| 移動(dòng)計算環(huán)境中的數據管理 |
| 我們可以把移動(dòng)數據庫系統視為分布式數據庫系統的擴展。一個(gè)移動(dòng)計算環(huán)境可以視為動(dòng)態(tài)分布式計算環(huán)境，在這個(gè)動(dòng)態(tài)環(huán)境中，網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)之間的連接是動(dòng)態(tài)變化的，而這些動(dòng)態(tài)變化的連接是指移動(dòng)計算部件與基站之間的連接。
數據復制與緩沖 數據復制與緩沖技術(shù)可以提高移動(dòng)數據庫系統的性能和可用性。移動(dòng)計算環(huán)境中的計算機節點(diǎn)可以分為兩類(lèi)：一類(lèi)是聯(lián)接在固定網(wǎng)絡(luò )上的固定主機，稱(chēng)為基節點(diǎn);另一類(lèi)是通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )與基節點(diǎn)相聯(lián)的移動(dòng)節點(diǎn)。數據復制技術(shù)把部分數據復制到基節點(diǎn)和移動(dòng)節點(diǎn)，復制到多個(gè)基節點(diǎn)的目的是移動(dòng)節點(diǎn)在任何地理位置都能查詢(xún)到所需要的信息;復制到移動(dòng)節點(diǎn)的目的是當移動(dòng)節點(diǎn)與基節點(diǎn)失去連接時(shí)，仍能查詢(xún)到所需要的信息。數據緩沖技術(shù)是把部分數據庫數據緩存到移動(dòng)節點(diǎn)，減少對基節點(diǎn)的訪(fǎng)問(wèn)，提高系統性能。數據復制與緩沖技術(shù)已經(jīng)在分布式數據庫系統中得到了廣泛的應用。傳統的數據復制技術(shù)主要是在服務(wù)器之間復制數據，傳統的數據緩沖技術(shù)主要在客戶(hù)機上存儲部分數據庫的數據。它們都假定服務(wù)器之間的連接是固定且不間斷的，而這與移動(dòng)計算環(huán)境的移動(dòng)和網(wǎng)絡(luò )斷接頻繁的特點(diǎn)相矛盾。顯然，傳統的數據復制與緩沖技術(shù)不適用于移動(dòng)數據庫系統。為此，針對移動(dòng)計算環(huán)境的特點(diǎn)，人們對數據復制和緩沖技術(shù)進(jìn)行了深入的研究，提出了許多適用于移動(dòng)數據庫系統的數據復制和緩存技術(shù)。 1．兩級數據復制機制 兩級數據復制技術(shù)把數據庫視為數據對象的集合，每個(gè)數據對象有一個(gè)主版本和多個(gè)副本，主版本存儲在被稱(chēng)為主節點(diǎn)的基節點(diǎn)上，副本同時(shí)存放在基節點(diǎn)和移動(dòng)節點(diǎn)，移動(dòng)節點(diǎn)上的數據對象副本有兩個(gè)版本：移動(dòng)主版本來(lái)自數據對象主版本所在的主節點(diǎn)；暫態(tài)版本是移動(dòng)節點(diǎn)上被暫時(shí)更新的對象值，只有在對主版本更新后才能永久化。兩級數據復制機制具有如下特點(diǎn)： ● 移動(dòng)節點(diǎn)可以在斷接情況下對數據庫做臨時(shí)修改； ● 在基節點(diǎn)上的并發(fā)事務(wù)是可串行化的； ● 只有在基節點(diǎn)上的事務(wù)提交后，相關(guān)全局事務(wù)的結果才成為永久； ● 在所有相連節點(diǎn)上的副本收斂于基節點(diǎn)系統的狀態(tài)。 兩級復制機制在很大程度上滿(mǎn)足了理想的復制模式應達到的目標：可用性、可擴展性、移動(dòng)性、串行性和收斂性。 2．數據緩沖技術(shù) 移動(dòng)計算環(huán)境的通信帶寬和電池容量十分有限，這對移動(dòng)數據庫的存取產(chǎn)生很大的影響，是移動(dòng)數據存取的瓶頸。減少移動(dòng)節點(diǎn)對其他節點(diǎn)（基節點(diǎn)或移動(dòng)節點(diǎn)）的訪(fǎng)問(wèn)是解決這個(gè)瓶頸問(wèn)題的關(guān)鍵。數據緩沖是減少移動(dòng)節點(diǎn)對其他節點(diǎn)訪(fǎng)問(wèn)的有效方法，該技術(shù)把經(jīng)常訪(fǎng)問(wèn)的數據緩存到移動(dòng)節點(diǎn)本地。近年來(lái)，人們對數據緩沖技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，重點(diǎn)集中在數據緩沖的組織形式和數據一致性問(wèn)題上。 數據緩沖的管理分為文件系統層和數據庫系統層。目前，人們已經(jīng)提出了一些移動(dòng)環(huán)境下文件系統的數據緩沖管理方法，如Coda和Bayou系統。在數據庫系統層面上，數據緩沖技術(shù)的主要問(wèn)題是如何有效地維護移動(dòng)客戶(hù)機和服務(wù)器端的一致性問(wèn)題?；谡Z(yǔ)義內容的數據緩沖管理方法是一種很有效的方法，主要有以下特點(diǎn)： ● 客戶(hù)端具有緩存數據的語(yǔ)義描述。在查詢(xún)處理時(shí)，客戶(hù)端使用語(yǔ)義信息決定本地數據是否可以滿(mǎn)足查詢(xún)條件。通過(guò)修改查詢(xún)條件，向服務(wù)器發(fā)出本地緩存不能滿(mǎn)足的部分數據的查詢(xún)請求，從而減小通信開(kāi)銷(xiāo)。 ● 緩存替換策略信息存儲在一個(gè)可動(dòng)態(tài)調整的語(yǔ)義區中。其優(yōu)點(diǎn)是不用維護每一個(gè)元組的替換信息，而是通過(guò)語(yǔ)義信息維護一組元組的替換信息，極大地減少了物理存儲開(kāi)銷(xiāo)。 ● 可以使用復雜函數來(lái)決定緩存替換的條件。 目前，人們也提出了很多解決緩存數據與服務(wù)器數據一致性問(wèn)題的方法。Barbara等人提出了被稱(chēng)為緩存失效報告廣播技術(shù)，該方法的優(yōu)點(diǎn)是可擴展任意數目的可收聽(tīng)廣播的客戶(hù)端，但它也有缺點(diǎn)。此后，G. Cao、K.Wu等人先后提出了相關(guān)的改進(jìn)算法。 數據廣播 在一個(gè)無(wú)線(xiàn)單元內部，從服務(wù)器到移動(dòng)客戶(hù)機的下行通信帶寬一般要遠大于從移動(dòng)客戶(hù)端到服務(wù)器的上行帶寬，而且移動(dòng)客戶(hù)端從服務(wù)器接收數據的開(kāi)銷(xiāo)也遠小于發(fā)送開(kāi)銷(xiāo)。因此，可以利用這種網(wǎng)絡(luò )的非對稱(chēng)性，由數據庫服務(wù)器把大多數用戶(hù)頻繁訪(fǎng)問(wèn)的數據組織起來(lái)，以周期性的廣播形式提供給移動(dòng)客戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)，這種數據發(fā)布方式稱(chēng)為數據廣播技術(shù)。這方面的研究工作主要集中在優(yōu)化訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間和調諧時(shí)間。 查詢(xún)處理 移動(dòng)數據庫查詢(xún)處理的挑戰性問(wèn)題是與地理位置相關(guān)的查詢(xún)處理。這方面的研究主要集中在位置更新策略和位置相關(guān)查詢(xún)的優(yōu)化方法上。Dunham等人給位置相關(guān)查詢(xún)進(jìn)行了嚴格的定義，他將此類(lèi)查詢(xún)分成兩類(lèi)，即位置敏感查詢(xún)（location aware query）和位置相關(guān)查詢(xún)（location dependent query）。位置敏感查詢(xún)是查詢(xún)條件中不含有與查詢(xún)者所在位置相關(guān)信息的查詢(xún)，如“火車(chē)站在哪里”；位置相關(guān)查詢(xún)是查詢(xún)條件中隱含有查詢(xún)者所在位置信息的查詢(xún)，如“離我最近的飯店在哪里”。位置相關(guān)查詢(xún)的查詢(xún)處理不同于普通數據庫查詢(xún)處理，它要將移動(dòng)用戶(hù)的位置信息加入到查詢(xún)條件中，并附加必要的語(yǔ)義信息，如“最近的”等。類(lèi)似的位置相關(guān)查詢(xún)是一類(lèi)很重要的查詢(xún)問(wèn)題，如司機查詢(xún)最近的加油站、救護車(chē)查詢(xún)最近的醫院、旅客查詢(xún)最近的飯店等?；谝陨夏康?，Baihua Zhang等人提出了提供此類(lèi)服務(wù)的查詢(xún)處理技術(shù)。 如何對移動(dòng)對象的位置進(jìn)行管理也是一個(gè)重要的研究問(wèn)題。Simonas等人提出了使用R*樹(shù)索引技術(shù)來(lái)支持對移動(dòng)目標位置進(jìn)行的查詢(xún)。使用基于語(yǔ)義的緩沖技術(shù)對連續移動(dòng)客戶(hù)機發(fā)出的查詢(xún)進(jìn)行優(yōu)化處理也是越來(lái)越受到人們重視的研究問(wèn)題。如果一個(gè)不斷移動(dòng)的用戶(hù)連續發(fā)出位置相關(guān)查詢(xún)，則按照位置條件將以前查詢(xún)結果進(jìn)行緩存，可以使用緩存內的部分數據滿(mǎn)足部分查詢(xún)要求，從而加快查詢(xún)響應速度，減少通信開(kāi)銷(xiāo)，提高查詢(xún)處理效率。 事務(wù)處理與故障恢復 移動(dòng)事務(wù)是由移動(dòng)客戶(hù)機發(fā)出的事務(wù)。移動(dòng)事務(wù)的部分計算工作放在移動(dòng)客戶(hù)機上進(jìn)行，其余部分計算提交給固定服務(wù)器完成。移動(dòng)事務(wù)可以通過(guò)具有弱連接性的無(wú)線(xiàn)方式存取遠程數據，也可以在斷接的情況下存取本地的數據副本。移動(dòng)和分布式事務(wù)管理之間的區別是顯著(zhù)的，因為它們的目標不一樣。分布式事務(wù)管理的主要目標是在滿(mǎn)足原子性、一致性、隔離性和永久性的條件下獲得最大的可用性;移動(dòng)事務(wù)處理的主要目標是在達到一定程度的一致性的同時(shí)獲得最大的可靠性。移動(dòng)事務(wù)在執行期間，不僅發(fā)出事務(wù)的移動(dòng)客戶(hù)機是移動(dòng)的，事務(wù)本身也在相應地移動(dòng)。由于無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的低帶寬、高延遲和移動(dòng)客戶(hù)機的斷接性，移動(dòng)事務(wù)一般都是長(cháng)事務(wù)。顯然，移動(dòng)事務(wù)與傳統事務(wù)之間的差別很大，傳統的ACID模型已不適用，需要新的事務(wù)模型來(lái)描述。 1．移動(dòng)嵌套事務(wù)模型 移動(dòng)嵌套事務(wù)模型把移動(dòng)事務(wù)定義為相對獨立的事務(wù)集合，這些事務(wù)交替執行，并具有嵌套層次結構。一個(gè)事務(wù)可以進(jìn)一步分解為多個(gè)嵌套的事務(wù)，稱(chēng)為復合事務(wù)，它可以具有多層嵌套結構。構成一個(gè)復合事務(wù)的事務(wù)可以稱(chēng)為這個(gè)復合事務(wù)的子事務(wù)。復合事務(wù)允許獨立地進(jìn)行提交或者終止操作。如果復合事務(wù)的一個(gè)子事務(wù)終止，則這個(gè)復合事務(wù)（還沒(méi)有提交）也將終止。移動(dòng)事務(wù)分為原子事務(wù)、不可補償的事務(wù)、報告事務(wù)和協(xié)同事務(wù)四種類(lèi)型。 2．Kangaroo事務(wù)模型 Kangaroo模型是基于全局事務(wù)和拆分事務(wù)模型建立的。在跨區切換的位置上，通過(guò)拆分事務(wù)來(lái)實(shí)現事務(wù)的重定位。一個(gè)移動(dòng)事務(wù)在一個(gè)多數據庫環(huán)境中被看成是一個(gè)全局事務(wù)，Kangaroo事務(wù)是包含一組Joey事務(wù)的全局事務(wù)。一個(gè)Joey事務(wù)與一個(gè)基站或執行它的cell相關(guān)。一個(gè)Joey事務(wù)應該以終止、提交或者拆分狀態(tài)之一來(lái)結束。如果一個(gè)Kangaroo事務(wù)要成功的話(huà)，最后一個(gè)執行的Joey事務(wù)應當以提交或者終止來(lái)結束。 3．簇模型 簇模型是建立在完全分布式系統之上的。數據庫被分成多個(gè)簇。一個(gè)簇定義了一組互相一致的數據。在不同的簇之間允許存在一定范圍內的不一致。這些不一致最終將通過(guò)簇的合并來(lái)解決。簇模型是基于嵌套事務(wù)模型建立的，并被擴展應用于移動(dòng)計算中。一個(gè)從移動(dòng)主機上提交的事務(wù)由一組弱的和強的事務(wù)組成。 4．故障恢復 目前已經(jīng)出現了很多移動(dòng)數據庫系統故障恢復的方法。限于篇幅，我們只介紹基于檢查點(diǎn)的故障恢復策略，包括以下三種： (1) 每當收到一條消息時(shí)，就設立一個(gè)檢查點(diǎn)，并記錄全局的一致性信息； (2) 在移動(dòng)客戶(hù)機目前正連接的基站上記錄事務(wù)的狀態(tài)信息； (3) 在移動(dòng)客戶(hù)機和固定存儲設備上同時(shí)存儲事務(wù)的檢查點(diǎn)狀態(tài)。
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