基于弹性Web服务的无线传感器网络体系结构

5. 系统描述 

        传感器网络有一个包含四个不同阶段的初始设置过程：部署，激活，本地组织和全局组织[13]。为了节省能量，在有部署操作出现之前传感器节点都处于休眠状态，而且，在被分散到目标区域之后，它们还需要经历一个激活阶段。本地组织阶段包含邻近节点发现过程。在全局组织阶段，节点建立起与网络中一些sink节点的通讯路径。必须保证让所有的节点都能通过某些路径可达于某个sink节点，这样它们的数据才能传送到应用程序。在组织阶段完成后，每个节点都应该知道并可以分辨其邻近节点。任何唯一的标识符都可以用作节点的标识。 

        我们的系统操作按三步进行。第一步是网络初始化设置，发生在刚才提到的本地和全局组织阶段。第二、三步以定向扩散协议的运行阶段为基础[5]。

5.1. 第一步：初始设置 

        在我们的系统中，组织阶段节点之间相互交换SOAP配置消息，描述各自提供的服务（数据和过滤器）。这些消息包括节点和网络标识（后者在有多个互连网络时用到），TTL（节点生命周期），节点类型，地理位置，当前能量总数，最大和最小可信度，最大和最小采集间隔，节点上现有的过滤器以及每个传感器类型的特有信息。SOAP 配置消息使用扩散核心功能在网络内广播。当传感器节点收到配置消息，它可以决定是否传递这个消息。如果此消息描述的传感器类型与它自己的特征匹配，或者，如果此前已经收到一个类似的消息，节点就不需要再传送这个消息了。 

        Sink节点保存着各个不同类型传感器的入口点，因此它们的资料存储量与传感器的类型数成正比。Sink节点将收到的配置消息内容存储于基于软状态的本地资料库中。Sink节点周期性的交换消息，以使网络内所有节点包含同样的信息。 

        由于配置信息在到达某个sink节点之前要经过中介节点，这些节点也可以存储消息并使用其内容，例如，在网络中分发受关注内容时提取地理和能量信息。

5.2. 第二步：受关注内容广告 

        从传感器网络请求数据的应用应当在一些sink节点描述其关注内容。一个关注内容包括传感器型号，数据类型，关注的地理位置，采样间隔和采样持续时间。对于对时间要求严格的应用来说，还可能包含一个门限值，作为传感器不考虑当前采样间隔而必须通告数据的时间底限。 

        应用可以要求激活节点上存在的应用特有过滤器。此外，新的过滤器还可以作为程序被注入到网络中。过滤器包含一个标识符和一个有着相应值的数据类型列表。当节点收到与过滤器特定值相匹配的数据时，过滤器标识符便激发已经存在于传感器节点之上的程序的执行。当注入新的过滤器时，程序过滤器自身被作为SOAP消息的附件（SOAP附件容量[19]）传送。 

        为受关注内容作广告的SOAP消息采用扩散核心和扩散梯度功能[12]在传感器网络中分发。当一个传感器节点收到一个关注内容消息，SOAP 模块中的Matching_Data 句柄验证这些关注内容是否与传感器提供的一些数据相匹配。句柄按照所采用的扩散模型[5]从消息中提取所有配置梯度所需要的参数。

5.3. 第三步：数据广告 

        传感器在由配置消息指定的初始采样间隔内产生数据。如果有一些活动的梯度呈现出匹配其自身数据类型的关注，传感器只是传送SOAP 数据广告消息。传感器根据收到的SOAP关注内容消息改变采样间隔。当检测到有受关注的数据时，传感器将发出一个数据广告消息，这个消息被传送给下层扩散协议。 

        SOAP消息广告数据包含数据类型，所检测类型的实例（或值），传感器当前位置（传感器可能处于移动状态），信号强度，已完成的测量的可信度，一个时间戳和当前能量值。 

        消息分发包含一个在数据和关注内容之间的匹配阶段以及可能的过滤器执行。匹配数据与关注内容的阶段由Matching_Data句柄完成（第二步）。Matching_Filter 句柄将数据与其过滤器匹配并在需要时分派过滤器执行。结果（经聚合或过滤的）数据作为将沿网络分发的新的SOAP数据广告消息被传送至扩散层。

6. 结论和远景研究 

        在这篇论文中，我们为设计传感器网络提出了一种基于服务的体系结构。我们主张未来的无线传感器网络应当通过通用且与应用独立的接口提供一种普遍存在的，标准化的访问途径。这项研究的贡献有三重。首先，我们提出了数据通讯功能与应用特定处理相分离的一般体系结构。其次，我们为无线传感器网络定义了一种Web服务方法，其中sink节点作为Web服务模型，来呈现由网络使用标准服务接口提供的服务。第三，我们提出使用已经公认的因特网标准， WSDL语言和 SOAP协议作为一种机制来描述服务和格式化供下层通讯协议使用的消息。 

        我们所提出的方法为无线传感器网络的设计提供了高度可表达性和弹性。我们的主要目标是提供一个基础来建造更多综合用途网络，取代任务严格定制的网络，以协助广大范围的用户。这些用户可能来自世界任何角落，在某个特定应用领域有着共同的兴趣。由于节能是WSN设计中的一个关键要素，我们的提议中努力将能耗保持在当前WSN系统的相同水平。特别地，预期通讯能耗将远远高于本地计算的消耗[9]。 因此，解析SOAP消息所需的附加处理对系统来说应该是可忽略的。鉴于此，我们的方法通过在WSN内部的消息交换时采用压缩二进制XML格式，致力于数据传输过程的能量节约。