高级数据库技术-第7章 移动数据库

• 以上WCSR协议的操作方式将允许复制服务器间存在暂时 的不一致性，因此它采用一种周期成对同步的复制更新方 式来收敛这种不一致性。它的主要思想是：每个服务器周 期地选择另一个服务器来交换各自的暂态事务日志，同步 双方的数据库状态，经过有限次的成对同步后，所有复制 服务器间的数据库状态便达到一致了。在两个服务器同步 时，为了维护不同服务器上并发更新事务的一致性，采用 了基于时间戳的并发控制方法，并采用了一种基于应用语 义的冲突检测与消解技术，避免不必要的事务冲突。
• （7）网络通讯的非对称性。上行链路的通讯代价 与下行链路有很大的差异。这要求在移动数据库 的实现中充分考虑这种差异，采用合适的方式(如 数据广播) 传递数据。 • 此外，如果系统所嵌入的某种移动设备支持实时 应用，则嵌入式数据库系统还要考虑实时处理的 要求。这是因为设备的移动性，如果应用请求的 处理时间过长，任务就可能在执行完成后得到无 效的逻辑结果，或有效性大大降低。因此，处理 的及时性和正确性同等重要。
• 当移动节点由断接状态重新入网后，对于 移动节点，它需要做以下工作： • （1）它需要把断接期间对主副本在本移动 节点的数据对象的更新值传给基节点，再 在基节点间传播此更新。
• （2）它需要接收主副本在基节点的数据对象的更 新值，使其复制对象的主版本重新与基节点数据 保持一致。移动节点可见的数据重新变为主版本， 暂态版本将被丢弃。
7.2 移动数据库的关键技术
• 在移动数据库的关键技术的研究中，比较 重要的有复制与缓存技术、数据广播、移 动查询技术、移动事务处理技术等
7.2.1 移动数据库的复制与缓存技术
• 移动数据库的复制技术包括两部分：首先是服务器节点间的数据复制， 简称为复制；另外还包括移动节点与服务器节点之间的复制，这常被 称为缓存。
• 移动计算是建立在移动环境上一种新型的计算技术，它使 得计算机或其他信息设备在没有与固定的物理连接设备相 连的情况下能够传输数据。移动计算的作用在于，将有用、 准确、及时的信息与中央信息系统相互作用，分担中央信 息系统的计算压力，使有用、准确、及时的信息能提供给 在任何时间、任何地点需要它的用户。移动计算环境由于 存在计算平台的移动性、连接的频繁断接性、网络条件的 多样性、网络通讯的非对称性、系统的高伸缩性和低可靠 性以及电源能力的有限性等因素，它将比传统的计算环境 更为复杂和灵活。这使得传统的分布式数据库技术不能有 效支持移动计算环境，因此嵌入式移动数据库技术 (Mobile Database)由此而产生，它涉及传统的数据库技术， 分布式计算技术，以及移动通讯技术等多个学科领域。
• （2）接收移动节点发送的主副本在该移动节点的 数据的更新值，并采用一定的策略把此更新值传 播到其他基节点中。 • （3）接收移动节点的暂态事务序列及其参数，生 成相应的基事务并执行。该基事务执行得到的结 果很可能与原来在移动节点执行的暂态事务得到 的结果不同。此时，根据需要，我们或者可以通 知移动节点该事务失败，并同时夭折所有基于该 事务结果的事务；也可以简单的把基事务得到的 新结果传回给移动节点，并执行后续事务。
7.1.3 移动数据库的典型系统模型
• 动数据库系统由三类结点组成Βιβλιοθήκη Baidu即：
• （1）服务器（SVR）：一般为固定结点， 每个服务器维护一个本地数据库，服务器 之间由可靠的高速互联网络连接在一起， 构成一个传统意义上的分布式数据库系统. 服务器可以处理客户的联机请求，并可以 保持所有请求的历史记录。
• 两级复制体系的同步处理策略是这样的： • 当移动节点处于联机状态时，它类似于主副本更 新协议。移动节点使用复制对象的主版本值，并 适时更新其值，保持与基节点数据的一致性，为 断接状态做好准备。 • 当移动节点处于断接状态时，移动节点使用其数 据库复制继续工作，生成若干暂态事务，并把这 些事务对数据对象的更新保存到数据的暂态版本 中。此时移动节点可见的数据是复制对象的暂态 版本。
第7章 移动数据库
7.1 移动数据库简介
7.1.1 移动数据库与移动计算
• 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
• 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）。
• 综上所述，两级复制体系既支持移动节点 在断接情况下继续进行数据的读写，提高 了系统的可用性，又能在重新入网时采取 适当的同步策略保证系统数据的一致性， 因此十分适合移动计算环境。但它也有一 些缺陷，如暂态事务在基站中重做需要很 大的开销等。
• 2．三级复制体系结构 • 三级复制体系结构是由我国学者提出的。从1996 年开始，长沙国防科技大学成立有关研究小组对 移动数据库进行研究，提出了一种移动数据库的 三级复制体系结构，简称TTR(Three-Tier Replication Architecture)，它是国内移动数据库 复制技术中最有代表性的研究。
• （5）系统的安全性及可靠性较差：由于移动计算 平台可以远程访问系统资源，从而带来新的不安 全因素。此外，移动主机遗失、失窃等现象也容 易发生，因此移动数据库系统应该提供比普通数 据库系统更强的安全机制。 • （6）资源的有限性：移动设备的电源通常只能维 持几个小时;此外，移动设备还受通讯带宽、存储 容量、处理能力的限制。移动数据库系统必须充 分考虑这些限制，在查询优化、事务处理、存储 管理等诸环节提高资源的利用效率。
• （3）在基节点上重做暂态事务。它向基节点提交 所有暂态事务及其输入参数，由基节点生成并执 行对应的基事务。并等待基事务的处理结果，与 基节点相配合完成对应的基事务。
• ，对于基节点，它发现一个移动节点重新 联机时，需要做以下工作：
• （1）将主副本在基节点上的数据对象的更 新值发给移动节点，以同步移动节点复制 对象主版本的值。
• （3）网络条件的多样性：在整个移动计算空间中， 不同的时间和地点连网条件相差十分悬殊。因此， 移动数据库系统应该提供充分的灵活性和适应性， 提供多种系统运行方式和资源优化方式，以适应 网络条件的变化。 • （4）系统规模庞大：在移动计算环境下，用户规 模比常规网络环境庞大得多，采用普通的处理方 法将导致移动数据库系统的效率极为低下。
• 三级复制体系结构包括服务器级复制，空中复制 和客户机缓存这三级复制机制，
• （1）服务器级复制 • 服务器级复制是指连接在固定高速网络中的服务器节点间 的复制策略。理论上这里可以采取传统的分布式数据库中 所用到的协议，但是为了更好的支持移动计算环境，通常 会采用比传统协议更弱的弱一致性复制协议。在TTR中设 计了一种弱一致性复制协议，简称WCSR（Weakly Consistent Server Replication），它弱于前面提到的主副 本更新复制协议。WCSR协议最大的优点是具有较短的响 应时间，在该协议下，每个复制服务器都支持查询与更新 操作，用户提交事务时，只要访问一个服务器就可以了： 服务器在接到用户的查询事务时，直接返回用户本地复制 的数据；而在接到用户的更新事务时，将该事务记入暂时 事务日志后，也是直接对本地复制进行操作，然后马上返 回结果给用户。
• 复制技术首要考虑的问题是维护多个复制节点上数据的一致性。现有 的复制协议可分为严格一致性协议和弱一致性协议两类：严格一致性 协议要求在任何时刻所有数据库的复制都是一致的;而弱一致性协议允 许各个复制之间存在暂时的不一致，但这种不一致总是保持在一定的 界限内，而且总是能够趋向于一致，严格一致性协议是数据库系统追 求的目标，但是在移动数据库系统中它却并不合适，因为严格一致性 协议需要所有节点都处于连接状态，以完成所有副本的更新，而移动 计算环境中移动节点却有频繁断接的特点。另外，即使是在保持连接 的服务器节点间采用严格一致性协议，其可用性也很差，因此只要允 许，服务器节点间的复制更新也常采用弱一致性协议。
• 移动计算环境下复制技术需要考虑的主要 问题有三个 • （1）考虑移动节点与服务器节点间如何合 理分配数据的问题。即要考虑如何提高移 动节点缓存数据的命中率问题。
• （2）考虑移动节点与服务器节点数据的同步问题。 移动节点在网内时，在可以保持两者数据同步的 情况下应尽量减少两者的通信时间与通信量，以 节省通信费用。在移动节点断接后重新入网时， 节点在断接期间对本地缓存所做的操作可能与服 务器对数据的操作产生冲突，这时候采取什么冲 突策略是移动复制缓存技术需要考虑的最重要的 问题。
• 针对移动数据库系统的结构特点，该体系 把节点分成两类：一类称为基节点，它们 联接在高速固定网络中，在基节点间存在 一个复制策略，称为第一级复制；另一类 是移动节点，他们经常处于断接状态，它 们也存有与基节点之间的复制缓存，称为 第二级复制。数据对象的主副本大部分位 于基节点中，但也可位于移动节点中。
• （3）考虑如何改良服务器节点间的复制策略以使 其更高效、更好地支持移动性。
• 1．两级复制体系结构 • 两级复制体系是J.Gray在90年代初提出的， 它以主副本更新复制协议为基础。主副本 更新方式在分布式数据库中十分常用，其 主要思想是在数据对象的多个副本中指定 一个主副本，从而更新事务只要更新了主 副本的值便认为是逻辑完成了，由主副本 所在的场地更新其他副本的值。
7.1.2 移动数据库的特点
• （1）移动性及位置相关性：移动数据库可以在无线通讯 单元内及单元间自由移动，而且在移动的同时仍然可能保 持通讯连接；此外，应用程序及数据查询可能是位置相关 的。这要求移动数据库系统支持这种移动性，解决过区切 换问题，并实现位置相关的处理。
• （2）频繁的断接性：移动数据库与固定网络之间经常处 于主动或被动的断接状态，这要求移动数据库系统中的事 务在断接情况下仍能继续运行，或者自动进入休眠状态， 而不会因网络断接而撤消。
• （2）移动支持结点（简称MSS）：MSS也位于高速网络 中，并具有无线联网能力，它们用于支持一个无线网络单 元（cell），该单元内的移动客户机既可以通过无线链路 与一个ＭＳＳ通信，从而与整个固定网络连通，也可以接 收由ＭＳＳ发送的广播信息。服务器与ＭＳＳ可以是同一 台机器。 • （3）移动客户机（简称ＭＣ）：ＭＣ的处理能力与存储 能力相对于服务器来说非常有限，且具有移动性（即可以 出现在任意一个无线单元中），经常与服务器断接（指Ｍ Ｃ无法与服务器联机通信）。即使在与服务器保持连接时， 由于ＭＣ所处的网络环境多变，ＭＣ与服务器之间的网络 带宽相差很大，且可靠性较低、网络延迟较大。
• 由于存在暂态事务，移动节点上的每个复制对象 都维护两个值： • （1）主版本：指从数据对象的主副本得到的最新 值。 • （2）暂态版本：在断接期间由本地暂态事务对缓 存的数据对象进行操作产生的新值。在断接期间 该新值对移动节点本身是可见的，即断接期间移 动节点看到的数据对象的值为该暂态版本。
• 暂态事务必须遵循一条准则：它们只能访问主节 点是基节点或移动节点本身的数据对象。
• 由于移动节点可能处于断接状态，事务有可能不 能及时更新数据对象的主副本的值，因此把事务 分成两类： • （1）基事务：它在对象的主副本上执行，更新对 象的主副本值。 • （2）暂态事务：它主要产生于移动节点中，即在 断接期间对本地缓存的数据进行操作的事务，它 保证移动节点在断接期间仍能尽可能的继续工作。 暂态事务在移动节点重新联机时，将会产生一个 基事务，以真正更新数据对象主副本的值，保持 系统数据的一致性。