基于移動(dòng)Agent的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)管理框架

0 引言

低功耗無線電通信技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、衛(wèi)星傳感器技術(shù)及集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展和日益成熟，使得大量低成本的衛(wèi)星傳感器通過無線鏈路自組織成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)成為現(xiàn)實(shí)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有自組織性、自適應(yīng)性與容錯(cuò)性高等特點(diǎn)，在軍事、工農(nóng)業(yè)、生物醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測(cè)等許多重要領(lǐng)域具有十分廣泛的應(yīng)用前景[1]。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)大量傳感器節(jié)點(diǎn)（sensor node）和少數(shù)匯聚節(jié)點(diǎn)（sink node）組成。位于監(jiān)測(cè)區(qū)域的傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集相關(guān)數(shù)據(jù)信息，最終將數(shù)據(jù)傳送至匯聚節(jié)點(diǎn)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是以數(shù)據(jù)為中心的，其目標(biāo)是采集具有某種特征屬性的數(shù)據(jù)，而不關(guān)心數(shù)據(jù)具體來源于哪個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)。基于上述思想，數(shù)據(jù)庫研究者把無線傳感器網(wǎng)絡(luò)抽象為數(shù)據(jù)系統(tǒng)，使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的物理實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用相分離[2]。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)特點(diǎn)是數(shù)據(jù)量大、時(shí)效性強(qiáng)、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在能量、計(jì)算、存儲(chǔ)及通信能力方面存在局限性[3]，所以良好的數(shù)據(jù)管理技術(shù)能夠提高傳感器節(jié)點(diǎn)協(xié)作感知、采集、處理、發(fā)布數(shù)據(jù)信息的效率，進(jìn)而更好地確定無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的可用性和有效性。

移動(dòng)agent是一種分布式計(jì)算技術(shù)，具有很多優(yōu)點(diǎn)。本文提出個(gè)一種基于移動(dòng)agent技術(shù)改進(jìn)現(xiàn)有的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)管理模式的框架，利用移動(dòng)agent不僅收集數(shù)據(jù)而且能夠處理數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，減輕數(shù)據(jù)管理中心負(fù)載，克服了當(dāng)前數(shù)據(jù)管理方案的局限性。

1 移動(dòng)agent機(jī)制[4]

移動(dòng)agent是分布式計(jì)算技術(shù)和人工智能技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，本質(zhì)上是一個(gè)程序?qū)嶓w，擁有一定的智能和判斷能力，它可以自己的控制下，按照一定的規(guī)程在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間遷移，尋找并處理合適的資源，代表用戶完成特定的任務(wù)。agent在一個(gè)執(zhí)行環(huán)境中被創(chuàng)建后，能夠攜帶自身狀態(tài)和代碼在網(wǎng)絡(luò)中遷移到另一個(gè)環(huán)境中恢復(fù)執(zhí)行。

移動(dòng)agent的特性主要體現(xiàn)以下幾個(gè)方面：

a）自主性：agent一旦被初始化便可獨(dú)立執(zhí)行，無需后來的直接干預(yù)，agent控制自身的內(nèi)部狀態(tài)和外部行為，也可以被授權(quán)做出某種決定，完成相關(guān)的任務(wù)。
b）反應(yīng)性：agent能感知和作用于其所處的環(huán)境，對(duì)環(huán)境的變化能做出及時(shí)的響應(yīng)，這些環(huán)境可以是物理的世界、使用圖形接口的用戶、其他agent集合或所有這些的組合。
c）能動(dòng)性：agent不僅能對(duì)所處環(huán)境做出響應(yīng)，還能主動(dòng)展現(xiàn)面向目標(biāo)的行為。
d）通信性：agent之間的交互隨任務(wù)驅(qū)動(dòng)的變化而進(jìn)行調(diào)整，彼此協(xié)作完成復(fù)雜的任務(wù)。
e）移動(dòng)性：agent可在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上隨時(shí)、自主地實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間遷移，正在運(yùn)行中的agent狀態(tài)可以被存儲(chǔ)且傳送到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，且中止agent程序可以被恢復(fù)執(zhí)行。

2 數(shù)據(jù)管理體系結(jié)構(gòu)

目前，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)管理大多采用近似客戶/服務(wù)器的數(shù)據(jù)處理模式[5]，可分為集中式數(shù)據(jù)管理結(jié)構(gòu)和分布式數(shù)據(jù)管理結(jié)構(gòu)兩種。

集中式數(shù)據(jù)管理結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是感知數(shù)據(jù)的處理和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的訪問是相對(duì)獨(dú)立的，各傳感器節(jié)點(diǎn)感知的數(shù)據(jù)經(jīng)多跳后路由至匯聚中心或服務(wù)器處理，網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)管理決策由處理中心負(fù)責(zé)，這種方法很簡單，但是由于所有傳感器的數(shù)據(jù)都要求傳送到中心處理節(jié)點(diǎn)，通信開銷很大，使用范圍較小。

分布式數(shù)據(jù)管理結(jié)構(gòu)又稱網(wǎng)內(nèi)處理結(jié)構(gòu)?？紤]到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的大規(guī)模分布，大量冗余信息傳輸可能造成的能耗損失及較大的通信開銷，因此分布式數(shù)據(jù)關(guān)系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)中部分傳感器節(jié)點(diǎn)除負(fù)擔(dān)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)外，還負(fù)責(zé)部分的數(shù)據(jù)管理任務(wù)，如執(zhí)行聚集操作等。

3 基于移動(dòng)agent的數(shù)據(jù)管理框架

在支撐傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)際數(shù)據(jù)服務(wù)環(huán)境中，上述體系結(jié)構(gòu)在占用網(wǎng)絡(luò)帶寬、負(fù)載平衡以及因節(jié)點(diǎn)失效而動(dòng)態(tài)調(diào)整數(shù)據(jù)處理策略等方面尚存在不足[6]。
基于移動(dòng)agent的數(shù)據(jù)管理思想是利用agent將網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)駐留在獲取它的節(jié)點(diǎn)上，通過agent或計(jì)算引擎將特定信息需求的代碼及狀態(tài)在網(wǎng)絡(luò)中傳播與處理，并將最終的信息返回給數(shù)據(jù)管理中心（匯聚節(jié)點(diǎn)或中心服務(wù)器）。
基于移動(dòng)agent的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。

結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的分布式特點(diǎn)以及數(shù)據(jù)管理任務(wù)的分派方式，基于移動(dòng)agent的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)管理框架主要包括移動(dòng)agent實(shí)體與移動(dòng)agent服務(wù)環(huán)境兩部分。如圖2所示。

移動(dòng)agent服務(wù)環(huán)境是系統(tǒng)的核心部分，提供一個(gè)位置透明、便于控制、安全可靠的數(shù)據(jù)管理執(zhí)行環(huán)境，主要負(fù)責(zé)移動(dòng)agent的創(chuàng)建、運(yùn)行、掛起、終止、傳送和接收等工作。該服務(wù)環(huán)境依據(jù)預(yù)置的初始任務(wù)執(zhí)行方案，確定agent的遷移與協(xié)作的策略以及傳輸通信機(jī)制。

移動(dòng)agent實(shí)體包括服務(wù)agent和信使agent兩類，是網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)管理任務(wù)的分派與執(zhí)行者。服務(wù)agent駐留于移動(dòng)agent服務(wù)環(huán)境，為信使agent提供資源和基礎(chǔ)環(huán)境的訪問支持與任務(wù)決策。服務(wù)agent按照macp（移動(dòng)代理控制協(xié)議），發(fā)送移動(dòng)agent程序，并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)狀態(tài)信息控制其行為。信使agent在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)源之間移動(dòng)，利用對(duì)資源的控制來滿足遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)源訪問的目的。
與目前網(wǎng)內(nèi)處理的數(shù)據(jù)管理體系結(jié)構(gòu)相比較，基于移動(dòng)agent的數(shù)據(jù)管理框架是通過移動(dòng)代理技術(shù)，將代理支撐環(huán)境駐留在節(jié)點(diǎn)設(shè)備上，基于移動(dòng)agent服務(wù)環(huán)境的數(shù)據(jù)管理中心，根據(jù)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)選擇適當(dāng)功能的agent程序發(fā)送到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，在agent運(yùn)行環(huán)境中生成程序?qū)嵗╥nstance），完成預(yù)期功能。該管理框架本質(zhì)上是利用agent靈活的數(shù)據(jù)收集與計(jì)算能力，將處理功能移向數(shù)據(jù)源本地，使得數(shù)據(jù)管理所需的計(jì)算最大限度地分布于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，各傳感節(jié)點(diǎn)的感知數(shù)據(jù)通過agent自主管理，并能及時(shí)獲得性能態(tài)勢(shì)，另外，agent之間的協(xié)商與知識(shí)學(xué)習(xí)機(jī)制，利用動(dòng)態(tài)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理任務(wù)的決策，滿足傳感器網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)化。

4 移動(dòng)agent的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

用于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)管理的移動(dòng)agent是指根據(jù)數(shù)據(jù)管理需求動(dòng)態(tài)發(fā)布到數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)，并在目標(biāo)節(jié)點(diǎn)執(zhí)行的一段程序，目的是優(yōu)化管理，agent的行為（啟動(dòng)、掛起、終止、刪除）完全受控于發(fā)送它的進(jìn)程，如圖3所示，移動(dòng)agent的結(jié)構(gòu)包括通信層、推理機(jī)、管理層和agent知識(shí)庫4部分，一個(gè)移動(dòng)agent的內(nèi)部行為表現(xiàn)為通信層接收外部環(huán)境的信息（來自其他agent的消息與請(qǐng)求），由推理機(jī)（包含數(shù)據(jù)處理相關(guān)的先驗(yàn)規(guī)則集）根據(jù)這些消息、請(qǐng)求以及agent的狀態(tài)，與知識(shí)庫交互學(xué)習(xí)。

服務(wù)agent的關(guān)系任務(wù)決策層根據(jù)推理機(jī)得出的結(jié)果做出合理的任務(wù)判決，通過通信層將任務(wù)分派給信使agent，信使agent獲得分派任務(wù)后，執(zhí)行遷移動(dòng)作，到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)后，信使agent對(duì)獲知的傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、推理后，執(zhí)行相關(guān)的動(dòng)作（采集、融合、查詢等），同時(shí)更新agent狀態(tài)信息，并確定需完成的下一個(gè)管理任務(wù)集。信使agent完成任務(wù)后，將結(jié)果傳送給服務(wù)agent。

5 移動(dòng)agent之間的通信機(jī)制

移動(dòng)agent通信層支持分布式?jīng)Q策中的協(xié)商過程，接收來自其他agent的執(zhí)行請(qǐng)求、通知或結(jié)果信息。協(xié)商過程要求能及時(shí)了解傳感器所完成的數(shù)據(jù)處理能力，移動(dòng)agent之間的通信消息來自agent內(nèi)部的決策過程，包含數(shù)據(jù)管理相關(guān)的標(biāo)識(shí)、類型、內(nèi)容及發(fā)送和接收者。系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理決策任務(wù)優(yōu)先級(jí)由服務(wù)agent確定，執(zhí)行任務(wù)的優(yōu)先級(jí)則由信使agent確定。管理任務(wù)的性能指標(biāo)經(jīng)移動(dòng)agent間的協(xié)商確定。

6 結(jié)束語

目前，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)存在感知數(shù)據(jù)量大、無線通信帶寬低、每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分配到的能量有限、所在環(huán)境不可靠等問題。移動(dòng)agent應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)管理將有助于在帶寬、能量受限的不穩(wěn)定動(dòng)態(tài)環(huán)境中處理大量數(shù)據(jù)，減少開發(fā)和應(yīng)用成本，在一定程度上降低無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)管理的復(fù)雜性，在以后的研究中，將在數(shù)據(jù)管理體系結(jié)構(gòu)的形式化表示技術(shù)以及能耗分析上做進(jìn)一步深入的研究。