CN107222520B - 一种基于定向扩散算法的分布式系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线传感网技术领域，为实现在传感网络拓扑结构改变时依然保证系统的自适应性。具体而言，本发明基于定向扩散算法首次提出运行于无线传感网网络层之上的分布式系统中间件，主要用以解决无线传感网络中节点移动，节点失效所导致的网络拓扑结构动态变化从而影响正常传输的问题。本发明采用的技术方案是，基于定向扩散算法的分布式系统中间件，包括在定向扩散算法之上建立的三种分布式服务:分布式查询服务器、分布式组合服务器、分布式动态适应服务器，以及与分布式组合服务和分布式动态适应服务通信的连接器。本发明主要应用于无线传感网场合。

Description

一种基于定向扩散算法的分布式系统

技术领域

本发明涉及的技术领域是无线传感网，具体讲,涉及基于定向扩散算法的分布式系统中间件。

背景技术

广泛应用于军事、智能交通、环境监控、医疗卫生等多个领域，无线传感网是一种分布式传感网络，它是由可以感知和检查外部世界的传感器组成。传感器间通过无线方式通信，因此网络设置灵活，设备位置可以随时更改，还可以跟互联网进行有线或无线方式的连接。它是通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络。无线传感网络具有规模性、自组织性、动态性、可靠性、以数据为中心的特点。很多应用不仅用无线传感器网络传输信息，而且还利用它进行网络内部数据处理及分布式计算，如数据融合、分类和目标追踪。但是，传感器节点由于能量有限，容易造成节点失效。同时无线传感网的拓扑结构也会因为节点移动而变化。

在分布式无线传感网络中，分布式服务能够维持网络的可靠性，开发者针对网络结构的改变，可以定制自己的监测算法，比如针对传感网中可获得的服务，传感器节点迁移或者任务改变等问题，定制自身的监测算法。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明旨在实现在传感网络拓扑结构改变时依然保证系统的自适应性。具体而言，本发明基于定向扩散算法首次提出运行于无线传感网网络层之上的分布式系统中间件，主要用以解决无线传感网络中节点移动，节点失效所导致的网络拓扑结构动态变化从而影响正常传输的问题。

本发明采用的技术方案是，包括在定向扩散算法之上建立的三种分布式服务:分布式查询服务器、分布式组合服务器、分布式动态适应服务器，以及与分布式组合服务和分布式动态适应服务通信的连接器；具体来讲是：

分布式查询服务器包含来自多个簇的多种服务信息，该信息包括服务提供者的位置和提供服务的类型，当簇需要服务时，首先对分布式注册服务器提出请求，进行注册，注册服务器将距离该簇最近的服务提供者位置信息返回给请求的簇；

分布式组合服务器通过添加或移除各节点来管理节点，进而通过每一个节点来简化服务提供者的动态重配置，同时，允许对指定的单个节点或簇节点进行独立设计；

分布式动态适应服务器用于控制处于网络恢复失败和动态重配置状态下的节点，控制的基础是借助分布式组合服务和分布式查询服务的信息，使用分析工具对信息进行分析，进而对节点进行控制，具体地，分布式适配服务监测正常运行期间的节点簇，并及时发现包括节点移动和节点失效等异常动态行为，当发现这些行为时，协同分布式查询服务器、分布式组合服务器，触发动态重置功能，分布式适配服务将会产生合适的重配置操作计划，从而确保重配置和异常情况受影响的节点在全局上保持一致；

节点间通过连接器互相作用，连接器封装了连接的状态与属性，连接器包含通信方法，终点接口以及附属传感节点的详细说明。

本发明的特点及有益效果是：

本发明提出了一组介于网络层与应用层间的分布式服务。致力于解决节点易失效，出错率高，和动态拓扑变换的问题，其效果主要体现在以下两方面：

1一些远程监测系统或目标跟踪系统使用分布式查询服务器，分布式组合服务器，分布式适配服务器和连接器，可以解决节点故障与移动问题，进一步讲，新的应用服务将会很好的支持现有的应用。

2内在机制允许节点具备自身集成，并构建临时网络的能力，这种临时网络可扩展，节点可移动，任务可变更。此外节点具备感知自身以及周围节点的能力，周围节点能够为它们提供资源或服务。虽然节点是自治的，但这些节点可以与其它节点合作以共同传输信息或适配网络结构变化。

3分布式服务是一个中间件，与不具备分布式服务中间件的无线传感器网络相比，拥有分布式服务中间件的无线传感网络可以利用其中间件做大规模的资源约束，从而使无线传感器网络能够动态适应环境变化。中间件不仅可以保证无线传感网的传输质量，而且可以使应用程序的开发简单高效。在分布式服务中间件中，分布式组合服务通过管理节点来动态处理面向任务的组，这不仅有效的提高了应用程序的透明度，也提高了其可靠性和能源利用率。

附图说明：

图1自组织传感网络的框架。

具体实施方式

本发明基于定向扩散算法首次提出运行于无线传感网网络层之上的分布式系统中间件，主要用以解决无线传感网络中节点移动，节点失效所导致的网络拓扑结构动态变化从而影响正常传输的问题。

随着硬件技术进步以及需求量的不断发展，无线传感器网络节点所承担的任务由单一的信息传递逐渐扩展到网络内数据处理以及分布式计算。但是，该无线网络由于工作在较为恶劣的环境中并依靠电池供电，能量有限，节点易失效。在很多场景中，节点的移入移出较为普遍,由此导致的网络拓扑变化频繁。如何在这种动态的环境下依然保证可靠传输一直以来都是该领域的研究难点。

本发明通过建立基于定向扩散算法的分布式中间件来解决这些问题，系统兼容分布式传感器应用的重新配置，扩展性强，可靠性高。系统在定向扩散算法之上建立三种分布式服务: 分布式查询服务，分布式组合服务以及分布式动态适应服务。这些分布式服务的重要功能是在传感网络拓扑结构改变时依然保证系统的自适应性。进一步讲，这些分布式服务能够提高系统的整体性能，如吞吐量和延迟等。基于这三种服务，本发明还开发了名为连接器的重要组成，连接器主要与分布式组合服务和分布式动态适应服务通信，支持传感器节点间的可靠通信与可配置通信。

本发明提出一组应用于网络层与应用层之间的分布式服务中间件，其目标是解决无线传感网中传感器节点易失效，出错率高，节点移动所导致的拓扑结构变化引起的传输质量受影响的问题。技术方案主要涉及以下四方面。

1分布式查询服务

在一个自组织的无线传感网中，由一组节点可以组成簇，又称为簇节点，多个新的系统服务可以通过簇引入。如果一个簇可以为其他多个簇提供服务，则该簇节点称为服务提供者；如果一个簇使用其他多个簇提供的各种服务，该簇节点称为服务使用者。服务提供者与注册服务器经过多次握手确认后，可以将自身的标识与位置信息在注册服务器上注册，注册成功后，其他簇可以通过访问该服务器进行查询，获取服务提供者的信息。一个分布式查询服器会包含多个簇上的多种服务资源信息，该信息包括服务提供者的位置和提供服务的类型等。当簇需要某种服务时，首先对分布式注册服务器提出请求，注册服务器将距离该簇最近的服务提供者的位置信息返回给请求的簇。分布式查询服务主要功能实现于分布式注册服务器。多个分布式查询服务之间需要同步。

2分布式组合服务

分布式组合服务通过添加或移除各节点来管理簇，进而通过每一个节点来简化服务提供者的动态重配置，同时，允许对指定的单个节点进行独立设计。这样使单个簇节点设计更容易，并且简化了大规模自组织传感网的开发。

分布式组合服务加强了网络组合性和簇间抽象性，簇通过与周围的簇协同任务来提供分布式服务，比如收集汇总信息等，同时分布式服务使簇与簇之间的通信更容易，从而为簇之间的通信提供了可靠保证。簇头节点是一个集簇间协调与控制，簇内通信和其它一些网络管理功能于一体的多功能控制节点。保证簇内与簇间节点间通信高效实现。分布式组合服务主要功能实现于分布式组合服务器。

3分布式适配服务

分布式适配服务可以控制处于网络恢复失败和动态重配置状态下的节点，控制的基础是借助分布式组合服务和分布式查询服务的信息，使用分析工具对信息进行分析，进而对节点进行控制。分布式适配服务会监测正常运行期间的簇节点，并能及时发现簇内节点移动和节点失效等动态行为。当发现有节点失效等异常行为时，协同其他两种服务，触发动态重置功能，分布式适配服务将会产生合适的重配置操作计划从而确保重配置和异常情况受影响的节点在全局上保持一致。为了确保适配正确与维持一致，分布式适配服务充分利用了分析工具和来自于分布式组合服务，分布式查询服务的相关信息。当节点在灵敏的网络中被添加或移除时，一系列的分析工具将会被用以确保网络正常运转和高效传输。分布式适配服务功能是通过分布式适配服务器实现的。

4连接器

节点间通过连接器互相作用，连接器封装了连接的状态与属性。连接器包含通信方法，终点接口以及附属传感节点的详细说明。正因如此，节点不必感知通信方法是在何时如何改变的，也不必感知其他节点是何时如何建立连接的。运行机制允许激活的连接器动态适应节点的恢复、替换、部署和移除。允许设计者实现替换并重新配置节点或者改变节点间的相互作用行为。

本示例以一个成型的自组织传感网络系统为例来给出发明的实施方式。其具体内容如下：

如图1所示，该网络系统由3个关键的系统层组成：应用层系统，比如包括传感信息处理和信号处理等；可配置的分布式系统，为应用层提供分布式服务；传感网络与物理设备层，路由信息以点对点的方式在传感网络中传输。

在物理设备层，不同的物理传感设备和移动设备在点对点的网络中配置。每个节点拥有电池能量供应，无线通信功能，多种传感模式，还有计算处理单元和有限的内存。为了达到计算速度快和实时数据处理的目的，使用双核处理器。还支持3种通用的传感模式：声音传感，使用商业麦克风实现；地震振动器使用地音探测器实现；移动监测使用2像素的红外热像仪实现。节点内置的无线收发机使得节点间可以使用时分复用和跳频扩频的方式实现通信。每一个节点还拥有GPS接收器，信息寻路和查询处理会使用节点的位置信息。

在网络层，点对点的路由协议允许信息通过多个簇节点转发。使用定向扩散路由算法，原因在于它能够动态适应网络拓扑改变而且节能高效。为了提高检索信息的效率，一个节点会建立一个关于该节点关键数据的梯度，一旦监测到节点的关键数据被检索，源节点就会以请求的速率发送数据给需要数据的节点。

可配置的分布式系统层是本发明的核心。在传感网络动态变化的情况下，通过引入分布式服务中间件，应用层系统能够很好的适配网络层系统的动态变化，分布式服务使用扩散网络协议按路线发送消息，在网络动态改变时，也是如此。这些分布式服务支持应用系统层的操作，比如分布式查询操作，信号处理等，使用这些服务的优点在于简化应用或系统程序使用的通信接口和抽象方法，进一步讲，分布式服务能够提高整体性能，如提高吞吐量和降低延迟。这些分布式服务将会通过借助网络层定向扩散路由算法中提供API实现，既简化了开发又高效利用了该算法的优点。

在应用系统层，分布式查询处理和信号处理模型协同工作，具有动态支持监测和跟踪功能。在传感信息系统中，移动感知调节器，传感器代理和协同信号处理模型相互合作为网络中各种各样的传感数据、监测信息和跟踪信息提供了高效的入口。移动的传感信息层由三种主要的组件构成：共享的移动对象，动态查询处理和移动交换。

基于以上网络系统，我们以一个用于军事上的目标追踪与监控的无线传感网应用来进一步说明。首先网络中的每个簇节点都是由传感器网络节点组成，具有自组织与自适应的功能。在网络组建初期，各个节点都会以簇的方式向距离最近的查询服务注册，包括自己簇的最感兴趣的信息并提供自己簇的当前位置信息，就本示例来讲，感兴趣的信息包括，如某一区域的簇对经过该区域的坦克感或特定的人感兴趣等。簇的结构由簇头和簇成员组成。这种区域性的集中与整体分布式的分级结构对于节点的管理有非常积极的作用。簇头的选择可以利用能量优化算法来完成，周期性选择剩余能量最大的节点作为簇头。簇头管理预先定义的范围内的节点。簇间通信通过簇头统一协调完成。网络中多个查询服务也会定期进行同步，保持注册信息的一致性。当某一目标出现时，发现该目标的簇会主动向离它最近查询服务请求需要该类型信息簇的位置等信息。当目标发现簇从最近的查询服务处获得了对目标感兴趣的簇的信息，它会对簇成员发现的目标信息进行压缩整合，利用下层路由协议提供的路径进行信息发送，而信息的目的地是从查询服务中获得的簇信息。发送过程中，如果在路径上的某一节点移动或失效，附近的适配器服务会及时发现这种特殊状态，协调组合服务找到移动或失效节点所在簇头，并及时安排替换失效节点，同时更新同步系统中多个组合服务的信息。提高系统实时性和保证了传输稳定性。若是没有该中间件，当节点失效或移动时，定向扩散路由协议对该现象发现有延迟，会自发地产生大量的广播包寻找替换路径，造成巨大的网络开销和延迟。该中间件分布式系统的创建，提高了传输效率和能量利用率，降低端对端的延迟。提高了在应对网络节点失效和移动等特殊事件系统的鲁棒性和稳定性，同时也不增加额外开销。

Claims (1)

1.一种基于定向扩散算法的分布式系统，其特征是，包括在定向扩散算法之上建立的三种分布式服务器：分布式查询服务器、分布式组合服务器和分布式适配服务器，以及与分布式组合服务器和分布式适配服务器通信的连接器；具体来讲是：

分布式查询服务器包括分布式注册服务器，分布式查询服务器包含来自多个簇的多种服务信息，该信息包括服务提供者的位置和提供服务的类型，当簇需要服务时，对分布式注册服务器提出请求，分布式注册服务器将距离该簇最近的服务提供者位置信息返回给请求的簇；

分布式组合服务器通过添加或移除各节点来管理节点，进而通过每一个节点来简化服务提供者的动态重配置，同时，允许对指定的单个节点或簇节点进行独立设计；

分布式适配服务器用于控制处于网络恢复失败和动态重配置状态下的节点，控制的基础是借助分布式组合服务器和分布式查询服务器的信息，使用分析工具对信息进行分析，进而对节点进行控制，具体地，分布式适配服务器监测正常运行期间的节点簇，并及时发现包括节点移动和节点失效等异常动态行为，当发现这些行为时，协同分布式查询服务器、分布式组合服务器，触发动态重置功能，分布式适配服务器将会产生合适的重配置操作计划，及时安排替换失效节点，同时更新同步系统中多个组合服务的信息；

节点间通过连接器互相作用，连接器封装了连接的状态与属性，连接器包含通信方法、节点接口以及附属传感节点的详细说明。

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