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1、华中科技大学 硕士学位论文 支持无线传感器网络的实时数据库存储管理 姓名：吴家盛 申请学位级别：硕士 专业：软件工程 指导教师：刘云生 2010-05-11 I 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 摘摘 要要 无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）是当前世界上备受关注的、 涉及多个学科交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。在无线传感器网络中分布 着大量的无线传感器，每一个传感器均会源源不断的产生大量流式数据，并且这些 流式数据具有实时性。无线传感器由于受限于自身的存储和计算资源，难以处理产 生的实时数据流。因此设计支持无线
2、传感器的实时数据库系统，实现对无线传感器 网络产生的实时数据流进行数据汇聚、查询、分析和数据挖掘具有重大意义。 针对源自无线传感器网络的实时数据流，数据量大，流速快的特点，设计实时 数据库存储服务模块。以嵌入式实时数据库 ARTs-EDB 为原型分析，改进其内存管 理模块，适应处理实时数据流的新要求。使用新的系统区存储管理结构，采用双链 表结构管理空闲块和占用块，提高空间利用率和服务响应效率。改变用户工作区和 活动日志区的页表控制机制，使用 HASH 索引技术，提高查找表项效率；建立两区 数据可交错存放机制，提高两区空间的利用率。 实时数据流是通过传感器感知现实世界的感知信息，其数据带有时间属
3、性，数 据值在一定时间内有效。数据流通过实时数据库的前端服务模块 WRAPPER 解析成 为带有时间属性的时态数据存入实时数据库中。为时态数据定义了时间不变量、时 态数据和时间属性三种类型数据。设计内存数据库和外存数据库存储结构，对时态 数据进行存储。 研究时态查询， 并为时态查询做了基本分类。 应用 AP 树索引的改进 AP+树索引 结构来索引存入实时数据库中的时态数据，以提高时态查询效率。给出 AP+树的定 义，构造方法以及基本操作算法。 关键词：实时数据流 实时数据库 内存管理 存储管理 时态数据索引 II 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 Abst
4、ract Wireless Sensor Networks (Wireless Sensor Networks, WSN) is the current international concern, and involves a high degree of cross-cutting multi-disciplinary, knowledge, highly integrated, cutting-edge hot research field. In wireless sensor networks in the distribution of a large number of sens
5、ors, each sensor will generate a large number of streaming data, and those with a real-time streaming data. Wireless sensor on its own because of limited storage and computing resources, difficult to deal with real-time data streams generated. Therefore, wireless sensors designed to support real-tim
6、e database system for wireless sensor networks to achieve real-time data streams generated by data aggregation, query, analysis and data mining of great significance. From the wireless sensor network for real-time data streams, data volume, fast flow characteristics, designing real-time database sto
7、rage service modules. With an embedded real-time database ARTs-EDB as a prototype analysis, to improve their memory management module, adapted to deal with the new requirements of real-time data streams. Using the new system area storage management structure, using blocks of double-linked list struc
8、ture, management and occupation of free blocks to improve the efficiency of space utilization and service response. To change the users work area(UWA) and activities of the logging area(AL) page table control mechanisms, use the HASH indexing technology to improve the table of efficiency; the establ
9、ishment of two zones of data storage mechanism can be staggered to improve two areas of space utilization. Real-time data stream through the sensors perceive real-world perception of information, its data with a time attribute, the data value is valid for a certain time. Data stream through the real
10、-time database WRAPPER module with time resolved to become the property of temporal data into real-time database. Defines the three types of data, are time invariant, temporal data and time attributes. Design memory database and the external memory database storage structure, for the temporal data s
11、torage. Study temporal searching, and temporal searching too has done a basic classification. III 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 Application of AP+tree index structure to index into real-time database of temporal data in order to improve the efficiency of temporal queries. The definition of ap
12、trees, construction methods, and basic operation of algorithm are provided. Key words：Real-time data stream Real-time database Memory management Temporal index 1 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 1 绪论绪论 工程应用的不同需求，计算机软硬件环境的改变等因素使得数据库管理系统所 管理的数据发生了巨大的改变1。 （1）数据的量的迅猛增加。随着技术的进步，计算机的普及和互联网的飞速发 展，需要管理存储
13、的数据量越来越大，每时每秒的数据可能都是用亿兆的单位来度 量，数据库技术需要有效的解决海量数据存储的问题。 （2）数据种类多种多样。目前计算机性能的大幅提高，互联网络日益普及，流 行多种多样的数据，文档、语音、图片和视屏等。人们对于这些数据的存储和管理 对数据库新技术提出要求。 （3）数据结构越来越复杂。从前传统数据库存储结构化的数据，这种方式方便 数据的管理、存储，能支持快速有效的查询。现阶段，人们对很多半结构化数据进 行研究，希望能够支持更多的异构数据的存储。 （4）数据应用环境发生了很大的改变。现今，基于关系理论的数据库系统无法 适应所有的应用环境，某些特殊的应用需要定制型的数据服务能力
14、。 以上的种种改变给数据库技术提出了种种的挑战，也极大的激发了数据库技术 研究者的热情，结合一些新的现代计算机技术和不同的工业应用，数据库技术焕发 了新的活力。 1.1 无线传感器网络实时数据库应用需求无线传感器网络实时数据库应用需求 无线传感器网络2（WSN）是大量部署在作用区域内的、具有无线通信与计 算能力的微小传感器节点通过自组织方式构成的能根据环境自主完成指定任务 的分布式智能化网络系统3,4。现在其广泛应用于军用和民用领域。经过分析和 研究发现5-7，无线传感器网络以数据为中心8,9，其核心技术是传感器网络收集的感 知数据的管理与处理技术，其中包括感知数据的存储、查询、分析、挖掘、理
15、解以 及基于感知数据决策和行为的理论和技术10。无线传感器网络的数据以数据流的 形式传播，其取样的感知数据具有实时性，如何存储和管理数据流数据成为无 2 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 线传感器网络研究的热点问题。 实时数据流源源不断的从无线传感器网络传出，从理论上来说是无穷大的数据 量。数据流管理系统提供持续查询11的机制对实时数据流进行管理。预定义一个持 续查询窗口，写入一个特定的查询条件，数据流流过这一持续查询窗口的时候，按 照预定义的条件进行过滤，将符合条件结果实时显示。例如针对某一股票的价格查 询，就是一个持续查询的过程。与此不同，有些应用需要
16、存储一定时间内的全部数 据流数据，然后分析其数据流的统计学趋势，需要把数据截取下来，进行静态的分 析，比如说某一地区的环境监测数据的统计分析。现在应用的数据流管理系统基于 数据流数据最多使用一次的思想，一般不提供数据流存储服务。显然，数据流管理 系统无法满足无线传感器网络的数据流信息应用需求。 然而传统的数据库技术，甚至其针对实时应用衍生出的实时数据库技术能够满 足无线传感器网络数据流的应用需求吗？ 实时数据库技术满足如下应用领域的需求：CAD/CAM、CIMS；数据通信、电 话交换、电力调度等网络管理；电子银行事务、电子数据交换与电子商务、证券与 股票交易；交通控制、雷达跟踪、空中交通管制；武器制导、实时仿真、作战指挥 自动化系统12。这些应用对数据的存储和实时处理两方面的功能都有很高的要求， 既需要数据库技术来支持大量数据的存储、共享、维护其数据的一致性；又需要实 时处理技术
