分布式实时数据库查询优化技术研究

论文摘要

实时数据库系统(RTDBS)是实时系统和数据库技术的有机结合,当前,实时数据库系统广泛应用于军事、电信、电力、航空、工业控制、证券交易等领域,而这些应用领域大部分都是分布式的,因此分布式实时数据库系统(DRTDBS)的研究受了到实时系统、数据库系统、分布式系统等多个领域专家的重视,成为研究的热点。我国是海洋大国,海洋环境对我国经济的可持续发展具有重要的影响,海洋环境监测是针对海洋自然灾害预警的需求而提出的,通过对海洋环境参数进行实时的监测以提供所需要的预警信息。本文以“海洋环境在线监测及灾害智能预警系统”为背景,对分布式实时数据库的通用框架进行了研究,指出了分布式实时数据库的功能特点和设计中需要解决的关键技术问题,并针对海洋环境监测系统中数据管理子系统的具体情况设计了一个分布式实时数据库系统构架方案,以满足系统中实时数据管理和数据信息发布的需要。海洋监测系统中的数据管理子系统具有分布式、实时性特点,各个台站之间通过无线网络进行连接,进行实时数据和命令信息的传递。由于无线网络传输速率的限制,为保证系统的实时性,必须设计一种有效的查询处理策略来减少网络间的数据传输代价,降低查询响应时间。文中对传统的分布式查询优化处理策略进行了研究,分析了各种策略的优缺点,提出了一种新的分布式查询优化方法:基于树的上下行半连接归约策略.新算法中提出了加强半连接的概念,通过多个关系间的递增约束限制来进一步提高对关系的压缩效果,尽早删除无效元组。上下行归约策略能够通过上行、下行两个阶段完成对树中关系的缩减操作,使各关系均达到全归约状态,从而排除无用元组的传输代价,降低网络间的数据传输代价,以保证分布式查询的实时性要求。文中还对两个关系间具有多个连接属性以及环查询中的全归约策略进行了研究,提出了默认连接限制的概念,指出了环查询与树查询的本质区别,采用基于附加属性的双向半连接策略将环查询转化为树查询。相对于FRD全归约算法,上下行归约策略同样能达到全归约的效果,并且能够减少下行阶段中的数据传输量,尤其是关系中具有多个连接属性时,能极大减少投影属性的数据量,从而减少了网络传输代价,缩短了查询响应时间。分布式实时数据库中的事务调度必须满足其时限要求,否则可能会造成灾难性后果,文中在查询优化的基础上对数据库中的周期性实时事务的容错调度算法进行了研究,提出了一种基于优先级抢占决策的任务竞争策略。新算法通过减少对于即将完成的低优先级任务的抢占来降低处理器时间的浪费,并通过资源负载平衡策略进一步优化任务调度。通过实验分析说明,新的调度策略能够降低处理器资源的浪费,提高系统的实时事务成功率。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 选题背景和意义
• 1.2 研究现状
• 1.3 本文工作
• 第二章分布式实时数据库理论框架的建立
• 2.1 分布式实时数据库技术
• 2.1.1 分布式实时数据库的基本特点
• 2.1.2 分布式实时数据库的基本功能
• 2.1.3 分布式实时数据库关键技术
• 2.1.4 分布式实时数据库通用框架分析
• 2.2 基于海洋监测环境的分布式实时数据库
• 2.2.1 海洋环境在线监测及灾害智能预警系统
• 2.2.2 海洋监测数据管理子系统架构设计
• 2.2.3 数据处理中的关键技术
• 2.3 本章小结
• 第三章分布式数据库查询优化
• 3.1 分布式查询优化基本理论
• 3.1.1 分布式查询与集中式查询的不同
• 3.1.2 分布式数据库的查询优化目标
• 3.1.3 分布式查询处理的主要处理过程
• 3.2 关系代数优化
• 3.3 直接连接查询优化
• 3.4 半连接策略
• 3.4.1 半连接定义
• 3.4.2 双向半连接
• 3.4.3 全归约技术
• 3.4.4 小结
• 3.5 数据压缩技术
• 3.6 索引优化
• 3.7 分布式查询中的代价估计
• 3.8 查询优化搜索策略
• 3.8.1 基于图的查询优化
• 3.8.2 基于树的查询优化
• 3.8.3 查询搜索策略
• 3.9 本章小结
• 第四章 基于加强半连接的查询优化算法
• 4.1 算法理论基础
• 4.2 加强双向半连接
• 4.3 上下行归约策略
• 4.3.1 上下行半连接策略
• 4.3.2 UDSJ算法具体步骤
• 4.3.3 基于多连接属性的全归约策略
• 4.3.4 基于环查询的全归约策略
• 4.4 UDSJ与 FRD的代价比较
• 4.5 本章小结
• 第五章 分布式实时事务调度管理策略
• 5.1 实时数据库事务调度技术
• 5.2 系统模型
• 5.3 调度算法分析与设计
• 5.3.1 替代任务分配和主任务调度
• 5.3.2 任务抢占决策策略
• 5.3.3 负载优化算法
• 5.3.4 PEA算法设计
• 5.4 模拟实验和结果分析
• 5.4.1 PEA与BCE算法的性能测试
• 5.4.2 PEA算法对于系统性能的影响
• 5.5 本章小结
• 第六章总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 课题展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的学术论文目录
• 在读期间参与科研项目情况
• 学位论文评阅及答辩情况表