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(luò)成為現(xiàn)實。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有自組織性、自適應(yīng)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(lǐng)域具有十分廣泛的應(yīng)用前景[1]。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(fù)責(zé)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(luò)是以數(shù)據(jù)為中心的，其目標(biāo)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。基于上述思想，數(shù)據(jù)庫研究者把無線傳感器網(wǎng)絡(luò)抽象為數(shù)據(jù)系統(tǒng)，使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的物理實現(xiàn)與應(yīng)用相分離[2]。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)特點是數(shù)據(jù)量大、時效性強、網(wǎng)絡(luò)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(jìn)而更好地確定無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(jìn)現(xiàn)有的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(fù)載，克服了當(dāng)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(luò)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(wù)。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(luò)中遷移到另一個環(huán)境中恢復(fù)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(yù)，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(wù)。
b）反應(yīng)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(yīng)，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(yīng)，還能主動展現(xiàn)面向目標(biāo)的行為。
d）通信性：Agent之間的交互隨任務(wù)驅(qū)動的變化而進(jìn)行調(diào)整，彼此協(xié)作完成復(fù)雜的任務(wù)。
e）移動性：Agent可在一個網(wǎng)絡(luò)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(biāo)節(jié)點，且中止Agent程序可以被恢復(fù)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(luò)數(shù)據(jù)管理大多采用近似客戶/服務(wù)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(luò)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(wù)器處理，網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)管理決策由處理中心負(fù)責(zé)，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(luò)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(luò)中部分傳感器節(jié)點除負(fù)擔(dān)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)外，還負(fù)責(zé)部分的數(shù)據(jù)管理任務(wù)，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(luò)實際數(shù)據(jù)服務(wù)環(huán)境中，上述體系結(jié)構(gòu)在占用網(wǎng)絡(luò)帶寬、負(fù)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(luò)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(wù)器）。
結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的分布式特點以及數(shù)據(jù)管理任務(wù)的分派方式，基于移動Agent的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)管理框架主要包括移動Agent實體與移動Agent服務(wù)環(huán)境兩部分。如圖2所示。
移動Agent服務(wù)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(fù)責(zé)移動Agent的創(chuàng)建、運行、掛起、終止、傳送和接收等工作。該服務(wù)環(huán)境依據(jù)預(yù)置的初始任務(wù)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(wù)Agent和信使Agent兩類，是網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)管理任務(wù)的分派與執(zhí)行者。服務(wù)Agent駐留于移動Agent服務(wù)環(huán)境，為信使Agent提供資源和基礎(chǔ)環(huán)境的訪問支持與任務(wù)決策。服務(wù)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(luò)數(shù)據(jù)狀態(tài)信息控制其行為。信使Agent在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)源之間移動，利用對資源的控制來滿足遠(yuǎn)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(shè)備上，基于移動Agent服務(wù)環(huán)境的數(shù)據(jù)管理中心，根據(jù)實際網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)選擇適當(dāng)功能的Agent程序發(fā)送到目標(biāo)節(jié)點，在Agent運行環(huán)境中生成程序?qū)嵗╥nstance），完成預(yù)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(luò)，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(xué)習(xí)機制，利用動態(tài)實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理任務(wù)的決策，滿足傳感器網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)化。
4 移動Agent的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
用于網(wǎng)絡(luò)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(biāo)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(jìn)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(xué)習(xí)。
服務(wù)Agent的關(guān)系任務(wù)決策層根據(jù)推理機得出的結(jié)果做出合理的任務(wù)判決，通過通信層將任務(wù)分派給信使Agent，信使Agent獲得分派任務(wù)后，執(zhí)行遷移動作，到達(dá)目標(biāo)節(jié)點后，信使Agent對獲知的傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)進(jìn)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(wù)集。信使Agent完成任務(wù)后，將結(jié)果傳送給服務(wù)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(biāo)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(wù)優(yōu)先級由服務(wù)Agent確定，執(zhí)行任務(wù)的優(yōu)先級則由信使Agent確定。管理任務(wù)的性能指標(biāo)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(luò)存在感知數(shù)據(jù)量大、無線通信帶寬低、每個網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用成本，在一定程度上降低無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)管理的復(fù)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(jìn)一步深入的研究。
