無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)(數(shù)據(jù)庫)

時間：2022-11-30 08:30:01 | 來源：信息時代

時間：2022-11-30 08:30:01 來源：信息時代

    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng) : 一個提取、存儲、管理傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的系統(tǒng),其目的在于組織和管理傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測區(qū)域的感知信息,回答來自用戶或應(yīng)用程序的查詢。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的分布規(guī)模相對比較大,節(jié)點分散,所以它和傳統(tǒng)的分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)很相似,但又不同于傳統(tǒng)的分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)管理具有以下特點:
(1)分布性:應(yīng)用中一般要求數(shù)據(jù)是由多個傳感器節(jié)點產(chǎn)生,每個節(jié)點不僅存儲本地產(chǎn)生的數(shù)據(jù),同時也要對在數(shù)據(jù)傳遞過程中來自其他節(jié)點的數(shù)據(jù)進行緩存和轉(zhuǎn)發(fā),因而數(shù)據(jù)的存儲是分布式的; 由于資源有限,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)管理不能像傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)采用集中式的數(shù)據(jù)管理,而是盡可能地在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部進行數(shù)據(jù)的分析處理,即網(wǎng)內(nèi)處理(in-network processing),也即是對數(shù)據(jù)的處理也是分布式的。
(2)動態(tài)性:從數(shù)據(jù)的角度講,數(shù)據(jù)從感知到傳遞給匯聚節(jié)點,存儲場地是不斷變化的。并且感知數(shù)據(jù)時刻更新,傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)面對的是分布式無限數(shù)據(jù)流。從查詢的角度講,網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化導(dǎo)致數(shù)據(jù)的傳遞、存儲和處理易發(fā)生變化,查詢的執(zhí)行場地也可能產(chǎn)生動態(tài)的變化。因而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)需要動態(tài)處理能力,同時保證可靠性。
(3)實時性:指系統(tǒng)操作的正確性不僅依賴于事務(wù)的邏輯結(jié)果,而且依賴于該邏輯結(jié)果產(chǎn)生的時間。實時性包括兩方面含義: ①與數(shù)據(jù)本身的固有的時間屬性相關(guān)的查詢結(jié)果,即指定對查詢數(shù)據(jù)被感知的時間范圍。②查詢響應(yīng)時間的約束,即查詢結(jié)果要在應(yīng)用規(guī)定的截止期內(nèi)給出。
(4)能源有效性(energy-efficient):在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中,數(shù)據(jù)的產(chǎn)生是源源不斷的,形成了無限的數(shù)據(jù)流。通常傳感器節(jié)點的電能是有限的,并且一般不可更換,節(jié)點的存儲能力和計算能力也十分有限,帶寬也有限制。這些因素使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)管理技術(shù)不能直接采用傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理方式,而是需要設(shè)計一些資源有效的數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)查詢的方法,來節(jié)省各種能源的耗費,從而延長無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期。
(5)數(shù)據(jù)操作簡單性: 主要操作是感知數(shù)據(jù)查詢,即“讀”操作,“寫”操作較少。因而不強調(diào)保持數(shù)據(jù)的完整性、一致性以及事務(wù)恢復(fù)。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)通常被劃分為三種:
(1)集中式結(jié)構(gòu):在集中式結(jié)構(gòu)中,感知數(shù)據(jù)的查詢和傳感器網(wǎng)絡(luò)的訪問是相對獨立的。將感知數(shù)據(jù)按照路由策略從傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絽R聚節(jié)點,再傳到任務(wù)管理節(jié)點進行查詢處理。這種方法很簡單,但是傳輸量大,網(wǎng)絡(luò)負載很重。
(2)半分布式結(jié)構(gòu):利用傳感器節(jié)點有限的計算和存儲能力,對感知數(shù)據(jù)進行一定的處理。其核心是盡可能地將查詢處理在傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部進行,減少通信開銷。查詢處理時,只有與查詢相關(guān)的數(shù)據(jù)被提取出來。目前大多數(shù)研究工作基于半分布式結(jié)構(gòu),典型的系統(tǒng)如Fjord和COUGAR。
(3)分布式結(jié)構(gòu):分布式結(jié)構(gòu)假設(shè)每個傳感器節(jié)點都有較高的存儲、計算和通信能力,計算和通信都由節(jié)點來完成。設(shè)計Hash函數(shù),按照每個事件的關(guān)鍵字,將傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點劃分成組。處理查詢時,使用同樣的Hash函數(shù),將查詢發(fā)送到離Hash值最近的節(jié)點上面。這種結(jié)構(gòu)對基于hash函數(shù)的事件查詢有效,對其他查詢較弱,系統(tǒng)的通信開銷較大。
比較典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)主要有加州大學(xué)伯克利分校的TinyDB系統(tǒng)、康奈爾大學(xué)的Cougar系統(tǒng)和加州大學(xué)伯克利分校的Fjord系統(tǒng)。
TinyDB系統(tǒng)為用戶提供了一個簡潔、易用、類SQL的感知查詢語言、應(yīng)用程序接口,用戶無需了解傳感器網(wǎng)絡(luò)的細節(jié),直接使用TinyDB系統(tǒng)查詢傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù),使得傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)對用戶透明。
Cougar是康奈爾大學(xué)開發(fā)的無線傳感器數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。Cougar的基本思想是盡可能地將查詢處理在傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部進行,減少通信開銷。在查詢處理過程中,只有與查詢處理相關(guān)的數(shù)據(jù)才從傳感器網(wǎng)絡(luò)中提取出來。這種方法靈活而有效。在Cougar中,傳感器節(jié)點不僅需要處理本地的數(shù)據(jù),同時還要與鄰近的節(jié)點進行通信,協(xié)作完成查詢處理的某些任務(wù)。
Cougar系統(tǒng)由三部分組成:圖形用戶界面GUI、客戶前端系統(tǒng)(FrontEnd)和查詢代理(QueryProxy)。三個部分通過不同的分工完成查詢處理,用戶通過GUI向傳感器網(wǎng)絡(luò)提交查詢?？蛻羟岸耸荊UI和查詢代理之間的界面。查詢代理運行在傳感器網(wǎng)絡(luò)中每個傳感器節(jié)點上,用來解釋和執(zhí)行查詢。
Fjord是加州大學(xué)伯克利分校Telegraph項目的一部分,是一個以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為背景的自適應(yīng)數(shù)據(jù)流系統(tǒng)。Fjord可以整合傳統(tǒng)的基于磁盤的數(shù)據(jù)和來自無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流,可以避免基于傳統(tǒng)迭代操作帶來的阻塞(blocking)問題。
Fjord的主要特點是:融合了Pull和Push技術(shù),采用Pull技術(shù),輸出操作符請求獲得數(shù)據(jù); 采用了Push技術(shù),感知數(shù)據(jù)流依賴輸入操作符將數(shù)據(jù)提供給輸出操作符,而不是在收到查詢請求時才被提取出來。
Push隊列允許查詢處理器處理傳感器產(chǎn)生的流式數(shù)據(jù)。當一個感知數(shù)據(jù)到達時,查詢處理器將其放入輸入隊列,作為查詢的數(shù)據(jù)源。操作符不必主動地向傳感器節(jié)點索取感知數(shù)據(jù),而是持續(xù)地處理輸入隊列中的數(shù)據(jù)。當感知數(shù)據(jù)到達輸入隊列時,計算被觸發(fā)。Fjord系統(tǒng)已經(jīng)被應(yīng)用到伯克利分校附近的高速公路的交通監(jiān)測中。