嵌入式移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)研究
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摘要: 嵌入式技術(shù)已在人們生活中得到廣泛應(yīng)用;移動(dòng)計(jì)算更是給人們的生活帶來了極大的方便。有移動(dòng)計(jì)算技術(shù)推動(dòng)發(fā)展的新的數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)讓人耳目一新。嵌入式移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)因此產(chǎn)生。主要論述了嵌入式移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)的特點(diǎn)及應(yīng)用，嵌入式移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)(EMDB)的功能需求及特點(diǎn)，嵌入式移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
關(guān)鍵字: 嵌入式 移動(dòng)計(jì)算 嵌入式移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù) EMDB 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
1 引言
隨著移動(dòng)計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)逐步走向應(yīng)用，在嵌入式操作系統(tǒng)中加入移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)，也越來越顯示出其重要性。
1.1 嵌入式系統(tǒng)
嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，并且軟硬件可裁剪，適用于應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)以及用戶的應(yīng)用程序等四個(gè)部分組成，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)其他設(shè)備的控制、監(jiān)視或管理等功能。
嵌入式系統(tǒng)一般指非PC系統(tǒng)，它包括硬件和軟件兩部分。硬件包括處理器/微處理器、存儲(chǔ)器及外設(shè)器件和I/O端口、圖形控制器等。軟件部分包括操作系統(tǒng)軟件(OS)(要求實(shí)時(shí)和多任務(wù)操作)和應(yīng)用程序編程。有時(shí)設(shè)計(jì)人員把這兩種軟件組合在一起。應(yīng)用程序控制著系統(tǒng)的運(yùn)作和行為;而操作系統(tǒng)控制著應(yīng)用程序編程與硬件的交互作用。
1.2 移動(dòng)計(jì)算
移動(dòng)計(jì)算是一種新型的技術(shù)，它使得計(jì)算機(jī)或其它信息設(shè)備，在沒有與固定的物理連接設(shè)備相連的情況下，能夠傳輸數(shù)據(jù)。移動(dòng)計(jì)算的作用在于，將有用、準(zhǔn)確、及時(shí)的信息與中央信息系統(tǒng)相互作用,分擔(dān)中央信息系統(tǒng)的計(jì)算壓力, 使有用、準(zhǔn)確、及時(shí)的信息能提供給在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)需要它的任何用戶。移動(dòng)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。 典型的移動(dòng)計(jì)算環(huán)境有[1]:
(1) 智能計(jì)算設(shè)備+ 無線網(wǎng)絡(luò)。通過無線網(wǎng)絡(luò),智能計(jì)算設(shè)備可以隨時(shí)進(jìn)入MCE 主網(wǎng)絡(luò);
(2) 智能計(jì)算設(shè)備+ 調(diào)制解調(diào)器+ 電話網(wǎng)絡(luò)。在不同地點(diǎn), 將調(diào)制解調(diào)器和附近的電話相連接, 通過電話網(wǎng)進(jìn)入MCE 主網(wǎng)絡(luò);
(3) 移動(dòng)用戶+ 傳統(tǒng)工作站+ 傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)。移動(dòng)用戶在不同場(chǎng)地使用靜態(tài)計(jì)算機(jī)獲得MCE 的服務(wù)。
1.3 嵌入式移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)
數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)一直在隨著計(jì)算的發(fā)展而不斷進(jìn)步。凡是有數(shù)據(jù)的地方，就要用到數(shù)據(jù)庫(kù)來協(xié)助管理數(shù)據(jù)。移動(dòng)計(jì)算也是對(duì)數(shù)據(jù)的處理，離開對(duì)數(shù)據(jù)的管理、處理，計(jì)算機(jī)就毫無意義。移動(dòng)計(jì)算同時(shí)又強(qiáng)調(diào)其移動(dòng)性，傳統(tǒng)的PC機(jī)要做到移動(dòng)，同時(shí)在苛刻的環(huán)境下作到良好的運(yùn)作也是不可能的。此時(shí)，嵌入式很好的滿足了移動(dòng)計(jì)算對(duì)移動(dòng)客戶端計(jì)算的要求。三者從這一點(diǎn)上結(jié)合就產(chǎn)生了當(dāng)今數(shù)據(jù)庫(kù)的一個(gè)新的發(fā)展空間：嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)。移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)是指支持移動(dòng)計(jì)算環(huán)境的分布式數(shù)據(jù)庫(kù)。由于移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)通常應(yīng)用在諸如掌上電腦、PDA、車載設(shè)備、移動(dòng)電話等嵌入式設(shè)備中，因此，它又被稱為嵌入式移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。
2 嵌入式移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)的特點(diǎn)及其應(yīng)用
2.1 嵌入式移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)特點(diǎn)
嵌入式移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)在實(shí)際應(yīng)用中必須解決好數(shù)據(jù)的一致性(復(fù)制性)、高效的事務(wù)處理、數(shù)據(jù)的安全性等問題。
(1)數(shù)據(jù)的一致性
移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)的一個(gè)顯著特點(diǎn)是，移動(dòng)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(zhǎng)延遲、不穩(wěn)定和經(jīng)常性的斷開。為了支持用戶在弱環(huán)境下對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的操作，現(xiàn)在普遍采用樂觀復(fù)制方法(Optimistic replication 或 Lazy replication)允許用戶對(duì)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(kù)服務(wù)器或其它終端交換數(shù)據(jù)修改信息，并通過沖突檢測(cè)和協(xié)調(diào)來恢復(fù)數(shù)據(jù)的一致性。
(2)高效的事務(wù)處理
移動(dòng)事務(wù)處理要解決在移動(dòng)環(huán)境中頻繁的、可預(yù)見的、拆連情況下的事務(wù)處理。為了保證活動(dòng)事務(wù)的順利完成，必須設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)新的事務(wù)管理策略和算法，方法如下：
根據(jù)網(wǎng)絡(luò)連接情況來確定事務(wù)處理的優(yōu)先級(jí)，網(wǎng)絡(luò)連接速度高的事務(wù)請(qǐng)求優(yōu)先處理。
根據(jù)操作時(shí)間來確定事務(wù)是否遷移，即長(zhǎng)時(shí)間的事務(wù)操作將全部遷移到服務(wù)器上執(zhí)行，無需保證網(wǎng)絡(luò)的一直暢通。
根據(jù)數(shù)據(jù)量的大小來確定事務(wù)是上載執(zhí)行還是下載數(shù)據(jù)副本執(zhí)行后上載。
事務(wù)處理過程中，網(wǎng)絡(luò)斷接處理時(shí)采用服務(wù)器發(fā)現(xiàn)機(jī)制還是采用客戶端聲明機(jī)制。
事務(wù)移動(dòng)(如：位置相關(guān)查詢)過程中的用戶位置屬性的實(shí)時(shí)更新。
完善的日志記錄策略。
(3)數(shù)據(jù)的安全性
許多應(yīng)用領(lǐng)域的嵌入式設(shè)備是系統(tǒng)中數(shù)據(jù)管理或處理的關(guān)鍵設(shè)備，因此嵌入式設(shè)備上的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)對(duì)存取權(quán)限的控制比較嚴(yán)格。同時(shí)，許多嵌入式設(shè)備具有較高的移動(dòng)性、便攜性和非固定的工作環(huán)境，也帶來潛在的不安全因素。同時(shí)某些數(shù)據(jù)的個(gè)人隱私性又很高，因此在防止碰撞、磁場(chǎng)干擾、遺失、盜竊等對(duì)個(gè)人數(shù)據(jù)安全的威脅上需要提供充分的安全性保證。保證數(shù)據(jù)安全的主要措施如下：
對(duì)移動(dòng)終端進(jìn)行認(rèn)證，防止非法終端的欺騙性接入。
對(duì)無線通信進(jìn)行加密，防止數(shù)據(jù)信息泄漏。
對(duì)下載的數(shù)據(jù)副本加密存儲(chǔ)，以防移動(dòng)終端物理丟失后的數(shù)據(jù)泄密[2]。
2.2 嵌入式移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用
目前，嵌入式移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)有兩種應(yīng)用，可劃分為水平應(yīng)用和垂直應(yīng)用。所謂水平應(yīng)用，是指應(yīng)用方案能夠用于多種不同行業(yè)，只需要極少的定制工作;而垂直應(yīng)用則針對(duì)特定行業(yè)的應(yīng)用，數(shù)據(jù)處理具有獨(dú)特性。與水平應(yīng)用相比，垂直型應(yīng)用具有明顯的行業(yè)特殊性，不同領(lǐng)域的應(yīng)用之間差別較大，結(jié)果表示和服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)的管理也有很大不同。主要涉及保險(xiǎn)、銀行業(yè)、航班信息、政府部門等具體的行業(yè)領(lǐng)域。如圖所示[3]：
3 嵌入式移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)(EMDBMS)的特性
3.1 嵌入式移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)的功能需求
移動(dòng)計(jì)算環(huán)境中的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，是一種動(dòng)態(tài)分布式數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)。由于嵌入式移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)運(yùn)行在移動(dòng)計(jì)算的環(huán)境之下，應(yīng)用于嵌入式操作系統(tǒng)之上，所以它有自己的功能需求：
(1)微小內(nèi)核結(jié)構(gòu)
考慮到嵌入式設(shè)備的資源有限，嵌入式移動(dòng)DBMS應(yīng)采用微型化技術(shù)實(shí)現(xiàn)，可在滿足應(yīng)用的前提下，緊縮其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以滿足嵌入式應(yīng)用的需求。
(2)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)SQL的支持
嵌入式移動(dòng)DBMS應(yīng)能提供對(duì)標(biāo)準(zhǔn)SQL的支持。支持SQL92 標(biāo)準(zhǔn)的子集，支持?jǐn)?shù)據(jù)查詢(連接查詢、子查詢、排序、分組等)、插入、更新、刪除多種標(biāo)準(zhǔn)的SQL 語句，以充分滿足嵌入式應(yīng)用開發(fā)的需求。
(3)事務(wù)管理功能
嵌入式移動(dòng)DBMS應(yīng)具有事務(wù)處理能力，可自動(dòng)維護(hù)事務(wù)的完整性、原子性等特性;支持實(shí)體完整性和引用完整性。
(4)完善的數(shù)據(jù)同步機(jī)制
數(shù)據(jù)同步是嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)最重要的特點(diǎn)。通過數(shù)據(jù)復(fù)制，可以將嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)或主數(shù)據(jù)庫(kù)的變化情況應(yīng)用到對(duì)方，以保證數(shù)據(jù)的一致性。
(5)支持多種連接協(xié)議。
嵌入式移動(dòng)DBMS應(yīng)支持多種通信連接協(xié)議?？梢酝ㄟ^串行通信、T C P /IP、紅外傳輸、藍(lán)牙等多種連接方式，實(shí)現(xiàn)與嵌入式設(shè)備和數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器的連接。
(6)完備的嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)的管理功能
嵌入式移動(dòng)DBMS應(yīng)具有自動(dòng)恢復(fù)功能，可進(jìn)行嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)管理，并能夠提供數(shù)據(jù)的備份和恢復(fù)，保證用戶數(shù)據(jù)安全可靠。支持多種嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式移動(dòng)DBMS 應(yīng)能支持Windows CE、Palm OS 等多種目前流行的嵌入式操作系統(tǒng)，這樣才能使嵌入式移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)不受移動(dòng)終端的限制。
3.2 嵌入式移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)的特點(diǎn)
基于以上分析不難得出嵌入式移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)的管理系統(tǒng)應(yīng)具有如下特點(diǎn)：
(1)提供多種數(shù)據(jù)同步方式。具有上載同步、下載同步和完全同步三種同步方式。
(2)具有完善的沖突檢測(cè)機(jī)制，和靈活的沖突解決方案，具有沖突日志記錄功能。企業(yè)級(jí)應(yīng)用中沖突是不可避免的，不同的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)認(rèn)為沖突發(fā)生的位置是不一樣的。解決沖突的規(guī)則可以是系統(tǒng)預(yù)定義的也可以是用戶自定義的。
(3)支持快速同步。系統(tǒng)同步時(shí)，只傳遞變化的數(shù)據(jù)，即增量上下載，節(jié)省了大量的同步時(shí)間。
(4)支持表的水平分割和垂直分割復(fù)制，最大限度地降低了嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)的大小。
(5)支持異構(gòu)數(shù)據(jù)源連接同步?？梢杂弥С諳DBC 的異構(gòu)數(shù)據(jù)源，作為主數(shù)據(jù)庫(kù)和嵌入式設(shè)備上的數(shù)據(jù)庫(kù)，以進(jìn)行數(shù)據(jù)同步。
(6)具有主動(dòng)同步的功能。允許用戶對(duì)系統(tǒng)提供的同步事件自定義過程實(shí)現(xiàn)，并提供最大靈活度的同步過程。
4 嵌入式移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)管理模式
圖2 數(shù)據(jù)管理模式
嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)的應(yīng)用分為個(gè)人應(yīng)用和企業(yè)級(jí)應(yīng)用。在個(gè)人應(yīng)用中，與外界較少交換數(shù)據(jù)，而且不必考慮多個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)一致性。在企業(yè)級(jí)應(yīng)用中，嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)要與企業(yè)級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)交換數(shù)據(jù)，構(gòu)成分布式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，支持復(fù)雜的業(yè)務(wù)活動(dòng)。
在數(shù)據(jù)庫(kù)三級(jí)應(yīng)用模式中，EMDB系統(tǒng)一般采用EMDB+同步/復(fù)制服務(wù)器+企業(yè)級(jí)DB，如我們見到的IBM提供的嵌入式設(shè)備和移動(dòng)企業(yè)級(jí)應(yīng)用解決方案就是由3部分組成：DB2 Everyplace 嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)、DB2 Everyplace Sync Server和Universal Database企業(yè)級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)。在此模式中，EMDBS由移動(dòng)設(shè)備中的EMDBMS和固定節(jié)點(diǎn)上的同步/復(fù)制服務(wù)器這兩部分構(gòu)成。這種方案的指導(dǎo)思想是將DBMS的功能分解，簡(jiǎn)化移動(dòng)設(shè)備中的功能，進(jìn)而減少對(duì)移動(dòng)設(shè)備資源的需求[4]。
5 嵌入式移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
(1) 數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器DBSVR (Database Server)
可以是大型數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng), 如: Oracle, Sybase, DB2,SQL Server, 一般為固定結(jié)點(diǎn)。每個(gè)DBSVR 上維護(hù)本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)的一個(gè)完整的副本, 服務(wù)器之間由可靠的高速互聯(lián)網(wǎng)連接在一起, 構(gòu)成一個(gè)傳統(tǒng)意義上的分布數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。
圖3 典型嵌入式移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
(2)移動(dòng)支持結(jié)點(diǎn)MSS (Mobile Support Station )
進(jìn)行分布式事務(wù)處理, 控制EMDB和DBSVR之間的數(shù)據(jù)交換并支持一個(gè)無線單元(cell),具有無線聯(lián)網(wǎng)能力和同步功能,MSS也位于高速網(wǎng)絡(luò)中。服務(wù)器可以與MSS為同一臺(tái)機(jī)器。
(3)位置服務(wù)器LS(Location Server)
(4)可信部分
由固定網(wǎng)絡(luò)以及網(wǎng)絡(luò)上的固定主機(jī)組成, 固定主機(jī)分為兩類: 一類是不帶無線通訊的主機(jī), 如DSSVR 和LS; 另一類是帶有無線通訊接口MSS。
(5)移動(dòng)客戶機(jī)MC (Mobile Client)
MC的處理能力與存儲(chǔ)能力相對(duì)于服務(wù)器來說非常有限, 且具有移動(dòng)性(即可以出現(xiàn)在任意一個(gè)無線單元中) , 在它上面保存一部分?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)副本, 并通過EMDB對(duì)本地?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行管理,可以通過無線鏈路與一個(gè)MSS通信,通過MSS上的ODBC 接口, EMDB可以與DBSVR進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。從而與整個(gè)固定網(wǎng)絡(luò)連通, 也可以接受由MSS 發(fā)送的廣播信息。它會(huì)經(jīng)常與服務(wù)器斷接(指MC無法與任意一個(gè)聯(lián)機(jī)通信) 即使在與服務(wù)器保持連接時(shí), 由于MC 所處的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境多變,MC與服務(wù)器之間的網(wǎng)絡(luò)帶寬相差很大,且可靠性較低,網(wǎng)絡(luò)延遲較大。
(6)本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)Rep(Replication) 數(shù)據(jù)庫(kù)副本
(7)EMDB
嵌入式移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù), 工作方式為: 每當(dāng)MC發(fā)出一個(gè)查詢請(qǐng)求Q1時(shí),它首先查詢本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)(移動(dòng)子集上),若滿足查詢條件要求則直接返回給MC, 否則就向VS提交查詢請(qǐng)求, 由VS代替MC完成查詢并將結(jié)果返回給MC(前提是兩者處于連接狀態(tài))。若MC 處于斷接狀態(tài), 則也只能在MC上執(zhí)行本地查詢。若在斷接期間更新了MC上的數(shù)據(jù), 則該數(shù)據(jù)將在VS再次連接時(shí), 進(jìn)行數(shù)據(jù)重集成, 通過一致性維護(hù)算法來保證一致性。主要EMDB的應(yīng)用模式都是立足于嵌入式設(shè)備作客戶端, 在嵌入式設(shè)備上運(yùn)行一個(gè)精巧的EMDB,在通過同步或復(fù)制技術(shù)與企業(yè)級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)連接。這種應(yīng)用模式在支持嵌入式設(shè)備的同時(shí), 還支持移動(dòng)設(shè)備,甚至無線移動(dòng)設(shè)備, 構(gòu)成基于移動(dòng)環(huán)境的應(yīng)用[5]。
6 結(jié)束語
現(xiàn)在，世界已經(jīng)進(jìn)入了后PC機(jī)時(shí)代。信息電器如個(gè)人數(shù)字助理、web可視電話、移動(dòng)電話的GPS或W-CDMA產(chǎn)品、TV機(jī)頂盒、電視會(huì)議機(jī)、數(shù)碼相機(jī)等嵌入式設(shè)備已經(jīng)在人們生活中廣泛應(yīng)用。相信隨著科技的發(fā)展，嵌入式移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)也必將給人們的生活帶來更大的方便和改變。
參考文獻(xiàn)
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