移動通信網(wǎng)中的數(shù)據(jù)庫（蘇波,、王芙蓉）

摘要

移動通信網(wǎng)有多種數(shù)據(jù)庫,，由于要對移動用戶進(jìn)行管理，它們與通常的數(shù)據(jù)庫不同,。文章分析了移動通信網(wǎng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的技術(shù)特征,。

關(guān)鍵詞 數(shù)據(jù)庫 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng) 移動性管理

1數(shù)據(jù)庫技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

數(shù)據(jù)庫技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了三個階段。

第一階段,，1969年IBM公司研制了基于層次模型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（IMS）,，并作為商品化軟件投入市場,，該系統(tǒng)至今還有其特定用戶，技術(shù)還在繼續(xù)發(fā)展,。

第二階段從60年代到70年代初,，美國數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)語言協(xié)會（CODAS YL）下屬的數(shù)據(jù)庫任務(wù)組（DBTG）對數(shù)據(jù)庫的方案和技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，提出了DBTG 報告,。該報告提出了數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的許多基本概念,、方法和技術(shù)，成為網(wǎng)狀數(shù)據(jù)模型的典型代表,，奠定了數(shù)據(jù)庫發(fā)展的基礎(chǔ),。DBTG的存取效率較高，系統(tǒng)研制較容易,，但數(shù)據(jù)獨(dú)立性差，用戶使用不方便,。目前一些實(shí)時性要求較高的專用系統(tǒng)仍采用網(wǎng)狀模型,。

第三階段，1970年IBM公司的E.F.Codd發(fā)表了基于關(guān)系模型數(shù)據(jù)庫技術(shù)的論文“大型共享數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的關(guān)系模型”,，獲得1981年ACM圖靈獎,。 隨著數(shù)據(jù)庫技術(shù)和計算機(jī)軟硬件水平的提高，近年來又出現(xiàn)了許多新的數(shù)據(jù)庫技術(shù),，如實(shí)時數(shù)據(jù)庫,、主動數(shù)據(jù)庫、內(nèi)存數(shù)據(jù)庫,、分布數(shù)據(jù)庫,、面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫、多介質(zhì)數(shù)據(jù)庫及專家數(shù)據(jù)庫等,。 分布式數(shù)據(jù)庫是數(shù)據(jù)的集合,，它在邏輯上屬于同一個整體，但存放在不同節(jié)點(diǎn),。在分布式數(shù)據(jù)庫中,，每個節(jié)點(diǎn)都有自己的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（DBMS），具有高度的自治性,，其位置對于用戶而言是透明的,，與集中式數(shù)據(jù)庫相比，可靠性和靈活性更高,?？紤]到系統(tǒng)的性能和效率，分布式數(shù)據(jù)庫往往把數(shù)據(jù)集的不同副本存放在不同節(jié)點(diǎn),，以減少網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)拈_銷,，但同時又增加了副本數(shù)據(jù)庫更新操作所需的開銷,。因此對副本數(shù)據(jù)庫存放策略進(jìn)行研究，是分布式數(shù)據(jù)庫設(shè)計的重要任務(wù),。

 傳統(tǒng)的DBMS無法滿足存取大量共享數(shù)據(jù)和控制信息的應(yīng)用要求（如過程控制和網(wǎng)絡(luò)管理等）,，這類應(yīng)用的共同要求是 DBMS能監(jiān)視系統(tǒng)狀態(tài)，無須用戶干預(yù)就能調(diào)度相關(guān)任務(wù),，并使其滿足定時和一致性等要求,。因此人們提出了主動數(shù)據(jù)庫的概念。主動DBMS擴(kuò)展了以下功能：（1）用戶可顯式地定義想要監(jiān)視的情形（事件和條件）,；（2）系統(tǒng)能自動檢測和評價出現(xiàn)的狀態(tài),；（3）一旦定義的狀態(tài)出現(xiàn)，即進(jìn)行相應(yīng)的工作,。這些功能除了支持外部應(yīng)用,，還可實(shí)現(xiàn)或擴(kuò)展DBMS本身的功能，如完整性及安全性控制等,。

實(shí)時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)（RTDBS）是業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)都有定時特性或顯式時間限制的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng),。系統(tǒng)的正確性不僅依賴邏輯結(jié)果，還依賴邏輯結(jié)果產(chǎn)生的時間,。RTDBS是數(shù)據(jù)庫和實(shí)時系統(tǒng)的結(jié)合,，它集成兩者的概念和要求，同時處理定時性和一致性,。對RTDBS 而言,，實(shí)時指的是能設(shè)置和處理“顯式”的定時限制，即通過“識時協(xié)議”處理有關(guān)的截止時間或定時限制,。 隨著計算機(jī)硬件技術(shù)的不斷發(fā)展,，動態(tài)隨機(jī)存取存儲器（DRAM）的容量越來越大，這無疑為計算機(jī)內(nèi)存的不斷擴(kuò)大提供了硬件基礎(chǔ),，但在并行數(shù)據(jù)庫,，后端機(jī)I／O瓶頸越來越突出，因此出現(xiàn)了內(nèi)存數(shù)據(jù)庫（MMDB）,，它將整個數(shù)據(jù)庫或大部分熱點(diǎn)數(shù)據(jù)存放在主存中,，消除了I／O瓶頸。在傳統(tǒng)的面向磁盤數(shù)據(jù)庫DRDB中,，數(shù)據(jù)庫主備份位于磁盤,，在MMDB中則位于主存。對不同的存儲介質(zhì),，DBMS采取的策略也各不相同,。數(shù)據(jù)駐留內(nèi)存，可以大部分或全部在內(nèi)存中存取數(shù)據(jù)，縮短系統(tǒng)的響應(yīng)時間,，對于實(shí)時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)有重要意義,。

2移動通信網(wǎng)的數(shù)據(jù)庫

 移動通信網(wǎng)有多種數(shù)據(jù)庫，這些數(shù)據(jù)庫除了具有通常數(shù)據(jù)庫的功能外（如數(shù)據(jù)的獨(dú)立性,、安全性,、完整性、共享,、并發(fā)控制,、故障恢復(fù)等），還要滿足嚴(yán)格的實(shí)時性要求,。

目前移動通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫包括：歸屬位置寄存器（HLR）,、拜訪位置寄存器（VLR）、設(shè)備識別寄存器（EIR）和鑒權(quán)中心（AUC）,。

在現(xiàn)有蜂窩通信系統(tǒng)中,，支持終端和用戶移動性的主要是HLR和VLR。 HLR是移動通信系統(tǒng)的中央數(shù)據(jù)庫,，存放簽約用戶的所有數(shù)據(jù)信息,，包括鑒權(quán)數(shù)據(jù)、位置數(shù)據(jù),、基本業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和補(bǔ)充業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)等。VLR存放的大部分用戶數(shù)據(jù)來源于 HLR,，它作為HLR數(shù)據(jù)庫的副本,，與HLR中的數(shù)據(jù)保持一致。這種分布式數(shù)據(jù)存放降低了網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷,，減少了訪問時延,，是移動通信網(wǎng)的顯著特征。

不論是HLR還是VLR,，它們的主要功能都是實(shí)現(xiàn)移動應(yīng)用部分的協(xié)議,，其數(shù)據(jù)庫與上層應(yīng)用緊密結(jié)合。尤其是VLR,，由于容量較小,，可以采用嵌入式解決方案，并將數(shù)據(jù)庫與協(xié)議功能捆綁在一起,?？傊@些數(shù)據(jù)庫都要進(jìn)行大量實(shí)時性要求高的事務(wù)處理,。它們應(yīng)滿足以下性能要求：（1）至少98％的查詢響應(yīng)時間必須小于150ms,；（2）更新的響應(yīng)時間不得超過秒級； （3）高可靠性：每周7天和每天24小時可用，每年故障時間控制在3分鐘,。 數(shù)據(jù)庫處理的事務(wù)包括外來消息（如位置更新等）激勵所引發(fā)的事務(wù)和內(nèi)部觸發(fā)器（如定時器等）所引發(fā)的事務(wù),。在數(shù)據(jù)庫中，通過設(shè)置觸發(fā)器,，可為實(shí)時應(yīng)用提供有力支持,。在實(shí)時數(shù)據(jù)庫應(yīng)用中，環(huán)境動態(tài)變化,，需要不斷監(jiān)視和采用事件驅(qū)動控制,。主動數(shù)據(jù)庫除存儲數(shù)據(jù)外，還存儲控制信息,，這些數(shù)據(jù)庫融合了實(shí)時數(shù)據(jù)庫和主動數(shù)據(jù)庫特征,。

2.1數(shù)據(jù)庫在網(wǎng)絡(luò)中的位置

 CISM、Is－41和CDMA的移動性管理都基于雙層結(jié)構(gòu),，上層為HLR,，下層為VLR，每個VLR管轄多個位置區(qū),。HLR記錄用戶當(dāng)前所在的VLR地址,， VLR記錄用戶所在的位置區(qū)地址。當(dāng)移動臺移動到新的位置區(qū)域時,，立即向該位置區(qū)所屬VLR申請位置更新,。該VLR可能與前一個VLR相同，也可能是一個新的VLR,。在后一種情形下,， VLR向 HLR 發(fā)出登記申請，由HLR通知前一個VLR進(jìn)行位置刪除,。呼叫建立時,，首先引發(fā)查找過程，移動交換中心（MSC）向被叫的HLR發(fā)查詢請求,，HLR找出移動臺當(dāng)前所在VLR,，并向它發(fā)查詢請求，VLR將被叫在該VLR管轄范圍內(nèi)更詳細(xì)的位置信息告訴HLR,，HLR再將所得位置信息告訴MSC,。

 上述移動性管理策略的數(shù)據(jù)庫網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在保證一定的數(shù)據(jù)分布性的基礎(chǔ)上，減少了網(wǎng)絡(luò)鏈路負(fù)荷,，而且相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫更新,、故障恢復(fù)。并發(fā)性控制及一致性維護(hù)的技術(shù)已很成熟,，未來移動通信技術(shù)的發(fā)展將會與目前的結(jié)構(gòu)相兼容,。 在通常的移動性管理策略中,，用戶數(shù)據(jù)的副本盡可能放在靠近用戶的位置，但這遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了未來移動通信系統(tǒng)的要求,。今后的數(shù)據(jù)庫將朝著增加數(shù)據(jù)的副本數(shù),，提高分布性，保證數(shù)據(jù)副本的一致性等方向發(fā)展,，在提高系統(tǒng)容量的同時,，保證安全性和實(shí)時性。

2.2數(shù)據(jù)管理方法

 數(shù)據(jù)管理方法是影響網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷和系統(tǒng)性能的重要因素,，它包括如何組織數(shù)據(jù)和將數(shù)據(jù)分區(qū),，數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，數(shù)據(jù)的訪問,。更新和并發(fā)控制及數(shù)據(jù)的一致性維護(hù),。在移動通信網(wǎng)中，由于用戶移動引發(fā)的數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)更新頻率不僅與用戶的移動特征有關(guān),，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及移動性管理方法對此也有很大影響,。用戶移動性管理帶來的數(shù)據(jù)庫更新處理負(fù)荷，取決于跟蹤用戶位置的算法,、位置區(qū)大小,、業(yè)務(wù)區(qū)大小及無線網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)。隨著用戶數(shù)量日益增加,，必須研究出新方法,，在保證對移動用戶呼叫有效進(jìn)行的同時，盡可能降低位置更新的頻率,。目前,，移動性管理的研究已取得一定成果（如基于記錄和基于前向指針的管理策略等），它們對減少對數(shù)據(jù)庫的訪問次數(shù),。降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷和提高整個系統(tǒng)的性能有重要意義。

2.3數(shù)據(jù)庫的實(shí)時性

 移動交換機(jī)是一個實(shí)時系統(tǒng),，要求系統(tǒng)能及時收集各個用戶的當(dāng)前狀態(tài)數(shù)據(jù),，對這些數(shù)據(jù)加以分析處理，并及時作出相應(yīng)反應(yīng),。這些操作必須在限定的時間內(nèi)完成,，否則將丟失有關(guān)信息而導(dǎo)致操作失敗。例如當(dāng)固定用戶撥打移動用戶的手機(jī)號碼時,，要經(jīng)歷查詢路由信息,、索取漫游號、呼叫建立等過程,，經(jīng)過較多的環(huán)節(jié),，有較大的時延，當(dāng)時延過大時，有可能因?yàn)楹艚羞^程超時被系統(tǒng)釋放,，或被用戶放棄,，導(dǎo)致呼損。減少時延有幾種方法,，除選擇高速率傳輸線傳輸信令外,，更重要的是減少每次查詢數(shù)據(jù)庫的時間。數(shù)據(jù)庫的查詢效率依賴于良好的設(shè)計,，大型數(shù)據(jù)庫的實(shí)時性能在很大程度上依賴于合理組織數(shù)據(jù),、查詢方法等。

 2.4數(shù)據(jù)庫的可靠性

作為移動交換系統(tǒng)的中央數(shù)據(jù)庫,， HLR一般采用高可靠性的雙機(jī)HA系統(tǒng),，具有自啟動、數(shù)據(jù)備份和數(shù)據(jù)恢復(fù)等功能,。底層平臺選用 RISC／UNIX結(jié)構(gòu),，數(shù)據(jù)庫平臺可采用大型關(guān)系型數(shù)據(jù)庫（如Oracle等），也可自行開發(fā)基于網(wǎng)狀的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng),，數(shù)據(jù)的存儲可采用廉價冗余磁盤陣列（RAID）,，并采取妥善的數(shù)據(jù)備份機(jī)制。 VLR中存放的數(shù)據(jù)都可以從外界獲得,，如用戶簽約數(shù)據(jù)可以從HLR處獲得,，用戶位置信息可由手機(jī)作位置更新獲得，因此它對可靠性的要求不像HLR那樣高,，而且數(shù)據(jù)庫容量較小,，完全可以放在內(nèi)存中。當(dāng)交換機(jī)發(fā)生主備切換時,，為了保證正在進(jìn)行的通話不中斷,，備份VLR必須及時備份用戶數(shù)據(jù)和相關(guān)的事務(wù)處理過程，因此對主備交換機(jī)數(shù)據(jù)間的備份提出較高的要求,。

 2.5數(shù)據(jù)庫的過載控制 用戶的移動性加重了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫的訪問負(fù)荷,，使這些數(shù)據(jù)庫不僅要處理大量的查詢請求，還增加了頻繁的更新處理,。因此,，在移動通信中，必須引入新的監(jiān)督機(jī)制,，制定新的優(yōu)先級,，增加數(shù)據(jù)庫的副本數(shù)量，并在此基礎(chǔ)上實(shí)行對數(shù)據(jù)庫訪問負(fù)荷的動態(tài)平衡,，以有效地緩解過載問題,。

 摘自《電信快報》