基于移動Agent的無線傳感器網(wǎng)絡數(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)絡成為現(xiàn)實。無線傳感器網(wǎng)絡具有自組織性、自適應性與容錯性高等特點，在軍事、工農(nóng)業(yè)、生物醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測等許多重要領域具有十分廣泛的應用前景[1]。

無線傳感器網(wǎng)絡大量傳感器節(jié)點（sensor node）和少數(shù)匯聚節(jié)點（sink node）組成。位于監(jiān)測區(qū)域的傳感器節(jié)點負責采集相關(guān)數(shù)據(jù)信息，最終將數(shù)據(jù)傳送至匯聚節(jié)點，無線傳感器網(wǎng)絡是以數(shù)據(jù)為中心的，其目標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)具體來源于哪個傳感器節(jié)點?；谏鲜鏊枷?，數(shù)據(jù)庫研究者把無線傳感器網(wǎng)絡抽象為數(shù)據(jù)系統(tǒng)，使無線傳感器網(wǎng)絡的物理實現(xiàn)與應用相分離[2]。由于無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)特點是數(shù)據(jù)量大、時效性強、網(wǎng)絡節(jié)點在能量、計算、存儲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)點協(xié)作感知、采集、處理、發(fā)布數(shù)據(jù)信息的效率，進而更好地確定無線傳感器網(wǎng)絡的可用性和有效性。

移動agent是一種分布式計算技術(shù)，具有很多優(yōu)點。本文提出個一種基于移動agent技術(shù)改進現(xiàn)有的無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)管理模式的框架，利用移動agent不僅收集數(shù)據(jù)而且能夠處理數(shù)據(jù)的特點，減輕數(shù)據(jù)管理中心負載，克服了當前數(shù)據(jù)管理方案的局限性。

1 移動agent機制[4]

移動agent是分布式計算技術(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)絡節(jié)點間遷移，尋找并處理合適的資源，代表用戶完成特定的任務。agent在一個執(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)絡中遷移到另一個環(huán)境中恢復執(zhí)行。

移動agent的特性主要體現(xiàn)以下幾個方面：

a）自主性：agent一旦被初始化便可獨立執(zhí)行，無需后來的直接干預，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。
b）反應性：agent能感知和作用于其所處的環(huán)境，對環(huán)境的變化能做出及時的響應，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）能動性：agent不僅能對所處環(huán)境做出響應，還能主動展現(xiàn)面向目標的行為。
d）通信性：agent之間的交互隨任務驅(qū)動的變化而進行調(diào)整，彼此協(xié)作完成復雜的任務。
e）移動性：agent可在一個網(wǎng)絡上隨時、自主地實現(xiàn)節(jié)點間遷移，正在運行中的agent狀態(tài)可以被存儲且傳送到目標節(jié)點，且中止agent程序可以被恢復執(zhí)行。

2 數(shù)據(jù)管理體系結(jié)構(gòu)

目前，無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)管理大多采用近似客戶/服務器的數(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)的特點是感知數(shù)據(jù)的處理和無線傳感器網(wǎng)絡的訪問是相對獨立的，各傳感器節(jié)點感知的數(shù)據(jù)經(jīng)多跳后路由至匯聚中心或服務器處理，網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)管理決策由處理中心負責，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，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)。考慮到無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的大規(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)特點是網(wǎng)絡中部分傳感器節(jié)點除負擔數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)任務外，還負責部分的數(shù)據(jù)管理任務，如執(zhí)行聚集操作等。

3 基于移動agent的數(shù)據(jù)管理框架

在支撐傳感器網(wǎng)絡實際數(shù)據(jù)服務環(huán)境中，上述體系結(jié)構(gòu)在占用網(wǎng)絡帶寬、負載平衡以及因節(jié)點失效而動態(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)點上，通過agent或計算引擎將特定信息需求的代碼及狀態(tài)在網(wǎng)絡中傳播與處理，并將最終的信息返回給數(shù)據(jù)管理中心（匯聚節(jié)點或中心服務器）。
基于移動agent的無線傳感器網(wǎng)絡如圖1所示。

結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的分布式特點以及數(shù)據(jù)管理任務的分派方式，基于移動agent的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)管理框架主要包括移動agent實體與移動agent服務環(huán)境兩部分。如圖2所示。

移動agent服務環(huán)境是系統(tǒng)的核心部分，提供一個位置透明、便于控制、安全可靠的數(shù)據(jù)管理執(zhí)行環(huán)境，主要負責移動agent的創(chuàng)建、運行、掛起、終止、傳送和接收等工作。該服務環(huán)境依據(jù)預置的初始任務執(zhí)行方案，確定agent的遷移與協(xié)作的策略以及傳輸通信機制。

移動agent實體包括服務agent和信使agent兩類，是網(wǎng)絡數(shù)據(jù)管理任務的分派與執(zhí)行者。服務agent駐留于移動agent服務環(huán)境，為信使agent提供資源和基礎環(huán)境的訪問支持與任務決策。服務agent按照macp（移動代理控制協(xié)議），發(fā)送移動agent程序，并根據(jù)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)狀態(tài)信息控制其行為。信使agent在網(wǎng)絡數(shù)據(jù)源之間移動，利用對資源的控制來滿足遠程數(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agent的數(shù)據(jù)管理框架是通過移動代理技術(shù)，將代理支撐環(huán)境駐留在節(jié)點設備上，基于移動agent服務環(huán)境的數(shù)據(jù)管理中心，根據(jù)實際網(wǎng)絡狀態(tài)選擇適當功能的agent程序發(fā)送到目標節(jié)點，在agent運行環(huán)境中生成程序?qū)嵗╥nstance），完成預期功能。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)管理所需的計算最大限度地分布于整個網(wǎng)絡，各傳感節(jié)點的感知數(shù)據(jù)通過agent自主管理，并能及時獲得性能態(tài)勢，另外，agent之間的協(xié)商與知識學習機制，利用動態(tài)實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理任務的決策，滿足傳感器網(wǎng)絡性能優(yōu)化。

4 移動agent的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

用于網(wǎng)絡數(shù)據(jù)管理的移動agent是指根據(jù)數(shù)據(jù)管理需求動態(tài)發(fā)布到數(shù)據(jù)源節(jié)點，并在目標節(jié)點執(zhí)行的一段程序，目的是優(yōu)化管理，agent的行為（啟動、掛起、終止、刪除）完全受控于發(fā)送它的進程，如圖3所示，移動agent的結(jié)構(gòu)包括通信層、推理機、管理層和agent知識庫4部分，一個移動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的消息與請求），由推理機（包含數(shù)據(jù)處理相關(guān)的先驗規(guī)則集）根據(jù)這些消息、請求以及agent的狀態(tài)，與知識庫交互學習。

服務agent的關(guān)系任務決策層根據(jù)推理機得出的結(jié)果做出合理的任務判決，通過通信層將任務分派給信使agent，信使agent獲得分派任務后，執(zhí)行遷移動作，到達目標節(jié)點后，信使agent對獲知的傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)進行分析、推理后，執(zhí)行相關(guān)的動作（采集、融合、查詢等），同時更新agent狀態(tài)信息，并確定需完成的下一個管理任務集。信使agent完成任務后，將結(jié)果傳送給服務agent。

5 移動agent之間的通信機制

移動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)行請求、通知或結(jié)果信息。協(xié)商過程要求能及時了解傳感器所完成的數(shù)據(jù)處理能力，移動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)的標識、類型、內(nèi)容及發(fā)送和接收者。系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理決策任務優(yōu)先級由服務agent確定，執(zhí)行任務的優(yōu)先級則由信使agent確定。管理任務的性能指標經(jīng)移動agent間的協(xié)商確定。

6 結(jié)束語

目前，無線傳感器網(wǎng)絡存在感知數(shù)據(jù)量大、無線通信帶寬低、每個網(wǎng)絡節(jié)點分配到的能量有限、所在環(huán)境不可靠等問題。移動agent應用于無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)管理將有助于在帶寬、能量受限的不穩(wěn)定動態(tài)環(huán)境中處理大量數(shù)據(jù)，減少開發(fā)和應用成本，在一定程度上降低無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)管理的復雜性，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一步深入的研究。