传感器网络中多数据流管理的事务处理研究

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随着通信技术、嵌入式计算技术和传感器技术的飞速发展和日益成熟，具有感知能力、计算能力和通信能力的微型传感器开始在世界范围内出现，并且引起了人们的极大关注。由这种微型传感器构成的传感器网络(WSN)能够协作地实时监测、感知、采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并对这些信息进行处理，获得详尽、准确的信息，传送到需要这些信息的用户，被广泛地应用于国防军事、国家安全、环境监测、交通管理、医疗卫生、制造业、反恐抗灾等领域。与其它传统网络相比，传感器网络具有通信能力有限、电源能量有限、计算能力有限、分布式大规模使用、网络动态性强、感知数据流巨大、大规模使用分布式触发器等很多鲜明特点，这些特点在基础理论和工程技术两个层面向科技工作者提出了大量挑战性的研究课题。目前的WSN研究主要着重于简单的数据采集应用，一个网络通常支持一个应用。网络协议的设计与应用的开发紧密耦合在一起，系统的开发与底层嵌入式操作系统甚至传感器硬件密切相关。随着传感器网络技术的发展，需要一种建立在网络底层硬件、嵌入式操作系统、网络协议栈和WSN 应用之间的中间件机制，为应用的开发提供一种标准化的系统服务抽象、一种能够支持多个协作应用并发执行的运行环境及一种有效、自适应地使用系统资源的机制。
　　本文阐述了传感器网络中软件设计面临的挑战和设计原则。在传感器网络软件设计原则的指导下，设计了一种基于分簇网络拓扑的多数据流管理系统ARTs-MDS。采用以数据为中心的思想，将传感器网络作为系统内部维护的一个分布式实时数据库，在WSN路由协议栈的支持下，给应用提供能够有效分配资源、协调任务执行、自动满足应用的感知数据需求和服务QoS的虚拟机执行环境。在传感器网络中，对采集数据流的分析处理是事件驱动的动态连续执行行为，这与传统的分布式系统中阶段性的执行方式是不同的。多数据流处理任务之间的协作是一个自组织的时间同步的协作过程，与传统的由分布式应用直接控制并发任务的同步协作方式不同；应用的协作不仅包括逻辑一致而且包括时序一致性；处理局部数据的任务的实操作协作产生全局控制行为时要保证其原子性。为适应传感器多数据流处理任务的特点，ARTs-MDS 能够支持两层结构的任务协作执行模式，通过中间件虚拟机将底层传感器节点数据采集任务和上层数据流分析任务相互联系，能源有效地解决WSN 应用中的任务协作问题。为了解决连续任务协作执行的逻辑一致性、时序一致性及原子性问题，我们用运了控制区域及事务的概念，提出了一种自组织的嵌套事务模型以描述连续任务的动态协作行为；定义了新的适应于WSN 应用的松弛ACID特性；设计了适于连续任务协作执行的事务行为控制规则；通过构造性的方法证明了提出的自组织事务模型在WSN 应用中的可适应性。自组织嵌套事务模型的主要思想是将应用语义与数据时间相联系，将数据时间与连续任务实例的时间相联系；随着控制区域的动态扩张，系统能够自组织地将一组语义相关的连续任务实例动态地组成一个原子的事务单位；系统通过保证事务的原子特性和隔离特性以获得连续任务协作执行行为的时序一致性和逻辑一致性保障；通过保证事务松弛的隔离性实现对连续任务所产生消息的有效存储。基于提出的自组织嵌套事务模型，设计了一个事务型的ARTs-MDS多数据流任务管理系统。任务的调度采用了结合EDF和FIFO 方式的两层结构的任务调度策略；系统的设计采用面向事务的设计方法，各组件被看作是独立的资源管理器，由事务管理器协调各个组件的交互执行、控制任务的执行效果、保证分布式连续任务协作执行行为的一致性和原子性。最后，采用类C的算法描述语言详细地描述了相关任务调度算法及事务管理器的主要设计算法及相关数据结构。针对模拟的WSN应用例程，通过建立模拟测试环境，对系统的性能进行了模拟测试和分析。测试结果分析表明，针对分布式数据流的分析处理，采用自组织嵌套事务模型的任务协作处理方式比按照传统的分布式任务处理方式花费较小的网络能源代价，同时也增加了系统资源利用率，提高了对连续数据流处理的实时响应。

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作者
胡侃;
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作者单位

华中科技大学;

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授予单位华中科技大学;
学科计算机软件与理论
授予学位博士
导师姓名刘云生;
年度 2007
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总页数
原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类通信网结构与设计;数据传输技术;
关键词
传感器网络; 信息采集; 数据流管理; 网络架构;

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