嵌入式移動數(shù)據(jù)庫與Agent技術(shù)原理及設(shè)計

概述：隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展和不斷滲透，在任何地點和任何時候都能接入網(wǎng)絡(luò)獲取各種信息，必將成為21世紀(jì)人類的普通要求；同時，移動通信技術(shù)的進(jìn)步和人們對移動數(shù)據(jù)處理需求的不斷提高，與各種智能通信設(shè)備緊密結(jié)合的嵌入式移動數(shù)據(jù)庫技術(shù)已經(jīng)得到了學(xué)術(shù)界、工業(yè)界、軍事領(lǐng)域、民用部門等各方面的高度重視。移動計算和移動數(shù)據(jù)庫技術(shù)將使得這種需求得以實現(xiàn)。

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(shù)據(jù)庫中的計算環(huán)境不同于分布式數(shù)據(jù)庫，給移動數(shù)據(jù)庫的研究提出了許多新的挑戰(zhàn)。本文分析移動數(shù)據(jù)庫的特點、體系結(jié)構(gòu)；介紹移動數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中的一些關(guān)鍵性技術(shù)，及移動Agent在移動數(shù)據(jù)庫中的應(yīng)用。

移動數(shù)據(jù)庫是移動計算環(huán)境中的分布式數(shù)據(jù)庫，由于移動數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用大都嵌入到諸如掌上電腦、PDA、車載設(shè)備等移動通信設(shè)備中，故移動數(shù)據(jù)庫有時也稱為嵌入式移動數(shù)據(jù)庫。在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的研究歷史中，傳統(tǒng)的分布計算與分布數(shù)據(jù)庫的研究是基于有線網(wǎng)絡(luò)和固定主機(jī)的。這些都采用了一些默認(rèn)的隱含假設(shè)，例如固定網(wǎng)絡(luò)連接、對等通信代價、主機(jī)節(jié)點固定不變等。但進(jìn)入20世紀(jì)90年代以來，隨著移動通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)迅速發(fā)展，加之移動計算機(jī)和移動通信設(shè)備的大量普及，許多計算節(jié)點可以在移動過程中與網(wǎng)絡(luò)建立連接，使得上述假設(shè)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(wǎng)絡(luò)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(shù)據(jù)庫中的方法和技術(shù)不斷直接應(yīng)用于移動數(shù)據(jù)庫。目前，移動數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用與研究正在成為學(xué)術(shù)界的一個研究熱點，有大批學(xué)者投入到這一新的研究領(lǐng)域。

1 嵌入式移動數(shù)據(jù)庫的體系結(jié)構(gòu)

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(wǎng)絡(luò)連接并保持網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)連接性的，而移動計算系統(tǒng)改變了這種假設(shè)條件。移動計算系統(tǒng)是固定節(jié)點和移動節(jié)點構(gòu)成的分豐計算系統(tǒng)。移動計算的網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)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(shù)據(jù)庫就是移動數(shù)據(jù)庫。它是傳統(tǒng)分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的擴(kuò)展，可以看作客戶與固定服務(wù)器節(jié)點動態(tài)連接的分布式系統(tǒng)。移動數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

其中，移動客戶機(jī)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(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。

2 嵌入式移動數(shù)據(jù)庫的關(guān)鍵技術(shù)

為了實現(xiàn)移動數(shù)據(jù)庫，必須解決移動計算環(huán)境中斷接性、移動性、網(wǎng)絡(luò)通信的不對稱性等因素對移動數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的影響。

（1）數(shù)據(jù)復(fù)制與緩存技術(shù)

該技術(shù)是解決移動數(shù)據(jù)庫數(shù)接性的關(guān)鍵技術(shù)，在現(xiàn)有DBMS基礎(chǔ)上進(jìn)行修補(bǔ)以適應(yīng)移動計算也采用該技術(shù)。傳統(tǒng)的復(fù)制/緩存技術(shù)都是假設(shè)客戶機(jī)和服務(wù)器之間是經(jīng)常保持連接的，并基于這個前提來維護(hù)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(shù)據(jù)復(fù)制/緩存技術(shù)的研究最具代表性的是：J.Gray的兩級復(fù)制機(jī)制、CODA系統(tǒng)以及緩存失效報告廣播技術(shù)等。另外，SYBASE公司的移動數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品SQL ANYWHERE和SQL REMOTE也采用該技術(shù)來支持移動計算環(huán)境。

（2）數(shù)據(jù)廣播

通俗地講，數(shù)據(jù)廣播是指在移動計算環(huán)境中，利用客戶機(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)器和客戶機(jī)兩個方面：服務(wù)器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。在國內(nèi)，長沙國際科技大學(xué)的周興銘院士對數(shù)據(jù)廣播進(jìn)行了深入研究，提出了數(shù)據(jù)廣播的多盤調(diào)度算法。衡量數(shù)據(jù)廣播調(diào)度算法好壞的參數(shù)是訪問時間和調(diào)諧時間。

（3）位置相關(guān)查詢優(yōu)化

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，如“最近的醫(yī)院在哪里？”。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，針對移動計算機(jī)有限電源能力，合理地組織本地數(shù)據(jù)庫管理、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫訪問等耗電能較多的操作，達(dá)到節(jié)能目的，延長關(guān)鍵數(shù)據(jù)的可用時間。

采用基于分割的地址更新策略時，由位置服務(wù)器維護(hù)的移動用戶對象包含以下數(shù)據(jù)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(dāng)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(yīng)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(guān)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(guān)于地址11，…，1n的n元約束條件，而W（x1,…,xn）是關(guān)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(wù)處理

事務(wù)處理是數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的一個基本功能，主要用于維護(hù)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)庫。一般來說，用戶對數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的訪問都是通過事務(wù)來完成的。在傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，一個事務(wù)由一系列讀寫操作組成。事務(wù)處理必須滿足四個準(zhǔn)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(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中的事務(wù)處理技術(shù)不能滿足移動事務(wù)處理的要求。

??? 通常，將移動客戶機(jī)發(fā)出的事務(wù)叫移動事務(wù)，它屬于分布事務(wù)。移動事務(wù)處理具有以下特點：

①移動性。這不僅指移動事務(wù)執(zhí)行期間，發(fā)出事務(wù)的移動客戶機(jī)是移動的，而且事務(wù)本身也在相應(yīng)地移動。

②長事務(wù)。由于無線網(wǎng)絡(luò)通信的低帶寬、高延遲以及移動客戶機(jī)的頻繁斷接性，都可能使移動事務(wù)成為長事務(wù)。

③易錯性。由于移動客戶機(jī)不如固定結(jié)點可靠，而且無線網(wǎng)絡(luò)通信也不如固定網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定，因此，與一般事務(wù)相比，移動事務(wù)更容易出錯。

④異構(gòu)性。由于客戶機(jī)的移動性，移動事務(wù)可能要訪問分布的異構(gòu)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。

總之，移動事務(wù)不同于傳統(tǒng)事務(wù)，傳統(tǒng)的ACID模型已不能很好地描述移動事務(wù)，需要為移動事務(wù)尋找更好的模型。維護(hù)數(shù)據(jù)的一致性和解決過區(qū)切換（handoff）問題是移動事務(wù)管理的重要任務(wù)。

3 移動Agent技術(shù)

Agent的研究起源于人工智能領(lǐng)域。Agent是指模擬人類行為與關(guān)系，具有一定智能并能夠自主運行和提供相應(yīng)服務(wù)的程序。移動Agent是一個能夠在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中自主地從一臺主機(jī)遷移動另外一臺主機(jī)，并可與其它Agent或資源交互的程序。實際上它是Agent技術(shù)與分布式技術(shù)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(jié)構(gòu)，其帶寬耗費嚴(yán)重，網(wǎng)絡(luò)負(fù)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(yuǎn)程主機(jī)，并在遠(yuǎn)程主機(jī)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(wù)器端工作并把最終數(shù)據(jù)傳回客戶機(jī)，可以節(jié)省網(wǎng)絡(luò)帶寬；移動Agent減少了費時的網(wǎng)絡(luò)傳輸，并且在規(guī)模較大的數(shù)據(jù)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(wù)器端直接傳回最終結(jié)果，避免了中間數(shù)據(jù)的傳輸延遲；一旦移動Agent從客戶端傳輸?shù)搅硪慌_主機(jī)上，這臺機(jī)器就可以和網(wǎng)絡(luò)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(jī)器上無須預(yù)先安裝就能運行，可以很方便地實現(xiàn)負(fù)載平衡；移動Agent可以感知環(huán)境的變化并作出反應(yīng)，多個移動Agent可以動態(tài)地調(diào)整分布以維護(hù)最優(yōu)配置。

基于移動Agent嵌入式移動數(shù)據(jù)庫改革了傳統(tǒng)的遠(yuǎn)程查詢數(shù)據(jù)庫的SQL查詢方法，把查詢?nèi)蝿?wù)存儲到一個可通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行移動的Agent上，Agent將移動到服務(wù)器上，執(zhí)行查詢并在座結(jié)論，然后返回到用戶并打印結(jié)果。在這個過程中，我們把查詢?nèi)蝿?wù)分解為單個的查詢方法，而這些指令在網(wǎng)絡(luò)上的合適地點會被喚醒并執(zhí)行。通過將移動Agent技術(shù)引入嵌入式移動數(shù)據(jù)庫中，有助于實現(xiàn)嵌入式移動數(shù)據(jù)庫查詢優(yōu)化。

結(jié)語

移動計算的研究覆蓋了許多領(lǐng)域，如移動硬件設(shè)備、移動通訊、移動聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、無線WWW訪問、移動數(shù)據(jù)庫技術(shù)、無線客戶/服務(wù)器應(yīng)用等。隨著互聯(lián)網(wǎng)和無線通訊技術(shù)的發(fā)展，移動數(shù)據(jù)庫的需求正在不斷增加，其技術(shù)正在成為國際數(shù)據(jù)庫界的一個研究方向。由于移動數(shù)據(jù)庫自身的移動性、斷接性、帶寬的有限性、網(wǎng)絡(luò)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(shù)是計算機(jī)領(lǐng)域的一個研究熱點，是一個能獨立運行的智能體。現(xiàn)在，將移動Agent技術(shù)應(yīng)用于分布式系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)的不斷進(jìn)步，移動數(shù)據(jù)庫領(lǐng)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。