物联网环境下大规模设备协同

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1、马世龙计算机学院北京航空航天大学物联网环境下大规模设备协同系统中事务处理若干问题研究目 录1.背景与意义2.国内外研究现状3.若干研究问题与关键技术采用的关键技术与方法若干研究问题设备协同系统中的事务问题物联网环境与设备协同系统物联网环境中事务的特点需解决的关键问题事务协调协议研究现状事务处理技术的发展事务处理模型研究现状事务补偿研究现状1.背景与意义1.背景与意义 设备协同系统的事务问题物联网环境与设备协同系统物联网环境中事务的特点需解决的关键问题物联网的经典三层架构有如下左图：感知层，网络层，应用层。包括设备的标识，应用数据的采集，数据的汇聚传输，数据的融合，应用，人工的交互等1.1.物联

2、网环境与设备协同系统以右图国家地震前兆网络观测系统为例，在系统中，感知层的大量地震观测设备采集的数据经过地震专网（网络层）的传输，汇聚，到达区域，国家，学科中心节点（应用层）进行数据加工，融合，数据挖掘，再与用户进行交互设备协同系统包括如下分类，面向物联网的设备协同系统属于大规模设备协同系统1.1.物联网环境与设备协同系统设备协同系统设备协同系统设备远程访问设备远程访问设备共享支持设备共享支持的用户协作的用户协作设备间协作设备间协作常规设备协同常规设备协同大规模设备协大规模设备协同同物联网设备协同系统属于大规模设备协同系统，一次设备协同过程中需要地理大范围内的大量设备共同工作，对设备协同过程中

3、的安全性、可靠性以及通信的效率要求也越来越高，具有设备数量众多，种类复杂，协同规模大、时延敏感、同步要求高等特点 国家地震前兆网络观测系统项目实现了全国2000多套地震设备的数据采集，汇聚，加工，监测，协同任务 奥运中心区景观照明项目实现了97公顷范围内500余部照明设备、数万盏照明灯具的协同工作 在上海世博公园区域管理系统中实现了5个子系统，各类传感设备，照明设备，音频视频设备之间的互相联动1.背景与意义1.背景与意义 设备协同系统的事务问题物联网环境与设备协同系统物联网环境中事务的特点需解决的关键问题1.2.问题的产生面向物联网的设备协同系统中面对一些事务问题（事务范畴包括数据库级别上的数

4、据一致性保证，以及设备协同系统中有关协同流程的业务事务）物联网设备协同系统中流通的数据通常存在多个副本，数据在流通过程中造成多点数据不一致性。例如：地震项目的观测数据存储在台站，区域，国家，学科四层节点上，其中各区域节点上拥有其省内所有台站的数据与信息，国家节点拥有全国所有区域与台站的数据与信息，各学科节点拥有部分国家中心节点的数据，这种级联的存储关系使相同的数据存在多个副本，数据在汇聚，分发及使用过程中会造成多点数据的不一致性，这需要可靠的事务管理机制对数据的分发与汇聚流程进行事务性保证。因此：系统需要严格可靠的数据库级别的事务支持1.2.问题的产生系统在协同过程中存在业务逻辑级别的协同任务

5、，有相当一部分这类任务包括一系列的操作需作为一个事务来执行来满足系统业务需求。例如：地震前兆网络观测系统中一个设备采集的数据需分解为多个测向分量，在一次数据汇聚的过程中，这些分量数据作为一个整体任务分别写入分布的，异构的数据库，倘若其中一个或几个关键的操作失败或等待响应时间过长，其他的操作无论已经完成或未完成，都需同时撤销，使系统数据恢复到进行该操作之前的状态。此外，在协同收集数据的过程中会有资源争用的问题，如果不进行合适的资源配置，将造成事务的执行效率低下。例如：奥运景观照明系统中一次照明场景涉及一系列灯具的操作，如果照明灯具的关键性操作如果全部成功，那么无论其他操作成功与否，整个照明场景强

6、制执行；若有关键操作执行失败或等待响应时间过长，则需要撤销整个照明场景的执行并将数据恢复到初始状态。例如：上海世博会区域管理系统中周界报警子系统，广播子系统，照明子系统，摄像头子系统之间的业务联动需作为一次事务来执行，一次联动过程可能涉及周界报警传感器，水位传感器，相关摄像头，广播，照明灯具的在一定时间内的操作序列，在满足系统要求的情况下，可以忽略部分设备的不正常响应，但若关键的设备操作执行失败或等待响应时间过长，则需撤销整个联动操作序列并将系统恢复到联动前状态。因此：系统需要灵活可靠的业务逻辑级的事务支持1.2.问题的产生对于数据库级别的事务，分布式数据库系统对此类问题提供了全面成熟的保障机

7、制对于业务逻辑级的事务，则需要一套完整的与之环境相适应的事务管理方法：包括高效的事务前协调高效的事务前协调，灵活可靠事务处理模型灵活可靠事务处理模型以及相应的事务补偿方法相应的事务补偿方法1.背景与意义1.背景与意义 事务对设备协同系统的支持物联网环境与设备协同系统物联网环境中事务环境特点需解决的关键问题事务参与者的分布性，异构性事务参与者的高动态性事务参与者的自治性事务目标的复杂性事务补偿性的复杂性1.3.物联网设备系统系统中的事务环境面向物联网的设备协同系统环境中的事务参与者通常是分布的，异构的，而在物联网系统中流通的数据需要具有统一的存取访问标准，这需要统一的中间件管理平台对系统中的数据

8、进行统一的输入，输出，通信，管理物联网的大数据量特点，和基于感知的数据环境使的事务参与者具有高度动态性，同时事务执行过程具有很强的灵活性。这对事务协调阶段的资源优化配置提出了新的挑战物联网设备协同系统中的事务参与者常常是自治的，他们对协同目标的执行大多是一种尽力而为的态度，这使得协同目标很难达到一种非有即无的衡量方式，大多数是一种满足用户需求的协同，这使得严格的事务原子性要求损伤了执行效率物联网环境下的事务参与者常常是自治的，参与者本身具有一定的计算能力与存储能力，互相之间具有自主通信能力，不通过中央服务器控制，所以，传统的集中式事务管理机制将不能满足物联网事务的需求现阶段物联网系统多以行业为

9、总体背景开展与发展，因此，物联网系统中包含大量与业务逻辑相关的事务，而为这类事务设计补偿操作的代价通常较高，针对这类事务，可以设法减少补偿操作的执行1.背景与意义1.背景与意义 事务对设备协同系统的支持物联网环境与设备协同系统物联网环境中事务的特点需解决的关键问题1.针对物联网设备协同系统中事务参与者的分布，异构性，需要统一的数据存取与访问规范对流通中的数据进行管理2.针对物联网设备协同系统中业务事务协同交互频繁且高度动态的情况，需舍弃独占的，静态的事务调度方式3.针对物联网设备协同系统长事务较多，且协同目标复杂的情况，需要能有效处理长事务的事务模型4.针对物联网设备协同系统基于业务逻辑的事务

10、操作多，设计补偿事务复杂或无补偿操作的问题，需要能有效减少补偿操作代价的事务补偿机制1.4.需解决的关键问题2.国内外研究现状2.国内外研究现状 事务协调协议研究现状事务环境的发展事务处理模型研究现状事务补偿研究现状u 传统数据库事务u 分布式事务u WEB服务事务u 物联网事务2.1.事务环境的发展 传统事务概念来源于数据库管理系统，被用来确保应用程序对数据库访问的一致性和可靠性。在多个应用程序同时对相同数据库资源进行访问时，事务处理系统保证在事务执行前后，数据仍然保持一致。传统的事务具有严格ACID属性。传统数据库事务之后发展成为分布式事务。分布式事务定义两种不同的事务类型：局部事务和全局

11、事务，每个站点都有自己的事务管理器和事务协调器来分别管理局部事务和协调全局事务，分布式事务仍具有严格的ACID属性。大部分需要协调的分布式事务是非常紧密耦合并且短时事务，在事务执行过程中，不存在人为不确定因素的干扰；大部分事务是由专业技术人员参与设计并长期运行的服务流程，事务发起者对事务执行效果的期望是稳定而又清晰的，这种缺点在web服务与物联网环境下将会受到冲击。web服务事务是分布式事务的一个分支。在Web 服务体系中，出现了大量的长事务，为了解决运行时间长的问题，应该允许部分参与者失败，尽早释放底层资源，并具有事务故障处理能力。这样适当放松事务ACID 特性，能保持Web 服务技术的互操

12、作性和动态性不被破坏，同时保证了复杂的Web 服务长事务顺利执行。然而，web服务事务环境过度的松耦合性使得它的事务处理效率难以达到时效性较高的物联网环境的要求。物联网环境对于事务处理来说是新兴的环境，物联网中包含海量的分布的，异构的事务参与者，且物联网系统通常仍具有较强的行业性，这使得物联网中的事务不像传统分布式事务那般紧耦合，也不像web服务环境那样松耦合，是介于两者之间的；此外，人的参与是物联网环境下的重要因素，人工参与性导致了物联网中相当一部分的长事务的存在；最后，由于物联网系统普遍对实效性有较高要求，使得物联网中的事务参与者具有高度的动态性。2.国内外研究现状2.国内外研究现状 事务

13、协调协议研究现状事务处理技术的发展事务处理模型研究现状事务补偿研究现状多年以来，根据不同的事务环境，针对事务的ACID属性，出现了多种与环境相适应的事务协调协议，其中比较有影响力的协议包括以下几种：2PC3PCBTPTHP2.2.事务协调协议研究现状1.准备阶段：协调者向资源管理者（事务参与者）发消息要求他们准备资源。当某资源管理者完成准备时，它保证可以为事务提供资源并不单方面收回承诺。如果该资源管理者不能提供资源，那么它也须明确告知事务协调者。2.提交阶段：在提交阶段中，协调者将对资源管理者的回应进行计数。如果所有资源管理者都准备提供资源，则提交事务；否则回滚事务。并将结果通知所有参与者，如

14、果结果为提交，参与者将确认它们已经提交。2.2.事务协调协议研究现状2PC 协议起源于分布式环境，具有完备的ACID属性，确保数据的可靠性与一致性。分为以下两阶段进行：2PC的特点：2PC具有严格的ACID属性，确保数据的可靠性与一致性，然而严格的ACID属性在物联网环境下，会造成长事务的长时间资源锁定，造成资源利用效率低；当参与者在第二阶段等待协调者的回答时，可能因为网络故障或协调者故障使之收不到回答信息而出现等待超时，这时事务进入等待状态，此时事务就一直处于阻塞状态，整个系统的可用性降低。针对2PC的阻塞情况，在2PC 中增加一阶段使得参与者在进入锁定状态之前就能够知道所有的参与者的决议（

15、事务协调者向所有参与者发送“准备提交”报文），这时 2PC 变成 3PC 协议。在 3PC协议中，报文有三次接收和发送，协调者第二次向参与者发出的报文不是“提交”报文，而是提交前的“准备提交”报文，告诉所有的参与者均可以自己做出决定，或撤销或提交，而不必因等待协调者恶意问答而进入阻塞状态。然而3PC 协议也无法完全避免阻塞，且由于其较大的通信开销而没有在业界广泛使用2.2.事务协调协议研究现状BTP协议是一种“参数化”的两阶段提交协议，它允许事务设计者可以通过程序中的代码显示地控制事务的执行过程。BTP包含两种类型的事务：原子型和聚合型事务原子型事务具有严格的ACID属性聚合型事务放宽了原子性

16、，允许基于高层业务规则来选择确认或取消工作，事务显得更加灵活；聚合事务也放松了隔离性，在事务执行期间，允许子事务的内容在顶层事务提交前对外可见BTP的特点：违背了经典事务管理思路中事务处理和业务处理分离的原则，更适合紧耦合的事务环境，存在可取之处它的兼容性不好，未定义补偿的实现，遗留事务处理体系整合较差2.2.事务协调协议研究现状THP将事务执行显示地分为两个阶段，在第一阶段，一个资源可以被多个事务同时预定，在第二阶段，先提交的事务获得资源的最终所有权。这样，因为独占资源而引起的资源利用率低的问题就可以得到有效地缓解。2.2.事务协调协议研究现状THP协议：与严格的ACID属性所造成的独占性资

17、源锁定方式不同，THP允许事务参与者在事务协调之前通过一种尝试性的、非阻塞的方式预定或消费所需的事务资源。严格ACID的排他型资源访问方式THP的共享资源协调方式THP类似拍卖的交易规则在极端的情况下使得预订资源变得毫无意义，为此THP提出了“请求拒绝”和“预占用过期”两个协议控制概念，起到限制资源预定范围的作用。但THP 协议并没有对这两个概念的具体实现方法做出明确规定。Park等研究者在这方面做出了首次尝试，他们定义了“预占用限额”和“预占用时限”两个重要参数，通过设置合理的预占用时限，来控制预定请求的规模，但该方法仅适用于预定与确认环节无时间间隔的紧凑事务协调模式，且未考虑到事务参与者的

18、动态性u 综上所述：u2PC（两阶段提交协议）,3PC协议具有完备的ACID属性，确保数据的可靠性与一致性，但在物联网环境下，会引起长事务的长时间资源锁定，资源利用效率低；uBTP协议降低了ACID中的原子性与隔离性，可以支持长事务管理；但BTP要求在事务协议中对业务逻辑进行编码，大大增加了实现的难度和复杂度，且遗留事务处理体系整合较差uTHP协议放松ACID属性中的隔离性，在事务执行阶段前引入事务协调阶段，实现事务资源优化配置。但其缺少对请求资源的限制和明确的实现方法，面对物联网事务环境，须针对其的特点进行扩展，设计明确的实现方法。2.2.事务协调协议研究现状2.国内外研究现状2.国内外研究

19、现状 事务协调协议研究现状事务处理技术的发展事务处理模型研究现状事务补偿研究现状u 平坦事务模型u 扩展事务模型u Flexble模型；u 分支汇合模型；u 嵌套模型；u Sagas模型；2.3.事务处理模型研究现状 平坦事务模型是最原始的事务模型，具有严格的ACID属性（原子性，一致性，隔离性，持久性）；平坦的事务模型中严格的ACID属性保证了数据操作的可靠性与一致性，但存在以下缺点：事务执行出现差错时，严格原子性的要求将使之前做的大量的工作全部丢失。隔离性要求使得不同的事务之间不能进行消息或者控制的交换，然而对于协同活动而言，在不同的事务之间存在相互依赖关系，长时间的资源锁定会造成资源的浪

20、费和事务执行效率的低下。2.4.事务处理模型研究现状 随着时间的发展与网络环境的变更，研究者们考虑到具体应用语义和依赖关系提出了各种扩展事务模型(主要包括flexible模型，分支汇合模型，嵌套模型，sagas模型),采用补偿和等价替换等手段,适当调整并放松事务的 ACID 要求2.4.事务处理模型研究现状 分支,汇合事务模型：支持分支和汇合事务的操作,可将一个执行中的事务分为两个事务,或者将两个事务合并为一个事务,通过动态重构执行中的事务,可解决多个事务的协同问题,提高事务的并发度和吞吐率.Flexible 事务模型：适用于多库系统,一个Flexible事务由多个子事务组成，根据子事务的恢复

21、特性,可将其分为可补偿的、可重试的和 Pivot 三种,为确保发生失效后 Flexible事务仍可正确恢复,需要保证该事务是良构的。嵌套事务：允许子事务的包含关系,从而形成树形结构，父事务开始后子事务才能开始 所有子事务提交后父事务方可提交,父事务回滚则其子事务都回滚，分层结构增加了模块化程度,允许更细粒度的恢复和更高的并发性。开放式嵌套事务模型：支持更为放松的隔离性:已提交子事务的结果对其他并发执行的子事务可见,从而得到更高的并发度。Sagas模型：面向长事务，一个 Sagas 由预先定义好执行顺序的子事务集合和对应的补偿子事务集合组成，若其中某个子事务 失败,Sagas将通过逆序执行补偿子

22、事务来撤销该子事务和之前提交的全部子事务的操作结果 在目前出现的多个具代表性的事务工作流研究项目和原型系统中（包括 ConTracts，FlowMark,WAMO,METEOR,OPERAP，WISE,WIDEP CrossFlow 等这些项目与原型系统）通常基于 Sagas模型与Flexible 模型 Sagas没能普遍应用于大型网络环境中（物联网），因存在以下的缺陷:Sagas模型强制要求每个子事务有对应的补偿事务,而在复杂的大型网络环境中,不存在补偿事务的子事务十分普遍;当一个子事务失败时,必须回滚之前的所有子事务,这个要求对于大型网络环境而言过于严格和低效;2.4.事务处理模型研究现状

23、2.国内外研究现状2.国内外研究现状 事务协调协议研究现状事务处理技术的发展事务处理模型研究现状事务补偿研究现状u 补偿的概念首先是由Garcia Molina于 1987 年提出u补偿定义为：根据语义有选择的撤销部分事务性操作，从而使系统又恢复到一致的状态下，避免具有级联依赖的事务活动全部中止。u 补偿最早应用在 Sagas模型中uSagas中长事务中每个子事务都被提供一个属于它自己的补偿块，如果发生失效,失败的那个子事务按照常规的方法进行回滚,Sagas按照子事务被提交的逆序调用对应的补偿块。u 早期的扩展事务模型在事务补偿方面达成的共识是：事务可以尽早提交，如果事务失败，可以通过执行补偿

24、操作来消除已执行服务的影响。这些补偿机制未对事务执行的运行状态进行评估,很可能产生子事务刚提交就要被补偿的情况,导致不必要的开销.2.4.事务补偿研究现状u 随着网络技术的发展，研究者们发现在如今的大规模网络环境中，设计并测试正确的补偿事务将使技术人员面临极大的困难，部分事务操作不存在补偿操作，完全的补偿机制不是事务处理的最佳解决方法。因此，许多研究开始围绕事务前的协商和资源预定环节展开，希望通过良好的“事务前”准备工作，最大程度地避免补偿操作的执行。u 以THP为代表的重大革新,通过一种尝试性的、非阻塞的方式预定事务资源,通过由传统的资源完全锁定方式转变为共享锁定方式,放松对隔离性的要求，从

25、而将补偿的可能性大大降低。u 这种资源的准占用模式虽然可以在一定程度上降低补偿活动的数目,但是仍未考虑补偿活动本身的代价，不适用于具有高动态性，大规模网络的物联网环境2.4.事务补偿研究现状3.若干研究问题与关键技术3.若干研究问题与关键技术采用的关键技术与方法若干研究问题u 针对物联网设备协同系统中事务参与者的分布，异构性，需要统一的数据存取与访问规范对流通中的数据进行管理u为事务处理系统设计统一的数据访问中间件平台u 针对物联网设备协同系统中设备自治，业务事务协同交互频繁且高度动态的情况，需舍弃独占性的，静态的资源调度方式u放松事务的隔离属性，在事务协调阶段引入有动态协商思想的事务协议，实

26、时优化资源分配，提高效率u 针对物联网设备协同系统长事务较多，且业务事务协同交互频繁的情况，需要能有效处理长事务的事务模型u放松事务的原子属性，采用分级的原子性完成事务目标u 针对物联网设备协同系统基于业务逻辑的事务操作多，设计补偿事务复杂或无补偿操作的问题，需要能有效减少补偿操作代价的事务补偿机制u通过确立最合适的事务提交时间来减少补偿操作数目，从而减少补偿代价1.4.需解决的关键问题拟在为物联网设备协同系统提供相适应的事务支持，在分析物联网事务环境特点的基础上，1.通过统一的数据访问平台规范整合物联网设备协同系统的流通数据；将事务处理分为两个阶段，2.在事务协调阶段引入协商思想，设计一种针

27、对物联网环境的事务协调协议，优化资源配置；3.在事务执行阶段，定义一种具有放松的原子性和隔离性的事务模型，使之能够有效处理协同流程事务；4.在事务补偿问题上，提出一种能够有效减少补偿操作，提高系统运行效率的事务补偿机制3.1.主要研究方法设备服务器人工服务其他数据1.数据统一访问平台3.事务模型定义4.事务补偿机制2.事务协调协议3.事件处理协议事务管理系统3.若干研究问题与关键技术3.若干研究问题与关键技术采用的关键技术与方法若干研究问题u根据面向物联网的设备协同系统环境下的事务的特点，拟采取的事务ACID属性：u满足用户要求的原子性u可恢复的一致性u分阶段的隔离性u必须保持的持久性3.2.

28、采用的关键技术与方法传统的原子性要求事务的每一个操作必须全部成功或者完全取消，不允许部分事务成功。这种约束在物联网事务中需要改变。在参与协调的事务中，关键性是可以分等级的，只要保证事务的关键目标不受影响，其它的一些服务是可以放弃或重新选择的。一致性是事务从一个状态转移到另外一个状态。原子性的破坏是导致事务执行不一致的主要原因，放松的隔离性可能会破坏数据的完整性和一致性，因此不要求系统时刻处于一致性状态，但是并发调度要保证即使出现不一致情况，状态仍然是可恢复的，即“可恢复的一致性”。隔离性是一把“双刃剑”。完全不考虑事务的隔离问题，在事务提交时，肯定会造成严重的错误，影响服务质量；而严格遵守隔离

29、性要求，又会影响到资源提供者的利益，因此，折中的方案是采用分阶段的隔离策略，在资源的协调阶段，采用扩展的THP协议，实行弱隔离策略，让供求双方进行充分协商和选择；在事务执行阶段，实行强隔离策略，保证提交的事务能达到预期的结果。物联网事务与传统分布式事务一样，必须保持事务的持久性。物联网事务在成功完成一个操作之后，即时服务器系统失败，也必须保证它的数据的改变是持续的；同时，物联网事务也需要提交机制来保证其组合过程中的数据的持久性，例如：设备某时段采集的数据汇集到系统服务器之后，即使系统服务器当机，相应的数据信息不能丢失 例如：地震项目中国家节点与云南省上百套相关地震设备进行协同收集数据的过程中，

30、因一次设备操作执行失败就终止并回滚整个事务过程的代价是巨大的，应在不破坏关键子事务的情况下对该操作进行重试或补偿；例如：奥运中心区的一个景观区域的一次景观照明活动，涉及上千盏照明灯具大量设备的协同，持续时间达到数个小时。当一次设备操作执行失败时，可采用补偿、重试、甚至功能替代等手段，使得应用可以继续执行并正确完成。例如：上海世博会区域管理系统中，周界报警子系统的报警行为将引发广播系统的广播,照明系统中的相关灯具，摄像头系统中的相关摄像头的联动，其间如果因为个别子系统的非关键性设备联动失败而撤销整个联动过程，将造成严重影响。u事务协调协议：u拟在THP协议的基础上进行扩展，将资源授予概率，执行成

31、功率等因素引入THP协议来决定资源的分配，并应用后验概率法动态计算事务执行成功率，采用模拟实验分析验证协议的性能u事务处理模型：u为物联网设备协同系统设计统一的数据访问平台，利用O/R二级映射的技术整合特定物联网行业数据访问规范u在sagas模型的基础上进行扩展模型，将事务的关键性分级，根据事务的语义定义事务的类型，针对不同类型的事务，采取适应的协调策略，使模型在物联网环境下具有好的并发性，并采用形式化方法描述事务模型u事务补偿机制：u拟在事务提交阶段引入事务执行成功率和执行时间的概念来计算事务的补偿代价，通过关联分析计算相关联的事务对补偿造成的影响，确定事务的提交时间，采取一种顺序执行逆序提

32、交的方式，使之后可能进行的补偿操作变为回滚操作，从而减少补偿操作的数量，提高事务并发控制执行的效率，并采用模拟实验验证算法的性能3.2.采用的关键技术与方法u 事务协调协议：u拟在THP协议的基础上进行扩展，将事务执行时间，执行成功率，资源授予概率等因素引入THP协议，让资源提供者主动的选择是否参与事务，合理地优化资源的分配，并应用后验概率法提高算法对高动态性的支持，采用模拟实验分析验证协议的性能u事务协调环境：假设在事务协调环境中有n个资源提供者RPRP1,RP2,RP3,.,RPn 分别提供不同种类的资源（如：各类设备或设备代理），每个资源提供者 RPi拥有 ki个资源 ri，其中i 1,

33、.,s。在整个协调过程中，共有 m 个事务 T1,T2,T3,.,Tm(如：一次协同观测数据的收集，一次协同照明场景的实现，一次报警的联动流程),向这些资源提供者提出资源预定或确认请求，其中每个事务由不同的资源需求构成r1,.,rj,j=1)nre sT ii=1N=N(n =1)1 J.Park and K.Choi.An adaptive coordination framework for fast atomicmulti-business transactions using web services.Decision Support Systems,2006.42:p.1959-19

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