1、面向多传感网应用的大规模数据中心的设计与分析 1Large Scale Data Center Design and Analysis for Multi Sensor Network ApplicationsABSTRACT The last decade has witnessed the rapid progress in the research on wireless sensor networks and independent discrete applications in various fields. The next wave is in its spreading an
2、d establishing matching information infrastructures such as large scale data processing center for multiple frontier sensor networks in this paper. A shared data center can save invaluable social resource and easily to extend to new customers. However, due to the vast amount of the monitoring data g
3、enerated by the huge number sensors, and the real time transmission/processing requirements from the customers, the whole system performance maybe not feasible and acceptable under current technical constraints. This paper proposes an network based multiple access architecture for data center interf
4、ace design, and also a three layer communication protocol; stack to solve the heterogeneous real network platforms. The prototyping work shows that these design can provide reconfigurable multiple data transportation path between frontier sensor networks, monitoring clients and backend data center.
5、And it can easily extended to more customers and support fast monitoring data transmission.Key words Wireless Sensor Network; Data Center; Distributed Service Access; Service Access Point; Real time Monitoring; Data Processing 摘要 经过近十年的快速发展，无线传感器网络应用已经开始在多个领域出现，下一步需要解决的重要问题就是建立与之配套的大型公共数据处理中心，以在社会层面
6、为传感网发展提供更好的基础设施并降低重复投入。但是，社会化区域级的数据中心需要承载大量传感网和海量数据的接入，对系统传输、存储、处理要求的能力极高，借助网络天生的并行性实现并行处理和负载均衡是最基本的解决思路，同时，在这一过程中，还要解决与传感网数据监测应用有关的跨防火墙传输、批量实时数据传输等功能要求。为达到此问题，本文设计了基于多服务访问点实现负载均衡的数据接入方式，并且针对跨网络跨防火墙问题采用了三层传输架构。整个系统采用 Java 开发，初步实验结果表明，整个设计可支持数千传感网的接入，具有较高的工程价值，且便于横向扩展以应对负载增加和功能扩充。1 收稿日期：2010-04-25；修回
7、日期：2010-xx-xx基金项目：国家自然科学基金（60704005） ；教育部嵌入式系统与服务计算重点实验室开放基金 2010。关键词 无线传感器网络; 数据中心; 分布式接入; 服务访问点 ; 实时监测; 数据处理 中图分类号 TP 393.051 背景和动机经过十年的培育和研究，传感器网络应用已经逐渐从实验室走向实际应用，随之带来的下一个迫切需要解决的问题就是如何处理由大量独立传感器网络生成的数据，这包括数据的传输、存储、检索、处理和分析等。建立公共的社会化的数据中心是处理独立多传感器网络数据的有效途径，可利用有限的社会资源投入服务更多的传感网应用，是未来传感器网络应用重要趋势之一。2
8、 传感网数据中心发展现状和趋势传感网应用的重心之一在于数据的深层分析和信息的深度集成。但是为了达到这一目标，首先需要从技术层面解决数据传输、数据存储、数据表示问题，然后才能深入数据分析。由于传感网数据的海量性、实时性、不间断性，数据中心必须有能力支持多个传感网通过多条路径接入以实现负载均衡。同时，由于数据中心往往驻留在 Internet 中，传感网网关也可以考虑借助多种传输手段如 IPv6、GPRS、3G 等多种方式连接到数据中心。目前的接入模型主要基于网关技术、覆盖网技术和网状网结构1 。从传感网角度看，上述多种传输方式可加强 WSN 接入 Internet 的能力，提高数据通信可用性。WE
9、I Wu 等设计的 PRMCS 是一个用于灯塔远程监控的 WSN 系统实施方案。其通信协议融合了 GPRS 与 IEEE 802.14.5/IEEE 802.11b 网络，向网络连接中插入控制中心作为两类网络边际的网关，是一个单径多网的可靠系统2。而基于移动糅合技术的框架，结合了 WSN、移动网关、上下文管理平台和糅合服务，将移动电话作为网关，使 WSN 能方便地接入网络3 。MobGeoSens 是针对 GPS 传感应用中，为采集高移动性和分布性传感器数据而提出的解决方案，以手机为传感器载体和传输通路，充分利用手机中自有的传输能力，形成社会化分布式的传感数据回馈网络4。CARBAJO R S
10、 等设计的 TinyTorrents 在 WSN向 Internet 接入时利用 P2P 技术，通过一个可靠的自保持框架，网内的任意两节点间可以流方式进行数据传输，令任一节点均可担任汇聚节点或基站角色。以静态网关互联的方式，实现了全网互联5。上述工作均融合了多个网络形式，以网关连接各段网络，实现 WSN与 Internet 接入后的数据传递。也有使用现无线传感网络、电力线载波网络和以太网接入的混合网络接入方案，电力线载波网络将各个无线传感网进行连接，使多个 WSN 可以在同一个网关处接入 Internet6。此外，3G 移动通信也能作为 WSN 数据传输通路7 。在社会化感知系统的构建过程中，
11、不可避免的要遇到对各个网络设备赋予唯一标识的问题，这点在支持多传感网的数据传输协议设计中必须考虑。IPv6 由于其地址天然的全球唯一性和超大规模的地址空间，在解决这一问题上具有天生的优势。Hu Ting 等对 IPv6 在WSN 网络中应用的简洁性、可靠性、低功耗作出了相应分析并提出了一种 IPv6-WSN 接入架构8。WSN 向 IPv6 接入时可以做到全 IP 方式的直接接入，但由于 IPv6 最初不是为了嵌入式应用或者移动应用而设计的，所以 IPv6 中并没有考虑功耗问题9，因此简化的、可自组织的动态 IPv6 地址分派也是研究的热点10。针对 IPv6 头部传输带来额外代价的问题，Ya
12、ng Xue-Zhou 等提出了一个新型的 IPv6 头部压缩算法，压缩率高达 98.5%11。但是在 IPv6 在社会上尚不普及的情况下，现实中数据中心的建设还必须考虑当前网络基础设施的约束。在改善 WSN 数据访问性的问题上， TinyDB 直接把整个网络构建为一个虚拟化的分布式数据库执行查询，或者在网关上建立 Sensor DB，或使用查询处理机，适应性地实现并发查询功能12,13 。但在引入公共数据中心后，这种模式是否仍然是满足监测需要的最优设计就值得商榷了。数据中心的另外一个重要任务就是处理大量用户客户端的不确定的数据访问请求，并为其提供支持负载均衡的服务访问点和接口方式，但是目前绝
13、大多数系统还没有考虑。浙江大学 Cao Xianghui 等以接口方式向 WSN 的最终用户提供了一种简洁的数据访问方式，并对 WSN 有程控能力，使数据处理过程更加高效，避免了可能的淤塞，是通用、可扩展的，主要面向数据处理软件的数据采集14。也有数据驱动的、通过 HTTP 提供请求，在异步操作完成后使用 SVG 图形及 Ajax 技术反馈至用户的架构 15。更为通用的，随着基于 web 服务的应用软件不断发展，WSN 提供的最终服务将从桌面应用渐变扩展到基于 web 的网络应用。不同于传感网络与硬件的紧耦合，松散耦合的web 服务或称富网络客户端，并借助已有的超大型网站建设的可靠经验，有助于
14、解决 WSN数据聚合、分发、管理方面的困难16,17 。孙纪敏等人的研究中，结合网关与中间件，前者实现 WSN 与 Internet 的协议转换，后者用做 WSN 业务提供，在多个 WSN 同时接入Internet 时有明显的低开销优势 18。Mallika 等人为橡胶园环境参数监控设计了一个拥有 10 个节点的 WSN 网络，传感网络利用 RF 向一个提供数据库服务的服务器汇聚数据，服务器同时向用户提供基于图形应用程序的数据服务，可基于 web 页面的数据查询。同时，系统能在参数超过阈值后发出预设的警报信息19 。Wang Yuexuan 等人设计开放式平台，实现了长期工作的农业信息精确监测
15、系统，面向大面积开放空间的数据应用。采用 GPRS 网关接入 Internet，融合 WSN、移动数据及 Internet 三网，以单一路径方式实现数据汇聚20 。此两项设计面向较为单一的监测应用，接入点和传输路径也是单一化的，并未考虑监控规模增加后的系统扩容问题。针对社会化数据监测运用的 WASP，是一个较为高级的基于 Web 和 GIS 的数据服务中心，其秉承了面向服务及云端服务的设计理念，是一系列 Internet 服务组件、数据库组件、用户和传感网的集合体21。其高分布式的架构在大规模数据处理应用中具有一定优势。3 总体设计3.1 目标和思路数据处理中心是为多领域多地域的多个传感网应用
16、提供数据接入、处理、展示、报警等功能的社会化公共数据平台，它着眼于满足社会化、区域级的数据应用，设计目标上应能支持 1000 个网络和 106 个以上的无线传感器节点。为了达到这一目标，负载均衡是最基本的解决思路，这包括在传输、接入、处理等多个环节都须实现负载均衡。3.2 需要解决的困难数据中心需要接纳大规模传感网络的采样数据，海量数据的传输将给整个系统带来很大的传输、存储和处理压力，在存储成本相对低廉的今天，传输、多点并发接入和快速数据处理就成为主要瓶颈。基本思路是借助是网络近似可无限扩展的特性，实现基础硬件平台对多点接入实现负载均衡的要求，同时在软件上也借助网络通信和规则，实现负载分配以实
17、现均衡。在设计阶段强化并行与分布概念，实现传输、存储、分析、展示各个环节的并行，数据中心既要分片化实现数据存储计算，又能对外呈现统一且相对稳定的传输接口，同时保证能以最小的代价实现性能、功能及存储扩展，避免系统扩张后可能出现的稳定性和安全性问题。前端传感器网络有相当的分布性、可变性和移动性，不能预知传感器网络到数据中心的传输路径，数据可能经由多个异构网络以多径方式到达数据中心。要求存在统一化、可扩展的传输格式以遮盖低层网络体系的差异，提高系统兼容和稳定性，在长时期内具备扩展和进化能力。3.3 解决方案和架构设计Fig.1 Architecture of The Data Center图 1 数
18、据中心架构设计图 1 给出了完整的包含多个传感网的系统级架构图。数据中心包含多个对外公开的服务访问点（SAP）和对外不可见的多台数据分析服务器，它们通过高速网络互联。在 SAP基础上，进一步提供了基于 Web 的服务访问界面和接口。大量客户端工具可通过连接 web server 或 SAP 访问数据中心的开放功能，如实时获取监测数据。Mover 是一个数据搬运程序，通常配置在 SAP 所在设备上，根据防火墙的约束，也可以配置到传感网网关上以实现数据从传感网网关到数据中心服务接入点的“搬运” 。数据中心前端为多个传感网，在其接入数据中心前，传感网拓扑和节点单点地址并不为数据中心可知，只需保证传感
19、网可通过汇聚节点（sink node）接入至少一个网络信息可知的网关（Gateway ）设备。经由网关向后，监测数据通过多个路径在 Internet 上传输，传输目的地为数据中心接入点。因数据中心内部必须作分片处理，且数据中心对外亦呈分布式结构，故其接入点也是分布的。在多个网关传输到多个数据中心接入点的过程中，源点与端点双方地址互不可知。为解决此矛盾，在两者间加入易于配置的，或者可以自行探测网关与接入点的搬移环节（Mover） 。搬移环节易于配置，能够迅速适应网络的变化，且自身为轻量级构件，只负责数据的收集和转发（搬移） ，自身不处理任何数据信息，在必要的时候可以与网关或接入点聚合。数据中心的
20、前端有若干客户端，传统的 Web 服务器（Web Server）也作为客户端之一，接受数据中心的数据并向客户端浏览器传递，也能设计具有 Web 服务的接入点简化该过程。传统的桌面应用程序也能简单地连接到数据中心接入点，依协议获取数据。Fig.2 Hierarchical Design of the Data Center图 2 数据中心层次化设计整个数据中心在纵向上可以划分为三个层次：1)可扩展数据通信层，屏蔽具体的网络细节，以统一格式实现跨网传输，称为统一数据通信平台（Unified Data Communication Platform，UDC）或可扩展传输平台（eXtensible Tr
21、ansportation Platform，XTP ） 。2)分布式数据服务接入层（Networked/Distributed Service Access Layer，NSAC）和应用程序基础层（Open Data Service） ，获取通信层数据做简单的命令解析或数据分派后，通知上层响应。3)应用程序层（NioAccess/HttpAccess/Mover/Collector/Router/特定数据分析服务的定制），完成具体的数据处理操作，实现设备的业务逻辑。该层是数据应用的核心实现，也是未来数据中心功能扩充时主要的开发层次。横向上，依其在监测数据流向中所处的环节及其体现的功能，划分为三
22、段：1)核心功能，即各种数据服务，既是数据的处理与存储点，也是监测服务（如数据分析、警报等）的最终提供者。2)周边接入点，分布式的网络服务存取点，工作在数据服务点周围，具有接受请求、身份验证、数据代理等作用。原则上不处理应用数据，但出于性能考虑，可以增加一定的缓冲。3)外围，可能是前端数据搬运工、前端数据收集者或数据路由器，前两者与 NSAC 协作，数据路由器工作在广域网中。主要任务是协调网关与接入点之间的传输关系，包括随时可用的数据搬移、定期的数据收集、路由（不限于传统网络中的网际路由，甚至可以是指向传感网单个节点的路由） 、负载均衡、流量控制等。以可配置的形式，负责较低层次的数据运作。4
23、物理层规划物理层包括监测中心实施时数据传输所经过的各链路及设备。主要有传感网、工作在传感网边际的网关、移动传输链路如 GPRS 或 3G/4G、常规的 Ethernet/Internet 传输链路以及所有链路中可能存在的防火墙等网络设备。由于传感网的形式、拓补、传输介质等具体特性，均不在监测中心的设计中规定，在之后的设计里也不对此做任何假设。这也要求，传感网之后的设计，须以通用的方式实现数据服务，保证数据服务与传感网具体实现无关。4.1 传感网网关为达到通用化的目的，将数据中心与传感网终端的接口置于传感网网关处。网关接受传感网中汇聚节点（sink node）的直接连接，而来自上层的传感网控制命
24、令或回传某一节点的数据，也可以经由汇聚节点向传感网内传递。网关不一定具备直接寻址到传感网内某一节点的功能，但应当保证其通过汇聚节点达成此目的的能力，以此来确保全网硬件连接。数据中心对传感网节点的寻址实质上可以委托汇聚节点完成，带来的另一个好处是传感网节点设备地址不需要与当前任何协议规范的硬件地址兼容，甚至可以由其软件内的一个变量取值表征其地址。网关也工作在 UDP/XTP 中，因此网关需要实现 UDP 协议栈的功能，以达到统一传输的目的，主要包括数据的封包和帧组装工作。如有安全性设施，也能在此阶段实现数据加解密操作。网关还应当具备简单的程控命令解释，即可在数据服务点远程控制其启动、停止或重启。
25、由于数据中心只需要传感网网关的已知功能，因此网关具体实现可以交由传感网的具体设计实施者执行。对网关设计者而言，其两端的传输信道、网络架构等有相当大的自由空间；对数据监测中心的其他设备和成员而言，调用网关的已知服务即可完成统一的数据传输，无论其后端有怎样复杂的拓补结构和传输形式。因此，网关是屏蔽传感网实现细节的关键所在。4.2 数据链路由于传感网及传感网网关的网络接入存在多种形式，可以涵盖移动数据网、有线传输、微波传输等多种构成的网络。在这样的环境下意图实现统一格式的数据传输，就要求高层协议能够处理这种复杂异构网络，在数据包包头字段置入足够的地址信息，在链路上安插必须的路由设备。4.3 防火墙应
26、该考虑到，各种网络链路上可能存在防火墙设备，使得防火墙内部的端口难以被其外部的发送者访问。为达到穿透防火墙的目的，各协议及各设备须有对应的机制，能完成搜索后连接的任务。防火墙内设备有必要把自己的内外网地址交予墙外设备，这也再次求传输协议要携带较多的地址信息，以便能够在多于一级的地址空间内进行传输。也支持防火墙内外双方采取周期性的链接探测行为，一旦发生链接失效可以尽早发现并更换链接端口。对于防火墙的存在应有完备的考虑，必要时加设一定的数据搬移或路由角色，保证数据监测系统不因防火墙的存在造成单点失效。防火墙及穿透防火墙通讯的问题在后文中还会再次提及。5 数据传输层数据传输层在物理层基础上实现数据在
27、网传播。由于之前提及的，因传感网和异构网络链路存在而导致的网络结构复杂性，数据传输层还担负了统一数据传输格式、完成透明化传输的责任。数据传输层尽最大努力实现任意两个设备之间的通信，并保证通信在多条路径、多种网络架构中，跨越多种网关和防火墙等复杂网络设备后，仍是足够可靠的。Fig. 3 Multi Path Data Transfer In Real Systems图 3 复杂网络中的多网多径数据传输5.1 相邻两点间数据传输相邻两点间数据传输，是数据传输层的下半层实现。主要目的是实现两个同一网段内相连的设备互联。设计中认为，两点相连并不要求物理介质的直连，而是当前已有网络技术基础上的可达。如
28、Internet 内两个设备，相互间并无直接连接的关系，但因两者可通过现有的 Internet 数据服务（如 TCP）直接连接，在设计过程中可认为是相邻的两点。数据包在进行两点间数据传输前，被封装成帧。帧结构包括帧头符号（即定界符） 、帧长度、负载及可选的校验信息。对于负载中可能会出现与定界符相同数据的情况，可以选择转义法、比特插入法（便于硬件实施） 、数据编码法（编码后的数据中不会再出现帧头符号的取值） 。帧长度字段定义为 2 字节，因此帧负载部分与可能存在的校验部分最长达65535 字节，约 64KB。考虑到监测数据有简短、密集的特点，64KB 帧长已能满足绝大多数应用的需要，因此不考虑超
29、长拆分和帧拼装过程。超过此长度的数据，可以在后文提及的数据表示层内，进行变量的切分发送。帧的组装主要有如下步骤：1)可能存在的数据编码，将需要传输的数据负载以适当的方式编码，以满足压缩、保密或其他需求，同时保证编码后的数据中不存在帧头符号的取值；2)按需计算校验值，可以按照需要，设立相应的数据校验，计算其校验值，校验值置于帧尾；3) 计算帧长度，计算编码后负载长度与校验值长度之和，长度信息置于帧头之后，负载之前，字节序为网络序（即大端） ；4)依照帧头、帧长度、负载（已编码） 、校验值顺序，组装成帧。特别提出，考虑异构网络内传输的高效性，帧内数据编码方式及帧校验方式并未在监测中心设计内进行规定
30、。由于帧传输只在相邻两点间存在，故只要通信双方对编码方式加以约定，在保证数据传输无差错的前提下，可以对数据编码拥有最大自由度的定制权，继而可以在不同网络链路中对带宽占用和解码性能两者进行必要的优化。当一个帧传输到信宿后，可能会形成数据流的形式，此时可以通过帧头（定界符）配合其后两个字节长度信息进行分帧操作，以长度、校验码等手段作必要的验证，交由相应的解码过程还原负载数据，解码完成后，仅将解码后长度及负载数据向上层交付。对于长度不符、校验不通过的帧，做简单丢弃而不再向上层交付。5.2 任意两点间数据传输设计上数据链路层可以实现网内任意两个设备间通信，通信的基本单位是统一数据通信包（UDC Pac
31、ket） 。通信格式，即包的结构是统一的，连接到数据中心及其外围的网络设备都应当有解析此种包的能力，发送时也遵循包的规范。实现任意两点间通信的前提是为网络内每个设备都分配唯一的地址标识，规定地址标识形式为下列之一：1)直连无需地址； 2)仅有 IPv4 地址； 3)设备所在网络的 IPv4 地址和设备在网内的 IPv4 地址；4)IPv6 地址；5)11 位手机号码； 6) IEEE802.15.4 规定的 64bits 唯一标识；7) 设备所在网络的 IPv4 地址和 IEEE802.15.4 规定的唯一地址。为了指明具体的程序或服务，还需说明传输占用的端（Endpoint） ，类似 TCP
32、 协议中的端口号。地址和端在直连传输如 RS232 连接中可以省略。源地址与目的地址各自采用怎样的形式，是否被省略，通过标识描述符说明。标识描述符、源与宿的设备标识以及源与宿的端号存储在 UDC Packet头部信息中，是 UDC/XTP 寻址和路由的依据。当相邻两点间的数据传输建立后，实现全网任意两点的通信不依赖复杂的多跳传输，一跳转发已经可以满足大部分应用需要。考虑网关和防火墙的需要，引入数据搬移者设备，用于 1)防火墙内设备向外发送信息，防火墙内设备不易被外部设备访问，易于配置的搬移者主动寻找并连接数据接入点，也可被广域网路由代替；2)收集网关数据，网关和数据接入点均工作在等待连接的方式
33、下，需要环节主动沟通二者；3)负载分配，实现大量网关与分布式接入点之间负载分配与 QoS 控制。无论相邻两点间数据传输是否是可靠的，当数据经过一个以上的搬移者时，是否在搬移者处发生了数据丢失仍不可知，UDC Packet 中携带必要的序号和确认信息实现多径多网间传输的可靠性。UDC Packet 中还带有其他控制信息如协议版本、包优先级等。6 数据表示层数据交换规范为应用程序使用 UDC 提供提供方便，简化了应用程序对数据包进行解析和组装的过程。受工控领域成熟可靠的 modbus 协议启发，数据表示以变量为核心，不同网络实体之间交换数据以变量（variable）为最小单位进行，并包含了对数组的
34、支持，也提供自定义数据的扩展支持，传输用户定制的变量类型。控制字符1B流识别符1B时间戳（UTC+毫秒值）10B变量总数2B变量 1nB变量 2mBNull1bVar Type7b1BLength2BValue(n-3)BFig.4 Packet Format For Sensor Data Representation图 4 数据表示层包格式6.1 变量标识变量可以通过索引标识，也可以通过名称标识。每个变量应该拥有运用范围内的唯一标识，完整地标识服务标识与变量标识的结合，其中服务标识是服务的网络标识与端号的结合。以名称标识的变量，其名称可以放入哈希表或堆管理以提高性能。在网络环境下，名称标识
35、是缺省选择。统一用变量标识（variable identifier）术语，回避标识是全局唯一还是局部唯一、是数字表示是字符串表示的问题。6.2 变量值表示设计规定，Variable := IsNull 1bVar Type 7b Length 2B Value nB。IsNull 置位时，变量为空值。Var Type 说明变量类型，包括简单类型bit、bool、char/int8、byte/uint8、int16/uint16、int32/uint32 、int64/uint64、fp32 、fp64，字符串 string，和自定义扩充类型 json、xml，将来可能进一步扩充，而开发者也可以
36、利用该字段自定数据类型。理想情况下，应该提供对象的持续化与传输功能，同时传递操作和数据，对数据类型也没有限制。但面临异构平台时，独立实现跨语言的对象持续化与传输协议代价过大，可采用现有的较为成熟的方案，如 Json、XML 等，这已在常用编程语言中实现。Length 说明变量列长度，对于简单类型变量，单个变量长度是可以预知的，此时Length 表示 Value 中取值个数（数组长度） ，当数组过大以致 Length 字段不能表示时，须配合下文提到的包格式中的控制字段传输；对字符串，包括 JSON、XML 等，Length 表示字符串字节长度，传输不关心字符串具体编码，传输字符串数组应自定义组合
37、和分割方式；自行扩充变量传输协议时，遵循 Length 表示字节长度的原则。Value 中存储变量具体值。以上各字段均以网络字节序装配和传输。6.3 数据表示层协议与包格式传输变量时，应当将变量标识一同传输。变量标识是特殊的变量值，其类型可能是整数或字符串。整数标识对应一个非空（IsNull=0） 、int 类型、非数组（ Length=1）的整形变量值；字符串标识对应非空、string 类型，长度为标识字节长度的字符串值。变量传输时，将变量标识及其取值分别以变量值表示法表示，依次置入表示层数据包。解析表示层数据包时，交替地将包中每个变量值解释为变量标识与对应的值。数据表示层所用数据包的具体格
38、式为：控制字节 1Byte 流识别符 1Byte 时间戳 10Bytes 变量总数 2Bytes 变量值 变长 。控制字节可以表示包所携带的是超长的数组，也可表示与后文数据更新功能相关的网络命令；流识别符表示超长包拆分后的对应序号；时间戳是监测系统要求的辨识数据，前8 个字节用于存储 UTC 时刻（Coordinated Universal Time） ，保证分布式部署的系统有一个公共认可时刻，后 2 个字节补充毫秒信息；之后是包内变量总数及变量值集合。前文规定，变量值 Length 字段占用 2Bytes，故只能寻址最长为 255 的数组。为传递更长数组，规定控制字节可表示整个数据包只携带一
39、个数组变量，此时数组长度=变量总数最大值变量值 Length 最大值=65025。事实上变量总数与 Length 字段的 0 取值均无意义，故数据表示层可支持最长达 65536 项的数组传递。6.4 数据更新请求 ID1 ID2 IDn响应值 1值 2值 n 订阅 ID1 ID2 IDn响应IDm值 m值 n IDnFig. 5 Two Data Update Operation Model图 5 数据更新的两种操作模型如图 5 所示，数据更新即传感数据的传递，通过变量的更新实现。数据更新过程存在两种操作模型，请求-响应模型，及订阅 -更改模型，这两种模型可以有效减少网络中传输的数据量，因为只
40、有发生变动和被请求的数据才参与传输。请求-响应模型中，请求方发送请求数据包，包中携带若干变量标识，响应者回传变量时，可以不再重复各个标识，仅将各变量取值依照请求包中对应顺序回发。订阅-更改模型中，订阅者提出订阅申请包，包中携带需要订阅变量的标识，当被订阅的任一变量发生变化时，数据提供者发送一个响应包表达变量更改，此时仅更新发生变化的变量，因此必须携带变量标识信息；订阅者可以发送退订申请包，解除对部分或全部变量的订阅。数据更新操作中，通过包头控制字节表示和识别各种控制包的种类。7 向用户终端提供的服务数据监测中心向最终用户提供的数据服务包括 1)数据分析服务，用户可以获取最新或任一历史时刻的变量
41、值，变量值是经整理和初步分析后的传感网采样数据，用户不必考虑做任何 DSP 处理即可使用； 2)上下界报警，用户可设定监测变量或其变化率的临界值，超过阈值时向用户发送报警数据包，包内携带触发变量标识及其最新值。能是第三方设计的）专用可视化软件；2)Web 页面，用户使用兼容浏览器连接至接入数据中心的 Web Server，以网页方式查看监测数据及与传感网交互。由于监测数据格式上的统一性及数据中心接入的开放性，可随时向数据中心内加入中间件（middleware ） ，以扩展数据中心服务或提供更为复杂的用户接入方式。但功能扩展仍是基于数据分析及上下界报警等基础服务。8 实验和分析Fig. 6 Sy
42、stem Prototyping in Laboratory图 6 实验原型系统结构原形系统结构如图 6 所示。其中，用 2 台常规 PC 机分别充当数据中心的接入结点和传感网网关。网关通过串口与一个传感网相连，该传感网基于 ICT 的 GAINZ 平台实现。另部署 2 台机器分别与 SAP 结点连接，分别模拟数据分析设备和客户端设备。使用 Java 在 Apache Mina 库基础上简单实现了本设计各层次，以图形化应用程序作为客户端，C 语言开发 Gateway 功能，接受 WSN 中 sink node 的接入。数据中心工作于局域网内普通个人电脑，客户端通过 Internet 访问数据，
43、能够实现预想的变量请求- 响应及订阅-更新操作。简单实现的 Mover 模块能够柔性地结合 Gateway 和数据中心，可方便地加入、移出数据中心或其接入点。网关失效时不会影响系统的整体性能。同时，分布化的系统具有很大的接入容量，实验环境下单个服务访问结点能够容纳 103 级别以上的客户端并行接入。9 小结本设计提出的监测数据中心方案在分布接入、扩展性和异构网络传输等方面优于现有的传感网络接入解决方案，能较好地满足大规模传感网数据传输和服务提供的需求。中心设计立足于统一数据通信及可扩展传输平台，执行以变量为中心的数据传递，使复杂网络内传输过程统一，更好地实现了多网多径传输过程中的全网互联和数据
44、通用问题。但未能提供底层的数据安全和身份验证解决方案，这是其不足之处。今后工作中会加强研究可信接入者的身份验证规则，以提高数据中心的安全性和保密性，进一步增强其适用性。参考文献1 杨盘隆,陈贵海. 无线传感网与因特网融合技术 J. 中兴通讯技术 , 2009, 15(5), 24272 WEI Wu, ZHANG Jinbo, GAN Lu. The communication application of Pharos Remote Monitoring and Control System based on Wireless Sensor NetworkAC. Intelligent an
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