引文格式： 陳能成，張偉杰，王曉蕾.傳感器觀測服務的性能評估與方法[J].測繪通報，2015(4)：61-64.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2015.0111

傳感器觀測服務的性能評估與方法

陳能成，張偉杰，王曉蕾

(武漢大學測繪遙感信息工程國家重點實驗室，湖北 武漢 430079)

PerformanceEvaluationandMethodforSensorObservationService

CHENNengcheng,ZHANGWeijie,WANGXiaolei

摘要：傳感器觀測服務是傳感網(wǎng)的核心服務，用于管理和獲取異構傳感器的元數(shù)據(jù)和觀測數(shù)據(jù)。在一定的硬件和軟件條件下，評估傳感器觀測服務的性能有助于發(fā)揮傳感網(wǎng)監(jiān)測目標地物時的最優(yōu)性能。本文以服務性能的響應時間為評估標準，提出了傳感器觀測服務性能的評估方法。此方法分別從不同的操作和軟件配置等方面進行了響應時間的評估，分析出傳感器觀測服務中不同操作的性能特征，提高了傳感器觀測服務的設計與部署效率。

關鍵詞：傳感器觀測服務；傳感網(wǎng)；性能；評估

中圖分類號：P24

收稿日期：2014-03-07

基金項目：國家863計劃(2013AA01A608)；國家自然科學基金(41171315)

作者簡介：陳能成(1974—)，男，教授，博士生導師，研究方向為網(wǎng)絡地理信息系統(tǒng)與服務、傳感網(wǎng)、模型網(wǎng)和智慧城市。E-mail：cnc@whu.edu.cn

一、引言

傳感器觀測服務(sensorobservationservice，SOS)可以提供獲取異構傳感器的元數(shù)據(jù)和觀測數(shù)據(jù)的標準化接口，是傳感網(wǎng)(sensorweb)的核心服務之一[1-2]，其優(yōu)劣對于傳感網(wǎng)服務體系的性能具有重要的影響。

國外學者對SOS中核心操作GetObservation的響應時間[3]、移動網(wǎng)絡下響應內(nèi)容大小[4]以及多種SOS的實現(xiàn)軟件[5]等進行了對比分析。這些分析評價工作對SOS的性能評估和改進有一定的借鑒意義，但缺少針對SOS在不同的操作、軟件配置和并發(fā)請求數(shù)情況下性能表現(xiàn)的評估。如何針對SOS的性能進行更綜合的評估，尤其是在一定的硬件和軟件條件下的性能評估，是現(xiàn)今亟待解決的問題。這不僅對SOS軟件實現(xiàn)的設計與優(yōu)化提供了有用參考，同時對合理選用SOS具有重要的指導意義。

針對上述情況，本文提出了針對SOS各服務操作和不同軟件配置等方面進行評估的方法，分析出SOS在多種環(huán)境下的性能特征，極大地便利了傳感器觀測服務軟件的設計與優(yōu)化部署。

二、傳感器觀測服務

SOS可以提供的操作包括核心操作、事務操作和高級操作3大類[6]。其中核心操作和事務操作是SOS日常運行的主要操作，能滿足從獲取SOS服務能力、傳感器注冊、插入觀測數(shù)據(jù)到獲取傳感器信息和觀測數(shù)據(jù)等的整個流程。

1) 核心操作。①GetCapabilities(GC)：獲取服務能力信息；②DescribeSensor(DS)：獲取傳感器信息；③GetObservation(GO)：獲取傳感器觀測數(shù)據(jù)。

2) 事務操作。①RegisterSensor(RS)：注冊傳感器；②InsertObservation(IO)：插入觀測數(shù)據(jù)。

各操作運行順序如圖 1所示。

圖1　SOS核心操作與事務操作運行順序

三、評估方法

1. 測試原則

(1) 響應時間測試

SOS是基于傳感器觀測數(shù)據(jù)的共享操作標準。對于客戶端來說，SOS軟件的服務響應時間至關重要，測試時應包含此項指標。

(2) 測試所有核心操作

標準的SOS必須提供GC、GO和DS這3個核心操作，這3個操作的性能是評估SOS共享傳感器信息及觀測數(shù)據(jù)實際效果的關鍵部分。

(3) 兼顧包含空間特性的操作

傳感器的空間位置對于用戶解譯和使用觀測數(shù)據(jù)至關重要，SOS的一個重要特性是支持空間數(shù)據(jù)和空間相關的過濾操作。測試時應基于不同空間位置的數(shù)據(jù)，并對同一操作的包含與不包含空間過濾分別進行測試，以便能夠更準確地反映SOS的性能狀況。

2. 測試設計

為了綜合評估SOS的服務性能，本文設置以下3類測試場景。

(1) 軟件配置測試的準備測試

在一定硬件條件下，不同的軟件配置如Web服務容器、數(shù)據(jù)庫的配置不同，會導致不同的性能表現(xiàn)，因此在SOS各操作的測試之前，需先對不同軟件環(huán)境配置下的SOS進行測試，從中選出較優(yōu)的軟件配置。分別對以下4種情況進行GetObservation測試：①默認SOS軟件配置；②僅調(diào)整Web服務容器參數(shù)；③僅調(diào)整數(shù)據(jù)庫配置參數(shù)；④同時調(diào)整前面兩個參數(shù)。

(2)SOS的每個核心操作和事務操作測試

每個操作請求按如下設置：①GC，請求所有內(nèi)容：操作元數(shù)據(jù)信息(OperationsMetadata)、服務標識(ServiceIdentification)、服務提供者(ServiceProvider)、過濾能力(Filter_Capabilities)、內(nèi)容(Contents)；②DS，指定傳感器；③GO，指定觀測數(shù)據(jù)的時間段、觀測屬性、傳感器和空間范圍；④RS，包含SensorML[7]的系統(tǒng)(System)及其基本的唯一標識(Identification)和觀測輸出(Outputs)；⑤IO，包含OM(ObservationsandMeasurements)[8]的必須元素，觀測數(shù)據(jù)中包含空間值、文本值和數(shù)量值。

(3)GetObservation空間與非空間操作測試

分別對包含、不包含空間位置過濾的GO進行測試。為避免返回的觀測數(shù)據(jù)大小不一致造成的影響，測試時設置空間過濾方式為“與武漢市的最小包圍盒相交”，且不包含空間過濾時，返回一樣的數(shù)據(jù)。

針對以上3類場景，設置每個測試并發(fā)用戶數(shù)分別為1、10、50、100、200、500和1000，每次請求響應完畢后立即進行下一次請求，分別連續(xù)測試5min，并在兩臺相同配置的電腦上重復5次，以盡量減少異常個例對結果的影響。

3. 測試數(shù)據(jù)

為保證測試的準確性，SOS的測試數(shù)據(jù)應符合以下條件：①包含多個傳感器的注冊信息和觀測數(shù)據(jù)信息；②數(shù)據(jù)量應適量，不能過大，否則SOS的數(shù)據(jù)庫性能會嚴重影響整體響應時間；③觀測數(shù)據(jù)應同時包含空間觀測值和非空間觀測值，并且空間觀測值應具有一定的隨機性。

本測試數(shù)據(jù)從武漢市1萬多輛浮動車中隨機選取100輛的連續(xù)觀測數(shù)據(jù)，預先注冊并插入到SOS數(shù)據(jù)庫。其中，每次觀測數(shù)據(jù)包含4個觀測值：車的GPS位置(空間點值)、車速(數(shù)量值)、車向(數(shù)量值)和車的狀態(tài)(文本值)。原始數(shù)據(jù)的觀測頻率約為40s/次，在不影響測試的前提下，為便于直觀統(tǒng)計，將數(shù)據(jù)按1h/次重新分配時間值。選取基于此頻率的30d的觀測數(shù)據(jù)作為被測試數(shù)據(jù)，即共100×4×24×30=288000個觀測值，其中空間觀測值為72000個，隨機地分布在武漢市行政區(qū)劃內(nèi)。

4. 測試環(huán)境與工具

(1) 硬件環(huán)境

選取4臺相同的工作站，2臺用于部署相互獨立的SOS，防止單臺工作站存在特殊情況；2臺用于獨立運行測試軟件模擬的SOS客戶端。其運行在同一交換機局域網(wǎng)中。每臺工作站的配置見表1。

表1　硬件配置

(2) 軟件環(huán)境

測試對象是52northSOS[9]，它支持的SOS操作最齊全，發(fā)展較為完善，基于Java和PostgreSQL(Pg)、開源、版本為3.5.x，數(shù)據(jù)庫結構中包含B樹和Gist索引。測試軟件采用被廣泛用于Web性能測試的開源測試工具ApacheJMeter，版本為2.11。詳細軟件環(huán)境見表2。

表2　軟件環(huán)境

四、測試結果與分析

1. 不同軟件配置的測試分析

不同軟件配置參數(shù)組合難以窮盡，本文僅選取比默認配置更優(yōu)的配置作為參考[10]。以減少磁盤I/O和減輕CPU負荷為主要目的選取參數(shù)：①提高Tomcat的JVM內(nèi)存參-Xmx=4048MBXms=3000MB，服務器模式-server，最大等待數(shù)(acceptCount)=2000，最大線程數(shù)(maxThreads)=500；②提高PostgreSQL緩存effective_cache_size=1024MB、shared_buffers= 1024MB、work_mem=8MB、降低檢查點頻率checkpoint_segments=32。

測試中，所有GO均包含空間過濾參數(shù)。GO的響應大小為47.9KB，響應時間如表3及如圖2所示。

表3　 GetObservation各配置下平均響應時間　 ms

圖2　GetObservation各配置下平均響應時間

從圖2可看出，同時調(diào)整Tomcat和PostgreSQL參數(shù)的結果最優(yōu)，相比于默認配置，單用戶時平均響應時間降低13%，1000并發(fā)時降低15%。這說明通過調(diào)整Web服務器與數(shù)據(jù)庫的參數(shù)有助于在一定程度上提升SOS的服務性能，以此參數(shù)配置為基礎能夠比默認配置更客觀地評價出SOS各操作的性能。

2. 不同操作類型的測試分析

本場景基于場景1中同時調(diào)整Web服務器和數(shù)據(jù)庫參數(shù)，對SOS的5個主要操作進行測試。其中，GO包含與武漢市最小包圍盒相交的空間過濾，每次獲取1個傳感器的720次觀測結果，共2880個觀測值；IO每次發(fā)送一次觀測的4個觀測值。特別的，RS和IO的測試也是原有測試數(shù)據(jù)基礎，在測試過程中會逐漸增加傳感器和觀測數(shù)據(jù)。測試結果如表4和圖3所示。

表4　各操作的平均響應時間　 ms

圖3　各操作的平均響應時間

不同并發(fā)情況下，各操作響應時間均大致呈現(xiàn)線性增長。DS最快，單用戶的響應時間為1ms，即使在1000并發(fā)時也僅550ms。GC的響應時間最慢，即使在單用戶的情況下也接近0.5s，響應數(shù)據(jù)大小約60KB，這與GC查詢的內(nèi)容較多有較大關系。GO在單用戶時保持在115ms左右，但在200并發(fā)時接近10s的響應時間，在實時性十分嚴格且并發(fā)數(shù)較大的應用中應慎重考慮。事務操作中，RS和IO表現(xiàn)出相對較好的性能，單用戶時均不超過15ms，1000并發(fā)時不超過10s。

3.GetObservation有無空間過濾的測試分析

包含與不包含空間過濾參數(shù)的GO的響應內(nèi)容完全一致，大小均為47.9KB，測試結果的響應時間同樣隨并發(fā)數(shù)增長而呈類線性增大，見表3中的列“Tomcat&Pg”和“無空間過濾”，其趨勢如圖4所示。

包含空間過濾參數(shù)的響應時間是不包含時的3倍以上，因此對于SOS客戶端用戶而言，若能獲取同樣的所需觀測數(shù)據(jù)，則應盡量避免在GO中加入空間過濾參數(shù)，以減少響應的等待時間。

圖4　有無空間過濾的GetObservation平均響應時間

4. 綜合分析

一般的，每個SOS客戶端獲取服務元數(shù)據(jù)信息只需一次GC[6]，GC的響應時間較長，但只影響一次。RS和DS只需對每個傳感器注冊和獲取一次。觀測數(shù)據(jù)由傳感器自身或傳感器所在網(wǎng)關向SOS發(fā)送IO請求，也可直接存入數(shù)據(jù)庫以避免IO。根據(jù)不同需求可能會請求多次數(shù)據(jù)，若在近實時應用中，GO可能與傳感器觀測保持一致頻率，是SOS所有操作中使用最頻繁的操作。再結合前面測試分析可知，GO操作的響應時間僅次于GetCapabilities，是RS的近10倍，IO的20多倍。因此，在SOS的代碼設計和實際部署時，優(yōu)化GO特別是包含空間參數(shù)的GO的響應性能，是提升SOS整體性能的關鍵。

五、結束語

本文針對傳感器觀測服務包含多個操作和支持空間過濾的特點，提出了以響應時間為評價因子針對多個操作及空間過濾參數(shù)的綜合測試方法。依據(jù)這種評估方法，設計了相應的測試場景，從而實現(xiàn)了在特定硬件條件下對SOS常用核心操作和事務操作的多種并發(fā)條件測試評估。評估結果表明，優(yōu)化包含空間參數(shù)的獲取觀測數(shù)據(jù)操作， 可以顯著提升服務的整體性能， 可以為傳感器觀測服務的軟件編碼和實際應用時的按需部署提供重要的參考依據(jù)。

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