移動數據庫事務處理模型的研究

羅軍，李文生，王宏

重慶大學計算機學院，重慶 400044

移動數據庫事務處理模型的研究

羅軍，李文生，王宏

重慶大學計算機學院，重慶 400044

1 引言

隨著計算機網絡和通信技術的飛速發展，移動計算作為一種嶄新的計算模式應運而生。由于移動計算環境的特殊性，使得傳統數據庫中的各種事務處理模型不能有效地支持這種特殊的環境[1-2]。因此移動事務處理模型成為移動數據庫系統的研究熱點。

L.H.Yeo等人提出的MDSTPM事務處理模型[3]需要移動主機一次性地將事務的所有操作發送給移動事務協調器，不能提供對交互式移動事務的支持。Jin Jing等人提出的O2PL-MT模型[4]提供了一種更為靈活的移動事務發送方式，但其主要缺點是移動主機在操作序列返回結果之前不能離開當前網絡，并且由于采用兩階段封鎖，數據可能長時間被封鎖，降低了服務器事務處理的并發性[5]。我國學者丁治明等人提出的O2PC-MT模型[6]解決了強一致性事務的需求，它對于數據更新率適中或者偏低，長事務特性突出的移動計算環境，能提供較好的性能[7]，但其不足之處是沒有考慮到移動客戶端（MC）帶有可進行部分事務處理的緩存特性，而將全部事務轉交給移動支持站點（MSS）來處理，降低了系統使用效率，導致網絡處于斷接情況時事務無法進行。并且由于采用傳統的2PC協議，當遇到暫時的通信失效會導致事務不必要的中止以及當移動事務協調器節點發生故障時會導致阻斷，大大降低了系統的性能。

鑒于以上分析，本文提出了一種改進的樂觀兩階段提交移動事務處理模型（extended Optimistic two Phase Commit Mobile Transaction，EO2PC-MT）。它吸收了O2PC-MT模型的設計思想，采用樂觀并發控制和兩階段提交相結合的方法，針對移動計算環境的特殊性完善了兩階段提交算法：在通信繁忙或網絡不穩定時，通過在事務第一次等待超時發出中止決策之前再給決策者一次等待節點回應的機會以避免一些由于通信暫時失效造成不必要的事務中止；為移動事務處理協調器節點增加一個備份節點以防止協調器節點出錯造成事務無法完成。同時它考慮到網絡的不穩定性和頻繁斷接性，區分強一致性事務和弱一致性事務的處理方式，將弱一致性事務放在移動主機上處理。

2 EO2PC-MT系統結構

如圖1所示，在EO2PC-MT模型中，引入了移動事務協調者（MTC）、移動事務參與者（MTP）、移動主機事務處理器（MHTP）、本地事務管理器（LTM）等概念[8-10]。其中MHTP在移動主機上，實現移動事務的分裂，將移動事務分裂成移動主機上執行的部分和固定網絡上執行的部分。MTC和MTP在MSS中，對任一移動主機提交的移動事務來說，其所在的無線區域對應的基站點為該事務的協調者節點，所有參與該移動事務執行的其他基站點為參與者節點[11]。

圖1 EO2PC-MT移動事務處理模型

MC上的移動事務處理器接收應用程序的命令，獲得計算需要的數據項列表，如果網絡連接情況良好，則將數據請求發送給MSS，如果出現網絡斷接，則將數據請求發送給本地EMDB，從而獲取計算處理所需的數據項。修改數據項的暫時結果都將保存在本地EMDB中。在計算結束時，MC的事務處理器將應用程序對數據的讀寫操作組織成事務，形成隊列，發送到MTC上進行校驗，返回校驗結果給本地的事務處理器。

3 EO2PC-MT移動事務處理模型

在實際需求中，需要考慮網絡的不穩定性和頻繁斷接性以及移動終端本身的處理能力，可以將部分事務放在移動主機上本地處理。所以針對實際需求我們將事務處理分為強一致性和弱一致性兩種模式，強一致性模式是基于整個移動數據庫分布式體系的網絡保持暢通的情況，移動客戶機不保存數據副本，直接訪問固定網絡上的數據庫服務器，提供對交互式事務的支持。弱一致性模式是基于移動客戶端的自治性，即移動客戶端緩存相關數據，事務的計算全部在本地完成，它提供了對斷接性、自治性的支持。

將根據不同的模式對移動事務做不同的處理。如果是強一致性事務，可采用O2PC-MT模型介紹的方法進行處理。下面將主要討論弱一致性事務的處理方式。

3.1 MHTP對弱一致性事務的處理

MC發出移動事務處理請求后，MTP首先檢查MC與MSS的網絡連接狀況，根據以下三種情況分別處理：

（1）若MC與MSS處于連接狀態，且本地EMDBS能滿足移動事務要求，則移動事務將在本地執行。

（2）若MC與MSS處于連接狀態，但本地EMDBS不能滿足該移動事務要求，則從MSS上讀取最新數據，更新本地EMDB，并將數據庫中該數據的最后修改時間戳作為移動事務讀取該數據的時間戳，然后在本地執行移動事務。

（3）若MC與MSS處于斷接狀態，則只能由本地EMDBS進行本地處理。如果缺少所需的數據，移動事務進入事務等待隊列，并置定時器。重新連接MSS后，讀取所需數據，在接收到所需數據后，在本地執行該事務。如果等待超時，就需要撤銷該移動事務。

事務只有在本地執行成功后，才能進入事務輸出隊列，并最終提交到MTC和MTP上進行全局校驗和提交。

3.2 MTC對移動事務的兩階段提交

在MTC對移動事務的兩階段提交之前，MTP要先對移動事務進行樂觀執行，但是它不是本文研究的重點，其處理方式可參考O2PC-MT模型介紹的方法。

EO2PC-MT兩階段提交算法的第一階段為驗證階段，在網絡不穩定或通信繁忙時，O2PC-MT模型采用的提交協議如果遇到暫時的通信失效會導致事務不必要的中止。因此針對這種情況通過在事務第一次等待超時發出中止決策之前再給決策者一次等待節點回應的機會，以避免由于暫時失效或通信延遲導致的執行事務不成功問題。

首先向所有的MTP發送一輪Prepare消息，置定時器，等待參與節點的回應消息。如果在第一個定時時間內仍未收到全部節點的回應消息，則再次向未收到回應消息的節點發送消息，并置第二個定時器，如果再次超時后沒有收到全部節點的回應消息，則忽略未回應消息的節點，進入第二階段。

EO2PC-MT兩階段提交算法的第二階段為全局提交階段，傳統兩階段提交的工作流程如圖2（左子圖為協調者，右子圖為參與者）所示[12]。

圖2 兩階段提交工作流程圖

狀態：I為初始化，W為等待，A為阻塞，C為提交。消息：PM是準備，RM為就緒，CM為提交，AA為阻塞應答，AC為阻塞命令。事件：UA單方面阻塞，TM是超時。

顯然，從協議的工作過程可以得知，兩階段提交協議是阻塞式的，各MTP在向MTC發送“就緒”消息之前都是可以自行“阻塞”的，即對本節點上的事務處理具有一定的自決定權，但它一旦發出“就緒”消息，這種自決定權就放棄了，只能等待MTC的消息來執行之后的動作，如果等待不來MTC的消息，則將一直占用本節點的資源。因此影響兩階段提交協議的主要原因在于MTP放棄自決定權后引起的阻塞問題。

O2PC-MT模型采用的提交協議正是傳統的兩階段提交協議，因此當移動事務協調器的節點發生故障時會導致阻斷，為了防止移動事務協調器故障造成事務無法完成，將為移動事務協調者提供額外一個節點作為它的備份協調者，備份協調者在移動事務協調者出現故障的情況下執行協調者的職能，完成事務處理。具體算法如下：所有MTP將事務處理結果發送給備份協調者，備份協調者再將消息發送給MTC。雖然看起來消息的通信量比沒有備份協調者多了一倍，但是當MTC收到MTP后發生故障的情況下，備份協調者會根據系統設定的超時機制，判斷協調者是否發生故障，若是則備份協調者將代為執行MTC的功能。此時，備份協調者首先發送一條命令給MTC表示要執行MTC的職能，當MTC在后面的時間里恢復它應先處理來自備份協調者的這條命令，如果收到此命令，即使MTC恢復也將不做任何事。備份協調者根據所有MTP的應答消息做出決定，如果存在一條消息含有ABORT，則發送GLOBAL-ABORT廣播，否則發送GLOBAL-COMMIT廣播。當事務結束后，備份協調者要發送一條命令給MTC表示事務結束，此時備份協調者代為執行MTC的職能也到此結束。但是當備份協調者發送表示代為執行MTC職能的命令后自己發生故障，系統會根據設定的超時機制認為備份協調者已經發生故障，此時MTC將重新執行MTC的職能。首先發送一條命令給備份協調者表示重新執行MTC的職能。

4 性能分析

為了分析比較本文提出的模型（EO2PC-MT）與其他移動事務模型在移動計算環境下的性能，選用了O2PC-MT作為參考模型，仿真模擬測評的整個過程需要用到的參數如表1所示。測試的主要參數包括移動事務撤銷率和事務吞吐率。其中移動事務撤銷率[13]、事務吞吐率[14]與STC[15]（Server Transaction Concurrency）之間的關系分別如圖3、4所示。

表1 模擬試驗中的主要參數

圖3 移動事務撤銷率對比

圖4 移動事務吞吐率對比

圖3和圖4顯示了移動事務在不同的模型下對事務撤銷率和吞吐率的影響。由圖3可以看出，隨著STC的增加，EO2PC-MT比O2PC-MT的事務撤銷率減少得更明顯，因為EO2PC-MT利用二次等待，使得在通信繁忙或網絡不穩定情況下，避免了由于通信延遲或暫時失效導致的事務不必要終止。事務吞吐率比O2PC-MT稍優，一方面是EO2PC-MT充分考慮了移動主機的本身處理能力，將部分事務移動到移動主機本地處理，使得系統在斷接的情況下依然能夠執行事務；另一方面是它為移動事務協調器增加額外的節點作為備份協調器，一定程度上解決了O2PC-MT中單點協調器所產生的性能瓶頸。但它的主要缺點是消息通信量明顯增加，因此系統整體性能提高較少，但是明顯增強了其健壯性。

5 結束語

本文研究了移動計算環境下的移動事務處理模型，闡述并分析了O2PC-MT模型存在的問題，提出了一種改進的樂觀兩階段提交事務處理模型（EO2PC-MT）。它既支持弱一致性移動事務的處理，也避免了移動事務參與者（MTP）的暫時通信失效或者網絡延遲導致的事務中止，同時還解決了單點協調器所產生的性能瓶頸、增強了系統的健壯性。

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LUO Jun,LI Wensheng,WANG Hong

College of Computer Science,Chongqing University,Chongqing 400044,China

In mobile database systems,new features such as mobility,disconnection and long lived transactions make traditional transaction processing schemes no longer suited.An extended optimistic two-phase commit transaction model（EO2PC-MT）is proposed,the model incorporates the design idea of the 02PC-MT model,solves the problem of unnecessary transaction aborts caused by the momentary communication failure and the mobile transaction coordinator failure result in obstruction.The experiment results show that the EO2PC-MT model outperforms the previously proposed mobile transaction models such as O2PC-MT for mobile transaction processing.

mobile database;transaction processing;optimistic concurrency control;two-phase commit

在移動數據庫系統中，事務的移動性、頻繁斷接性以及長事務等特性使得傳統的事務處理模式不再適用。提出一種擴展的樂觀兩階段提交事務處理模型（O2PC-MT），該模型吸收了O2PC-MT模型的設計思想，解決了由短暫的通信失效造成不必要的事務中止以及移動事務協調器故障導致的阻塞等問題。實驗結果表明，與O2PC-MT事務處理模型相比，EO2PC-MT提高了系統的事務吞吐率以及改善了系統的總體性能。

移動數據庫；事務處理；樂觀并發控制；兩階段提交

A

TP311

10.3778/j.issn.1002-8331.1212-0043

LUO Jun,LI Wensheng,WANG Hong.Research on mobile database transaction processing model.Computer Engineering and Applications,2014,50（22）：145-148.

羅軍（1961—），男，副教授，碩士研究生導師，主要研究領域：數據庫管理系統及數據庫應用系統、語義網及知識管理系統；李文生（1986—），男，碩士研究生，主要研究領域為移動計算、數據庫；王宏（1987—），男，碩士研究生，主要研究領域為數據庫、NoSQl。E-mail：wenshenglee@126.com

2012-12-04

2013-02-05

1002-8331（2014）22-0145-04

CNKI網絡優先出版：2013-03-13,http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2127.TP.20130313.0950.014.html