嵌入式移動數據庫與Agent技術原理設計 - 全文

移動環(huán)境中所具有的移動性、頻繁的斷接收、低帶寬、電池電量有限性等特性，決定了移動數據庫中的計算環(huán)境不同于分布式數據庫，給移動數據庫的研究提出了許多新的挑戰(zhàn)。本文分析移動數據庫的特點、體系結構；介紹移動數據庫系統(tǒng)中的一些關鍵性技術，及移動Agent在移動數據庫中的應用。

移動數據庫是移動計算環(huán)境中的分布式數據庫，由于移動數據庫的應用大都嵌入到諸如掌上電腦、PDA、車載設備等移動通信設備中，故移動數據庫有時也稱為嵌入式移動數據庫。在數據庫系統(tǒng)的研究歷史中，傳統(tǒng)的分布計算與分布數據庫的研究是基于有線網絡和固定主機的。這些都采用了一些默認的隱含假設，例如固定網絡連接、對等通信代價、主機節(jié)點固定不變等。但進入20世紀90年代以來，隨著移動通信技術和網絡技術迅速發(fā)展，加之移動計算機和移動通信設備的大量普及，許多計算節(jié)點可以在移動過程中與網絡建立連接，使得上述假設條件不成立。移動計算環(huán)境具有移動性、低帶寬、頻繁斷接性、網絡通信的非對稱性、電源電力的有限性等特點，使得傳統(tǒng)分布式數據庫中的方法和技術不斷直接應用于移動數據庫。目前，移動數據庫的應用與研究正在成為學術界的一個研究熱點，有大批學者投入到這一新的研究領域。

1 嵌入式移動數據庫的體系結構

在傳統(tǒng)的分布式計算系統(tǒng)中，各個計算節(jié)點之前是通過固定網絡連接并保持網絡的技術連接性的，而移動計算系統(tǒng)改變了這種假設條件。移動計算系統(tǒng)是固定節(jié)點和移動節(jié)點構成的分豐計算系統(tǒng)。移動計算的網絡環(huán)境具有鮮明的特點：移動性、斷接性、帶寬多樣性、可伸縮性、弱可靠性、網絡通信的非對稱性、電源能力的局限性等。移動環(huán)境中的分布式數據庫就是移動數據庫。它是傳統(tǒng)分布式數據庫系統(tǒng)的擴展，可以看作客戶與固定服務器節(jié)點動態(tài)連接的分布式系統(tǒng)。移動數據庫系統(tǒng)的結構如圖1所示。

其中，移動客戶機MC（Mobile Client）包括便攜式電腦、PDA等；MSS（Mobile Support Station）支持移動計算的固定節(jié)點，具有無線通信接口；FH（Fixed Host）沒有無線通信接口，安裝有數據庫和數據庫管理系統(tǒng)。

2 嵌入式移動數據庫的關鍵技術

為了實現(xiàn)移動數據庫，必須解決移動計算環(huán)境中斷接性、移動性、網絡通信的不對稱性等因素對移動數據庫系統(tǒng)的影響。

（1）數據復制與緩存技術

該技術是解決移動數據庫數接性的關鍵技術，在現(xiàn)有DBMS基礎上進行修補以適應移動計算也采用該技術。傳統(tǒng)的復制/緩存技術都是假設客戶機和服務器之間是經常保持連接的，并基于這個前提來維護一致性。這在移動計算中是不適用的。目前，針對移動計算特點開展數據復制/緩存技術的研究最具代表性的是：J.Gray的兩級復制機制、CODA系統(tǒng)以及緩存失效報告廣播技術等。另外，SYBASE公司的移動數據庫產品SQL ANYWHERE和SQL REMOTE也采用該技術來支持移動計算環(huán)境。

（2）數據廣播

通俗地講，數據廣播是指在移動計算環(huán)境中，利用客戶機與服務器通信的不對稱性，以周期性廣播的形式向客戶機發(fā)送數據。其最大的優(yōu)點是，廣播開銷不依賴移動用戶數量的變化而變化，借助數據廣播，可以在一定程度上解決移動數據庫系統(tǒng)的斷接問題。數據廣播的研究可分為服務器和客戶機兩個方面：服務器主要考慮如何利用本地緩存進一步減少查詢廣播數據的時間。在國內，長沙國際科技大學的周興銘院士對數據廣播進行了深入研究，提出了數據廣播的多盤調度算法。衡量數據廣播調度算法好壞的參數是訪問時間和調諧時間。

（3）位置相關查詢優(yōu)化

在移動數據庫中，存在著與位置相關信息的查詢及更新。查詢通常是與位置相關的，即使是同一個問題，在不同的地方，所得查詢結果是不同的，如“最近的醫(yī)院在哪里？”。移動查詢優(yōu)化技術是指在傳統(tǒng)分布式數據庫查詢優(yōu)化技術的基礎上，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當前可用網絡條件采取恰當的優(yōu)化策略；同時，針對移動計算機有限電源能力，合理地組織本地數據庫管理、遠程數據庫訪問等耗電能較多的操作，達到節(jié)能目的，延長關鍵數據的可用時間。

采用基于分割的地址更新策略時，由位置服務器維護的移動用戶對象包含以下數據成員和方法：
分割集合——記錄MSS的分割情況，例如{Cell1,Cell2},{Cell3,Cell4,Cell5}；
LOC——記錄移動用戶最近報告的地址（無線單元的ID），例如Cell1；
ERR——移動用戶當前所在的分割，例如，若LOC=Cell1,則ERR={Cell1,Cell2};
loc()——一個方法，用于返回該用戶的實際地址，即上面介紹的地址查詢過程。
在移動查詢的應用中，有各種各樣涉及地址的查詢，例如“請尋找一名校園附近的醫(yī)生”，“查找X，Y，Z，這三人都在同一條公路上，且Y在X與Z之間”，等等。一般地，可以把這一類地址相關查詢表示為：
SELECT x1,x2,…，xn
FROM Users
WHERE(x1,loc=11∧…∧xn.loc=1n)∧C(11,…，1n)∧W(x1,…,xn)
其中C（11,…，1n）是關于地址11，…，1n的n元約束條件，而W（x1,…,xn）是關于對象x1,x2,…，xn非地址屬性的n元約束條件，Users是所有移動用戶的集合。

（4）移動事務處理

事務處理是數據庫管理系統(tǒng)的一個基本功能，主要用于維護數據的一致性，支持多用戶的并發(fā)訪問，使用戶可以可靠地查詢和更新數據庫。一般來說，用戶對數據庫系統(tǒng)的訪問都是通過事務來完成的。在傳統(tǒng)的數據庫系統(tǒng)中，一個事務由一系列讀寫操作組成。事務處理必須滿足四個準則，即原子性、一致性、隔離性和永久性（簡稱ACID）。移動計算環(huán)境的特點，使傳統(tǒng)數據庫系統(tǒng)中的事務處理技術不能滿足移動事務處理的要求。

通常，將移動客戶機發(fā)出的事務叫移動事務，它屬于分布事務。移動事務處理具有以下特點：
①移動性。這不僅指移動事務執(zhí)行期間，發(fā)出事務的移動客戶機是移動的，而且事務本身也在相應地移動。
②長事務。由于無線網絡通信的低帶寬、高延遲以及移動客戶機的頻繁斷接性，都可能使移動事務成為長事務。
③易錯性。由于移動客戶機不如固定結點可靠，而且無線網絡通信也不如固定網絡穩(wěn)定，因此，與一般事務相比，移動事務更容易出錯。
④異構性。由于客戶機的移動性，移動事務可能要訪問分布的異構數據庫系統(tǒng)。
總之，移動事務不同于傳統(tǒng)事務，傳統(tǒng)的ACID模型已不能很好地描述移動事務，需要為移動事務尋找更好的模型。維護數據的一致性和解決過區(qū)切換（handoff）問題是移動事務管理的重要任務。

3 移動Agent技術

Agent的研究起源于人工智能領域。Agent是指模擬人類行為與關系，具有一定智能并能夠自主運行和提供相應服務的程序。移動Agent是一個能夠在異構網絡中自主地從一臺主機遷移動另外一臺主機，并可與其它Agent或資源交互的程序。實際上它是Agent技術與分布式技術的混血兒。移動Agent具有自主性、移動性、協(xié)作性、安全性、智能性等特性。

傳統(tǒng)的分布式計算基于Client/Server體系結構，其帶寬耗費嚴重，網絡負載不均衡，容錯能力較差。移動Agent作為全新分布式計算工具，通過將自身代碼、狀態(tài)傳送到遠程主機，并在遠程主機執(zhí)行的方式克服了Client/Server方案的不足之處，因而成為分布式計算的主要發(fā)展方向之一。

與Client/Server方案相比，移動Agent具有以下幾大優(yōu)勢：移動Agent通過移動到服務器端工作并把最終數據傳回客戶機，可以節(jié)省網絡帶寬；移動Agent減少了費時的網絡傳輸，并且在規(guī)模較大的數據庫操作中Agent能實現(xiàn)本地操作，可以節(jié)省時間；移動Agent移動到服務器端直接傳回最終結果，避免了中間數據的傳輸延遲；一旦移動Agent從客戶端傳輸到另一臺主機上，這臺機器就可以和網絡斷開連接直到想回收Agent或再次傳送Agent，即整個系統(tǒng)可工作在異步方式；移動Agent可以輕易地從一個平臺移動到另一個平臺，它們帶著自身代碼移動到目的機器上無須預先安裝就能運行，可以很方便地實現(xiàn)負載平衡；移動Agent可以感知環(huán)境的變化并作出反應，多個移動Agent可以動態(tài)地調整分布以維護最優(yōu)配置。

基于移動Agent嵌入式移動數據庫改革了傳統(tǒng)的遠程查詢數據庫的SQL查詢方法，把查詢任務存儲到一個可通過網絡進行移動的Agent上，Agent將移動到服務器上，執(zhí)行查詢并在座結論，然后返回到用戶并打印結果。在這個過程中，我們把查詢任務分解為單個的查詢方法，而這些指令在網絡上的合適地點會被喚醒并執(zhí)行。通過將移動Agent技術引入嵌入式移動數據庫中，有助于實現(xiàn)嵌入式移動數據庫查詢優(yōu)化。

結語

移動計算的研究覆蓋了許多領域，如移動硬件設備、移動通訊、移動聯(lián)網技術、無線WWW訪問、移動數據庫技術、無線客戶/服務器應用等。隨著互聯(lián)網和無線通訊技術的發(fā)展，移動數據庫的需求正在不斷增加，其技術正在成為國際數據庫界的一個研究方向。由于移動數據庫自身的移動性、斷接性、帶寬的有限性、網絡通信的非對稱性以及電源電量的有限性等特性，決定了移動計算環(huán)境不同于傳統(tǒng)的分布計算。Agent技術是計算機領域的一個研究熱點，是一個能獨立運行的智能體?，F(xiàn)在，將移動Agent技術應用于分布式系統(tǒng)和網絡管理等方面取得了很好的效果?？傊?，隨著人們對信息需求的不斷增加，無線網絡和通信技術的不斷進步，移動數據庫領域的研究大有希望，必將為人類帶來巨大的商業(yè)和社會價值。