（通信与信息系统专业论文）hlr系统维护性事务处理研究与实现.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 弋u 1t t 。一| 。 ， 本论文是作者参加g p r s g s m 移动通信网中的h l r 系统研制而进行的。该系 统是摩托罗拉公司和广州金鹏集团合作项目，涉及大量的通信协议软件、实时 内存数据库和商用数据库的研究与开发。 本文在h l r 系统的实时内存数据库的事务处理方面进行了深入的研究，提 出“双向嵌套”事务处理模型，并结合此模型对h l r 系统的非实时( 维护性) 事务处理功能进行了实现。本文分四部分对上述问题进行相应深入地探讨。 本文首先介绍移动通信技术和实时数据库技术，然后分析h l r 系统在移动 通信网中的作用及其性能要求，给出本论文的研究背景、主要内容和现实意义。 然后，根据传统数据库事务处理理论，分析实时内存数据库的事务处理理 论，对实时内存数据库中的事务相关、数据相关、时间相关进行理论定义，结 合实时内存数据库事务处理理论提出了h l r 系统中的“双向嵌套”事务处理模 型。 其次，结合“双向嵌套”事务处理模型论述h l r 系统整体设计，深入分析 h l r 系统中非实时( 维护性) 事务处理的数据需求和非实时事务处理任务的设 计思想。【在上述讨论基础上，对非实时( 维护性) 事务处理任务的关键函数给 出详细设计方法，描述非实时( 维护性) 事务处理子模块的功能实现“ ( 本论文的最后，阐述非实时( 维护性) 事务处理模块和h l r 系统整体测试 情况，给出摩托罗拉和广州金鹏集团的测试结论，另外，提出一些个人对h l r 系统开发的看法，并在结束语中对全文进行了概括少f 关键词：移动通信，h l r ，实时内存数据库，双向嵌套，维护性事务 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h er e s e a r c ho ft h i sd i s s e r t a t i o ni sb a s e do nt h ed e v e l o p m e n t so ft h ei - i l r s y s t e mi n t h em o b i l ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r kt h a ts u p p o r t st h eg e n e r a lp a c k e t r a d i os e r v i c ea n dg l o b a ls y s t e mm o b i l er g p r s g s m ) n l ed e v e l o p m e n t so f t h i s s y s t e mi sac o o p e r a n t i t e mb e t w e e nm o t o r o l ac o p a n dg u a n g z i l o uj i n p e n gg r o u p 刃ei t e mr e l a t e st oal o to fr e s e a r c h e sa n dd e v e l o p m e n t sa b o u tc o m _ m u n i c a 丘o n p r o t o c o ls o f t w a r e ，r e a l t i m em e m o r y d a t a b a s ea n dc o m m e r c i a ld a t a b a s e w e l lr e s e a r c hh a sb e e nd o n ei nt h ea r t i c l eo nt h ea s p e c to fr e a l t i m em e m o r y d a t a b a s e st r a n s a c t i o n ，a n db r i n g sf o r w a r d “d o u b l ed i r e c t i o nn e s t i n g t r a n s a c t i o n m o d e l ，t h e n ，c o m b i n i n gt h et r a n s a c t i o nm o d e lr e a l i z e su n r e a l t i m e ( m a i n t e n a n c e ) t r a n s a c t i o nf u n c t i o ni nh l rs y s t e m t h e s eq u e s t i o n sa l ed e e p l yd i s c u s s e da n d a n a l y z e dw i t hf o u rp a r t sa sf o l l o w i n g a tf i r s t ii n t r o d u c em o b i l ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n dr e a l - t i m ed a t a b a s e t e c h n o l o g y , a n dt h e n a n a l y z e h l r s y s t e m s f u n c t i o n sa n d p e r f o r m a n c e - r e q u i r e m e n t si nm o b i l ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k a tt h es a m et i m e ，i e x p l a i nr e s e a r c hb a c k g r o u n d ，m a i n c o n t e n ta n d p r a c t i c a ls i g n i f i c a n ta b o u t t h et h e s i s a f t e r w a r d s ，a c c o r d i n gt o t r a d i t i o n a ld a t a b a s et r a n s a c t i o n t h e o r y , ia n a l y z e t r a n s a c t i o n t h e o r y a b o u tr e a l - t i m e m e m o r yd a t a b a s e ，a n d d e f i n e t h e o r e t i c a l l y t r a n s a c t i o nc o r r e l a t i o n ，d a t ac o r r e l a t i o na n dt i m ec o r r e l a t i o ni nr e a l t i m em e m o r y d a t a b a s ef r t m d b ) c o m b i n i n gt h et r a n s a c t i o nt h e o r yo fr t m d b 。i b r i n gf o r w a r d d o u b l ed i r e c t i o nn e s t i n g ”t r a n s a c t i o nm o d e li nh i rs y s t e m i nt h en e x t p l a c e 。t h et h e s i sc o m b i n i n g “d o u b l ed i r e c t i o nn e s t i n g t r a n s a c t i o n m o d e ld e s c r i b e sa l lt t l r s y s t e m sd e s i g n 。t h e nd e e p l ya n a l y z e s u n r e a l t i m e ( m a i n t e n a n c e ) t r a n s a c t i o n sd a t a 似l u i r e m e n t sa n dd e s i g nt h i n k i n gi nh l r s y s t e m a tt h eb a s eo fp r e v i o u s ed i s c u s s id e t a i l e d l ye x p l a i nk e yf u n c t i o n s d e s i g na n d u n r e a l - t i m et r a n s a c t i o ns u b m o d e l sr e a l i z a t i o n i nt h el a s to ft h et h e s i s ii n t r o d u c et h et e s t r e p o r ta b o u tt h eu n r e a l t i m e ( m a i n t e n a n c e ) t r a n s a c t i o nm o d e la n di - 1 l rs y s t e ma n dl i s tm o t o r o l a & g u a n g z h o u 华中科技大学硕士学位论文 j i n p e n gg r o u p t e s tc o n c l u s i o n o t h e r w i s e ，ie x p r e s ss o m em y s e l fo p i n i o n sa b o u t h l r s y s t e md e v e l o p m e n t f i n a l l y , is u m m a r i z e t h et h e s i si nt a gc h a p t e r k e y w o r d ：m o b i l ec o m m u n i c a t i o n ，i - i l r ，r e a l t i m em e m o r yd a t a b l e ，d o u b l e d i r e c t i o nn e s t i n g ，m a i n t e n a n c et r a n s a c t i o n m 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 本章首先介绍了现代移动通信技术发展，论述了g p r s g s m 网络结构和归 属位置寄存器h l r ( h o m e l o c a t i o nr e g i s t e r ) 在网络中的作用；然后分析实时 数据库的技术特点以及在移动通信中的应用；最后阐述了课题背景和本论文的 研究内容和意义。 1 1 现代移动通信技术 1 1 1 现代移动通信技术发展 现代移动通信技术的发展始于二十世纪二十年代，其代表是美国的警用车 载无线系统。四十年代开始建立公用移动通信系统，可实现人工交换及与公共 网连接，但容量较小。六十年代，移动通信实现了无线频道的自动选频和与公 共电话网的拨号连接，同时开拓了1 5 0 m h z 和4 5 ( m h z 工作频段，从而形成了移 动通信的无线传输、信道管理及移动交换的基本技术。七十年代出现了蜂窝移 动通信系统，它起源于美国贝尔实验室的a m p s 系统 i - 4 1 。八十年代数字移动通 信开始发展并成熟起来，欧洲首先开通了以时分多址t d m a 为基础的g s m 系统， 九十年代初在许多国家进行了商用；与此同时在北美开通了以码分多址c d m a 技术为基础的数字蜂窝系统。g s m 和c d m a 在业界通常被称为第二代移动通信系 统。 由于第二代移动通信系统相互不兼容，无法提供全球漫游功能，同时移动 通信系统无线资源的短缺，导致国际电信联盟于1 9 8 5 年提出未来公共陆地移动 通信系统( f p l m t s ) 的概念，第三代移动通信系统( 3 g ) 的原型出现。现在， 第三代移动通信系统技术体制依然未达成一致，主要包括欧洲w c d m a 、美国 c d m a 2 0 0 0 和中国的t d s c d m a 三种技术体制“1 。第三代移动通信技术的出现， 满足了人们对实时、高速、宽带化的个人通信要求，成为未来通信技术的主流。 华中科技大学硕士学位论文 1 1 2g p r s g s m 系统结构和归宿位置寄存器h l r g p r s g s m 系统结构如图1 一l 所示“1 ，主要包括移动台( m s ) 、基站子系统 ( b s s ) 、网络子系统( n s s ) 等几部分。其中b s s 由基站控制器( b s c ) 和基站 收发信台( b t s ) 组成；网络子系统主要包括移动业务交换中心( m s c ) 、归属位 置寄存器( h l r ) 、访问位置寄存器( v l r ) 、鉴权中心( a u c ) 、设备识别寄存器 ( e z r ) 、网关g p r s 支持节点( g g s n ) 、服务g p r s 支持节点( s g s n ) 等。u m 接 口为m s 和b t s 之间的无线接口，a 接口为b s c 与m s c 之间的接口，接口c 、d 、 e gg b 、g 。、g 。、g 。、g 。为网络子系统各实体问的m a p 接口。 s i m m m g i 眦e r f k e s i g 嗌l i i l g n d m a 桃f e r h h f e 图1 1 g p r s g s m 移动通信网络系统结构m ( 1 ) m s ”1 ( m o b i l es t a t i o n ) ：移动台 移动台是用户设备，可以为车载型、便携型和手持型。移动台物理设备与 移动用户可以是完全独立的，即与用户相关的全部信息都存储在用户的智能卡 ( 即s i m 卡) 中，该卡可在任何移动台上使用。移动台有自己的识别码，即国 2 华中科技大学硕士学位论叉 际移动台识别号( i m e i ) 。移动用户的识别码“国际移动用户识别码”( i m s i ) 则储存在s i m 卡中。 ( 2 ) b s s ”1 ( b a s es t a t i o ns y s t e m ：基站子系统 基站子系统由基站收发信台( b t s ) 和基站控制器( b s c ) 构成，一个b s c 可以控制多个b t s 。基站子系统在g p r s ，g s m 网络的固定部分和移动台之间提供 中继。它通过u m 接口直接与移动台( m s ) 相接，负责无线信号的发送接收和无 线资源管理；通过a 接口和g 。接口分别与移动业务交换中心( m s c ) 和服务g p r s 支持节点( s g s n 相连，传送信令和用户数据。 ( 3 ) m s c 7 1 ( m o b i l e s e r v i c e ss w i t c h i n gc e n t e r ) ：移动业务交换中心 m s c 提供交换功能及与g p r s g s m 网络的其它网络设备( 如s m 8 一g m s c 、h l r 、 v l r 、s g s n 等) 和固定网( 如p s t n 、i s d n 、p s p d n 和c s p d n 等) 的接口功能。 m s c 处理所控制区域内m s 的信令，处理移动用户的位置更新，m s 发起和m s 为 被叫的呼叫过程以及越区切换等移动业务，并实现m s 与固定网的互通。 ( 4 ) v l r ”1 ( v i s i t o rl o c a t i o nr e g i s t e r ：拜访位置寄存器 在网络中，v l r 动态地保存着进入其控制区域内的移动用户的相关数据， 如位置区信息及补充业务参数等，并为已登记的移动用户提供建立呼叫接续的 必要条件。v l r 从该移动用户归属的h l r 中获取并保存用户数据，并在m s c 处 理用户的移动业务时向m s c 提供必要的用户数据。 ( 5 ) s g s n ”1 ( s e r v i n gg p r ss u p p o r tn o d e ：服务g p r s 支持节点“1 s g s n 的工作是持续跟踪在其服务区域内的移动终端的位置，为在移动终端 提供双向的分组数据交换服务。通过g 。接口与基站b s s 相连，为移动台m s 服 务，通过逻辑链路控制协议l l c ，建立s g s n 与m s 之间的连接，提供移动性管 理和安全管理功能。s g s n 通过g n 接口与g g s n ( 网关g p r s 支持节点) 相连，通 过g p r s 隧道协议( g t p ) 建立之问的信道，实现m s 与外部数据网络( x 2 5 、i p ) 互联。s g s n 通过g 。接口、g r 接口和g 。接口建立与s s 7 号信令系统的连接。 ( 6 ) g g s n ( g a t e w a yg p r ss u p p o r tn o d e ) ：网关g p r s 支持节点“1 将g s m 网络。j 二的分组数据包转换成其他的分组协议数据包( 如i p 和x 2 5 协议) 并将它们送往相应的外部网络，反之亦然。g g s n 通过g 。接口实现g p r s 网与p d n 互联，g g s n 实际上是两个异种网的网关。 ( 7 ) n l r ”1 ( h o m el o c a t i o nr e g i s t e r ) ：归宿位置寄存器 华中科技大学硕士学位论文 归属位置寄存器h l r ，是g p r s g s m 移动通信网络中的中央数据库，它提供 所有在该h l r 登记的移动用户的全部签约业务信息和相关位置，鉴权中心a u c ( a u t h e n t i c a t i o nc e n t e r ) 通常在设备实现上与h l r 结合在一起，存储移动用 户鉴权信息和加密密钥的数据库，并提供用户鉴权功能。 ， 归属位置寄存器h l r 通过七号信令网“1 与移动交换中心m s c 、拜访位置寄 存器v l r 、网关g p r s 支持节点g g s n 和服务g p r s 支持节点s g s n 等网络功能实 体相连，实时地向它们网络提供用户位置和签约数据。 因此，高可靠性、高实时性和大数据容量成为h l r 的基本要求。信息产业 部在电信设备入网规范中要求h l r 必须达到下列性能指标”1 “”： 1 h l r 参考负荷 呼q 处理0 4 处理用户 t 时 移动性管理1 8 处理用户忙时 2 h l r a u c 消息丢失概率 p ：1 0 _ 3 h l r a u c 信息检索时延 = 1 0 0 0 m s ( 9 5 概率) 4 h l r a u c 登记时延 = 2 0 0 0 m s ( 9 5 概率) 5 h l r a u c 设置、修改信息时延 = 1 0 0 0 m s ( 9 5 概率) 由此可见，h l r 数据库必须实时、可靠处理的相应网络消息，同时由于通 信技术的发展，移动用户数量和用户数据高速膨胀，h l r 数据库也需提供大容 量数据支持，它们共同构成了h l r 高可用性的基本要素n 小u ，。 1 2 实时数据库技术 实时数据库系统r t d b s ( r e a lt i m ed a t a b a s es v 。 ，。 ：黝“泛的应 用，例如过程控制系统和电信系统。这些实时应用系统有两个突出的特点：一 是需要维护大量的共享数据和控制知识，另一方面需要其应用活动时间性强， 要求在一确定的时刻或一定的时问内从外部环境提取信息、按彼此间的联系存 4 华中科技大学硕士学位论文 取并处理已获得的信息、再及时做出响应。同时，它们所处理的数据通常就有 “短暂性”，这种数据只在一定的时间范围内有效，过时则无意义了，因此实时 数据库技术是建立在数据库技术和实时数据处理技术基础之上的。实时数据库 应用中比较有代表的例子有：空中交通管制、c 3 i 系统、电力或数据网络管理、 雷达跟踪、指挥控制、化学或核反应过程控制、程控交换机以及移动通信中的 数据库系统( h l r 、v l r ) 等等“”“。 故而，实时数据库r t d b m s 就是其业务和数据都可以有定时特性或显式定时 限制的数据库系统。系统的正确性不仅依赖于逻辑结果，而且还依赖于逻辑结 果产生的时间“”“。与传统数据库特点不同，实时数据库是传统数据库技术和 实时系统的结合，它集成两者的概念和要求处理定时性和一致性。在传统数据 库系统设计与开发中，主要强调维护数据的正确性、一致性和安全性等。这种 数据要求对传统的商务和事务型应用是有效的，但它不适合实时应用，关键在 于它不考虑与数据及其处理相联系的定时限制。与之不同，实时数据库所支持 的应用具有很强的时间性要求，其处理活动与数据都是定时性的。实时数据库 在概念、原理、结构、算法等方面与传统数据库存在很大的差异，最根本的区 别在于数据与事务的定时限制。需特别指明的是，“实时”并非简单地意味着快。 快固然重要，但对实时数据库而言，实时指的是能施加和处理“显式”的定时 限制，即使用“识时协议”( t i m e c o g n i z a n tp r o t o c 0 1 ) 来处理有关的截止时 间或定期限制“。如图1 2 所示为实时数据库系统通用体系结构。 l j jj b )、_ ， 图1 2 典型实时数据库系统体系结构 此外，实时数据库系统在实际应用当中，需要较为准确地估计事务处理时 华中科技大学硕士学位论文 间，但一般的常驻磁盘数据库系统在i ，。速度、缓冲区管理和页面错误等方面 可能导致事务处理估算时间存在很大误差“”，用内存数据库作为实时事务的底 层支持是最为理想的。本论文的项目中采用实时内存数据库和商用数据库结合 原则，实现大容量h l r 系统。 1 3 课题背景、研究内容和意义 1 3 1 课题背景 目前，正是第二代g s m 移动通信系统向第三代移动通信系统过渡时期，g s m 平滑过渡到的3 g 的g p r s 技术为各个电信制造商提供了商机。基于这种巨大的 市场前景，在2 0 0 0 年3 月，广州金鹏集团有限公司与摩托罗拉( 中国) 有限公司 签署开发一百万至三百万用户容量g p r s h l r 系统，并与摩托罗拉公司的s g s n 产品捆绑销售的协议。广州金鹏武汉华中通信研究所承担具体开发任务，摩托 罗拉公司执行最终产品测试。协议规定，在2 0 0 0 年8 月中旬摩托罗拉( 中国) 亚太研发中心负责进行第一阶段测试，系统提供符合g s m0 9 0 2 版本6 4 的g r 接口，容量达孤十万至三十万用户容量；2 ( t 0 0 年1 2 月中旬，执行最终测试， 届时g p r s h l r 系统达到设计目标的用户容量。2 0 0 1 年3 月至2 0 0 1 年1 2 月， 主要进行g p r s h l r 系统软件版本升级以及配合摩托罗拉、广州金鹏集团执行后 续测试工作。此合作项目的签署，标志着我国民族通信产业在3 g 过渡产品开发 上有了长足的进步。 1 3 2 本文研究内容和意义 本论文研究内容及其实践部分是合作项目中的重要组成部分，主要研究大 容量g p r s h l r 系统中实时内存数据库事务处理，并实现事务处理中对非实时要 求的维护性事务功能。在本论文中，结合实时内存数据库基本概念，提出了移 动通信网h l r 系统数据库的实时维护性事务处理的模型；配合g p r s h l r 项目 的进度安排，在维护性事务处理的实现上进行了代码实现。此外，参与了 6 华中科技大学硕士学位论文 g p r s h l r 产品的系统测试和系统验收，在g p r s h l r 系统的产品化工作方面作 出大量工作。 目前，移动通信网络设备处于大规模的升级换代阶段，国内外各大电信设 备供应商正在大力开展下一代移动通信系统的研究与实现，其网络中央数据库 h l r 或h s s ( h o m e s u b s c r i b e rs e r v e r ) 也将有较大改进，将对中央数据库提出 更高的实时性、可靠性和数据量要求。通过本文提出的移动通信中央数据库事 务处理模型，为今后在实现第三代移动通信系统的中央数据库实时处理事务处 理处理效率给以启发，具有一定的参考价值。 1 4 本章小结 本章概述了现代移动通信技术和实时数据库技术的发展，介绍了h l r 课题 的背景、研究实现的内容以及此论文的意义。 华中科技大学硕士学位论文 h l r 系统的数据库事务分析 本章首先介绍传统数据库的事务处理概念，然后重点阐述实时内存数据库 的事务处理理论，在此基础上提出移动通信网中归宿位置寄存器h l r 数据库的 事务处理模型。 2 1 传统数据库事务处理 2 1 1 传统数据库事务的概念 从数据库的用户观点来看，数据库上的一些操作的集合通常被认为是一个 独立的单元。例如，银行顾客认为从支票到储蓄帐户的资金转账是一次单独操 作，而数据库系统中是由几个操作组成的，显然这些操作要么全部都发生，要 么由于出错而全不发生，可以看出，事务是构成单一逻辑工作单元的操作集合， 数据库系统必须保证事务的正确执行，或者执行整个事务或属于该事务的操作 一个也不执行“”。此外，传统数据库系统必须以一种能避免不一致性的引入方 式来管理事务的并发执行。 因此，事务就是访问并可能更新各种数据项的一个程序执行单元，是无任 何内部构造的、彼此孤立的、最小原子的工作单位，具有a c i d ( a t o m i c i t y 、 c o n s i s t e n c y 、i s o l a t i o n 、d u r a b i l i t y ) 。事务通常由高级数据操纵语言或编程 语言( 如：s q l 、c 、c o b o l 等) 书写的用户程序的执行所引起“。事务由事务 开始和事务结束之问执行的全体操作组成。 传统数据库系统强调的是绝对正确性，基本不涉及数据和事务的时间性， 通常具有以下特点“”： ( 1 ) 强调一致性、可恢复性和永久性，事务无内部构造，彼此间无合作( 交 互作用、任务通信等) ； ( 2 ) 数据的绝对一致正确性为数据库系统最高、唯一的正确性要求； ( 3 ) 进行不可预测的数据存取，其执行时间不可预测； 8 华中科技大学硕士学位论文 ( 4 ) 无“时间维”的约束。 但g p r s g s m 网络中归属位置寄存器h l r 的数据库，除了传统数据库事务特 点之外，还具有更高的实时性要求，我们将在后续内容中论述h l r 所采用的实 时内存数据库的事务特点。 2 1 2 传统数据库的事务状态 通常，我们期望数据库的所有事务都能成功完成，不出现任何故障情况。 但是，事务并非总是能够顺利执行完成，这种事务成为中止事务。如果要确保 原子性，中止事务必须对数据库的状态不造成影响。这样，中止事务对数据库 所做的任何改变必须撤销。一旦中止事务造成的变更被撤销，称为事务的回滚 1 4 - 1 7 。数据库的恢复机制负责管理事务中止。 成功完成执行的事务称为已提交事务。对传统数据库进行更新的已提交事 务使数据库进入一个新的一致状态，即使出现系统故障，这个状态也必须保持。 一旦事务提交，不能通过中止它来撤销其造成的影响。撤销已提交事务所造成 影响的唯一方法是执行一个补偿事务，但有时这种补偿事务是无法创建的。通 常，补偿事务的处理由数据库用户进行实现，数据库系统不作处理。图2 1 为传统数据库的事务状态转移图。 图2 一l 事务状态转移图 如上图简单的抽象事务模型，事务必须处于以下状态之一 ( 1 ) 活动状态一是初始状态，事务执行时处于这个状态； 9 华中科技大学硕士学位论文 ( 2 ) 部分提交状态一处于最后一条语句被执行后； ( 3 ) 失败状态一发现正常的执行不能继续后的状态； ( 4 ) 中止状态一事务回滚并且数据库已被恢复到事务开始执行前的转台后； ( 5 ) 提交状态事务成功完成后。 只有在事务已进入提交状态后，才能断定事务已经提交；同样，只有当事务已 进入中止状态，才能判定事务已中止。提交的或中止的事务称为已经结束的事 务。 事务从活动状态开始，当事务完成它的最后一条语句后就进入了部分提交 状态。此时，事务虽然已经执行完毕，但由于实际输出可能临时驻留在主存当 中，而事务成功完成前还可能出现硬件故障，因此事务仍有可能不得不中止n ”。 此时，数据库系统将往磁盘上写入足够信息，确保即使出现故障事务所做的更 新也能在系统重启后重新创建。 系统判定事务不能继续正常执行后( 假设由于硬件或逻辑错误) ，事务进入 失败状态，这种事务必须进行回滚。事务进入了中止状态，此刻事务有两种选 择： ( 1 ) 重启事务仅当引起事务中止的软硬件错误不是由内部逻辑所产生时 操作，重启的事务将被看成一个新的事务。 ( 2 ) 杀死事务一系统这样做通常是由于事务的内部逻辑造成的错误，这只有 重写应用程序才能修改；或者由于输入错误；或者所需数据在数据库中 未找到。 因此传统数据库事务状态模型，强调的是数据完整性、一致性等，忽略了 数据库事务处理的时间因素“”。实时数据库的事务处理模型在传统数据库事务 模型基础上，充分考虑了时间因素，下面我们将详细阐述在移动通信系统中应 用广泛的实时内存实据库事务模型。 l o 华中科技大学硕士学位论文 2 2 实时内存数据库事务处理理论 2 2 1 实时内存数据库应用分析 实时数据库的特征及其事务处理与实时应用语义紧密相关“”，因此可以从 应用分析以明确其性质与要求，从而确定实时内存数据库的模型结构、特征以 及处理要求。 ( 1 ) 结构“实时任务往往具有结构上的相互联系，无结构的、原子的和隔 离的传统事务模型不完全适用，而需要嵌套或层次结构事务，通常还要求分裂 和合并、通信与数据交换或长事务等等，因此实时内存数据库的事务必须研究 复杂事务模型。 ( 2 ) 调度“订n 1 1 实时事务具有各种要求与限制，如计算时间限制、资源要 求、通信要求、执行次序限制、执行时间限制、定位限制等，因此有必要估算 出事务何时被执行、有何时间要求和限制，便于全面地合理调度系统事务。 ( 3 ) 分布率实时事务多以存在周期形式存在、但也有非周期、随机或长期 形式。为了更加合理的调度事务，必须先知道各种事务的类型及事务到达的分 布率。尤其是对周期和随机事务，需要做特殊考虑。 ( 4 ) 定时特性定义和处理实时事务的基本因素主要为：事务的松软度、截 止期的粒度和软硬性、优先顺序限制、终点的定时限制、价值函数形状等。 ( 5 ) 协调性实时事务通常总是与其它事务协调进行，除了上述的结构联系 以外，还存在许多联系，如共享数据联系、事务间的通信、事务问的时间要求 等。 ( 6 ) 非逆性实际应用的实时事务多数是不可逆的，因此传统数据库的事务 恢复手段将不适用与此，必须寻找新的方法和技术。 ( 7 ) 数据备份与传统数据库设计思想一致，电信系统中的实时内存数据库 需要考虑内存数据的备份等，以确保系统在不可抗拒的因素下瘫痪时得以及时 恢复。 综上所述，实时内存数据库的事务应用特性决定了事务模型的复杂性，下 面提出了实时内存数据库的嵌套事务模型及其特征。 1 l 华中科技大学硕士学位论文 2 2 2 实时内存数库嵌套事务模型及其特征 2 2 2 1 实时内存数据库的嵌套事务模型 实时数据库事务模型建立在实时任务需求和传统数据库事务模型之上的， 但它们在概念、机制和技术上的并非是二者的简单集合。实时内存实据库事务 处理模型有着自身的特点。 实时内存数据库的事务抽象成嵌套事务模型“，可建模为一个三元组： ( d ，t ，c ) 。其中d 为实时数据对象有限集；t = ( t l ，t 2 ，t n ) 为实时事务 的有限集；c = c 1 ，c 2 ，c 。 ，为预定义的关于d 和t 限制的有限集，c ，可以 是一些子限制的析取式，而一个d 或t 中元素的限制往往是某些c ，的合取式。 语义地，实时内存数据库的限制可以分为两类：v c i ，c i c c u r c ，c c 为关于数据库的一致性限制，包括内部一致性、外部一致性和相互一致性。t c 为与实时事务相关联的限制，包括“”：数据一致性限制所转嫁而来的限制， 尤其是时间一致性限制；定时限制，如截止时间、执行的先后次序、到达 开始时间等限制；触发限制，实时内存数据库环境中的事务通常被限定在特 定情形出现时触发执行。 嵌套事务模型可以包含若干个子事务的事务。嵌套事务的子事务还可以包 含子事务，故整个事务可以形成一个层次树结构，通常称为“事务家族”。其中 包含有子事务的事务称为“父事务”，包含的子事务称为“子事务”。嵌套事务 处理存在下列基本规则：激励、提交、夭折和存取，具体内容可见参考文献1 4 。 定义2 1 “一个实时事务( t r a n s a c t i o n ) 是一个四元组 t r a n s a c t i o n ：= ( s ，r ， 。c ) 其中 ( 1 ) s 为构成该事务的一组步骤( 称为事务步) ，每一事务步又可以是一个 子事务或基本操作，即 s ：。 ( ) s t e p ：= f 1 2 华中科技大学硕士学位论文 o p ：= i s u b t r a n ：5 o b o p 和t m o p 分别是数据库对象操作( 如读、写) 和事务管理操作( 如 事务的开始、提交、( 子) 事务的激励等) 。 ( 2 ) r 为执行该事务所需系统资源，包括被动的数据资源集d r 和主动的处 理资源( c p u 、缓冲区、磁盘和主存等) 集p r ，即 r ：= ( ， ) ( 3 ) e a ，e a c o m m i t x a b o r t x b m e e t s a ：b e g i n a = e a b o v e r l a p s a ：( b e g i n s b e g i n ) ( b e g i n s 以1 e s c o m m i t s ，a 矗o r n ) b e q u a l s a ：( b e g i n n = b e g i n a ) 白= e a ) b s t a r t s a ：b e g i n b = b e g i n a b f i n i s h e s a ：e b = e a b d u r i n g a ：( b e g i n b = b e g i n a ) 白 e a ) 图2 2 为上述时序关系图。 t i f i r e _ 1 一1 _ 1 _ _ 一 图2 2 时序相对关系 ( 5 ) 执行依赖性“ 执行依赖性是实时事务的另一重要特征，是由其结构复杂性和语义相关性 而引起。事务，尤其是嵌套的父子事务，在执行时存在着彼此之间的各种依赖 型。设f ，t 2 ，t 3 为事务，则有： 开始依赖：若t l 开始，则t 2 必须先开始，记为t l d b t 2 ； 提交事务：若t l 提交，则t 2 必须先结束，记为t i c d t z ； 夭折依赖：若t 2 夭折，则t l 也必须夭折，记为t l a d t ：； 以上是三个最基本的事务依赖，一为其它几个常用依赖关系。 排他夭折依赖：若n a d t 2 且对于任何t 2 t 2 ，、( t t a d t z 】，记为t l a d 。t z ， 它是a d 的一种加强形式； 传递夭折依赖：若t l a d t 2 且n a d t 3 ，则有t l 传递地夭折依赖于t 3 ，记为 t l a d t 3 传递提交依赖：若n c 研z 且f 2 c 现，则f l 传递地提交依赖于t ，记为 t l c d * t 3 。 通过实时事务的相关性论述，可见实时事务具有相当的复杂性，在移动通 信中央数据库h l r 事务实现时，在考虑数据一致性基础上，必须充分考虑由于 用户的移动性而带来位置问题所引起的时间限制。 一一 1 6 i i i e 华中科技大学硕士学位论文 2 2 2 3 实时内存数据库的事务定时限制 定时性是实时数据库的基本特征，与事务相关的定时性表现在两个方面； ( 1 ) 事务定时限制：由需要不断跟踪外部环境所施加于系统的反映时间要求 而引起。 ( 2 ) 数据的时间一致性：由于要保持由数据库的内容所反映的状态与外部环 境的实际状态一致而引