傳感器網絡中多數(shù)據流管理的事務處理研究.pdf

1、隨著通信技術、嵌入式計算技術和傳感器技術的飛速發(fā)展和日益成熟，具有感知能力、計算能力和通信能力的微型傳感器開始在世界范圍內出現(xiàn)，并且引起了人們的極大關注。由這種微型傳感器構成的傳感器網絡(WSN)能夠協(xié)作地實時監(jiān)測、感知、采集網絡分布區(qū)域內的各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，并對這些信息進行處理，獲得詳盡、準確的信息，傳送到需要這些信息的用戶，被廣泛地應用于國防軍事、國家安全、環(huán)境監(jiān)測、交通管理、醫(yī)療衛(wèi)生、制造業(yè)、反恐抗災等領域。與其它傳統(tǒng)網絡

2、相比，傳感器網絡具有通信能力有限、電源能量有限、計算能力有限、分布式大規(guī)模使用、網絡動態(tài)性強、感知數(shù)據流巨大、大規(guī)模使用分布式觸發(fā)器等很多鮮明特點，這些特點在基礎理論和工程技術兩個層面向科技工作者提出了大量挑戰(zhàn)性的研究課題。目前的WSN研究主要著重于簡單的數(shù)據采集應用，一個網絡通常支持一個應用。網絡協(xié)議的設計與應用的開發(fā)緊密耦合在一起，系統(tǒng)的開發(fā)與底層嵌入式操作系統(tǒng)甚至傳感器硬件密切相關。隨著傳感器網絡技術的發(fā)展，需要一種建立在網絡底層

3、硬件、嵌入式操作系統(tǒng)、網絡協(xié)議棧和WSN 應用之間的中間件機制，為應用的開發(fā)提供一種標準化的系統(tǒng)服務抽象、一種能夠支持多個協(xié)作應用并發(fā)執(zhí)行的運行環(huán)境及一種有效、自適應地使用系統(tǒng)資源的機制。
　　 本文闡述了傳感器網絡中軟件設計面臨的挑戰(zhàn)和設計原則。在傳感器網絡軟件設計原則的指導下，設計了一種基于分簇網絡拓撲的多數(shù)據流管理系統(tǒng)ARTs-MDS。采用以數(shù)據為中心的思想，將傳感器網絡作為系統(tǒng)內部維護的一個分布式實時數(shù)據庫，在WSN路由

4、協(xié)議棧的支持下，給應用提供能夠有效分配資源、協(xié)調任務執(zhí)行、自動滿足應用的感知數(shù)據需求和服務QoS的虛擬機執(zhí)行環(huán)境。在傳感器網絡中，對采集數(shù)據流的分析處理是事件驅動的動態(tài)連續(xù)執(zhí)行行為，這與傳統(tǒng)的分布式系統(tǒng)中階段性的執(zhí)行方式是不同的。多數(shù)據流處理任務之間的協(xié)作是一個自組織的時間同步的協(xié)作過程，與傳統(tǒng)的由分布式應用直接控制并發(fā)任務的同步協(xié)作方式不同；應用的協(xié)作不僅包括邏輯一致而且包括時序一致性；處理局部數(shù)據的任務的實操作協(xié)作產生全局控制行為時

5、要保證其原子性。為適應傳感器多數(shù)據流處理任務的特點，ARTs-MDS 能夠支持兩層結構的任務協(xié)作執(zhí)行模式，通過中間件虛擬機將底層傳感器節(jié)點數(shù)據采集任務和上層數(shù)據流分析任務相互聯(lián)系，能源有效地解決WSN 應用中的任務協(xié)作問題。為了解決連續(xù)任務協(xié)作執(zhí)行的邏輯一致性、時序一致性及原子性問題，我們用運了控制區(qū)域及事務的概念，提出了一種自組織的嵌套事務模型以描述連續(xù)任務的動態(tài)協(xié)作行為；定義了新的適應于WSN 應用的松弛ACID特性；設計了適于連續(xù)

6、任務協(xié)作執(zhí)行的事務行為控制規(guī)則；通過構造性的方法證明了提出的自組織事務模型在WSN 應用中的可適應性。自組織嵌套事務模型的主要思想是將應用語義與數(shù)據時間相聯(lián)系，將數(shù)據時間與連續(xù)任務實例的時間相聯(lián)系；隨著控制區(qū)域的動態(tài)擴張，系統(tǒng)能夠自組織地將一組語義相關的連續(xù)任務實例動態(tài)地組成一個原子的事務單位；系統(tǒng)通過保證事務的原子特性和隔離特性以獲得連續(xù)任務協(xié)作執(zhí)行行為的時序一致性和邏輯一致性保障；通過保證事務松弛的隔離性實現(xiàn)對連續(xù)任務所產生消息的有

7、效存儲?；谔岢龅淖越M織嵌套事務模型，設計了一個事務型的ARTs-MDS多數(shù)據流任務管理系統(tǒng)。任務的調度采用了結合EDF和FIFO 方式的兩層結構的任務調度策略；系統(tǒng)的設計采用面向事務的設計方法，各組件被看作是獨立的資源管理器，由事務管理器協(xié)調各個組件的交互執(zhí)行、控制任務的執(zhí)行效果、保證分布式連續(xù)任務協(xié)作執(zhí)行行為的一致性和原子性。最后，采用類C的算法描述語言詳細地描述了相關任務調度算法及事務管理器的主要設計算法及相關數(shù)據結構。針對模擬的