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一、移動數據庫

移動計算機指掌上型或便攜式計算機,小一點的如PDA,大一些的如筆記本電腦。但無論尺寸如何,這些移動計算機都將裝配無線聯網設備,從而能夠與固定網絡甚至其它的移動計算機相聯。這樣的計算環境稱之為移動計算(MobileComputing),它使用戶不必再固定連接在某一個網絡中,而是可以攜帶著計算機自由地行動。

移動計算機中的系統一般都要進行數據存儲、與主服務器進行數據交換以及進行數據處理,因此需要一個小型的或微型的數據庫及相應的DBMS,還要有相應的特殊配套軟件使之能適應它們的特殊要求。在這種情況下,傳統的分布式數據庫技術已經不能支持或是不能有效支持移動計算,因此,研究移動計算環境中的數據管理技術,已經成為目前分布式數據庫研究的一個新的方向,稱之為移動數據庫技術。

二、微終端移動數據庫及應用

隨著各種便攜式終端(尤其是手機)的數量的不斷增加,以及移動通訊技術、無線聯網技術的成熟和應用,越來越多的人希望擺脫固定終端在地域上的束縛,能在移動狀態下與網絡中的節點保持通信,并且當在移動終端改變自身位置時,原來的網絡連接并不中斷。而便攜式終端功能的不斷增強,也使得大量數據駐留在終端中成為可能。

微終端移動數據庫即是在這種情況下出現的,它是指移動數據庫存儲在微型終端設備中———微型終端設備指的是:手機、具有通信功能的PDA,不考慮筆記本電腦等稍大一點的設備。微終端移動數據庫在實現方面有其優點:終端設備類似、可以使用移動通信系統中的網絡設備、協議統一、帶寬基本一致。在應用中不可忽視的一個優勢是擁有這類設備的人數龐大,并且日益增加;而且其功能也在不斷加強。

微終端移動數據庫除了具有移動數據庫的特性外,還具有其自身的特點:①體積小;②電源受限;③移動性更強(頻繁過區切換);④頻繁斷接;⑤規模大。

由于微終端設備(主要是智能手機)的普及和功能的不斷強化,已經出現了很多商務應用,如:移動銀行、移動支付、移動證券交易、股票實時查詢。但這些服務都是以文字和極簡單的圖片為主,并且大都是在生活、娛樂方面,功能有限。當然,隨著3G網絡的普及,今后一定會出現針對具體企業的無線網絡應用。我們來看幾個例子:

例1:一家三口自行駕車進行異地旅行,在陌生的城市可能會有這樣的疑問:“下一個高速公路岔道口是否有加油站?”“最近的能用招行一卡通付費的旅店在哪里?”如果他們能用手機進行數據查詢,可能會得到滿意的回答。與基于集中和分布式數據庫查詢不同的是,上述查詢的答案是和位置相關的,甚至會和運動方向、速度有關。所以,服務器上的位置相關數據庫應該存儲各種有關旅店、餐館等信息,并提供其他一些有用的本地化信息。

這個例子可能并不需要在移動終端上駐留移動數據庫(但也不一定:如果用戶需要的話,他可以在手機中存儲有關數據以顯示他所在城市的地圖),但下面的例子就不同了。

例2:公司的推銷人員面對客戶促銷時,需要查詢一些有關客戶的信息。當然,他可以使用筆記本電腦通過Internet進入企業網站進行查詢,但公司不可能為每一位推銷人員配備筆記本電腦,如果用手機就能完成查詢,并將數據存儲在手機上就更加方便了,因為如果筆記本電腦不能聯網,或聯網效果不佳的話,將無法得到所要的數據,而在移動數據庫環境中,上述查詢既可以在聯網時發給遠端的服務器,也可以在網絡情況不好甚至斷接時從本地移動數據庫中得到結果。

例3:以往人們總是在每一個個人設備上拷貝一份諸如日程表、地址簿之類的信息。如果將這些信息放置在一個中央數據庫中,人們就可以從工作用的桌面計算機、移動電話、無線PDA,甚至家中電器通過Internet和無線網絡訪問同一份信息并下載存儲。而公司存儲在中央數據庫中的工作計劃、客戶資料等也可以由員工使用聯網設備自由訪問。在以上幾個例子中,能充分體現出微終端移動數據庫在移動商務和移動辦公中的強大功能。尤其是針對跨區域大型企業的商務應用。

三、微終端移動數據庫的關鍵技術

(1)緩存/數據一致性維護

傳統的復制/緩存技術都是假設客戶機和服務器之間是經常保持連接的,并基于這個前提來維護一致性。這在移動計算中是不適用的。移動環境一般采用部分復制方式。三層復制體系結構可減少網絡擁塞。

第一層復制是指服務器之間利用傳統的復制技術在固定高速網絡中所進行的復制,稱之為“服務器級復制”。第二層復制是指服務器利用無線網絡固有的廣播能力將數據庫中經常被大部分用戶訪問的公共熱點數據組織起來,向無線網絡單元內的所有移動終端廣播,這實際上是在無線廣播信道上做數據復制,稱之為“空中復制”,空中復制充分利用了無線網絡非對稱性的特點。第三層復制是為了支持移動用戶的斷接操作,移動終端利用本身的處理和存儲能力緩存數據庫中部分數據,稱之為“終端緩存”。由于移動數據庫的有限帶寬和低信道速率,緩存(Cache)是改善系統性能的有效途徑。

Cache技術在傳統的分布式數據庫中得到廣泛應用,它通過在客戶機上緩存部分數據,達到減少訪問主數據庫的目的,從而提高了性能。但是,傳統的緩存技術要求客戶機保持與服務器的連接,這樣才能維護緩存的一致性。

移動終端上的數據庫是一個動態變化的小型數據庫,是數據庫整體的一個子集,是移動終端上的自治數據庫,同時也是整個數據庫的一個時間、空間副本。而移動終端又不能與主服務器一直保持連接,因此它與傳統數據庫中的緩存存在一定區別。

在移動數據庫中,由于數據量的限制,每個移動系統中都有一個固定的中央系統與之相關聯,它們之間通過無線通訊聯系,可以將中央設備系統中的數據庫看成是移動系統中的數據庫的后援數據庫,移動數據庫中所要的數據可以從中央數據庫中取得;反之,移動設備所獲得的數據可以通過移動數據庫隨時轉存到中央數據庫中。同時,由于一個中央數據庫可能對應幾個移動數據庫,因此存在著多個數據庫間的數據的同步與一致問題。為解決此問題,必須在數據庫中設置同步機制,以保證數據的一致性。

斷接性是移動數據庫環境下眾多特點中很重要的一條。采用復制/緩存技術是解決數據庫斷接操作的一條有效途徑。移動數據庫的存在最主要的作用就是支持移動終端的斷接操作。由于移動數據庫只能是緩存部分數據對象,于是,合理選擇移動數據庫中的數據是關鍵。因為移動計算機上的數據庫容量是有限的,并且在實際運行時會發生變化,所以應能有效地替換移動數據庫中不再需要使用或使用頻率較低的信息和數據。

(2)位置管理和移動性支持

移動數據庫因為處于移動環境,所以移動終端的位置管理是一個重要問題。在集中式數據庫中,每個數據對象只有—份。在分布式環境中則可能存在多個副本,但只有一個唯一正確的值。移動數據庫在微終端的Cache中緩存數據,該數據是主服務器中的一個副本,但因為查詢是與位置相關的,所以即使是同一個問題,在不同的地方,所得到的查詢結果也可能存在多個值。比如,開車途中查詢離旅游者位置最近的加油站,在旅游者發出查詢與獲取結果這個時間段中,位置已經變化,導致所獲得的副本具有不同的值。這種情況被稱為多副本的多值性。這種應用的技術關鍵在于移動定位。

移動定位系統是移動通信網絡為用戶提供定位功能的服務。在移動計算環境中,位置相關信息的更新及查詢是一個重要的應用。在美國聯邦通信委員會公布的E-911標準中,定位服務是3G網絡必備的基本功能。移動終端的移動性與地理位置密切相關。

移動終端的移動性管理主要采用歸屬位置數據庫(HLR)和拜訪位置數據庫(VLR)。移動時須進行信道切換,切換涉及的移動網絡實體可能不同。移動計算系統本質上是一個樹型結構。樹根是MSC(移動交換中心),其各級枝干依次是:BSC(基站控制器)、BS(基站)、MU。隨著傳感網絡的發展和應用,MU還可以作為傳感網絡的匯聚節點,進行數據融合和分發。在切換時需根據位置數據庫,進行位置數據查詢、遷移和在新的基站或交換局進行注冊、信道分配等處理。

(3)廣播機制

數據廣播是指在移動計算環境中,利用網絡信道帶寬的不對稱性,以周期性廣播的形式向客戶機發送數據。其最大的優點是減少客戶請求的網絡流量,提高信道利用率,改進用戶的訪問性能,且廣播開銷與移動用戶的數目無關。數據廣播是移動無線網絡的數據和信息分發的主要方式,借助數據廣播,也可以在一定程度上解決移動數據庫系統的斷接問題。

數據廣播的主要問題在于廣播內容的選擇。在頻繁請求數據的情況下,可以通過自動熱點數據收集的方式來提高系統性能。其過程可分為三個階段:(1)在主服務器側分析SQL歷史查詢;(2)構建候選集;(3)形成結果集并發送到移動終端,終端將數據保存在各自的Cache中。其理論依據是最近被訪問的數據更有可能在最近的將來被訪問,將其緩存在客戶端可大大提高訪問效率,減少帶寬的消耗,降低網絡沖突。

數據廣播在無線網絡中作為信息的主要方式,對熱點數據廣播頻率高,對冷數據廣播頻率低,雖在一定程度上節約了帶寬和終端節點的能量消耗,但可能造成服務器單點失效,同時維護訪問頻率表占用了處理時間和存儲空間,并易于造成冷數據的饑餓現象。

(4)事務處理和并發控制

移動事務處理技術是數據庫管理系統的—個基本功能,它主要用于維護數據的一致性,支持多用戶的并發訪問,使用戶可以可靠的查詢和更新數據庫。在傳統的數據庫系統中,一個事務由一系列讀寫操作組成,事務處理必須滿足ACID準則。

與傳統事務相比,移動事務模型應適應通信可靠性低、低帶寬、能量有限、存儲容量小的移動計算環境,具備可分解、可移動、長事務、低回滾、低通信開銷、支持并發、斷接和復制一致性、局部自治等特點。

由于偶然因素或有意的節能、移動導致拓撲變化等原因,移動終端經常從網絡斷開。與傳統主機不同,這樣的斷連是可容忍的,事務處理仍可在服務器或移動終端繼續執行。移動終端的本地自治性使得事務持續執行,在重連后提交到主服務器,從而保證數據庫的—致性和事務的正確性。另外,無線網絡信道延遲也可能使事務執行的時間延長。因此,事務管理可看作是長事務,往往涉及到并發控制和緩存一致性。

在移動數據庫中一般采用弱一致性的并發控制機制。用戶可能需要隨時隨地訪問數據庫,如付款、轉賬等。移動數據庫系統必須具備多用戶并發事務處理的能力。兩層復制下的并發控制機制的主要算法思想是:允許用戶在移動終端本地更新,在連接到服務器后作為原子事務再度提交更新,并在失敗時通知各MU。

四、結語

在過去的幾年里,智能手機用戶呈爆炸式的增長,這致使無線通信成為世界上最熱門和發展速度最快的技術之一。在中國大陸,短短幾年內,手機用戶已超過5億,對于這樣龐大的群體,其中蘊涵的巨大商機是無法想象的。與手機數量的爆炸式增長形成鮮明對比,手機廠商預裝的軟件和網絡提供商所提供的服務早已不能滿足用戶日益增長的需求,更重要的是,與桌面領域和企業服務領域趨于飽和的情況不同,移動設備的軟件及服務幾乎是一片空白,所有的應用軟件都需要重新設計,所有的商務應用也要從零開始。微終端移動數據庫作為企業商務應用的底層技術,一定會有廣闊的發展前景。