嵌入式移动数据库应用研究

摘要：随着移动计算技术的发展，移动数据库逐步走向应用，在嵌入式操作系统中移动数据库更显示出其优越性。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，并指出了移动数据库应用方向。
关键词：嵌入式系统；移动数据库；移动计算；事务处理

0引言

数据库技术一直随着计算的发展而不断进步，随着移动计算时代的到来，嵌入式操作系统对移动数据库系统的需求为数据库技术开辟了新的发展空间。随着智能移动终端的普及，嵌入式移动数据库技术目前已经从研究领域逐步走向广泛的应用领域。

在数据库系统的研究历史中，传统的分布计算与分布式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能直接应用于移动数据库。

1嵌入式移动数据库的定义

从数据库技术的发展过程来看，计算环境和数据库技术基本保持着一种同步发展的态势，互相影响、互相促进。移动计算的概念是对“任何时间、任何地点的立即通讯”的扩展。在分布式计算的基础上，计算环境进一步扩展为包含各种移动设备、具有无线通信能力的服务网络，构成了一个新的计算环境，即移动计算环境。相应地，数据库系统先后出现了集中式数据库系统、分布式数据库系统、B/A/S多层结构的数据库系统、嵌入式数据库和移动数据库。当然，这些系统也可以共存在同一个计算环境中。

一般说来，嵌入式移动数据库可以从系统的体系结构方面来定义：嵌入式移动数据库系统是支持移动计算或某种特定计算模式的数据库管理系统，数据库系统与操作系统、具体应用集成在一起，运行在各种智能型嵌入设备或移动设备上。其中，嵌入在移动设备上的数据库系统由于涉及数据库技术、分布式计算技术，以及移动通讯技术等多个学科领域，目前已经成为一个十分活跃的研究和应用领域——嵌入式移动数据库或简称为移动数据库（EMDBS）。

2嵌入式移动数据库的体系结构及其主要特点

2.1体系结构

在传统的分布式计算系统中，各个计算节点之间是通过固定网络连接并保持网络的持续连接性的，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布计算系统。

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。移动数据库系统的体系结构如图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。

2.2主要特点

移动数据库的计算环境是传统分布式数据库的扩展，它可以看作客户端与固定服务器节点动态连接的分布式系统。因此移动计算环境中的数据库管理系统是一种动态分布式数据库管理系统。由于移动数据库在移动计算的环境下应用在嵌入型操作系统之上，所以它具有：微小内核结构、对标准SQL的支持、事务管理功能、完善的数据同步机制、支持多种连接协议、完备的数据库管理功能和支持多种嵌入型操作系统的特点和功能需求。

在移动数据库中还需要考虑诸多传统计算环境下不需要考虑的问题，如对断接操作的支持、对位置相关查询的支持、对查询优化的特殊考虑以及对提高有限资源的利用率和对系统效率的考虑等等。为了有效地解决上述问题，诸如复制与缓存技术、移动事务处理、数据广播技术、移动查询处理与查询优化、位置相关的数据处理及查询技术、移动信息发布技术等技术仍在不断的发展和完善，它们会进一步促进移动数据库技术的发展。

3嵌入式移动数据库的关键技术

移动数据库涉及的理论和技术含盖了当今通信、计算机和嵌入式系统的最新成果，其中在移动环境下如何进行数据管理是实现移动数据库的关键。根据目前国际有关机构研究的研究表明这些关键技术主要集中在以下几个方面。

3.1数据复制与缓存

复制是在多个移动节点上维护数据的备份，包括服务器之间的复制和移动计算机上保存数据库的复制。一般前者称为复制后者称为缓存。复制的主要目的是提高分布式数据库系统的可用性、可靠性和访问性能。首要的问题是如何维护多个复制节点上数据状态的一致性。按照维护复制一致性的方式来划分，现有的复制协议可以分为严格一致协议和弱一致协议两种。严格一致协议要求任何时刻所有数据库的复制都是一致的；而弱一致协议允许各个复制之间存在暂时的不一致，但这种不一致总能够保持在一定的界限之内，而且总是能够趋于一致（收敛性）。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。

3.2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组织广播数据，即数据广播的调度；移动节点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，长沙国防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。

3.3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“最近的超市在哪里?”。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“请寻找一家校园附近的超市”，“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=l1 ∧…∧ xn.loc=ln ) ∧ C(l1，…，ln ) ∧ W(x1 ，…， xn )

其中C(l1, …, ln )是关于地址l1, …, ln 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。

3.4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。

4嵌入式移动数据库的应用方向

移动数据库技术的许多特性都与信息时代的不断进步的需求相吻合, 有着广阔的发展空间。

4.1嵌入式移动数据库在物流领域有着广阔的应用前景

物流的信息化在未来的物流发展中将发挥日益重要的作用，因为及时准确的信息有利于协调生产、销售、运输、存储等业务的展开，有利于降低库存，节约在途资金等。在运输方面，利用移动计算机与GPS/GIS车辆信息系统相连，使得整个运输车队的运行受到中央调度系统的控制。在存储环节，带有嵌入式移动数据库的手持计算机输入的信息通过无线通信网络写入中央数据库，大大提高了工作效率和信息的时效性，有利于物流优化控制。在配送环节，输入手持计算机的数据通过无线网络传入中央数据库。因此，在投递的同时，用户即可查询物品投递的情况。

4.2嵌入式移动数据库为移动银行铺平了道路

在我国，移动用户是最具消费潜力的群体，因此针对移动用户开发的移动银行业务将具有很大的市场潜力，而且能够推动移动电子商务的发展。移动银行可以使客户在异地对自己的帐务进行实时查询、交易，方便、省时，降低成本，同时安全可靠，机动灵活。客户可以在任何时间，任何地点进行交易，节约了去银行的时间。出差或旅游在外仍可享受银行服务。

4.3嵌入式移动数据库非常有助于提高实地调查/工作的效率

煤气、水电等公用事业检查员查验数据就是一个很好的应用实例，目前一般的检查员仍然是将检验的数据记录在纸上。如果利用移动计算机记录和传输数据，遇到纠纷时还可以实时地查询历史记录，这将使得我国的公用事业单位的收费工作大大地改善。

除了上述主要应用之外，移动数据库技术还在零售业、制造业、金融业、医疗卫生等领域展现了广阔的应用前景。随着移动计算、移动数据库和无线数据通信等相关技术迅猛发展，移动数据库将成为信息社会的重要支柱。

5.总结

本文给出嵌入式移动数据库的定义，描述了嵌入式移动数据库的体系结构并简单分析它的特点，然后详细分析了嵌入式移动数据库的关键技术，最后展望了嵌入式移动数据应用前景。嵌入式移动数据的相关技术研究不断取得进步，这为嵌入式移动数据的成熟应用打下了坚实的基础。

参考文献

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