嵌入式移动实时数据库管理系统的数据广播调度策略研究硕士学位论文.docx
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嵌入式移动实时数据库管理系统的数据广播调度策略研究硕士学位论文
硕士学位论文
嵌入式移动实时数据库管理系统的
数据广播调度策略研究
AThesisSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirements
fortheDegreeofMasterofEngineering
ResearchonBroadcastSchedulingStrategy
inEmbeddedMobileReal-TimeDBMS
Candidate:
ShiLei
Major:
ComputerSoftwareandTheory
Supervisor:
Prof.LuYansheng
HuazhongUniversityofScienceandTechnology
Wuhan430074,P.R.China
June,2007
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。
对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
学位论文作者签名：
日期：
年月日
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本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：
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保密□，在_______年解密后适用本授权书。
本论文属于
不保密
。
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学位论文作者签名：
指导教师签名：
日期：
年月日 日期：
年月日
摘要
在嵌入式移动实时数据库系统中，无线网络环境具有带宽小、非对称、通信质量差等特点，为了支持大量移动用户并发访问数据库服务器上的内容，提高网络通信的伸缩性，人们提出数据广播这一重要的数据分发方式。
数据广播技术的研究主要包括数据广播模式、数据广播调度、数据广播组织，其中广播调度是数据广播应用中的关键技术。
着重研究支持实时应用的数据广播调度策略。
首先综述国内外在广播调度方向上的研究进展，对各种调度策略进行定性分析与评价。
而后综合移动实时数据库中数据的各种特征，提出一种基于混合广播模式的实时数据广播模型，同时给出数据广播技术研究中的前提与假设。
然后简要介绍自适应混合广播调度策略TC-AHB，并在此该策略基础上，提出一种改进的自适应混合调度策略ImprovedTC-AHB。
TC-AHB策略能够根据数据的请求模式以及时间限制等特征来动态计算周期广播的带宽比例及被调度的数据，同时，该策略设计的采样技术能够自适应调节采样的数据对象与采样时间，从而有效地获取数据的请求模式。
ImprovedTC-AHB策略在继承这些技术优点的同时，进一步将TC-AHB策略推广到基于事务的多数据项广播调度中，同时，ImprovedTC-AHB策略采用“分布式周期广播”思想，以更精细的周期广播粒度来解决过长的周期广播时段与事务及数据的实时要求之间的矛盾。
最后基于提出的实时数据广播模型，实现一个调度策略性能评价仿真系统，将ImprovedTC-AHB与TC-AHB，以及流行的按需调度策略EDF-T进行实验性能比较。
实验结果表明：
基于混合广播模式的调度策略更适合于实时环境下的数据广播应用；ImprovedTC-AHB策略具有更低的事务失败率，以及更小的上行信道负荷。
关键词：
嵌入式移动实时数据库，数据广播，混合广播模式，调度策略，自适应
Abstract
Intheembeddedmobilereal-timedatabasesystem（EMRTDBMS）,Wirelessnetworkhasthefeaturesoflowbandwidth,asymmetryandpoorquality,inordertosupportalargenumberofmobileclientsconcurrentlyaccessingthecontentindatabaseservers,andtoimprovethescalabilityofthenetworkcommunication,databroadcasttech.,animportantdatadisseminationmethod,isprovidedandappliedinEMRTDBMS.Broadcastmode,schedulingstrategy,anddataorganizationarethemainresearchdirectionsofdatabroadcasttech.Schedulingstrategyisthekeydirectionparticularly.
Thispaperemphasizesonschedulingstrategyfordatabroadcastinreal-timeenvironment.Firstly,weintroducetheprogressofresearchonschedulingstrategyinthepastfewyears,andgivethequalitativeanalysisofthoseprovidedstrategies.Secondly,byanalyzingthecharactersofdatainreal-timedatabase,weprovideaReal-TimeDataBroadcastModelbasedonhybridbroadcastmode.Then,wegiveabriefdescriptionofTC-AHB,ahybridbroadcastschedulingstrategy.Andbasedonthatstrategy,weprovideanimprovedschedulingstrategy,namedImprovedTC-AHB.
Bytakingtheinformationofdatarequestedmodeanddatadeadlineintocalculation,TC-AHBcandynamicallycalculatethebandwidthratioforperiodicbroadcastandthebeing-scheduleddata,throughanovelsampletech.,TC-AHBcanalsoefficientlygetmorevaliddata-requestedmode.ImprovedTC-AHBnotonlyinheritsthosemeritsofTC-AHB,butalsoextendsthestrategytothebroadcastbasedontransactionscheduling.And,itadoptsanideacalleddistributedperiodicbroadcast,tosolveconflictionbetweenalongperiodicbroadcastintervalandreal-timerequirementofdataandtransactions.
Atlast,weimplementaprototypesystemformeasuringtheperformanceofprovidedschedulingstrategy,andforcomparativeexperiment,weimplementnotonlyImprovedTC-AHB,butalsoTC-AHBandanon-demandstrategycalledEDF-T.Theconclusionsare:
thosestrategiesbasedonhybridbroadcastmodearemoresuitablefordatabroadcastapplicationinreal-timeenvironment;andImprovedTC-AHBhaslowertransactionfailureratio,andloweruplinkload.
Keywords:
EmbeddedMobileReal-TimeDBMS,DataBroadcast,HybridBroadcastMode,SchedulingStrategy,Adaptive
目录
摘要I
AbstractII
1绪论
1.1嵌入式移动实时数据库的系统模型
（2）
1.2嵌入式移动实时数据库的数据广播技术（5）
1.3本文主要研究内容与组织（7）
2广播调度策略的基本理论和方法
2.1广播调度策略的评价指标（9）
2.2周期广播调度（10）
2.3按需广播调度（11）
2.4混合广播调度（12）
2.5多数据项的广播调度（13）
2.6基于事务的调度（13）
2.7小结（14）
3实时数据广播模型
3.1数据广播模式（15）
3.2实时数据的特征（17）
3.3实时数据广播模型（18）
3.4研究中的假设（20）
3.5小结（21）
4一种改进的自适应混合广播调度策略
4.1TC-AHB调度策略（22）
4.2TC-AHB调度策略的性能分析及改进措施（26）
4.3改进的TC-AHB（ImprovedTC-AHB）调度策略（27）
4.4小结（30）
5仿真实验与性能评价
5.1仿真系统设计（31）
5.2实验参数（32）
5.3性能评价指标（33）
5.4实验结果及分析（34）
5.5小结（38）
6结束语
6.1本文总结（39）
6.2进一步工作（39）
致谢（41）
参考文献（42）
1绪论
随着蜂窝通信、无线局域网及卫星通信等无线通信技术的飞速发展，许多终端用户已经可以在自由移动的过程中保持与网络的连接。
于是人们迫切需求移动终端能够在任何时候、任何地点访问任何数据，而原来基于有线网络和固定主机的分布式数据库并不适应这些应用需求，基于无线网络的移动数据库技术（MDBMS）便应运而生，并且得到迅速广泛的应用。
有一类应用，如军事指挥系统、实时交通信息管理系统、海上导航系统等，它们普遍要求事务的实时处理以及数据请求的实时响应，过期的未处理事务或实效的数据有可能带来灾难性的后果。
因而移动实时数据库（MRTDBMS）受到业界以及学界研究者的关注。
一般认为移动实时数据库系统就是移动环境（GSM等无线网络）所支持的实时数据库系统[1]。
在移动实时数据库系统中，移动客户端一般不是传统的台式计算机，而是车载设备、PDA、智能手机等嵌入式设备，数据库系统往往嵌入到这些设备中，运行与嵌入式操作系统（如Linux、WinCE、VxWorks等）之上，所以它又称为嵌入式移动实时数据库（EMRTDBMS）。
与分布式数据库系统的网络环境相比，移动实时数据库系统的网络环境具有带宽小、通信质量差的特点[2]。
在一个无线广播单元内，从广播服务器（或称移动服务基站MSS）到移动用户MC的下行通信带宽一般要远大于从MC到MSS的上行通信带宽，而且MC从MSS接收数据的开销也远小于发送开销，因此在大部分场合，即使是处于断接状态，MC也可以选择接收从服务器发送的下行广播信息。
为了支持大量用户并发访问服务器上的数据，有效地利用通信带宽，人们提出了数据广播（DataBroadcast）这一新的数据分发模式[2]，由服务器将数据库中被大多数用户频繁访问的数据（即“热点数据”）组织起来向空中广播，移动用户从空中获取数据。
数据广播是提高移动实时数据库系统可伸缩性的重要技术。
对数据广播的研究主要分为如下3个方向：
（1）广播模式，即数据的分发方式；
（2）广播调度，即数据被选入广播序列，服务器所使用的策略；（3）广播组织，即数据在广播序列中的索引结构。
文章将在1.2节对数据广播的这3个研究方向进行简要概述。
本文主要围绕广播调度策略展开研究，在提出适用于实时移动环境的数据广播模型之后，进一步提出一种改进的自适应混合广播调度策略。
本章组织结构如下：
1.1节参考国内外研究文献，给出嵌入式移动实时数据库的系统模型；1.2节对嵌入式移动实时数据库的数据广播技术及其研究方向进行简要概述；1.3节列出本文的研究内容及方向，并且给出章节组织结构。
1.1嵌入式移动实时数据库的系统模型
为了有效的研究数据广播技术，一个清晰的系统结构至关重要。
参考文献[3,4]，本文建立嵌入式移动实时数据库的系统模型，如图1.1所示。
系统由固定网络及移动网络两大部分组成。
固定网络由一组移动服务基站MSS（MobileServerStation）、信息服务器IS（InformationServer）、位置服务器LS（LocationServer）、以及固定主机FH（FixHost）构成，它们通过WAN或其它有线网络连接，数据库分布于IS和MSS中；移动网络由一系列相交或者不相交的无线广播单元WBU（WirelessBroadcastUnit）构成，每个WBU由一个MSS支持，并且由一组移动客户MC（MobileClient）组成，每个MC为一个嵌入式移动设备，它可以夸单元移动。
下面详细讲述主要组成模块的功能特征。
1.1.1信息服务器IS
IS扮演数据库服务器的角色，它有本地数据库LDB（LocalDatabase），并且由一嵌入式实时数据库管理系统ERTDBMS支持，它为MSS提供广播所需的数据。
同时IS维持本地数据的更新。
更新事务由传感器周期地或偶然地创建。
传感器捕获外部环境的实时状态的变化，然后传输给IS来维护数据库中数据与外部数据的一致性。
IS的数据更新特性包括以下两个方面：
更新频率（FrequencyofUpdates）：
按广播系统支持的应用类型，IS中数据的更新频率分为频繁、普通和不更新三种。
更新方法（UpdateMethod）：
指IS中数据被更新后，通过什么方法告知用户。
常用的方式可向MC发送数据失效报告，或直接向MC发送最新数据。
本文的研究不考虑数据的收集和更新。
在以下论述中，如不特别说明，服务器（广播服务器）均指移动服务基站MSS。
1.1.2移动服务基站MSS（广播服务器）
MSS提供对其负责的无线广播单元的通信支持，某些MSS同时扮演IS的角色，即数据的存储与更新。
由前文所述可知，广播技术是系统的重要数据分发模式，MSS详细描述了广播结构，并定义了广播据的主要特征：
广播内容（BroadcastContents）：
在一些广播系统中，广播内容是不变的，广播内容的值可被更新（如股票系统）。
另外，广播内容也可以根据用户的数据需求动态产生和替换。
存储桶容量（BucketSize）：
存储桶是广播程序中广播的最小粒度，它又称为页面（Page）。
一般桶（页面）的容量是定长的。
广播磁盘结构（BroadcastDiskStructure）：
可分为平坦（Flag）结构和偏斜（Skewed）结构。
其中平坦结构指在广播周期中各个数据项的出现频率相同。
偏斜结构与之相反，指各个数据项出现的频率不完全相同。
广播周期（BroadcastCycle）：
分为周期（Periodic）广播和非周期（Aperiodic）广播。
在周期广播中，MSS循环地广播数据。
而在非周期广播系统中，MSS通过特殊的事件触发机制广播数据。
数据库内容（DatabaseContent）：
广播的数据可以是数据库中的全部数据（全集），或部分数据（子集）。
数据项的放置（DataItemPlacement）：
静态调度中，不同的广播周期，所有数据项的调度顺序均保持不变。
动态调度则根据用户的需求动态确定数据项的广播顺序。
索引（Index）：
MC可通过索引信息知道在什么时间从广播信道接收自己想要的数据，从而在等待时转入休眠模式而节约移动计算设备的电池消耗。
1.1.3无线网络（WirelessNetwork）
（1）带宽（Bandwidth）：
不同的无线网络通信特点各不相同。
无线电（WirelessRadio）通信覆盖范围广，但带宽只有19.2Kbps，且信道可伸缩性差。
无线局域网通信带宽大（2-10Mbps），但覆盖范围通常小于100米。
卫星通信有很大的带宽和很强的覆盖范围，但价格昂贵。
（2）连接性（Connection）：
分为强可靠（StrongReliable）和弱可靠（WeakReliable）两种。
在弱可靠网络中，当大规模并发用户访问数据时，对索引的等待、广播内容的改变、过时的Cache等因素可能导致系统性能下降。
另外，信号的衰减和噪音使得位错误率（BitErrorRate）增加，从而导致吞吐率（Throughput）下降。
而在强可靠网络中，吞吐率和数据响应时间均有保障。
（3）覆盖范围（Range）：
无线广播单元WBU指一个MSS同时覆盖的领域，其范围从直径100米到全球卫星单元。
当今网络技术趋向于采用更小的广播单元，一个地域被划分成更多的单元，从而MC需要更频繁地穿越不同单元的边界，不同广播单元可以有所交叉覆盖。
1.1.4移动用户MC（MobileClient）
MC为数据库系统的客户端，一般为嵌入式设备，如PDA、智能手机等。
MC侦听广播信道，从MSS的广播序列中获取信息。
不同的广播系统设定不同类型的用户。
按参与性可将用户分成主动用户和被动用户，按优先级可分为高优先级用户和低优先级用户，另外还可分为缓存用户和无缓存用户，拥有反向信道（Backchannel）的用户和无反向信道的用户等。
1.2嵌入式移动实时数据库的数据广播技术
在图1.1所示的嵌入式移动实时数据库的系统模型中，移动客户MC和广播服务器MSS间的通信具有如下的特性：
在一个无线广播单元WBU内，从MSS到MC的下行通信带宽一般要远大于从MC到服务器的上行通信带宽。
而且MC从MSS接收数据的开销也远小于发送开销，在极端的情况下，即使是处于断接状态下（即无法向服务器发送消息）的MC也可以选择接收从MSS发送的下行广播信息。
因此，采用数据广播是解决移动实时数据库系统用户规模庞大和网络通讯非对称性等问题的一个有效的方法。
在数据广播中，有3个主要的性能衡量参数[5]：
（1）访问时间（accesstime，也称为存取时间），它指从MC提出查询请求，到结果返回所需的时间。
访问时间一般作为系统响应时间的衡量标准；
（2）调谐时间（tuningtime）：
它指MC为了获得查询结果，用于侦听信道的时间。
MC侦听信道需要消耗电源，因而一般将该参数作为数据访问消耗电源的衡量标准；（3）请求成功率（requestsuccessratio，也称请求响应率）：
它描述MC的数据请求在截止期前得到满足的比率，它是实时环境下，广播系统负载能力的一个重要衡量标准。
近年来数据广播技术已引起了广泛的研究，针对上述性能参数的优化，主要研究方向分为以下3类：
广播模式，即MSS与MC之间的数据交互方式；广播调度策略，即MSS选择被广播数据的策略；广播组织方式，即被调度数据在广播序列中的索引结构。
1.2.1广播模式
在移动环境中，MSS的数据分发方式可以分为三种：
（1）PULL方式，在此方式下，MSS根据数据的静态访问模式，单向周期广播既定数据，MSS不考虑MC的具体需求；
（2）PUSH方式，在此方式下，MSS响应MC的数据请求，广播请求数据，但它不考虑数据的访问模式；（3）混合（Hybrid）方式，它将PULL方式与PUSH方式相结合。
基于这三种方式，存在三种数据广播模式，分别为周期广播模式，按需广播模式，和混合广播模式。
3.1节将对这3种广播模式进行较为详细的介绍，并且基于混合广播模式，提出一种适用于实时移动环境下的数据广播模型。
1.2.2广播调度
移动实时应用环境中，数据有随时间变化的特性，移动用户的应用处理也有定时限制，因此对数据的存取也有定时限制，过了时的数据将不再是用户所需要的数据。
如股票数据、交通状况数据。
为了满足移动用户对数据需求的定时限制，不仅要求动态地组织广播内容，还要对广播内容进行合理的调度。
根据数据广播模式的不同，广播调度策略分为3大类：
周期广播调度策略，按需广播调度策略，混合广播调度策略。
本文将在第2章概述国内外学者在广播调度策略方向上的研究工作。
本文的研究目标是提出一种改进的自适应混合调度策略。
1.2.3广播组织
移动客户MC到达一个无线广播单元WBU后，就开始侦听广播，如果对广播序列的数据不做任何形式的目录和索引，MC必须一直侦听广播，直到收到所需的数据为止。
MC一直处于盲目侦听状态，这将极大降低MC的并行计算能力，增大MC的电源消耗。
如果合理组织数据，使MC有目标、有选择性地侦听广播，将大大减少它的侦听时间。
为此，广播服务器MSS需要广播数据索引以指出数据在广播序列中的位置，以便MC有效地收听。
广播索引的构造问题类似于文件系统中的索引结构，然而在文件系统领域并未对索引结构作细致深入的研究，这是因为：
在文件系统中，访问索引的代价远小于CPU和IO等其它操作；文件系统中频繁的更新操作使得维护复杂的索引结构非常困难。
在移动环境下，由于侦听目录占去了移动事务的大部分时间，所以构造相对复杂的索引是有意义的。
已有的工作中提出了使用hash函数的方法[6]，文献[7]提出了使用B树的方法，文献[8]提出了一种称为signature的方法，文献[9]提出了混合B树和signature的方法。
如果在每次数据广播中只发送一次索引，则当用户错过接收索引时间时，只能等待下一次广播，这将会增加延迟时间。
可以采取在一次数据广播中重复发送m次索引的方法，降低因为用户错过接收索引而带来的延迟，这称为（l,m）索引技术[7]。
在（1,m）索引技术中，每次复制的索引没有必要完全相同，只需保证每次复制的索引包含接下来要广播的内容即可。
1.3本文主要研究内容与组织
本文的研究目标是提出一种适用于实时移动环境下的广播调度策略，以提高事务请求的成功率及信道的利用效率。
具体章节安排如下：
第一章简要介绍嵌入式移动实时数据库及其数据广播技术，引进一种嵌入式移动实时数据库的系统模型，为本文进一步的研究工作提供系统支持。
第二章综述了国内外近年来在广播调度策略方向上的研究进展及成果。
该章将调度策略的研究进行了进一步分类，横向分为：
（1）基于周
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