本發(fā)明涉及的技術(shù)領(lǐng)域是無線傳感網(wǎng)，具體講,涉及基于定向擴散算法的分布式系統(tǒng)中間件。

背景技術(shù)：

廣泛應(yīng)用于軍事、智能交通、環(huán)境監(jiān)控、醫(yī)療衛(wèi)生等多個領(lǐng)域，無線傳感網(wǎng)是一種分布式傳感網(wǎng)絡(luò)，它是由可以感知和檢查外部世界的傳感器組成。傳感器間通過無線方式通信，因此網(wǎng)絡(luò)設(shè)置靈活，設(shè)備位置可以隨時更改，還可以跟互聯(lián)網(wǎng)進行有線或無線方式的連接。它是通過無線通信方式形成的一個多跳自組織網(wǎng)絡(luò)。無線傳感網(wǎng)絡(luò)具有規(guī)模性、自組織性、動態(tài)性、可靠性、以數(shù)據(jù)為中心的特點。很多應(yīng)用不僅用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸信息，而且還利用它進行網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部數(shù)據(jù)處理及分布式計算，如數(shù)據(jù)融合、分類和目標追蹤。但是，傳感器節(jié)點由于能量有限，容易造成節(jié)點失效。同時無線傳感網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)也會因為節(jié)點移動而變化。

在分布式無線傳感網(wǎng)絡(luò)中，分布式服務(wù)能夠維持網(wǎng)絡(luò)的可靠性，開發(fā)者針對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的改變，可以定制自己的監(jiān)測算法，比如針對傳感網(wǎng)中可獲得的服務(wù)，傳感器節(jié)點遷移或者任務(wù)改變等問題，定制自身的監(jiān)測算法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明旨在實現(xiàn)在傳感網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)改變時依然保證系統(tǒng)的自適應(yīng)性。具體而言，本發(fā)明基于定向擴散算法首次提出運行于無線傳感網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層之上的分布式系統(tǒng)中間件，主要用以解決無線傳感網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點移動，節(jié)點失效所導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)動態(tài)變化從而影響正常傳輸?shù)膯栴}。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是，包括在定向擴散算法之上建立的三種分布式服務(wù):分布式查詢服務(wù)器、分布式組合服務(wù)器、分布式動態(tài)適應(yīng)服務(wù)器，以及與分布式組合服務(wù)和分布式動態(tài)適應(yīng)服務(wù)通信的連接器；具體來講是：

分布式查詢服務(wù)器包含來自多個簇的多種服務(wù)信息，該信息包括服務(wù)提供者的位置和提供服務(wù)的類型，當簇需要服務(wù)時，首先對分布式注冊服務(wù)器提出請求，進行注冊，注冊服務(wù)器將距離該簇最近的服務(wù)提供者位置信息返回給請求的簇；

分布式組合服務(wù)器通過添加或移除各節(jié)點來管理節(jié)點，進而通過每一個節(jié)點來簡化服務(wù)提供者的動態(tài)重配置，同時，允許對指定的單個節(jié)點或簇節(jié)點進行獨立設(shè)計；

分布式動態(tài)適應(yīng)服務(wù)器用于控制處于網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)失敗和動態(tài)重配置狀態(tài)下的節(jié)點，控制的基礎(chǔ)是借助分布式組合服務(wù)和分布式查詢服務(wù)的信息，使用分析工具對信息進行分析，進而對節(jié)點進行控制，具體地，分布式適配服務(wù)監(jiān)測正常運行期間的節(jié)點簇，并及時發(fā)現(xiàn)包括節(jié)點移動和節(jié)點失效等異常動態(tài)行為，當發(fā)現(xiàn)這些行為時，協(xié)同分布式查詢服務(wù)器、分布式組合服務(wù)器，觸發(fā)動態(tài)重置功能，分布式適配服務(wù)將會產(chǎn)生合適的重配置操作計劃，從而確保重配置和異常情況受影響的節(jié)點在全局上保持一致；

節(jié)點間通過連接器互相作用，連接器封裝了連接的狀態(tài)與屬性，連接器包含通信方法，終點接口以及附屬傳感節(jié)點的詳細說明。

本發(fā)明的特點及有益效果是：

本發(fā)明提出了一組介于網(wǎng)絡(luò)層與應(yīng)用層間的分布式服務(wù)。致力于解決節(jié)點易失效，出錯率高，和動態(tài)拓撲變換的問題，其效果主要體現(xiàn)在以下兩方面：

1一些遠程監(jiān)測系統(tǒng)或目標跟蹤系統(tǒng)使用分布式查詢服務(wù)器，分布式組合服務(wù)器，分布式適配服務(wù)器和連接器，可以解決節(jié)點故障與移動問題，進一步講，新的應(yīng)用服務(wù)將會很好的支持現(xiàn)有的應(yīng)用。

2內(nèi)在機制允許節(jié)點具備自身集成，并構(gòu)建臨時網(wǎng)絡(luò)的能力，這種臨時網(wǎng)絡(luò)可擴展，節(jié)點可移動，任務(wù)可變更。此外節(jié)點具備感知自身以及周圍節(jié)點的能力，周圍節(jié)點能夠為它們提供資源或服務(wù)。雖然節(jié)點是自治的，但這些節(jié)點可以與其它節(jié)點合作以共同傳輸信息或適配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變化。

3分布式服務(wù)是一個中間件，與不具備分布式服務(wù)中間件的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相比，擁有分布式服務(wù)中間件的無線傳感網(wǎng)絡(luò)可以利用其中間件做大規(guī)模的資源約束，從而使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠動態(tài)適應(yīng)環(huán)境變化。中間件不僅可以保證無線傳感網(wǎng)的傳輸質(zhì)量，而且可以使應(yīng)用程序的開發(fā)簡單高效。在分布式服務(wù)中間件中，分布式組合服務(wù)通過管理節(jié)點來動態(tài)處理面向任務(wù)的組，這不僅有效的提高了應(yīng)用程序的透明度，也提高了其可靠性和能源利用率。

附圖說明：

圖1自組織傳感網(wǎng)絡(luò)的框架。

具體實施方式

本發(fā)明基于定向擴散算法首次提出運行于無線傳感網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層之上的分布式系統(tǒng)中間件，主要用以解決無線傳感網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點移動，節(jié)點失效所導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)動態(tài)變化從而影響正常傳輸?shù)膯栴}。

隨著硬件技術(shù)進步以及需求量的不斷發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點所承擔(dān)的任務(wù)由單一的信息傳遞逐漸擴展到網(wǎng)絡(luò)內(nèi)數(shù)據(jù)處理以及分布式計算。但是，該無線網(wǎng)絡(luò)由于工作在較為惡劣的環(huán)境中并依靠電池供電，能量有限，節(jié)點易失效。在很多場景中，節(jié)點的移入移出較為普遍,由此導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)拓撲變化頻繁。如何在這種動態(tài)的環(huán)境下依然保證可靠傳輸一直以來都是該領(lǐng)域的研究難點。

本發(fā)明通過建立基于定向擴散算法的分布式中間件來解決這些問題，系統(tǒng)兼容分布式傳感器應(yīng)用的重新配置，擴展性強，可靠性高。系統(tǒng)在定向擴散算法之上建立三種分布式服務(wù):分布式查詢服務(wù)，分布式組合服務(wù)以及分布式動態(tài)適應(yīng)服務(wù)。這些分布式服務(wù)的重要功能是在傳感網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)改變時依然保證系統(tǒng)的自適應(yīng)性。進一步講，這些分布式服務(wù)能夠提高系統(tǒng)的整體性能，如吞吐量和延遲等?；谶@三種服務(wù)，本發(fā)明還開發(fā)了名為連接器的重要組成，連接器主要與分布式組合服務(wù)和分布式動態(tài)適應(yīng)服務(wù)通信，支持傳感器節(jié)點間的可靠通信與可配置通信。

本發(fā)明提出一組應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)層與應(yīng)用層之間的分布式服務(wù)中間件，其目標是解決無線傳感網(wǎng)中傳感器節(jié)點易失效，出錯率高，節(jié)點移動所導(dǎo)致的拓撲結(jié)構(gòu)變化引起的傳輸質(zhì)量受影響的問題。技術(shù)方案主要涉及以下四方面。

1分布式查詢服務(wù)

在一個自組織的無線傳感網(wǎng)中，由一組節(jié)點可以組成簇，又稱為簇節(jié)點，多個新的系統(tǒng)服務(wù)可以通過簇引入。如果一個簇可以為其他多個簇提供服務(wù)，則該簇節(jié)點稱為服務(wù)提供者；如果一個簇使用其他多個簇提供的各種服務(wù)，該簇節(jié)點稱為服務(wù)使用者。服務(wù)提供者與注冊服務(wù)器經(jīng)過多次握手確認后，可以將自身的標識與位置信息在注冊服務(wù)器上注冊，注冊成功后，其他簇可以通過訪問該服務(wù)器進行查詢，獲取服務(wù)提供者的信息。一個分布式查詢服器會包含多個簇上的多種服務(wù)資源信息，該信息包括服務(wù)提供者的位置和提供服務(wù)的類型等。當簇需要某種服務(wù)時，首先對分布式注冊服務(wù)器提出請求，注冊服務(wù)器將距離該簇最近的服務(wù)提供者的位置信息返回給請求的簇。分布式查詢服務(wù)主要功能實現(xiàn)于分布式注冊服務(wù)器。多個分布式查詢服務(wù)之間需要同步。

2分布式組合服務(wù)

分布式組合服務(wù)通過添加或移除各節(jié)點來管理簇，進而通過每一個節(jié)點來簡化服務(wù)提供者的動態(tài)重配置，同時，允許對指定的單個節(jié)點進行獨立設(shè)計。這樣使單個簇節(jié)點設(shè)計更容易，并且簡化了大規(guī)模自組織傳感網(wǎng)的開發(fā)。

分布式組合服務(wù)加強了網(wǎng)絡(luò)組合性和簇間抽象性，簇通過與周圍的簇協(xié)同任務(wù)來提供分布式服務(wù)，比如收集匯總信息等，同時分布式服務(wù)使簇與簇之間的通信更容易，從而為簇之間的通信提供了可靠保證。簇頭節(jié)點是一個集簇間協(xié)調(diào)與控制，簇內(nèi)通信和其它一些網(wǎng)絡(luò)管理功能于一體的多功能控制節(jié)點。保證簇內(nèi)與簇間節(jié)點間通信高效實現(xiàn)。分布式組合服務(wù)主要功能實現(xiàn)于分布式組合服務(wù)器。

3分布式適配服務(wù)

分布式適配服務(wù)可以控制處于網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)失敗和動態(tài)重配置狀態(tài)下的節(jié)點，控制的基礎(chǔ)是借助分布式組合服務(wù)和分布式查詢服務(wù)的信息，使用分析工具對信息進行分析，進而對節(jié)點進行控制。分布式適配服務(wù)會監(jiān)測正常運行期間的簇節(jié)點，并能及時發(fā)現(xiàn)簇內(nèi)節(jié)點移動和節(jié)點失效等動態(tài)行為。當發(fā)現(xiàn)有節(jié)點失效等異常行為時，協(xié)同其他兩種服務(wù)，觸發(fā)動態(tài)重置功能，分布式適配服務(wù)將會產(chǎn)生合適的重配置操作計劃從而確保重配置和異常情況受影響的節(jié)點在全局上保持一致。為了確保適配正確與維持一致，分布式適配服務(wù)充分利用了分析工具和來自于分布式組合服務(wù)，分布式查詢服務(wù)的相關(guān)信息。當節(jié)點在靈敏的網(wǎng)絡(luò)中被添加或移除時，一系列的分析工具將會被用以確保網(wǎng)絡(luò)正常運轉(zhuǎn)和高效傳輸。分布式適配服務(wù)功能是通過分布式適配服務(wù)器實現(xiàn)的。

4連接器

節(jié)點間通過連接器互相作用，連接器封裝了連接的狀態(tài)與屬性。連接器包含通信方法，終點接口以及附屬傳感節(jié)點的詳細說明。正因如此，節(jié)點不必感知通信方法是在何時如何改變的，也不必感知其他節(jié)點是何時如何建立連接的。運行機制允許激活的連接器動態(tài)適應(yīng)節(jié)點的恢復(fù)、替換、部署和移除。允許設(shè)計者實現(xiàn)替換并重新配置節(jié)點或者改變節(jié)點間的相互作用行為。

本示例以一個成型的自組織傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為例來給出發(fā)明的實施方式。其具體內(nèi)容如下：

如圖1所示，該網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由3個關(guān)鍵的系統(tǒng)層組成：應(yīng)用層系統(tǒng)，比如包括傳感信息處理和信號處理等；可配置的分布式系統(tǒng)，為應(yīng)用層提供分布式服務(wù)；傳感網(wǎng)絡(luò)與物理設(shè)備層，路由信息以點對點的方式在傳感網(wǎng)絡(luò)中傳輸。

在物理設(shè)備層，不同的物理傳感設(shè)備和移動設(shè)備在點對點的網(wǎng)絡(luò)中配置。每個節(jié)點擁有電池能量供應(yīng)，無線通信功能，多種傳感模式，還有計算處理單元和有限的內(nèi)存。為了達到計算速度快和實時數(shù)據(jù)處理的目的，使用雙核處理器。還支持3種通用的傳感模式：聲音傳感，使用商業(yè)麥克風(fēng)實現(xiàn)；地震振動器使用地音探測器實現(xiàn)；移動監(jiān)測使用2像素的紅外熱像儀實現(xiàn)。節(jié)點內(nèi)置的無線收發(fā)機使得節(jié)點間可以使用時分復(fù)用和跳頻擴頻的方式實現(xiàn)通信。每一個節(jié)點還擁有g(shù)ps接收器，信息尋路和查詢處理會使用節(jié)點的位置信息。

在網(wǎng)絡(luò)層，點對點的路由協(xié)議允許信息通過多個簇節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)。使用定向擴散路由算法，原因在于它能夠動態(tài)適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓撲改變而且節(jié)能高效。為了提高檢索信息的效率，一個節(jié)點會建立一個關(guān)于該節(jié)點關(guān)鍵數(shù)據(jù)的梯度，一旦監(jiān)測到節(jié)點的關(guān)鍵數(shù)據(jù)被檢索，源節(jié)點就會以請求的速率發(fā)送數(shù)據(jù)給需要數(shù)據(jù)的節(jié)點。

可配置的分布式系統(tǒng)層是本發(fā)明的核心。在傳感網(wǎng)絡(luò)動態(tài)變化的情況下，通過引入分布式服務(wù)中間件，應(yīng)用層系統(tǒng)能夠很好的適配網(wǎng)絡(luò)層系統(tǒng)的動態(tài)變化，分布式服務(wù)使用擴散網(wǎng)絡(luò)協(xié)議按路線發(fā)送消息，在網(wǎng)絡(luò)動態(tài)改變時，也是如此。這些分布式服務(wù)支持應(yīng)用系統(tǒng)層的操作，比如分布式查詢操作，信號處理等，使用這些服務(wù)的優(yōu)點在于簡化應(yīng)用或系統(tǒng)程序使用的通信接口和抽象方法，進一步講，分布式服務(wù)能夠提高整體性能，如提高吞吐量和降低延遲。這些分布式服務(wù)將會通過借助網(wǎng)絡(luò)層定向擴散路由算法中提供api實現(xiàn)，既簡化了開發(fā)又高效利用了該算法的優(yōu)點。

在應(yīng)用系統(tǒng)層，分布式查詢處理和信號處理模型協(xié)同工作，具有動態(tài)支持監(jiān)測和跟蹤功能。在傳感信息系統(tǒng)中，移動感知調(diào)節(jié)器，傳感器代理和協(xié)同信號處理模型相互合作為網(wǎng)絡(luò)中各種各樣的傳感數(shù)據(jù)、監(jiān)測信息和跟蹤信息提供了高效的入口。移動的傳感信息層由三種主要的組件構(gòu)成：共享的移動對象，動態(tài)查詢處理和移動交換。

基于以上網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，我們以一個用于軍事上的目標追蹤與監(jiān)控的無線傳感網(wǎng)應(yīng)用來進一步說明。首先網(wǎng)絡(luò)中的每個簇節(jié)點都是由傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點組成，具有自組織與自適應(yīng)的功能。在網(wǎng)絡(luò)組建初期，各個節(jié)點都會以簇的方式向距離最近的查詢服務(wù)注冊，包括自己簇的最感興趣的信息并提供自己簇的當前位置信息，就本示例來講，感興趣的信息包括，如某一區(qū)域的簇對經(jīng)過該區(qū)域的坦克感或特定的人感興趣等。簇的結(jié)構(gòu)由簇頭和簇成員組成。這種區(qū)域性的集中與整體分布式的分級結(jié)構(gòu)對于節(jié)點的管理有非常積極的作用。簇頭的選擇可以利用能量優(yōu)化算法來完成，周期性選擇剩余能量最大的節(jié)點作為簇頭。簇頭管理預(yù)先定義的范圍內(nèi)的節(jié)點。簇間通信通過簇頭統(tǒng)一協(xié)調(diào)完成。網(wǎng)絡(luò)中多個查詢服務(wù)也會定期進行同步，保持注冊信息的一致性。當某一目標出現(xiàn)時，發(fā)現(xiàn)該目標的簇會主動向離它最近查詢服務(wù)請求需要該類型信息簇的位置等信息。當目標發(fā)現(xiàn)簇從最近的查詢服務(wù)處獲得了對目標感興趣的簇的信息，它會對簇成員發(fā)現(xiàn)的目標信息進行壓縮整合，利用下層路由協(xié)議提供的路徑進行信息發(fā)送，而信息的目的地是從查詢服務(wù)中獲得的簇信息。發(fā)送過程中，如果在路徑上的某一節(jié)點移動或失效，附近的適配器服務(wù)會及時發(fā)現(xiàn)這種特殊狀態(tài)，協(xié)調(diào)組合服務(wù)找到移動或失效節(jié)點所在簇頭，并及時安排替換失效節(jié)點，同時更新同步系統(tǒng)中多個組合服務(wù)的信息。提高系統(tǒng)實時性和保證了傳輸穩(wěn)定性。若是沒有該中間件，當節(jié)點失效或移動時，定向擴散路由協(xié)議對該現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)有延遲，會自發(fā)地產(chǎn)生大量的廣播包尋找替換路徑，造成巨大的網(wǎng)絡(luò)開銷和延遲。該中間件分布式系統(tǒng)的創(chuàng)建，提高了傳輸效率和能量利用率，降低端對端的延遲。提高了在應(yīng)對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點失效和移動等特殊事件系統(tǒng)的魯棒性和穩(wěn)定性，同時也不增加額外開銷。