羅軍，李文生，王宏

重慶大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，重慶 400044

移動(dòng)數(shù)據(jù)庫事務(wù)處理模型的研究

羅軍，李文生，王宏

重慶大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，重慶 400044

1 引言

隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)的飛速發(fā)展，移動(dòng)計(jì)算作為一種嶄新的計(jì)算模式應(yīng)運(yùn)而生。由于移動(dòng)計(jì)算環(huán)境的特殊性，使得傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中的各種事務(wù)處理模型不能有效地支持這種特殊的環(huán)境[1-2]。因此移動(dòng)事務(wù)處理模型成為移動(dòng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)。

L.H.Yeo等人提出的MDSTPM事務(wù)處理模型[3]需要移動(dòng)主機(jī)一次性地將事務(wù)的所有操作發(fā)送給移動(dòng)事務(wù)協(xié)調(diào)器，不能提供對交互式移動(dòng)事務(wù)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(dòng)事務(wù)發(fā)送方式，但其主要缺點(diǎn)是移動(dòng)主機(jī)在操作序列返回結(jié)果之前不能離開當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)，并且由于采用兩階段封鎖，數(shù)據(jù)可能長時(shí)間被封鎖，降低了服務(wù)器事務(wù)處理的并發(fā)性[5]。我國學(xué)者丁治明等人提出的O2PC-MT模型[6]解決了強(qiáng)一致性事務(wù)的需求，它對于數(shù)據(jù)更新率適中或者偏低，長事務(wù)特性突出的移動(dòng)計(jì)算環(huán)境，能提供較好的性能[7]，但其不足之處是沒有考慮到移動(dòng)客戶端（MC）帶有可進(jìn)行部分事務(wù)處理的緩存特性，而將全部事務(wù)轉(zhuǎn)交給移動(dòng)支持站點(diǎn)（MSS）來處理，降低了系統(tǒng)使用效率，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)處于斷接情況時(shí)事務(wù)無法進(jìn)行。并且由于采用傳統(tǒng)的2PC協(xié)議，當(dāng)遇到暫時(shí)的通信失效會導(dǎo)致事務(wù)不必要的中止以及當(dāng)移動(dòng)事務(wù)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)會導(dǎo)致阻斷，大大降低了系統(tǒng)的性能。

鑒于以上分析，本文提出了一種改進(jìn)的樂觀兩階段提交移動(dòng)事務(wù)處理模型（extended Optimistic two Phase Commit Mobile Transaction，EO2PC-MT）。它吸收了O2PC-MT模型的設(shè)計(jì)思想，采用樂觀并發(fā)控制和兩階段提交相結(jié)合的方法，針對移動(dòng)計(jì)算環(huán)境的特殊性完善了兩階段提交算法：在通信繁忙或網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定時(shí)，通過在事務(wù)第一次等待超時(shí)發(fā)出中止決策之前再給決策者一次等待節(jié)點(diǎn)回應(yīng)的機(jī)會以避免一些由于通信暫時(shí)失效造成不必要的事務(wù)中止；為移動(dòng)事務(wù)處理協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)增加一個(gè)備份節(jié)點(diǎn)以防止協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)出錯(cuò)造成事務(wù)無法完成。同時(shí)它考慮到網(wǎng)絡(luò)的不穩(wěn)定性和頻繁斷接性，區(qū)分強(qiáng)一致性事務(wù)和弱一致性事務(wù)的處理方式，將弱一致性事務(wù)放在移動(dòng)主機(jī)上處理。

2 EO2PC-MT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖1所示，在EO2PC-MT模型中，引入了移動(dòng)事務(wù)協(xié)調(diào)者（MTC）、移動(dòng)事務(wù)參與者（MTP）、移動(dòng)主機(jī)事務(wù)處理器（MHTP）、本地事務(wù)管理器（LTM）等概念[8-10]。其中MHTP在移動(dòng)主機(jī)上，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)事務(wù)的分裂，將移動(dòng)事務(wù)分裂成移動(dòng)主機(jī)上執(zhí)行的部分和固定網(wǎng)絡(luò)上執(zhí)行的部分。MTC和MTP在MSS中，對任一移動(dòng)主機(jī)提交的移動(dòng)事務(wù)來說，其所在的無線區(qū)域?qū)?yīng)的基站點(diǎn)為該事務(wù)的協(xié)調(diào)者節(jié)點(diǎn)，所有參與該移動(dòng)事務(wù)執(zhí)行的其他基站點(diǎn)為參與者節(jié)點(diǎn)[11]。

圖1 EO2PC-MT移動(dòng)事務(wù)處理模型

MC上的移動(dòng)事務(wù)處理器接收應(yīng)用程序的命令，獲得計(jì)算需要的數(shù)據(jù)項(xiàng)列表，如果網(wǎng)絡(luò)連接情況良好，則將數(shù)據(jù)請求發(fā)送給MSS，如果出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)斷接，則將數(shù)據(jù)請求發(fā)送給本地EMDB，從而獲取計(jì)算處理所需的數(shù)據(jù)項(xiàng)。修改數(shù)據(jù)項(xiàng)的暫時(shí)結(jié)果都將保存在本地EMDB中。在計(jì)算結(jié)束時(shí)，MC的事務(wù)處理器將應(yīng)用程序?qū)?shù)據(jù)的讀寫操作組織成事務(wù)，形成隊(duì)列，發(fā)送到MTC上進(jìn)行校驗(yàn)，返回校驗(yàn)結(jié)果給本地的事務(wù)處理器。

3 EO2PC-MT移動(dòng)事務(wù)處理模型

在實(shí)際需求中，需要考慮網(wǎng)絡(luò)的不穩(wěn)定性和頻繁斷接性以及移動(dòng)終端本身的處理能力，可以將部分事務(wù)放在移動(dòng)主機(jī)上本地處理。所以針對實(shí)際需求我們將事務(wù)處理分為強(qiáng)一致性和弱一致性兩種模式，強(qiáng)一致性模式是基于整個(gè)移動(dòng)數(shù)據(jù)庫分布式體系的網(wǎng)絡(luò)保持暢通的情況，移動(dòng)客戶機(jī)不保存數(shù)據(jù)副本，直接訪問固定網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，提供對交互式事務(wù)的支持。弱一致性模式是基于移動(dòng)客戶端的自治性，即移動(dòng)客戶端緩存相關(guān)數(shù)據(jù)，事務(wù)的計(jì)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(jù)不同的模式對移動(dòng)事務(wù)做不同的處理。如果是強(qiáng)一致性事務(wù)，可采用O2PC-MT模型介紹的方法進(jìn)行處理。下面將主要討論弱一致性事務(wù)的處理方式。

3.1 MHTP對弱一致性事務(wù)的處理

MC發(fā)出移動(dòng)事務(wù)處理請求后，MTP首先檢查MC與MSS的網(wǎng)絡(luò)連接狀況，根據(jù)以下三種情況分別處理：

（1）若MC與MSS處于連接狀態(tài)，且本地EMDBS能滿足移動(dòng)事務(wù)要求，則移動(dòng)事務(wù)將在本地執(zhí)行。

（2）若MC與MSS處于連接狀態(tài)，但本地EMDBS不能滿足該移動(dòng)事務(wù)要求，則從MSS上讀取最新數(shù)據(jù)，更新本地EMDB，并將數(shù)據(jù)庫中該數(shù)據(jù)的最后修改時(shí)間戳作為移動(dòng)事務(wù)讀取該數(shù)據(jù)的時(shí)間戳，然后在本地執(zhí)行移動(dòng)事務(wù)。

（3）若MC與MSS處于斷接狀態(tài)，則只能由本地EMDBS進(jìn)行本地處理。如果缺少所需的數(shù)據(jù)，移動(dòng)事務(wù)進(jìn)入事務(wù)等待隊(duì)列，并置定時(shí)器。重新連接MSS后，讀取所需數(shù)據(jù)，在接收到所需數(shù)據(jù)后，在本地執(zhí)行該事務(wù)。如果等待超時(shí)，就需要撤銷該移動(dòng)事務(wù)。

事務(wù)只有在本地執(zhí)行成功后，才能進(jìn)入事務(wù)輸出隊(duì)列，并最終提交到MTC和MTP上進(jìn)行全局校驗(yàn)和提交。

3.2 MTC對移動(dòng)事務(wù)的兩階段提交

在MTC對移動(dòng)事務(wù)的兩階段提交之前，MTP要先對移動(dòng)事務(wù)進(jìn)行樂觀執(zhí)行，但是它不是本文研究的重點(diǎn)，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(yàn)證階段，在網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定或通信繁忙時(shí)，O2PC-MT模型采用的提交協(xié)議如果遇到暫時(shí)的通信失效會導(dǎo)致事務(wù)不必要的中止。因此針對這種情況通過在事務(wù)第一次等待超時(shí)發(fā)出中止決策之前再給決策者一次等待節(jié)點(diǎn)回應(yīng)的機(jī)會，以避免由于暫時(shí)失效或通信延遲導(dǎo)致的執(zhí)行事務(wù)不成功問題。

首先向所有的MTP發(fā)送一輪Prepare消息，置定時(shí)器，等待參與節(jié)點(diǎn)的回應(yīng)消息。如果在第一個(gè)定時(shí)時(shí)間內(nèi)仍未收到全部節(jié)點(diǎn)的回應(yīng)消息，則再次向未收到回應(yīng)消息的節(jié)點(diǎn)發(fā)送消息，并置第二個(gè)定時(shí)器，如果再次超時(shí)后沒有收到全部節(jié)點(diǎn)的回應(yīng)消息，則忽略未回應(yīng)消息的節(jié)點(diǎn)，進(jìn)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(tǒng)兩階段提交的工作流程如圖2（左子圖為協(xié)調(diào)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(tài)：I為初始化，W為等待，A為阻塞，C為提交。消息：PM是準(zhǔn)備，RM為就緒，CM為提交，AA為阻塞應(yīng)答，AC為阻塞命令。事件：UA單方面阻塞，TM是超時(shí)。

顯然，從協(xié)議的工作過程可以得知，兩階段提交協(xié)議是阻塞式的，各MTP在向MTC發(fā)送“就緒”消息之前都是可以自行“阻塞”的，即對本節(jié)點(diǎn)上的事務(wù)處理具有一定的自決定權(quán)，但它一旦發(fā)出“就緒”消息，這種自決定權(quán)就放棄了，只能等待MTC的消息來執(zhí)行之后的動(dòng)作，如果等待不來MTC的消息，則將一直占用本節(jié)點(diǎn)的資源。因此影響兩階段提交協(xié)議的主要原因在于MTP放棄自決定權(quán)后引起的阻塞問題。

O2PC-MT模型采用的提交協(xié)議正是傳統(tǒng)的兩階段提交協(xié)議，因此當(dāng)移動(dòng)事務(wù)協(xié)調(diào)器的節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)會導(dǎo)致阻斷，為了防止移動(dòng)事務(wù)協(xié)調(diào)器故障造成事務(wù)無法完成，將為移動(dòng)事務(wù)協(xié)調(diào)者提供額外一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為它的備份協(xié)調(diào)者，備份協(xié)調(diào)者在移動(dòng)事務(wù)協(xié)調(diào)者出現(xiàn)故障的情況下執(zhí)行協(xié)調(diào)者的職能，完成事務(wù)處理。具體算法如下：所有MTP將事務(wù)處理結(jié)果發(fā)送給備份協(xié)調(diào)者，備份協(xié)調(diào)者再將消息發(fā)送給MTC。雖然看起來消息的通信量比沒有備份協(xié)調(diào)者多了一倍，但是當(dāng)MTC收到MTP后發(fā)生故障的情況下，備份協(xié)調(diào)者會根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的超時(shí)機(jī)制，判斷協(xié)調(diào)者是否發(fā)生故障，若是則備份協(xié)調(diào)者將代為執(zhí)行MTC的功能。此時(shí)，備份協(xié)調(diào)者首先發(fā)送一條命令給MTC表示要執(zhí)行MTC的職能，當(dāng)MTC在后面的時(shí)間里恢復(fù)它應(yīng)先處理來自備份協(xié)調(diào)者的這條命令，如果收到此命令，即使MTC恢復(fù)也將不做任何事。備份協(xié)調(diào)者根據(jù)所有MTP的應(yīng)答消息做出決定，如果存在一條消息含有ABORT，則發(fā)送GLOBAL-ABORT廣播，否則發(fā)送GLOBAL-COMMIT廣播。當(dāng)事務(wù)結(jié)束后，備份協(xié)調(diào)者要發(fā)送一條命令給MTC表示事務(wù)結(jié)束，此時(shí)備份協(xié)調(diào)者代為執(zhí)行MTC的職能也到此結(jié)束。但是當(dāng)備份協(xié)調(diào)者發(fā)送表示代為執(zhí)行MTC職能的命令后自己發(fā)生故障，系統(tǒng)會根據(jù)設(shè)定的超時(shí)機(jī)制認(rèn)為備份協(xié)調(diào)者已經(jīng)發(fā)生故障，此時(shí)MTC將重新執(zhí)行MTC的職能。首先發(fā)送一條命令給備份協(xié)調(diào)者表示重新執(zhí)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(dòng)事務(wù)模型在移動(dòng)計(jì)算環(huán)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(gè)過程需要用到的參數(shù)如表1所示。測試的主要參數(shù)包括移動(dòng)事務(wù)撤銷率和事務(wù)吞吐率。其中移動(dòng)事務(wù)撤銷率[13]、事務(wù)吞吐率[14]與STC[15]（Server Transaction Concurrency）之間的關(guān)系分別如圖3、4所示。

表1 模擬試驗(yàn)中的主要參數(shù)

圖3 移動(dòng)事務(wù)撤銷率對比

圖4 移動(dòng)事務(wù)吞吐率對比

圖3和圖4顯示了移動(dòng)事務(wù)在不同的模型下對事務(wù)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(wù)撤銷率減少得更明顯，因?yàn)镋O2PC-MT利用二次等待，使得在通信繁忙或網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定情況下，避免了由于通信延遲或暫時(shí)失效導(dǎo)致的事務(wù)不必要終止。事務(wù)吞吐率比O2PC-MT稍優(yōu)，一方面是EO2PC-MT充分考慮了移動(dòng)主機(jī)的本身處理能力，將部分事務(wù)移動(dòng)到移動(dòng)主機(jī)本地處理，使得系統(tǒng)在斷接的情況下依然能夠執(zhí)行事務(wù)；另一方面是它為移動(dòng)事務(wù)協(xié)調(diào)器增加額外的節(jié)點(diǎn)作為備份協(xié)調(diào)器，一定程度上解決了O2PC-MT中單點(diǎn)協(xié)調(diào)器所產(chǎn)生的性能瓶頸。但它的主要缺點(diǎn)是消息通信量明顯增加，因此系統(tǒng)整體性能提高較少，但是明顯增強(qiáng)了其健壯性。

5 結(jié)束語

本文研究了移動(dòng)計(jì)算環(huán)境下的移動(dòng)事務(wù)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(jìn)的樂觀兩階段提交事務(wù)處理模型（EO2PC-MT）。它既支持弱一致性移動(dòng)事務(wù)的處理，也避免了移動(dòng)事務(wù)參與者（MTP）的暫時(shí)通信失效或者網(wǎng)絡(luò)延遲導(dǎo)致的事務(wù)中止，同時(shí)還解決了單點(diǎn)協(xié)調(diào)器所產(chǎn)生的性能瓶頸、增強(qiáng)了系統(tǒng)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(dòng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，事務(wù)的移動(dòng)性、頻繁斷接性以及長事務(wù)等特性使得傳統(tǒng)的事務(wù)處理模式不再適用。提出一種擴(kuò)展的樂觀兩階段提交事務(wù)處理模型（O2PC-MT），該模型吸收了O2PC-MT模型的設(shè)計(jì)思想，解決了由短暫的通信失效造成不必要的事務(wù)中止以及移動(dòng)事務(wù)協(xié)調(diào)器故障導(dǎo)致的阻塞等問題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與O2PC-MT事務(wù)處理模型相比，EO2PC-MT提高了系統(tǒng)的事務(wù)吞吐率以及改善了系統(tǒng)的總體性能。

移動(dòng)數(shù)據(jù)庫；事務(wù)處理；樂觀并發(fā)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(dǎo)師，主要研究領(lǐng)域：數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)及數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)、語義網(wǎng)及知識管理系統(tǒng)；李文生（1986—），男，碩士研究生，主要研究領(lǐng)域?yàn)橐苿?dòng)計(jì)算、數(shù)據(jù)庫；王宏（1987—），男，碩士研究生，主要研究領(lǐng)域?yàn)閿?shù)據(jù)庫、NoSQl。E-mail：wenshenglee@126.com

2012-12-04

2013-02-05

1002-8331（2014）22-0145-04

CNKI網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版：2013-03-13,http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2127.TP.20130313.0950.014.html