嵌入式移動數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)體系、特點(diǎn)和優(yōu)化查詢方法研究

引言

移動數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用大多嵌入到諸如掌上電腦、 PDA等移動通信設(shè)備中，屬于移動環(huán)境下的分布式數(shù)據(jù)庫。移動計(jì)算是隨著移動通信、互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)庫、分布式計(jì)算等技術(shù)的發(fā)展而興起的新技術(shù)。移動計(jì)算技術(shù)將使計(jì)算機(jī)或其他信息智能終端設(shè)備，在無線環(huán)境下實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸及資源共享。它的作用是，與中央信息系統(tǒng)相互作用，分擔(dān)中央信息系統(tǒng)的計(jì)算壓力，將有用、準(zhǔn)確、及時的信息提供給任何時間、任何地點(diǎn)的任何客戶。移動計(jì)算環(huán)境比傳統(tǒng)的計(jì)算環(huán)境更為復(fù)雜和靈活，具有移動性、低帶寬、頻繁斷接性、網(wǎng)絡(luò)通信的非對稱性、電源能力的有限性等特點(diǎn)，這使得傳統(tǒng)分布式數(shù)據(jù)庫中的方法和技術(shù)不能直接應(yīng)用于移動數(shù)據(jù)庫。

根據(jù)嵌入式移動數(shù)據(jù)庫自身所具有的特點(diǎn)，采用與普通數(shù)據(jù)庫不同或更優(yōu)的查詢策略變得尤為重要。本文介紹了位置相關(guān)查詢優(yōu)化和數(shù)據(jù)廣播兩種普遍用于移動數(shù)據(jù)庫查詢的方法，結(jié)合移動數(shù)據(jù)庫中的緩存技術(shù)，分別從合理分配嵌入式移動數(shù)據(jù)庫資源和在一定程度上解決移動數(shù)據(jù)庫的斷接問題這兩點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)嵌入式移動數(shù)據(jù)庫的查詢優(yōu)化。

1 位置相關(guān)查詢優(yōu)化

1．1 嵌入式移動數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)體系及特點(diǎn)

在傳統(tǒng)的分布式計(jì)算系統(tǒng)中，各個計(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，而移動計(jì)算系統(tǒng)改變了這種假設(shè)條件。移動計(jì)算系統(tǒng)是固定節(jié)點(diǎn)和移動節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的分布計(jì)算系統(tǒng)。

移動計(jì)算的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境具有自身的特點(diǎn)：移動性、斷接性、帶寬多樣性、可伸縮性、弱可靠性、網(wǎng)絡(luò)通信的非對稱性、電源能力的局限性等。

移動數(shù)據(jù)庫的計(jì)算環(huán)境是傳統(tǒng)分布式數(shù)據(jù)庫的擴(kuò)展，可以看作客戶端與固定服務(wù)器節(jié)點(diǎn)動態(tài)連接的分布式系統(tǒng)，因此移動計(jì)算環(huán)境中的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)是一種動態(tài)分布式數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。由于移動數(shù)據(jù)庫在移動計(jì)算的環(huán)境下應(yīng)用在嵌入式操作系統(tǒng)之上，所以它具有微小內(nèi)核結(jié)構(gòu)、支持標(biāo)準(zhǔn)SQL、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)庫管理功能，以及支持多種嵌入式操作系統(tǒng)的特點(diǎn)和功能需求。

1．2 位置相關(guān)查詢優(yōu)化方式

在移動數(shù)據(jù)庫中，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，即使是同一個問題，在不同的地方所得查詢結(jié)果是不同的。

位置相關(guān)查詢是查詢條件中隱含有查詢者所在位置信息的查詢。其查詢處理不同于普通數(shù)據(jù)庫查詢處理，它要將移動用戶的位置信息加入到查詢條件中，并附加必要的語義信息（如“最近的”等）。類似的位置相關(guān)查詢是一類很重要的查詢問題，例如司機(jī)查詢最近的加油站、救護(hù)車查詢最近的醫(yī)院、旅客查詢最近的飯店等。一般可以把這類地址相關(guān)查詢表示為：

其中：“x1，x2，．，xn”表示移動用戶對象；Users表示所有移動用戶的集合；loc表示記錄移動用戶最近報告的地址（無線單元的 ID）；C（11，12，．，ln）是關(guān)于地址“11，12，．1n”的n元約束條件；W（x1，x2，．，xn）是關(guān)于對象“x1，x2，．，xn”非地址屬性的n元約束條件。

2 數(shù)據(jù)廣播

2．1 數(shù)據(jù)廣播的優(yōu)點(diǎn)

在一個無線單元內(nèi)，從服務(wù)器到移動客戶機(jī)的下行通信帶寬一般要遠(yuǎn)大于從移動客戶機(jī)到服務(wù)器的上行通信帶寬，而且移動客戶機(jī)從服務(wù)器接收數(shù)據(jù)的開銷也遠(yuǎn)小于發(fā)送開銷，因此在大部分場合中，即使是處于斷接狀態(tài)的移動客戶機(jī)也可以選擇接收從服務(wù)器發(fā)送的下行廣播信息。于是，可以利用這種網(wǎng)絡(luò)的非對稱性，由數(shù)據(jù)庫服務(wù)器把大多數(shù)用戶頻繁訪問的數(shù)據(jù)（即熱點(diǎn)數(shù)據(jù)）組織起來，以周期性的廣播形式提供給移動客戶機(jī)訪問，這種數(shù)據(jù)發(fā)布方式稱為“數(shù)據(jù)廣播”。

通俗地講，數(shù)據(jù)廣播是指在移動計(jì)算環(huán)境中，利用移動客戶機(jī)與服務(wù)器通信的不對稱性，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數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的斷接問題。數(shù)據(jù)廣播的研究可分為服務(wù)器和移動客戶機(jī)兩個方面：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)的時間。

它具有以下優(yōu)點(diǎn)：

①很好的可伸縮性。因?yàn)榉?wù)器廣播數(shù)據(jù)的開銷與接收廣播的客戶機(jī)數(shù)是無關(guān)的，因此它可以以很小的代價支持大量移動客戶機(jī)同時訪問數(shù)據(jù)。

②移動客戶機(jī)可以不需要數(shù)據(jù)緩存。

③即使在斷接時也允許移動客戶機(jī)訪問到最新數(shù)據(jù)。

④移動客戶機(jī)不再需要預(yù)測未來的數(shù)據(jù)請求。

數(shù)據(jù)廣播是解決移動數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)用戶規(guī)模龐大及網(wǎng)絡(luò)通信非對稱問題的一種有效辦法。衡量數(shù)據(jù)廣播調(diào)度算法好壞的參數(shù)主要有2個：訪問時間和調(diào)諧時間。

2．2 數(shù)據(jù)廣播的標(biāo)準(zhǔn)

數(shù)據(jù)的傳輸是基于MPEG一2 TS流的。針對不同的應(yīng)用類型，數(shù)據(jù)廣播定義了以下6種方式：數(shù)據(jù)管道、數(shù)據(jù)流、多協(xié)議封裝、數(shù)據(jù)傳送帶、對象傳送帶和用戶自定義的服務(wù)。

如圖1所示，數(shù)據(jù)廣播標(biāo)準(zhǔn)針對不同的應(yīng)用類型規(guī)定了不同的服務(wù)級別。數(shù)據(jù)管道標(biāo)準(zhǔn)對如何從MPEG一2 TS流中恢復(fù)數(shù)據(jù)并沒有給出具體的細(xì)節(jié)，它只是簡要描述了如何將數(shù)據(jù)放入MPEG一2 TS流的分組中去。數(shù)據(jù)流標(biāo)準(zhǔn)增加了更多的功能，特別是定時。這使得進(jìn)行異步的數(shù)據(jù)廣播、被同步的數(shù)據(jù)廣播以及同步的數(shù)據(jù)廣播變得可能。多協(xié)議封裝、數(shù)據(jù)傳送帶、對象傳送帶標(biāo)準(zhǔn)都是建立在使用MPEG一2的DSM—CC幀結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上的。它是基于MPEG一2ISO／IEC 13818—1中定義的MPEG一2中的私有部分。數(shù)據(jù)廣播增加了一些特定的信息以使該幀結(jié)構(gòu)在DVB環(huán)境中工作，特別是同業(yè)務(wù)信息（SI）的結(jié)合。

3 復(fù)制與數(shù)據(jù)查詢緩存機(jī)制

復(fù)制是在多個移動節(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)制和移動計(jì)算機(jī)上保存數(shù)據(jù)庫的復(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)議要求任何時刻所有數(shù)據(jù)庫的復(fù)制都是一致的；而弱一致協(xié)議允許各個復(fù)制之間存在暫時的不一致，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）。緩存是介于應(yīng)用程序和物理數(shù)據(jù)源之間，其作用是降低應(yīng)用程序?qū)ξ锢頂?shù)據(jù)源訪問的頻率，從而提高應(yīng)用的運(yùn)行性能。緩存內(nèi)的數(shù)據(jù)是對物理數(shù)據(jù)源中數(shù)據(jù)的復(fù)制，應(yīng)用程序在運(yùn)行時從緩存中讀寫數(shù)據(jù)，特定的時刻或事件會同步緩存和物理數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)。移動客戶機(jī)與服務(wù)器之間的無線網(wǎng)絡(luò)帶寬有限，而緩存技術(shù)可以有效地減少通信量，從而避免網(wǎng)絡(luò)的擁塞。

傳統(tǒng)的緩存技術(shù)要求移動客戶機(jī)保持與服務(wù)器的連接，這樣才能維護(hù)緩存的一致性，而采用移動計(jì)算模型的嵌入式移動數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)則不同。嵌入式移動數(shù)據(jù)庫的一個顯著特點(diǎn)是，移動終端之間以及與服務(wù)器之間的連接是一種弱連接，即低帶寬、長延遲、不穩(wěn)定和經(jīng)常性的斷開。在移動計(jì)算環(huán)境中．若采用傳統(tǒng)的方法，由于移動客戶機(jī)經(jīng)常斷接，斷接期間客戶機(jī)將無法接收到緩存失效信息，因此在重新聯(lián)機(jī)時必須將整個緩存作廢，既使緩存失去了其應(yīng)有的作用，又會嚴(yán)重浪費(fèi)有限的無線網(wǎng)絡(luò)帶寬。

而為了能在這種環(huán)境下對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行更新操作，嵌入式系統(tǒng)必須提供數(shù)據(jù)復(fù)制與同步功能，使得嵌入式移動數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)可以隨時隨地從其他數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中獲得準(zhǔn)確的、最新的、有用的、一致的數(shù)據(jù)?，F(xiàn)在普遍采用樂觀復(fù)．制方法（optimistic replication或lazy replication）允許用戶對本地緩存上的數(shù)據(jù)副本進(jìn)行操作。待網(wǎng)絡(luò)重新連接后再與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器或其他終端交換數(shù)據(jù)修改信息，并通過沖突檢測和協(xié)調(diào)來恢復(fù)數(shù)據(jù)的一致性。

4 嵌入式移動數(shù)據(jù)庫優(yōu)化查詢方法

移動查詢優(yōu)化技術(shù)是指在傳統(tǒng)分布式數(shù)據(jù)庫查詢優(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，針對移動計(jì)算機(jī)有限的電源能力，合理地組織本地數(shù)據(jù)庫管理、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫訪問等耗電較多的操作，達(dá)到節(jié)能目的并延長關(guān)鍵數(shù)據(jù)的可用時間。

研究表明，位置相關(guān)查詢優(yōu)化方法在一定程度上優(yōu)化了嵌入式移動數(shù)據(jù)庫資源問題，而在數(shù)據(jù)發(fā)送方式上，數(shù)據(jù)廣播將客戶要經(jīng)常訪問的、熱點(diǎn)數(shù)據(jù)以周期性廣播的方式發(fā)送給移動客戶機(jī)，即使是客戶機(jī)處于斷接的情況下，同樣可以收到服務(wù)器廣播的數(shù)據(jù)。通過合理地分配資源，結(jié)合數(shù)據(jù)庫緩存技術(shù)，利用數(shù)據(jù)廣播的優(yōu)點(diǎn)，這幾種方法較好地解決了移動數(shù)據(jù)庫的斷接問題，從而實(shí)現(xiàn)嵌入式移動數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)查詢優(yōu)化。

作為解決移動數(shù)據(jù)庫斷接問題的關(guān)鍵技術(shù)，緩存技術(shù)在傳統(tǒng)的分布式數(shù)據(jù)庫中得到廣泛應(yīng)用。它通過在客戶機(jī)上緩存部分?jǐn)?shù)據(jù)，達(dá)到減少訪問數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的目的，從而提高性能。在嵌入式移動數(shù)據(jù)庫中，在客戶機(jī)斷接的情況下，用戶可以從客戶緩存中查詢到全部或部分?jǐn)?shù)據(jù)。斷接性是移動數(shù)據(jù)庫環(huán)境眾多特點(diǎn)中很重要的一條，采用復(fù)制／緩存技術(shù)是解決移動數(shù)據(jù)庫斷接問題的一種有效途徑。移動客戶機(jī)上的數(shù)據(jù)庫容量有限，并且在實(shí)際運(yùn)行時會發(fā)生變化，通過對數(shù)據(jù)庫資源的更優(yōu)化分配，可使在處理數(shù)據(jù)時，不再使用或優(yōu)先選擇使用頻率較低的關(guān)系和數(shù)據(jù)。通過使用這些關(guān)系和數(shù)據(jù)，降低了對系統(tǒng)資源的需求，從而實(shí)現(xiàn)嵌入式移動數(shù)據(jù)庫查詢優(yōu)化。

結(jié)語

現(xiàn)今，隨著嵌入式移動技術(shù)的不斷發(fā)展，在其各個領(lǐng)域內(nèi)各項(xiàng)技術(shù)難關(guān)不斷被突破。其中，嵌入式移動數(shù)據(jù)庫技術(shù)發(fā)展更為迅速，而人們對嵌入式移動數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品的需求也是越來越迫切，要求也越來越高。但逐漸增多的產(chǎn)品也暴露出了嵌入式移動數(shù)據(jù)庫技術(shù)依然存在的各種缺憾。然而，作為國內(nèi)剛起步的新興產(chǎn)業(yè)，對嵌入式移動數(shù)據(jù)庫技術(shù)領(lǐng)域的研究，必將吸引更多學(xué)者的目光。

責(zé)任編輯：gt