并能够自主运行和提供相应服务的程序。移动Agent是一个能够在异构网络中自主地从一台主机迁移动另外一台主机，并可与其它Agent或资源交互的程序。实际上它是Agent技术与分布式技术的混血儿。移动Agent具有自主性、移动性、协作性、安全性、智能性等特性。
　　传统的分布式计算基于Client/Server体系结构，其带宽耗费严重，网络负载不均衡，容错能力较差。移动Agent作为全新分布式计算工具，通过将自身代码、状态传送到远程主机，并在远程主机执行的方式克服了Client/Server方案的不足之处，因而成为分布式计算的主要发展方向之一。
　　与Client/Server方案相比，移动Agent具有以下几大优势：移动Agent通过移动到服务器端工作并把最终数据传回客户机，可以节省网络带宽；移动Agent减少了费时的网络传输，并且在规模较大的数据库操作中Agent能实现本地操作，可以节省时间；移动Agent移动到服务器端直接传回最终结果，避免了中间数据的传输延迟；一旦移动Agent从客户端传输到另一台主机上，这台机器就可以和网络断开连接直到想回收Agent或再次传送Agent，即整个系统可工作在异步方式；移动Agent可以轻易地从一个平台移动到另一个平台，它们带着自身代码移动到目的机器上无须预先安装就能运行，可以很方便地实现负载平衡；移动Agent可以感知环境的变化并作出反应，多个移动Agent可以动态地调整分布以维护最优配置。
　　基于移动Agent嵌入式移动数据库改革了传统的远程查询数据库的SQL查询方法，把查询任务存储到一个可通过网络进行移动的Agent上，Agent将移动到服务器上，执行查询并在座结论，然后返回到用户并打印结果。在这个过程中，我们把查询任务分解为单个的查询方法，而这些指令在网络上的合适地点会被唤醒并执行。通过将移动Agent技术引入嵌入式移动数据库中，有助于实现嵌入式移动数据库查询优化。
　　结语
　　移动计算的研究覆盖了许多领域，如移动硬件设备、移动通讯、移动联网技术、无线WWW访问、移动数据库技术、无线客户/服务器应用等。随着互联网和无线通讯技术的发展，移动数据库的需求正在不断增加，其技术正在成为国际数据库界的一个研究方向。由于移动数据库自身的移动性、断接性、带宽的有限性、网络通信的非对称性以及电源电量的有限性等特性，决定了移动计算环境不同于传统的分布计算。Agent技术是计算机领域的一个研究热点，是一个能独立运行的智能体。现在，将移动Agent技术应用于分布式系统和网络管理等方面取得了很好的效果。总之，随着人们对信息需求的不断增加，无线网络和通信技术的不断进步，移动数据库领域的研究大有希望，必将为人类带来巨大的商业和社会价值。