移動通信網(wǎng)中的數(shù)據(jù)庫

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
立性差，用戶使用不方便。目前一些實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。
在分布式數(shù)據(jù)庫中，每個節(jié)點都有自己的數(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。考
慮到系統(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，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)，即進行相應(yīng)的
工作。這些功能除了支持外部應(yīng)用，還可實現(xiàn)或擴展DBMS本身的功能，如完整性及安
全性控制等。
    實時數(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。
    隨著計算機硬件技術(shù)的不斷發(fā)展，動態(tài)隨機存取存儲器（DRAM）的容量越來越大，
這無疑為計算機內(nèi)存的不斷擴大提供了硬件基礎(chǔ)，但在并行數(shù)據(jù)庫，后端機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�，這些數(shù)據(jù)庫都要進行大量實時性要求高的事務(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，可為實時應(yīng)用提供
有力支持。在實時數(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～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。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)庫的實時性
    移動交換機是一個實時系統(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，有可能因為呼叫過程超時被系統(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)交換機發(fā)生主備切換時，為了保證正在進行的
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》