席 奇

（景德鎮(zhèn)學(xué)院 江西 景德鎮(zhèn) 333000）

1 引言

網(wǎng)絡(luò)軟件的重編程基礎(chǔ)設(shè)施傳感器（wireless sensor network，WSN）是由一個(gè)數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)構(gòu)成的，能夠組織數(shù)據(jù)的系統(tǒng)內(nèi)存。通過使用嵌入式操作系統(tǒng)提供的應(yīng)用程序，隱藏此數(shù)據(jù)組織的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)[1]。通常情況下，重新編程可更新模塊構(gòu)成。這些模塊的內(nèi)存位置在運(yùn)行時(shí)會(huì)被替換。此外，數(shù)據(jù)庫(kù)的所有新數(shù)據(jù)相關(guān)節(jié)點(diǎn)都能正確接收更多模塊，在重新編程的過程中為了提供安全的數(shù)據(jù)傳輸，應(yīng)運(yùn)用數(shù)據(jù)分發(fā)協(xié)議與操作系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施。Epos實(shí)時(shí)更新系統(tǒng)是操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)系統(tǒng)，在內(nèi)存消耗、方法調(diào)用時(shí)間和重新配置時(shí)間方面具有更好的性能。這一有利的結(jié)果是，Epos實(shí)時(shí)更新系統(tǒng)的內(nèi)存消耗仍然需要改進(jìn)。此外，Epos實(shí)時(shí)更新系統(tǒng)沒有任何用于數(shù)據(jù)傳播的支持[2]。

2 WSN網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)管理軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

一般來說，網(wǎng)絡(luò)重新編程過程分為3步進(jìn)行，第1步是負(fù)責(zé)準(zhǔn)備要傳播的數(shù)據(jù)。第2步包括整個(gè)傳播過程。第3步，操作系統(tǒng)重構(gòu)機(jī)制解釋了接收數(shù)據(jù)并用它來更新程序內(nèi)存。數(shù)據(jù)分發(fā)協(xié)議用于在網(wǎng)絡(luò)上分發(fā)數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)使用自己的節(jié)點(diǎn)。特別是，這些協(xié)議必須確保將所有數(shù)據(jù)準(zhǔn)確地傳遞到所有節(jié)點(diǎn)。在設(shè)計(jì)一個(gè)分發(fā)協(xié)議時(shí)，一些屬性必須考慮到：低延遲、低內(nèi)存消耗、可靠性、能效、對(duì)節(jié)點(diǎn)的容忍度、插入/移除和均勻性、可靠性和一致性是強(qiáng)制性的，如它們保證了議定書的正確運(yùn)作。全部屬性是唯一可取的。然而，一個(gè)協(xié)議忽略它們沒有什么用處。

2.1 設(shè)計(jì)選擇

現(xiàn)有的協(xié)議會(huì)做出設(shè)計(jì)選擇，優(yōu)先于某些協(xié)議。協(xié)議中的選擇在這項(xiàng)工作中開發(fā)了。

（1）能源效率是非強(qiáng)制性的，被認(rèn)為是最重要的，因?yàn)樗械牟僮鞫夹枰谠S多嵌入式系統(tǒng)中，只有數(shù)量有限。

（2）內(nèi)存消耗被認(rèn)為是第二大重要屬性，因?yàn)閭鞑f(xié)議不是節(jié)點(diǎn)的主要用途，只是一種服務(wù)，由操作系統(tǒng)提供。因此，不應(yīng)限制應(yīng)用程序可用的內(nèi)存量。

（3）最后，延遲。為了優(yōu)化能源和內(nèi)存消耗的一些特性未使用減少延遲（例如管道）。

2.2 實(shí)行方式

所開發(fā)協(xié)議的狀態(tài)機(jī)通過一個(gè)街區(qū)一個(gè)街區(qū)地傳播數(shù)據(jù)，使用基于發(fā)布/訂閱的發(fā)送者選擇機(jī)制，使用接收器進(jìn)行數(shù)據(jù)包丟失檢測(cè)，執(zhí)行單播請(qǐng)求、廣播重傳之類的滑動(dòng)窗口機(jī)制。節(jié)點(diǎn)定期發(fā)布其版本，所有相關(guān)方都會(huì)請(qǐng)求發(fā)布[3]。潛在發(fā)送方維護(hù)一個(gè)變量ReqCtr，初始化為零，每個(gè)變量遞增從節(jié)點(diǎn)收到的新請(qǐng)求（針對(duì)他）尚未計(jì)算。

（1）宣布新版本，并防止節(jié)點(diǎn)成為發(fā)件人的請(qǐng)求。發(fā)布消息具有版本號(hào)、節(jié)點(diǎn)ID及其請(qǐng)求。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)接收包含新版本的發(fā)布消息將發(fā)送包含發(fā)件人和收件人的請(qǐng)求消息。它自己的ID和接收到的ReqCtr的值。作為雙方的出版物和訂閱消息在競(jìng)爭(zhēng)中成為發(fā)送者也會(huì)收到它。如果節(jié)點(diǎn)接收到一條消息，它將有一個(gè)較低的請(qǐng)求。節(jié)點(diǎn)ID用作斷開連接的工具，當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)成為發(fā)送方時(shí)，它發(fā)送一個(gè)“StartDownload”消息并開始逐包發(fā)送數(shù)據(jù)。

（2）接收者將此節(jié)點(diǎn)定義為其“父節(jié)點(diǎn)”，并且只接受寄來的包裹。所有數(shù)據(jù)都有一個(gè)順序唯一的標(biāo)識(shí)符，并且接收器保持最后一個(gè)收到的數(shù)據(jù)包。因此，在接收到一個(gè)新的數(shù)據(jù)包時(shí)，它檢查這些數(shù)字之間有差距。當(dāng)損失是檢測(cè)到接收器發(fā)送單播重傳請(qǐng)求給發(fā)送者。重新傳輸?shù)恼?qǐng)求具有更優(yōu)先級(jí)高于正常的數(shù)據(jù)包，那么發(fā)送方將首先響應(yīng)在繼續(xù)傳輸之前發(fā)送所有請(qǐng)求。

3 WSN網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)管理軟件系統(tǒng)

3.1 Epos實(shí)時(shí)更新系統(tǒng)概述

用于軟件重新編程的Epos實(shí)時(shí)更新系統(tǒng)框架[4]。PROXY和AGENT元素創(chuàng)建來自方法調(diào)用之間的間接級(jí)別應(yīng)用程序和操作系統(tǒng)。因此，代理是系統(tǒng)中唯一的知道組件的內(nèi)存位置的成員。因此，代理能夠定位并更新系統(tǒng)組件的代碼和數(shù)據(jù)。此外，系統(tǒng)組件可以標(biāo)記為可重構(gòu)或者在編譯時(shí)通過在其特征類。

對(duì)于那些未標(biāo)記為可重新配置的組件，沒有增加內(nèi)存和處理方面的開銷最終的系統(tǒng)映像。適配器類負(fù)責(zé)用于應(yīng)

用場(chǎng)景提供方面的調(diào)用。

3.2 內(nèi)存優(yōu)化

標(biāo)記為可重構(gòu)的每個(gè)組件生成由于ELU而導(dǎo)致的內(nèi)存消耗編程框架。除了實(shí)際的組件方法，還包括框架的代碼。此外，每個(gè)框架方法的代碼可為每個(gè)可重構(gòu)組件復(fù)制。例如，方法更新，負(fù)責(zé)更新代碼，以及組件的數(shù)據(jù)將為每個(gè)組件復(fù)制。通過使用模板專門化技術(shù)，可克服這個(gè)限制。我們注意到，可以替換代理類和場(chǎng)景類中的幾種方法，按接收無類型參數(shù)的模板類。通過這種簡(jiǎn)單的技術(shù)，減少了內(nèi)存消耗，但不損失方法調(diào)用和重新配置時(shí)間。

3.3 數(shù)據(jù)傳播協(xié)議集成

Epos實(shí)時(shí)更新系統(tǒng)接收組件的重新編程請(qǐng)求通過一個(gè)傳輸協(xié)議，該協(xié)議定義了更新消息的格式。在系統(tǒng)初始化過程中創(chuàng)建的線程，命名的重新配置程序，創(chuàng)建數(shù)據(jù)分發(fā)協(xié)議實(shí)例，在接收到新數(shù)據(jù)后，啟動(dòng)重新編程過程。可以添加或刪除方法，更新整個(gè)組件（所有方法），更新應(yīng)用程序、添加屬性和更新特定地址。如果更新/添加屬性值，數(shù)據(jù)狀態(tài)新舊組件屬性之間的傳遞為由集合完成并獲取每個(gè)屬性的方法。

此消息結(jié)構(gòu)允許數(shù)據(jù)的輕松集成傳播協(xié)議和操作系統(tǒng)。數(shù)據(jù)傳播協(xié)議以ETP格式裝載消息和通知更新的代理。相關(guān)工程未發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)，但必須為開發(fā)人員抽象并提供一個(gè)簡(jiǎn)單的更新過程。在更新過程重新配置程序啟動(dòng)協(xié)議通過調(diào)用方法。此方法將一直阻止運(yùn)行，直到節(jié)點(diǎn)接收到新版本。收到通知新數(shù)據(jù)，重新配置程序在ETP格式并將數(shù)據(jù)傳遞給代理。代理將新組件代碼寫入適當(dāng)?shù)娜绻枰?，定位并更新所有表?/p>

4 WSN網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)管理軟件系統(tǒng)的開發(fā)運(yùn)用

對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行了內(nèi)存消耗評(píng)估，通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)的延遲以及重新配置時(shí)間。這些測(cè)試是使用Mica2節(jié)點(diǎn)。系統(tǒng)是用GNU編譯器g++4.0.2生成的，內(nèi)存消耗是用GNU objdump 2.16.1工具。延遲和重新配置時(shí)間由微控制器的定時(shí)器測(cè)量。

4.1 相關(guān)存儲(chǔ)方式

所有框架元素的內(nèi)存消耗對(duì)于這個(gè)測(cè)試，重新配置支持已為包含4個(gè)方法的組件啟用。這個(gè)分發(fā)協(xié)議占用碼區(qū)2 536 B，未初始化數(shù)據(jù)中有21 B。創(chuàng)建新代碼時(shí)動(dòng)態(tài)創(chuàng)建緩沖區(qū)，大小取決于更新的大小。這個(gè)Epos實(shí)時(shí)更新系統(tǒng)框架消耗1 648 B的代碼，26 B的數(shù)據(jù)和68 B的未初始化數(shù)據(jù)以及存儲(chǔ)對(duì)象和方法。

當(dāng)一個(gè)新的組件被添加到系統(tǒng)中時(shí)，創(chuàng)建、銷毀和更新方法表示，組件的構(gòu)造函數(shù)、析構(gòu)函數(shù)和更新方法，并且必須始終存在。每個(gè)組件也需要一個(gè)信號(hào)量來控制其獨(dú)占訪問和代碼運(yùn)行時(shí)阻止更新。最小值對(duì)添加到框架中的新組件的消耗由構(gòu)造函數(shù)、析構(gòu)函數(shù)、Update方法組成一種無參數(shù)無返回的方法價(jià)值觀。

通過空指針使用專門化，可以減少大約1.2 KB（更多）的消耗50%以上。目前，系統(tǒng)新組件的最小內(nèi)存是664 KB，而不是1.6 KB以前的Epos實(shí)時(shí)更新系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

4.2 測(cè)量延遲

為了測(cè)量延遲，我們使用了兩種結(jié)構(gòu)：基站可以與所有節(jié)點(diǎn)通信，并且那里是基站范圍之外的節(jié)點(diǎn)。在兩種拓?fù)渲邪错樞蛑貜?fù)了20次傳播過程要更新系統(tǒng)組件的方法，請(qǐng)傳播10 B的數(shù)據(jù)（用于更新方法）和6 B的控制信息（由協(xié)議使用）。

基站所用的平均時(shí)間將數(shù)據(jù)傳播到其周圍的節(jié)點(diǎn)。我們觀察到標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.0233 s。這一次沒有改變通過在1～3之間改變接收器的數(shù)量。這是因?yàn)閬G失的數(shù)據(jù)包高度相關(guān)，所以多個(gè)接收器丟失同一組數(shù)據(jù)包。傳播從基站到中間節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，以及從這些到節(jié)點(diǎn)超出基站范圍[5]。可能注意到傳播數(shù)據(jù)所需的時(shí)間與正常網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的距離約為4倍，比基站花費(fèi)的時(shí)間還要長(zhǎng)?；疚磮?zhí)行步驟選擇發(fā)件人的方法。這樣就可以不用發(fā)布版本和接收請(qǐng)求最終成為發(fā)送方開始傳播數(shù)據(jù)。中間時(shí)間節(jié)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.1288 s。

4.3 重新配置時(shí)間

重新配置時(shí)間包括節(jié)點(diǎn)的時(shí)間在接收到所有必要的數(shù)據(jù)。對(duì)更新的調(diào)用，恢復(fù)在ETP消息上傳遞的參數(shù)中，恢復(fù)要在哈希表中更新的對(duì)象，找到vtable，并在Flash中寫入數(shù)據(jù)，獲得平均重新配置時(shí)間。Mica2平臺(tái)的一個(gè)特點(diǎn)是不可能在閃存中一次只改變一個(gè)字節(jié)。它只允許在頁（256 B）和之前寫入重寫一頁就必須刪除它的內(nèi)容。因此，為了更新一部分內(nèi)存，有必要讀取頁面內(nèi)容，將其存儲(chǔ)在臨時(shí)緩沖區(qū)中，修改只有它想要的部分，最后寫在Flash里。

5 結(jié)語

本文提出了一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的操作系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)重編程基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由數(shù)據(jù)分發(fā)模塊組成協(xié)議和Epos實(shí)時(shí)更新系統(tǒng)。該基礎(chǔ)設(shè)施在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行了測(cè)試使用實(shí)節(jié)點(diǎn)，并根據(jù)內(nèi)存進(jìn)行評(píng)估、傳播和重新編程的時(shí)間。數(shù)字證實(shí)了設(shè)計(jì)選擇比相關(guān)工作中的好，還通過使用C++模板專業(yè)化技術(shù)證實(shí)了這一點(diǎn)。