CN101170573B - 主动无线传感器网络中间件系统与实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于中间件的主动无线传感器平台的设计。本发明设计一种支持主动无线传感器网络的通用目的中间件系统，该中间件系统能运行在资源受限的传感器网络节点上，系统提供网络服务管理，数据管理和任务管理功能，提供允许用户定制网络节点服务功能，允许其应用在不同的传感器网络环境中，达到代码共享、减少传感器网络应用程序开发周期、增加传感器网络软件健壮性的要求。本发明所采用的技术方案是：基于移动Agent技术的主动无线传感器网络的通用目的中间件系统，系统包括由多个动态Agent构成的应用层、多个位于应用层下的系统服务模块、一个位于网络层上的移动Agent执行环境、以及一个位于网络层上的主动分组管理器。

Description

主动无线传感器网络中间件系统与实现方法

技术领域

本发明通常涉及无线传感器网络领域，具体是指采用移动Agent技术实现的支持主动传感器网络的中间件系统及其实现方法。

背景技术

无线传感器网络是由大量低功耗、多功能的微型无线传感器协同组织起来的一种特殊的AdHoc网络，它具有自组织、多跳路由、动态拓扑、硬件资源和电源容量有限、节点数目众多而分布密集、以数据为中心等特点，可应用于军事、环境、健康、家庭、商业等领域。相比于传统网络，传感器网络具有以下特点：1)资源极端受限；2)无“纯粹的”路由器和交换机等中间节点，网络中每一个节点同时承担路由和“终端”系统的功能；3)网络节点具有“计算”功能，采用“存储-计算-转发”模式，更类似于主动网络。当前，传感器网络存在多方面的应用难点：缺乏统一的网络标准，不确定的系统软件和应用软件边界，各类应用系统或中间件系统都是针对某类特定应用和特定环境的；因此，开发传感器网络应用程序需要花费很长的周期。

中间件是一类软件，将应用软件所面临的共性问题进行提炼、抽象，在操作系统之上形成一个可复用的部分。目前传感器网络涉及中间件系统有Mate、MagnetOs、TinyDB、Cougar、Sina、Agilla、Impala、MIRES等。这些中间件系统仅提供某项服务，而不是通用目的的传感器网络中间件系统。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种主动无线传感器网络中间件系统与实现方法，该中间件系统能运行在资源受限的传感器网络节点上，系统以模块化形式提供网络服务管理，数据管理和任务管理功能，通过主动包提供用户定制网络节点服务功能，能应用在不同的传感器网络环境中，达到代码共享、减少传感器网络应用程序开发周期、增加传感器网络软件健壮性的要求。

本发明所采用的技术方案之一是，所述主动无线传感器网络中间件系统的组成为：

1)两层移动Agent应用模型，应用层及位于应用层下系统服务提供层，明确的系统与应用软件边界；

2)应用层由多个用户定制动态Agent构成；

3)系统服务提供层包括多个系统agent，系统agent以静态Agent形式提供多个系统服务；系统通用目的功能大都在这层提供；

4)一个位于网络层上的移动Agent执行环境；

5)一个位于网络层上的主动分组管理器；

6)系统支持主动传感器网络。

以下对本发明做出进一步说明。

本发明根据传感器网络的“主动”本性，设计了一种支持主动传感器网络的中间件系统MobCor，系统采用Mobile Agent技术实现。MobCor通过在应用程序和操作系统(Operate System OS)之间增加执行环境(ExecutionEnvironment，EE)层，即通用目的的中间件层，更合理的包装节点操作系统所提供的服务并为传感器网络应用提供更一般化服务和执行环境，减少传感器网络应用程序的开发周期，同时也更有效的利用了传感器网络中有限的系统资源。

系统所有系统和应用服务模块皆以移动Agent形式出现，可动态装/卸载，由移动Agent执行环境统一调度运行。网络中存在两种类型的包：传统包和主动包。传统包类似普通的IP包，主动包采用移动Agent形式封装。网络包经节点驱动模块后首先被主动分组管理器处理，对传统包，主动分组管理器实行“存储-转发”模式；而主动包，主动分组管理器将其交给移动Agent执行环境。移动Agent执行环境由代理管理器、代理引擎和元组空间构成构成。当分组到达移动Agent执行环境后，执行环境的代理管理器首先检查此主动分组所携带的移动Agent是否被其代理仓库所包含，如果未被包含，将其载入到代理仓库中，否则根据代理中的路径规划数据转发出去。

在本发明的系统中，所述移动Agent由行为、事件、条件、数据组成；所述行为描述用户定制的任务；所述事件和条件描述任务运行前提和环境；所述数据描述任务运行的结果及中将数据。

所述两层应用移动Agent模型分为应用层的用户定制动态Agent和系统服务提供层的静态Agent；即在本发明的描述中，为区分移动Agent是否会自由迁移，将移动Agent分为两类：静态Agent和动态Agent。静态Agent为不具备移动功能的移动Agent，而动态Agent为允许自由迁移的移动Agent。由所述用户定制动态Agent实现传感器各类应用，可动态装载与卸载，完成特定任务。

所述多个位于应用层下的系统agent提供网络服务管理、数据管理、分布式任务管理在内的三大功能；所述网络服务管理提供一系列网络服务，如服务发现、时钟同步等等；数据管理提供数据保存、数据获取、数据融合等服务；任务管理层负责任务分配、任务协同、任务迁移、任务调度、执行环境等功能。所有功能模块都为动态可装/卸载模块，为系统预定义静态Agent；由Agent执行环境统一调度运行。

所述静态Agent为只存在宿主机上的提供一个或多个特定功能的Agent，不可以迁移到其它主机上。

所述移动Agent执行环境由代理管理器、代理引擎和元组空间构成；代理管理器负责代理管理，代理引擎负责代理运行调度，元组空间是代理协作的场所，它们共同构成了移动Agent无差别的运行环境。

所述主动分组管理器负责识别网络包，并针对网络包类型做出处理。

所述系统支持主动传感器网络位于主动网络的执行环境层，运行在节点操作系统之上，提供一种标准的执行环境，既转发传统包，也让符合条件的主动包无差别的运行；用户或应用程序可以通过注入计算包来完成指定任务。

本发明的技术方案之二是，所述主动无线传感器网络中间件系统实现方法的步骤为：

1)首先编译中间件系统，并针对具体应用预定义相关系统Agent和特定Agent，将整个系统烧到传感器节点上；

2)布置与网络连接的网关，打开后台Agent管理软件SenorView；

3)开始工作时，传感器节点间通过自组织成无线多跳网络，并把网络拓扑信息传回给网关。检查SenorView的拓扑显示图，了解网络运行情况；

4)用户单击SenorView上相关的移动Agent封装模板的链接，启动相应的移动Agent管理器，并通过移动Agent管理器，启动相关的封装模板；

5)用户定义和定制已选择出的移动Agent封装模板，定义和定制内容包括移动Agent的行为、事件、条件和运行参数、目标节点列表；

6)用户单击发送按钮，移动Agent将通过网关节点派送出去；

7)系统路由Agent负责封装了移动Agent包的路由，并根据移动Agent的目标节点列表标识网络包中相关的Flag位；主动分组管理器根据Flag位决定转发包或调入代理执行环境中运行；

8)当移动Agent完成其定制的所有任务后，驻扎在源端的系统控制Agent通过回收机制将结果返回给网关，最终由SensorView负责评估并将评估结果返回给用户，用户再分配新的任务。

由以上可知，本发明为主动无线传感器网络中间件系统与实现方法，该中间件系统能运行在资源受限的传感器网络节点上，系统以模块化形式提供网络服务管理，数据管理和任务管理功能，通过主动包提供用户定制网络节点服务功能，能应用在不同的传感器网络环境中，达到代码共享、减少传感器网络应用程序开发周期、增加传感器网络软件健壮性的要求。

附图说明

图1是本发明主动无线传感器网络协议栈和功能模块图；

图2是本发明的两层移动Agent应用模型图；

图3是本发明的移动Agent执行环境内部结构示意图；

图4是本发明中移动Agent结构示意图；

图5是本发明中网络包结构图；

图6是本发明中系统实施流程图。

具体实施方式

本发明系统组成是：

1)两层移动Agent应用模型，应用层及位于应用层下系统服务提供层，明确的系统与应用软件边界；

2)应用层由多个用户定制动态Agent构成；

3)系统服务提供层包括多个系统agent，系统agent以静态Agent形式提供 多个系统服务；系统通用目的功能大都在这层提供；

4)一个位于网络层上的移动Agent执行环境；

5)一个位于网络层上的主动分组管理器；

6)系统支持主动传感器网络。

图1为主动传感器网络协议栈和功能模块映射图，共分为三层，节点操作系统，执行环境和主动应用层。节点操作系统提供物理设备的抽象和高协调性的通用函数实现；执行环境层即中间件层，由主动分组管理器、移动Agent执行环境、系统服务提供层构成。系统服务提供层位于中间件层的顶部，采用静态Agent形式提供网络服务管理、数据管理和任务管理等功能；移动Agent执行环境为移动Agent提供统一的运行环境；主动分组管理器用于管理网络包，分辨主动包或者数据包。主动应用层及应用层，利用执行环境层提供的服务构建主动传感器网络应用。

图2为本发明的两层移动Agent应用模型图，由多个用户定制的动态Agent组成应用层通过调用中间件系统服务层的静态Agent所提供的服务来构成各类传感器网络应用。网络包经节点驱动模块后首先被主动分组管理器处理，对数据包主动分组管理器实行“存储-转发”模式；而主动包，主动分组管理器将其交给移动Agent执行环境。移动Agent执行环境将执行结果返回给系统服务层或者直接返回给应用层。

图3是移动Agent执行环境内部结构示意图，由代理管理器、代理引擎和元组空间构成。代理管理器由代理仓库、代理上下文、代理操作集组成。代理仓库保存了节点当前所有的移动Agent，包括系统预定义静态Agent和接收的动态Agent；代理上下文保存了节点上各个移动Agent的执行环境、状态及其所需的数据；代理操作集是代理管理器与代理引擎之间的接口。代理引擎是MobCor的核心，控制节点上所有移动Agent的执行过程，解释其所有指令。当前绝大部分传感器网络操作系统，如Tinyos，不支持动态内存分配机制；而移动Agent又需求动态内存分配机制，因此它提供内存动态分配功能。另外，代理引擎还运行一个简单的时间片轮转(round-robin)调度器，控制每个移动Agent最多可以运行的指令，将移动Agent置于不同的状态，阻塞或就绪或运行态.代理引擎也负责代理的发送和接收工作。元组空间是共享的内存池，如同装满了元组的容器，供节点上所有代理访问。元组空间通常被用来实现代理间的通信和异步操作，提供store，withdraw，find等原语。代理管理器、代理引擎和元组空间构成了Agent的执行环境，应用程序只需封装其移动Agent来执行任务。

图4为本发明中移动Agent结构示意图，由行为、事件、条件、数据组成。行为描述了移动Agent所需执行的任务，分成两部分，一部分用来保存代码，另一部分用来保存运行所需参数。事件定义了代理被触发的事件，允许为空。条件定义了代理执行需满足的条件。数据段也分为两部分，一部分为代理本身的属性，如代理ID、代理的移动路径，另一部分用于保存代理执行所需的数据。

图5是本发明中网络包示意图，resultID是接收移动Agent处理结果的节点ID；Flag为8bit的标志域，目前8比特的F1ag域中只有两位有效，一位用以指示主动节点在不认识handlerID域中的信息时是转发分组还是丢弃分组还是转发分组，另一位用于标明包类型，数据包或者主动包；handlerID是消息类型域，仅对主动包有用；mobile Agent header域包含移动Agent的相关信息；MobileAgent为实际移动Agent段。

图6是本发明中系统实施流程图，其具体步骤包括：

1)首先编译中间件系统，并针对具体应用预定义相关系统Agent和特定Agent，将整个系统下载到传感器节点上；

2)布置好与网络连接好的网关，打开后台移动Agent管理软件SenorView；

3)开始工作时，传感器节点传感器节点间通过自组织成无线多跳网络，并把网络拓扑信息传回给网关。检查SenorView的拓扑显示图，了解网络运行情况。

4)用户单击SenorView上相关的移动Agent封装模板的链接，启动相应的移动Agent管理器，并通过移动Agent管理器，启动相关的封装模板。

5)用户定义和定制已选择出的移动Agent封装模板，定义和定制内容包括移动Agent的行为、事件、条件和运行参数、目标节点列表。

6)用户单击发送按钮，移动Agent将通过网关节点派送出去。

7)系统路由Agent负责封装了移动Agent包的路由，并根据移动Agent的目标节点列表标识网络包中相关的Flag位；主动分组管理器根据Flag位决定转发包或调入代理执行环境中运行。

8)当移动Agent完成其定制的所有任务后，驻扎在源端的系统控制Agent通过回收机制将结果返回给网关，最终由SensorView负责评估并将评估结果返回给用户，用户再分配新的任务。

Claims (3)

1.一种支持主动无线传感器网络的通用目的中间件系统，其特征在于该中间件系统提供一种Agent的执行环境，既转发传统包，也让符合条件的主动包无差别的运行，该中间件系统包括：

1)两层移动Agent应用模型，两层移动Agent应用模型分为应用层的用户定制动态Agent和位于应用层之下的系统服务提供层的静态Agent；

2)应用层，应用层由多个用户定制动态Agent构成；所述用户定制动态Agent通过调用系统服务提供层的静态Agent所提供的服务来构成各类传感器网络应用；所述用户定制动态Agent实现传感器各类应用，可动态装载与卸载，完成特定任务；所述用户定制动态Agent为可以自由迁移的移动Agent；

3)系统服务提供层，系统服务提供层包括多个系统Agent，系统Agent以静态Agent形式提供多个系统服务；系统通用目的功能大都在这层提供；所述多个位于应用层下的系统Agent提供网络服务管理、数据管理、分布式任务管理在内的三大功能；所述网络服务管理提供包括服务发现、时钟同步在内的系列网络服务，所述数据管理提供数据保存和数据获取、数据融合服务；所述分布式任务管理负责任务分配和任务协同、任务迁移、任务调度功能；所有功能模块都为动态可装载与卸载模块，作为系统预定义静态Agent，由移动Agent执行环境统一调度运行；

4)一个位于网络层上的移动Agent执行环境；所述移动Agent执行环境由代理管理器、代理引擎和元组空间构成；代理管理器负责代理管理，代理引擎负责代理运行调度，元组空间是代理协作的场所，它们共同构成了移动Agent无差别的运行环境；

5)一个位于网络层上的主动分组管理器；所述主动分组管理器负责识别网络包，并针对网络包类型做出处理。

2.根据权利1所述的支持主动无线传感器网络的通用目的中间件系统，其特征是，所述移动Agent由行为、事件、条件、数据组成；所述行为描述用户定制的任务；所述事件和条件描述任务运行前提和环境；所述数据描述任务运行的结果及中间数据。

3.根据权利1所述的支持主动无线传感器网络的通用目的中间件系统，其特征是，所述静态Agent为只存在宿主机上的提供一个或多个特定功能的Agent，不可以迁移到其它主机上。

Images