傳感器網(wǎng)絡(luò)中多數(shù)據(jù)流管理的事務(wù)處理研究.pdf

1、隨著通信技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)和傳感器技術(shù)的飛速發(fā)展和日益成熟，具有感知能力、計(jì)算能力和通信能力的微型傳感器開始在世界范圍內(nèi)出現(xiàn)，并且引起了人們的極大關(guān)注。由這種微型傳感器構(gòu)成的傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)能夠協(xié)作地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、感知、采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種環(huán)境或監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息，并對(duì)這些信息進(jìn)行處理，獲得詳盡、準(zhǔn)確的信息，傳送到需要這些信息的用戶，被廣泛地應(yīng)用于國防軍事、國家安全、環(huán)境監(jiān)測(cè)、交通管理、醫(yī)療衛(wèi)生、制造業(yè)、反恐抗災(zāi)等領(lǐng)域。與其它傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)

2、相比，傳感器網(wǎng)絡(luò)具有通信能力有限、電源能量有限、計(jì)算能力有限、分布式大規(guī)模使用、網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)性強(qiáng)、感知數(shù)據(jù)流巨大、大規(guī)模使用分布式觸發(fā)器等很多鮮明特點(diǎn)，這些特點(diǎn)在基礎(chǔ)理論和工程技術(shù)兩個(gè)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(jiǎn)單的數(shù)據(jù)采集應(yīng)用，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)通常支持一個(gè)應(yīng)用。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的設(shè)計(jì)與應(yīng)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(guān)。隨著傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，需要一種建立在網(wǎng)絡(luò)底層

3、硬件、嵌入式操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧和WSN 應(yīng)用之間的中間件機(jī)制，為應(yīng)用的開發(fā)提供一種標(biāo)準(zhǔn)化的系統(tǒng)服務(wù)抽象、一種能夠支持多個(gè)協(xié)作應(yīng)用并發(fā)執(zhí)行的運(yùn)行環(huán)境及一種有效、自適應(yīng)地使用系統(tǒng)資源的機(jī)制。
　　 本文闡述了傳感器網(wǎng)絡(luò)中軟件設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn)和設(shè)計(jì)原則。在傳感器網(wǎng)絡(luò)軟件設(shè)計(jì)原則的指導(dǎo)下，設(shè)計(jì)了一種基于分簇網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞亩鄶?shù)據(jù)流管理系統(tǒng)ARTs-MDS。采用以數(shù)據(jù)為中心的思想，將傳感器網(wǎng)絡(luò)作為系統(tǒng)內(nèi)部維護(hù)的一個(gè)分布式實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，在WSN路由

4、協(xié)議棧的支持下，給應(yīng)用提供能夠有效分配資源、協(xié)調(diào)任務(wù)執(zhí)行、自動(dòng)滿足應(yīng)用的感知數(shù)據(jù)需求和服務(wù)QoS的虛擬機(jī)執(zhí)行環(huán)境。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，對(duì)采集數(shù)據(jù)流的分析處理是事件驅(qū)動(dòng)的動(dòng)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(jù)流處理任務(wù)之間的協(xié)作是一個(gè)自組織的時(shí)間同步的協(xié)作過程，與傳統(tǒng)的由分布式應(yīng)用直接控制并發(fā)任務(wù)的同步協(xié)作方式不同；應(yīng)用的協(xié)作不僅包括邏輯一致而且包括時(shí)序一致性；處理局部數(shù)據(jù)的任務(wù)的實(shí)操作協(xié)作產(chǎn)生全局控制行為時(shí)

5、要保證其原子性。為適應(yīng)傳感器多數(shù)據(jù)流處理任務(wù)的特點(diǎn)，ARTs-MDS 能夠支持兩層結(jié)構(gòu)的任務(wù)協(xié)作執(zhí)行模式，通過中間件虛擬機(jī)將底層傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集任務(wù)和上層數(shù)據(jù)流分析任務(wù)相互聯(lián)系，能源有效地解決WSN 應(yīng)用中的任務(wù)協(xié)作問題。為了解決連續(xù)任務(wù)協(xié)作執(zhí)行的邏輯一致性、時(shí)序一致性及原子性問題，我們用運(yùn)了控制區(qū)域及事務(wù)的概念，提出了一種自組織的嵌套事務(wù)模型以描述連續(xù)任務(wù)的動(dòng)態(tài)協(xié)作行為；定義了新的適應(yīng)于WSN 應(yīng)用的松弛ACID特性；設(shè)計(jì)了適于連續(xù)

6、任務(wù)協(xié)作執(zhí)行的事務(wù)行為控制規(guī)則；通過構(gòu)造性的方法證明了提出的自組織事務(wù)模型在WSN 應(yīng)用中的可適應(yīng)性。自組織嵌套事務(wù)模型的主要思想是將應(yīng)用語義與數(shù)據(jù)時(shí)間相聯(lián)系，將數(shù)據(jù)時(shí)間與連續(xù)任務(wù)實(shí)例的時(shí)間相聯(lián)系；隨著控制區(qū)域的動(dòng)態(tài)擴(kuò)張，系統(tǒng)能夠自組織地將一組語義相關(guān)的連續(xù)任務(wù)實(shí)例動(dòng)態(tài)地組成一個(gè)原子的事務(wù)單位；系統(tǒng)通過保證事務(wù)的原子特性和隔離特性以獲得連續(xù)任務(wù)協(xié)作執(zhí)行行為的時(shí)序一致性和邏輯一致性保障；通過保證事務(wù)松弛的隔離性實(shí)現(xiàn)對(duì)連續(xù)任務(wù)所產(chǎn)生消息的有

7、效存儲(chǔ)?；谔岢龅淖越M織嵌套事務(wù)模型，設(shè)計(jì)了一個(gè)事務(wù)型的ARTs-MDS多數(shù)據(jù)流任務(wù)管理系統(tǒng)。任務(wù)的調(diào)度采用了結(jié)合EDF和FIFO 方式的兩層結(jié)構(gòu)的任務(wù)調(diào)度策略；系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用面向事務(wù)的設(shè)計(jì)方法，各組件被看作是獨(dú)立的資源管理器，由事務(wù)管理器協(xié)調(diào)各個(gè)組件的交互執(zhí)行、控制任務(wù)的執(zhí)行效果、保證分布式連續(xù)任務(wù)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(xì)地描述了相關(guān)任務(wù)調(diào)度算法及事務(wù)管理器的主要設(shè)計(jì)算法及相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。針對(duì)模擬的