移动数据库

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移动数据库(mobile database)

　　移动数据库是指在移动计算环境中的分布式数据库，其数据在物理上分散而在逻辑上集中，它涉及数据库技术、分布式计算技术、移动通信技术等多个学科领域。通俗地讲，移动数据库包括以下两层含义：人在移动时可以存取后台数据库的数据或其副本；人可以带着后台数据库的副本移动。

　　在网络技术和无线通信技术飞速发展的今天，越来越多的移动办公人员希望随时随地，甚至在移动的过程中查询和更新数据库。数据库领域的移动化和在移动通信领域使用数据库进行数据处理代表了当今的两大趋势。

　　与分布式数据库系统相比，移动数据库系统具有如下特点：

　　(1)移动性与位置相关性移动数据库可在无线通信单元内及单元间自由移动，而且在移动的同时仍可能保持通信连接。此外，应用程序及数据查询都可能是位置相关的。

　　(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的情况下能继续运行，或者自动进入休眠状态，不会因为网络断接而撤销。

　　(3)网络条件的多样性在整个移动计算空间中，不同时间和地点联网条件相差十分悬殊。因此移动数据库应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，采用普通的处理方法将导致移动数据库系统的效率十分低下。

　　(5)系统的安全性和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提供比普通数据库系统更强的安全机制。

　　(6)资源的有限性电池电源对移动设备来说是有限的资源，通常只能维持几个小时。此外，移动设备还受通信带宽、存储容量、处理能力等的限制。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、存储管理等环节提高资源的利用效率。

　　(7)网络通信的非对称性上行链路的通信代价和下行链路有很大差异，要求在移动数据库的实现中要充分考虑到这种差异，并采用合适的方式(如数据广播)传递数据。

　　移动数据库系统环境由移动主机MH(mobile host)固定主机、无线网和固定有线网络组成。MH通过无线网(有时也直接上有线网)与移动支持站MSS(mobile support station)通信，再经其固定主机FH(fixed host)与有线网通信。每个MSS有移动数据库管理系统(MDBMS)和局部数据库(LDB)，负责其单元(cell)内各MH的数据管理。但各MH有自己的数据，且越来越多的数据会放在这些MH上(而不是MSS数据库管理员管理的数据库中)。MH还可以在单元之间移动，因此有MSS之间的“过区切换”问题。有时，MH甚至会关闭电源，从而离开一个单元，然后在另一个很远的单元再出现，所以“过区切换”所过的不一定是相邻区。整个系统的体系结构如图1所示。

　　图1　　移动数据库系统模型

　　移动数据库是传统分布式数据库的扩展，是一种动态分布式数据库系统，它具有下列基本特点。(1)移动性。在计算过程中，HM会移动，不断改变自己的位置。

　　(2)频繁断接性。HM在移动过程中，由于资源条件的限制和使用方式等原因，一般不持续保持网络连通，而是不断地主动或被动断接和接入。

　　(3)网络状态多样性。整个移动环境中，各地网络的带宽、通信代价、延时等状态不同。

　　(4)网络通信非对称性。无线通信两端MH和MSS主机的发送与接收能力不一样，下行(MSS到MH)链路和上行(MH到MSS)链路的通信能力相差悬殊。

　　(5)资源有限。MH的计算能力、存储空间、电源能力等都有限。

　　(6)可靠性较低。无线网络易于因受干扰等而发生故障，MH因便携移动而易于发生意外事故(撞坏、遗失、磁场干扰等)。因而其可靠性较低。

　　(7)规模及其伸缩性大。移动应用环境在地域范围、数据量、用户数量等方面都比较大，但其伸缩性也大。

　　移动数据库系统的数据管理应达到以下目标：

　　(1)可用性和可伸缩性

　　保证读写操作的高可用性，在节点或副本数目及工作负荷增加时，不会引起性能的急劂下降，同时保持系统的稳定。

　　(2)移动性

　　允许移动节点在网络断连时进行数据库的读写。

　　(3)可串行性

　　事务处理满足单副本可串行性。

　　(4)收敛性

　　提供一定的机制以保证系统收敛于一致性状态。

　　移动数据库的系统环境比传统的环境更为复杂和多变。它具有用户计算平台的移动性、连接的频繁断接性、网络条件的多样性、网络通信的非对称性、系统性能的高伸缩性和低可靠性，以及资源尤其是电源能力的有限性等，这些对移动数据库的体系结构、丁作原理、功能特性和性能都提出了新的或更高的要求，对数据库提出了新的挑战。

　　针对上述特性，移动数据库必须解决若干关键技术问题，如数据的一致与可复制性、移动事务处理、位置相关查询与数据处理、数据广播及数据安全性等。

　　1．数据一致性

　　由于MH和MSS之间的连接是一种弱连接，即低带宽、长延迟、不稳定和经常断开。用户在这种弱环境(经常是断开连接)下对数据库进行查询与更新，这就带来以下几方面的问题：

　　·一致性。被操作的MH上的数据与数据库中的可能不一致。当前可采用的技术有“失效报告”(invalidationreport)与失效处理、版本编号(version—numbering)、版本向量方案(version—vectorscheme)等。

　　·可恢复性。若断接的MH发生灾难性故障，它就成为孤立点，因此移动数据库的恢复问题是关键之一。这与下面介绍的数据复制紧密相关。

　　·数据复制。是移动数据库的可用性与可靠性的关键技术。现在普遍采用乐观复制方法(optimistic replication或lazy replication)，它允许用户操作本地缓存上的数据副本，待重新连接后再恢复与数据库的一致性。此外，人们还开发出了许多复制策略与方法，如两极复制算法、虚拟主副本方法、多版本冲突消解法和三级复制体系结构等。

　　2．移动事务处理

　　移动事务处理要考虑在移动环境中资源有限、频繁断接的情况，必须设计和实现新的事务管理策略与机制。主要包括：

　　(1)合适的移动事务模型。关键是体现移动特性和长事务特性。由于资源(如带宽)限制、频繁断接、过区切换等因素，移动事务往往又是长事务。ACID特性必须放

　　(2)事务执行过程中MH移动的处理，如位置信息的实时更新、过区切换处理等。

　　(3)有效的事务处理策略，如：

　　·根据网络连接情况来确定事务处理的优先级，网络连接速度高的事务请求优先处理。

　　·根据操作时间来确定事务的迁移，长操作则迁移到服务器上执行，无须保证网络的一直畅通。

　　·根据数据量的大小来确定事务是上载执行还是下载数据副本执行后再上载。

　　·事务处理过程中，网络断接处理时采用服务器发现或客户端声明机制。

　　(4)完善的日志记录策略，包括日志复制(在MSS上)，以支持移动事务的恢复。

　　3．位置相关查询

　　在移动环境下，由于位置的网络地址会发生变化，因而查询的路由也会发生变化，这将直接影响查询处理策略，处理代价的计算与优化也显得更为复杂。同时还要考虑连接时间、资源(如内存空间、电源能量等)限制等问题。

　　4．数据广播

　　MSS将经常请求的数据周期性或变化时问地主动发布，使MH能随时获取所需数据，而无须经过发送请求，这称为数据广播。它既节省了MH发请求的开销，还充分利用了无线网络带宽的非对称性；对提高系统性能、减少系统资源开销有很大的好处。

　　5．数据的安全性

　　移动性、便携性和非固定的工作环境带来潜在的安全隐患。为了防止碰撞、磁场干扰、遗失、盗窃等对个人数据安全造成威胁，应采取一定的数据安全保证措施。如：对移动主机MH进行认证，防止非法MH的欺骗性接入；对无线通信进行加密，防止数据信息泄漏；对下载的数据副本加密存储，以防移动终端物理丢失后的数据泄密。

　　移动数据库的发展随着信息产业竞争的日趋激烈，移动通信技术将加速发展，智能化终端产品将不断涌现，移动计算硬件平台的技术改进和价格将不断下降，移动电子商务应用解决方案将不断完善，企业对移动计算的需求将会稳步增长。另外，通过具有移动计算功能的移动计算机、汽车、手机甚至是手表等新一代的智能化设备，随时随地发送、获取所需的信息将是人们的生活方式和工作方式的一次革命。下面我们列举几个典型的移动数据库应用的例子。

　　1．移动计算在物流领域的应用

　　我国物流领域的发展目前远落后于一些发达国家，信息化程度低是其中一个重要的原因。物流信息化有利于协调生产、销售、运输、储存等业务的开展，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，使得中央控制系统可以对车辆的位置、状况等进行实时监控。利用这些信息可以对运输车辆进行优化配置和调遣，另外，通过将车辆载货情况以及到达目的地的时间预先通知下游单位配送中心或仓库等，有利于下游单位合理地配置资源、安排作业，从而提高运营效率，节约物流成本。在物流的储存保管环节，带有小型移动数据库的手持移动计算机将是一个非常理想的工具，通过这种移动计算机库存，校对或控制的数据通过无线通信网直接写入中央数据库，这样就提高了工作效率和信息的时效性，有利于物流的优化控制。

　　在配送环节，带有小型移动数据库的手持移动计算机同样是非常理想的信息工具，在物品投递的同时，输人手持计算机的数据，通过无线通信网同时输人中央数据库。因此，几乎在物品投递的同时，用户即可查询到物品已投递的信息。总之，移动计算的发展将使得物流信息做到真正的无缝连接，使得物流真正实现实时高效，从而也就更好地满足了用户跟踪查询的需求。此外，物流的高效运营将进一步促进电子商务的发展。

　　2．移动计算在银行业务中的应用

　　移动银行业务主要有以下几类：银行账户操作、支付账单、信用卡账户操作、股票买卖、联机外汇、讯息通知、移动商务和第三方身份验证。随着广大的移动用户为移动银行所吸引，首先开展这项业务的银行将吸引大量的新客户，便利的服务将刺激客户更多地使用银行服务，从而扩大银行的业务量。银行可充分利用移动计算设备，与客户快速而直接地沟通，很多客户事务均可以利用移动设备的短信息功能发布，从而提高银行的工作效率。

　　移动银行可以使客户在远程对“自己的银行业务”实现简单操作，方便省时，降低成本，同时安全可靠，机动灵活。客户可以在任何时问、任何地点进行银行交易，节约了去银行的时问。客户出差或旅游在外，仍可以方便地享受银行服务。客户不仅可以依靠计算机、调制解调器和电话线，还可以凭借一部手机就可以随时操作“电子商务”，安全可靠地随时随地查询自己的账目。

　　移动银行可先从银行的现有电话银行和网上银行业务人手，即把原有有线电子银行服务业务转换到智能电话和WAP手机上。同时随着智能电话、双向寻呼机和各种掌上设备的迅速发展，移动用户不仅可以利用这些设备进行日常金融活动，如查阅债券、转账和支付账单，还可以在这些设备上安装移动嵌入式数据库，利用移动数据库的功能，定制移动用户数据库，保持其与企业数据库的双向同步，使移动数据库仅是企业数据库的一个子集，从而真正实现移动用户信息本地化，实现移动银行个性化服务，让客户把“银行”带到身边，使当今的银行能够为总是处于运动和静止之中的客户提供及时、准确、方便和个性化的服务。

　　3．利用移动计算进行实时数据采集和公共信息发布

　　在移动计算环境中，大量的移动用户将通过笔记本电脑、掌上电脑、PDA、车载平台等移动设备的无线通信接口获取各种各样的公共信息，如股票行情、天气状况和交通信息等。以交通信息发布为例，一个大城市的移动信息系统将同时为超过10万个移动用户提供服务。又例如，保险业务员在外出联系客户时，使用笔记本电脑或掌上电脑，可随时从公司调出最新的资料，查询客户的详细信息，完成交易后又可将最新的保单信息即时反馈回公司，这样大大加快了保险公司的工作效率。

　　嵌入式移动数据库技术目前已经从研究领域向更广泛的应用领域发展，随着移动通信技术的进步和人们对移动数据处理和管理需求的不断提高，与各种智能设备紧密结合的嵌入式移动数据库技术已经得到了学术界、工业界、军事领域、民用部门等各方面的重视。不久的将来嵌入式移动数据库将无处不在，人们希望随时随地存取任意数据信息的愿望终将成为现实。