嵌入式数据库关键技术及发展趋势

王 晓，陈永春

(天津师范大学)

嵌入式数据库关键技术及发展趋势

王 晓，陈永春

(天津师范大学)

随着便携式计算设备和无线通讯技术的发展，嵌入式数据库技术已经成为一个十分活跃的研究领域，并引起了越来越广泛的关注.从嵌入式数据库的体系结构入手，讨论了嵌入式数据库的关键技术，并探讨了嵌入式数据库的发展趋势和努力方向.

嵌入式数据库;关键技术;发展趋势

0 引言

随着计算机技术的发展，各种智能硬件设备越来越多，传统的数据管理技术也在这种应用需求背景下不断改进.嵌入式数据库系统是指支持移动计算或某种特定计算模式的数据库管理系统，它通常与嵌入式操作系统和具体的应用集成在一起，运行在嵌入式设备上.当前，以标准关系数据库的成熟理论为基础，采用数据同步/复制技术的嵌入式数据库管理系统已成为数据库领域的新焦点.

与通用的桌面系统不同，嵌入式系统没有充足的内存和磁盘资源，因此不论是嵌入式的操作系统还是数据库管理系统，都要占用最小的内存和磁盘空间.因此，应用在智能设备上的嵌入式数据库应运而生.嵌入式产品由于其智能化、小型化、便携式等特点，已经普遍应用于生活比如智能手机、车载导航设备、数字移动电视、机顶盒、智能控制设备等.这些产品通常是在计算资源、存储资源等条件受限的情况下处理大量的数据，而传统的数据库一般都是运行在各种各样的服务器或大容量的存储器上，显然把传统的数据库直接移植到嵌入式设备上是不可行的.那么如何在苛刻的条件下充分利用有限的资源便成为了研究的热点.嵌入式数据库也正是在此条件下，和嵌入式操作系统、嵌入式应用软件相伴而生的.

1 嵌入式数据库体系结构

如图1所示，嵌入式数据库位于嵌入式系统的中间部分，下面有嵌入式操作系统层.由于嵌入式数据库本身固有资源的有限性，它一般只是为应用程序的前端应用提供基本的数据支持，更多的数据存放在固定节点的计算机上.嵌入式应用软件位于嵌入式数据库之上，可以通过API函数接口，ODBC、JDBC等与嵌入式数据库通信，来实现数据的检索、删除、添加等操作，更为重要的是要实现数据的完整性、一致性.当前主流的嵌入式数据库，具有支持多个平台、面向多种开发语言、具有多个灵活的接口等特点，主流的嵌入式数据库有:Oracle公司的 Berkeley DB、Sysbase Adaptive Server Anywhere、Linter以及 SQLite 等.

通常情况下，嵌入式数据库的体系结构如图2所示:MC(Mobile Client)为移动客户端设备;“嵌入式设备”为普通的有线网络中的智能计算终端(嵌入式设备1)或者独立的嵌入式设备(嵌入式设备2，比如汽车燃料控制器等).FH(Fixed Host)为网络中的固定主机，负责安装本地数据库LDB.多个本地数据库通过网络组成了分布式的数据支撑体系.需要说明的是FH没有无线通信接口.MSS(Mobile Support Station)为移动支持节点，负责与移动设备进行通信;EDBMS为嵌入式数据库;Sync Server为同步服务器，负责保持嵌入式数据库和整个分布式的地方数据库之间的数据一致性.

单一的以嵌入式设备为核心的体系架构，底层的数据采集程序把传感器集所测得的具有不同意义的数传送给嵌入式系统进行实时存储，以备数据中心进行数据的查询.嵌入式系统作为下位机负责数据的采集和处理，数据中心数据库作为上位机可以实现下位机和上位机的通信.很多情况下，这样的系统架构应用在移动通信场合.

图1 嵌入式数据库在嵌入式系统中的位置

图2 嵌入式数据库的体系结构

2 嵌入式数据库关键技术

一般智能设备(非移动)上的嵌入式数据库可以看作是普通数据库管理系统的一种缩减版本.它的实现可以直接参考现有的成熟的DBMS设计方法，去除一些复杂的功能，保留基本的数据管理功能即可.但是当嵌入式数据库结合移动计算进行应用时，需要考虑很多关键的问题.这些问题的解决，会直接影响到嵌入式移动数据库性能.目前来说，嵌入式移动数据库的实现，必须解决移动计算环境网络断接性、移动性、网络通信的不对称性等因素对移动数据库系统性能造成的影响，这主要涉及如下的几个关键技术.

2.1 系统微型化

存储空间的限制是制约各种嵌入式系统的主要因素，于是嵌入式数据库系统的微型化就成为了实现嵌入式系统的关键.嵌入式数据库的微型化主要包括两方面:数据库的微型化和数据库管理系统的微型化.数据库的微型化是指提高数据存储空间的利用率，增加嵌入式设备的数据存储能力.主要实现方法包括对关系模式的优化和数据的压缩存储.对关系模式优化的常用方法是模式的水平分解和垂直分解.模式的水平分解是根据相关条件把关系元组分成若干子集合，每个子集合定义为一个新关系.在嵌入式设备上，通常使用的数据只是一个大型关系中的一部分.因此，可以采用这种方法把经常使用的数据分解出来，形成一个子关系，可以有效减少数据的存储量.模式的垂直分解是把一个关系中经常使用的属性分解出来，形成一个独立的子关系，同样可以有效减少数据的存储空间.数据的压缩存储是数据库系统常用的一种数据存储方式，他不仅能减小系统占用的空间，还可以提高系统安全性.实现数据库管理系统微型化的主要方式之一是根据应用需要，选择系统必须的功能，因为微型化是以放弃系统功能的完备性为代价的.

2.2 数据复制与缓存技术

嵌入式数据库一般用于移动存储设备，而移动设备的一个显著特点是移动终端之间以及与服务器之间的连接是弱连接，即低带宽、长延迟、不稳定和经常性的断开.网络传统的复制/缓存技术移动环境中的数据一致性可分为强一致性和弱一致性两类，强一致性要求移动客户端缓存中的数据必须与服务器端数据严格保持一致;弱一致性则允许双方的数据存在一定的偏差，只要在允许的偏差范围之内.弱一致性的数据偏差可能是基于语义的，也可能是基于时间差的.目前，针对移动计算特点开展数据复制/缓存技术的研究最具代表性的是:J.Gray的两级复制机制、CODA系统以及缓存失效报告广播技术等.

嵌入式数据库所采用的复制/缓存技术不是传统网络那种基于应用终端和服务器的前提来保证数据一致性的，而是通过复制技术(上传、下载或混合)与服务器数据库进行映射，满足人们在不同时间、地点对数据的各种需求问题.由于是一种弱连接，所以允许用户对本地缓存上的数据副本进行操作，在网络断开时，嵌入式数据库对本地数据库子集进行数据操作;待网络连接后，再同服务器终端的数据信息进行修改，并通过一定的技术来恢复数据的一致性.现在普遍采用乐观复制方法(Optimistic replication)允许用户对本地缓存上的数据副本进行操作.

2.3 数据广播

数据广播是在嵌入式数据库移动计算环境下，利用网络的弱连接、客户机与服务器通信的不对称性，以周期性广播的形式向客户机发送数据.利用这种数据广播，可以适当的解决嵌入式系统所在的设备弱连接的问题.其最大的优点是，广播开销不依赖移动用户数量的变化而变化，借助数据广播，可以在一定程度上解决移动数据库系统的断接问题.数据广播的研究可分为服务器和客户机两个方面.衡量数据广播调度算法好坏的参数是访问时间和调谐时间.

2.4 事务处理技术和移动查询优化

移动数据事务处理技术涉及到移动设备提交的分布式数据事务处理调度和执行策略，嵌入式移动数据库应该支持脱机移动事务处理，同时为了使事务处理更加有效，应考虑移动计算环境的低可靠性，从而构建高可靠性的移动事务处理技术.嵌入式数据库系统中的事务处理在前端可以简单化，但在整个应用系统中要结合计算环境的特征进行事务处理控制.为了保证活动事务的顺利完成，必须设计和实现新的事务管理策略和算法.例如嵌入式数据库应该支持脱机移动事务处理，同时为了使事务处理更加有效，应考虑移动计算环境的可靠性，从而构建高可靠性的移动事务处理技术.

在嵌入式移动数据库中，存在着与位置相关信息的查询及更新.查询通常是与位置相关的，即使是同一个问题，在不同的地方查询的结果是不同的，如“最近的医院在哪里?”.移动查询优化是指在传统传统分布式数据库查询优化技术的基础上，利用多种方法消除带宽多样性、断接等因素所造成的影响，使查询引擎能够根据当前可采用网络条件采取恰当的优化算法.同时，针对移动计算机有限电源能力，合理地组织本地数据库管理、远程数据库访问等耗电能较多的操作达到节能目的，延长关键数据的可用时间.

2.5 安全认证性技术

嵌入式数据库所在的设备往往是系统中的关键设备，也储存着大量的私人信息，但由于以下两方面的原因往往在安全性上存在着威胁:一方面是由于嵌入式设备有移动性、工作环境不固定的特点，从而带来了一定潜在的威胁;另一方面是相对于有线网络来说，无线网络的电波容易被监听，信息容易丢失.嵌入式移动数据库的实现必须考虑如何在无线网络中实现安全的用户认证，防止未经认证的用户非法获取数据资料.因此应首先建立用于认证的MC库，当MC请求连接时，可结合现有的无线网络加密技术对认证信息进行加密，从而进行安全的用户认证.针对以上两方面的威胁提出了以下相对应的安全措施:针对移动性的问题，加强对终端进行合法性验证，以防止非法终端的非法性入侵;针对无线网络的问题，要对无线网络通信进行加密，防止数据信息泄露.

3 嵌入式数据库的发展趋势和努力方向

3.1 嵌入式数据库的发展趋势

近年来，嵌入式数据库的研究取得不少进展，以下几个趋势值得关注.

(1)智能化和主动化

以往的嵌入式数据库往往是以存储为目的的被动型的数据库，只能被动地接受操作系统和应用程序的调用来执行相应的动作.能够根据数据库中存储的情况和自身特点，适当地做出优化来满足不同条件下的应用需求的智能化、主动型嵌入式数据库是以后研究的热点.

(2)多媒体嵌入式数据库

随着高档电子消费品日益受到人们的青睐，能够对视频、音频、文字、图像进行存储和快速检索的嵌入式数据库会有更大的市场，并成为人们研究的热点.

(3)时空数据库

导航设备、水文、地质、地形地貌相关电子产品的快速发展，迫切需要能够同时处理时间和空间的数据库问世.

3.2 嵌入式数据库的努力方向

关于嵌入式数据库具体技术的改进和升级可以从以下几点寻找突破点.

(1)数据库内核

由于嵌入式系统可用资源的受限性，嵌入式数据库内核的大小也是一个关键的问题，那种以牺牲数据库的功能来换取较小的内核显然是与发展趋势相背离的.

(2)数据库的可靠性

嵌入式数据库的应用越来越广泛，也越来越复杂，其功能已经从传统的添加、删除等操作向对声音、视频、三维或多维数据、智能控制等方向发展，因此可靠性的提高也是至关重要的一环.

(3)数据库的可移植性

尽管目前的嵌入式数据库产品可以支持多种不同的操作系统，但在嵌入式系统开发过程中，开发人员还要充分考虑硬件平台、操作系统平台以及它们的接口定义，如果有能适用于绝大多数的操作系统平台，对硬件平台和操作系统平台透明的嵌入式数据库，势必可以大大地提高开发效率，降低开发成本.

4 结束语

嵌入式数据库作为传统数据库管理技术的一种拓广应用，使得计算无处不在成为可能，为数字化社会、数字化生活提供了坚实的技术保障.嵌入式设备的多样性，嵌入式数据库的可剪裁性使得其在实际的工程应用中更加灵活，也为研究人员更好地进行相关领域的科学研究提供了更大的研究空间.随着计算机技术和移动通信技术的发展以及大量的人力物力投入，嵌入式数据库将会得到更为广泛深入地应用.

［1］汪天扬.嵌入式数据库管理系统研究与实现［D］.电子科技大学，硕士学位论文，2004.

［2］王少杰，王鸿健，肖擎刚.基于ARM的嵌入式数据库研究与应用［J］.微计算机信息，2007(29).

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［4］周立功.ARM嵌入式系统基础教程［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2005.

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［8］侯德恒，贾伟峰.嵌入式数据库研究［J］.软件导刊，2008(8).

The Key Technology and Development Trend of Embedded Database

Wang Xiao，Chen Yongchun
(Tijin Normal University)

With the development of portable computing devices and wireless communication technology，embedded database technology has become a very active field for researching and caused more and more attention.This article discusses the key technology of embedded database and the development trend and direction of embedded database by starting from the system structure.

Embedded database;Key technology;Development trend

2011－11－12

(责任编辑:李家云)