东华大学硕士研究生学位论文摘要基于物联网的范围查询的研究与实现摘要随着信息技术的深入发展，越来越多的不同种类的设备包括传感器手机甚至花草植物等都可以连接在起形成个具有数以万计结点的大规模物联网，因此越来越多基于物联网的应用程序应运而生。这些应用程序可以给用户提供不同需求的智能服务,因而需要从整个物联网中查询出些用户感兴趣的数据信息。但由于数据信息在物联网中是完全分布式的，这对范围查询技术是项艰巨的挑战，因此研究和实现基于物联网的范围查询是十分必要的。现今已经有很多方法被提出用来解决物联网中范围查询的问题，这些方法的共同思想是设计些数据移动机制，将结点产生的数据从本地转移到些特定的结点中，保证相近似的数据会被存储在物联网相邻的结点中，从而支持有效率的范围查询。然而,这样的数据迁移方法总是会引入额外的开销，尤其是对物联网中那些资源有限的结点。此外，当物联网中些结点实时快速地更新生产数据时，将数据从本地迁移到个指定结点的成本开销会呈爆炸式增长。通过对物联网中人们经常需要处理的数据的特点以及数据变化规律的分析，本文提出了个应用于物联网领域的范围查询框架，该框架主要由三部分构成，分别是动态自适应更新数据区间机制索引万方数据东华大学硕士研究生学位论文摘要机制和个范围查询执行器。动态自适应更新机制主要负责感知数据预测数据变化区间探测异常数据并汇报新的数据变化区间。索引机制主要负责收集汇报的数据区间信息，并建立范围查询数据索引，以便支持用户发起的范围查询请求。在动态自适应更新机制和索引机制的基础上，用户的范围查询请求将会通过个范围查询执行器完成。实验结果表明该范围查询框架可以减少物联网中些如传感器移动手机等弱势结点的工作负载，大幅度降低了物联网网络通信流量，同时支持了高效的范围查询。关键字物联网，分布式数据，范围查询，动态索引万方数据东华大学硕士研究生学位论文,.,.,.,.,万方数据东华大学硕士研究生学位论文,.,.,.,万方数据东华大学硕士研究生学位论文目录目录摘要第章绪论课题研究背景及意义.研究现状.本文研究的主要内容.本文的组织结构第二章基础理论物联网.分布式系统点对点系统无线传感器网络范围查询技术基于的范围查询.基于的范围查询线段树.缓存算法本章小结第三章物联网范围查询分析及框架范围查询中的数据特性分析.范围查询设计动态自适应更新机制.区间索引机制.范围查询执行引器设计.万方数据东华大学硕士研究生学位论文目录.本章小结第四章中范围查询策略实现.数据传感模块.分布式索引模块索引机制实现.索引模块实现范围查询.应用程序接口模块.通信模块通信模块结构设计.通信模块消息类型模块.范围查询应用程序仿真.本章小结第五章范围查询性能评估应用场景和实验环境应用场景.实验环境范围查询性能动态自适应更新机制性能.范围查询性能区间索引机制性能.可扩展性.平衡性.本章小结第六章总结与展望.万方数据东华大学硕士研究生学位论文目录.总结.展望参考文献.攻读学位期间的研究成果目录.致谢.万方数据东华大学硕士研究生学位论文第章绪论第章绪论随着物联网的迅猛发展，基于物联网的范围查询需求日益增多，本文对物联网中范围查询的课题进行了相关研究，本章节主要对该课题的研究背景研究内容研究现状以及文章的组织结构进行介绍。.课题研究背景及意义随着信息技术的快速发展，越来越多的不同种类的设备包括传感器触发器手机电脑照相机，甚至宠物花草植物等都将可以连接在起形成个数以万计的大规模的网络，这样的网络通常被称作物联网。因而，越来越多的基于物联网的应用程序应运而生。这些基于物联网的应用程序可以被运用在广泛的领域中，例如环境监测医疗健康军事生物研究安全控制社交网络智能家居等，这些运用成果拉近了人们与物质世界的距离。这些基于物联网的应用程序通过从些传感器中收集信息再使用些触发器去控制周围环境，从而为用户提供智能的满足客户不同需求的定制服务。基于物联网的应用程序可以给用户提供智能的服务,首先需要从整个物联网中查询出些用户感兴趣的数据信息。范围查询是个相对复杂的，当今常常被使用的种查询方法。范围查询的查询条件不是个精确值,而是个关于个或多个具体数据属性的范围。例如,如果个生物学家打算研究丛林中各种植物的生长环境，他需要基于丛林环境建立的物联网应用程序为他提供种服务用来监测植物生长环境和收集必要的植物生长环境数据，从而帮助他进行生物研究。因此,这些应用程序应该支持多维范围查询等基本的查询功能，帮助生物学家从分散布置在丛林内的传感器中获得植物的生长环境数据信息。比如，生物学家可以发起系列查询请求，要求查询指定温度范围和湿度范围的植物的生长环境数据。在物联网的环境中,数据信息完全分布分散在每个设备节点上，且每个设备在不断地更新生产数据。因此，这对基于物联网的应用程序从分布式的环境中万方数据东华大学硕士研究生学位论文第章绪论收集信息而言，是个巨大的挑战。显然,如果不采用任何技术方法直接在分布式的环境中执行范围查询，就必须将查询请求在整个网络中进行遍历，这将导致访问网络中大量的不必要的结点，并给那些资源和能量有限的结点带来额外的负担。此外，在整个网络中对查询请求进行广播，也会增加网络负载，产生网络堵塞等问题，浪费网络资源和能量。综上所述，对基于物联网的范围查询进行研究是非常必要的课题。通过对范围查询进行研究，减少物联网中网络通信的负载，降低网络中资源有限结点的工作负担，是非常有意义的。此外，这对促进环境保护能源节约的发展也有着深刻的意义。.研究现状现今已经有很多方法被提出用来解决物联网中范围查询的问题，这些方法主要被应用在点对点网络和无线传感器网络中。点对点网络系统中的范围查询方法主要通过扩展分布式哈希表的逻辑或建立些数据管理结构来支持范围查询。在无线传感器网络中，种以数据为中心的存储方法经常被使用，也就是说将这些传感器产生的数据存储到些特定的结点中保存。这些支持范围查询的方法的共同思想是通过制定些数据移动的机制，将物联网中结点产生的数据从本地转移到些特点的结点中，保证相近似的数据会被存储在相邻的结点中，从而支持有效率的范围查询。然而,这样的数据迁移方法总是会引入额外的开销，尤其是对物联网中那些资源有限的结点。此外，当物联网中些结点实时不断地更新生产数据时，将数据从本地地点迁移到个指定的结点地成本开销会呈爆炸式增长。.本文研究的主要内容在本文研究工作中，为了解决范围查询这个问题,我们把它分为了六个具体的研究内容。阅读文献关于无线传感器网络和点对点的系统中范围查询的万方数据东华大学硕士研究生学位论文第章绪论方法，对这些论文中提出的技术进行分类和总结。比较这些技术的缺点和优点，找出已经做得很好的部分,和需要被改进的问题。研究多种分布式系统,考虑基于其中个分布式系统，实现支持范围查询功能的方法。设计范围查询框架,分析框架中每个模块的功能。基于上个步骤中选择出的分布式系统，确定每个模块的具体功能。实现范围查询框架中每个模块的功能，包括数据传感模块分布式索引模块查询模块应用程序接口和通信模块。通过建立个演示模型验证已实现范围查询系统。建立个实际应用场景，对范围查询系统的每个模块和系统的扩展性进行性能评估，以及分析范围查询系统的平衡点。.本文的组织结构本文共分为六章，各章节的内容组织如下所述第章主要介绍了本课题的研究背景研究内容以及本文的组织结构。第二章对课题研究项目所涉及的相关技术进行了介绍，包括物联网分布式系统以及相关的范围查询技术。第三章介绍了如何利用这些数据的特点以及数据变化的规律来建立个分布式的范围查询框架。第四章详细介绍了基于的范围查询系统，通过个小节分模块对范围查询系统进行了介绍，最后又通过建立了个小型的系统对范围查询的功能进行了测试和验证第五章通过建立个具体的范围查询应用场景，对提出的基于物联网的范围查询框架的性能和可可扩展性进行了评估，并分析了范围查询框架中采用的动态更新机制的平衡点问题。第六章对本文关于范围查询方面所做出的贡献和不足进行了总结，针对研究中存在的不足，做出了展望，明确了进步的工作方向。万方数据东华大学硕士研究生学位论文第二章基础理论第二章基础理论基于物联网的范围查询服务可以支持物联网实现多样智能化的用户应用程序，本章对基于物联网的范围查询所涉及的相关理论基础和技术进行了研究，包括物联网分布式系统以及范围查询所采用的技术。.物联网随着信息技术的快速发展，越来越多的不同种类的设备包括传感器触发器手机电脑照相机，甚至宠物花草植物等都将可以连接在起形成个数以万计的大规模的网络，这样的网络通常被称作物联网如图.所示。图.物联网概念图物联网概念的思想在年以前就已经出现，比尔盖茨年时在他的著作未来之路中曾经探讨过信息科技领域未来的发展，他提到过电话电视机个人计算机等都将被连接在同个网络中，当你工作结束下班回家时通过个人的手机终端即可操控房屋大门的开锁解锁工作。随后，麻省理工学院的.教授和.教授分别于年年提出了基于产品电子代码概念，的物联网和发表了书，这些是物联网早期的雏形思想。直到年在突尼斯举行的信息社会世万方数据东华大学硕士研究生学位论文第二章基础理论界峰会上，国际电信联盟发布了报告，该报告正式提出了物联网的概念，指出可通过手机和互联网控制在线的电烤箱和电冰箱等构想，认为物联网是“任何时间地点任意物体”之间的连接，提出了种人和物之间物和物之间的新通讯形式。.分布式系统个分布式系统是由些网络互联的组成部分组成的，各个组成部分之间互相协作共享资源，对用户而言，这些组成部分就像是个单独的完整的系统。在这章节中，我们将介绍些分布式系统的例子，主要包含点对点系统无线传感器网络以及个智能物联网平台.点对点系统点对点系统通常被分为两个类别，非结构化点对点系统和结构化点对点系统。在非结构化点对点系统中，通过消息广播的方法来定位系统中的个结点，消息将会被不停地转发到网络中的每个结点直到找出存储了符合用户需求数据的结点，是两个典型的非结构化点对点系统。在结构化的分布式系统中，最常用的定位结点方法是使用分布式哈希表的方法来组织系统的所有结点，些最典型的基于分布式哈希表的系统分别是等。无线传感器网络无线传感器网络，是由大量分布在特定区域的传感器结点构成。每个传感器节点都是微小的，这些传感器结点在工作时仅具有有限的资源和电池能源。因此,传感器结点在工作时消耗的能量更低,但它们仍然能够支持有限的计算数据存储和无线通信能力。在特定的块区域内,这些传感器结点总是被广泛的随机分配部署。根据不同的实际应用环境,传感器结点部署可能是在个非均匀的分布的环境中。图.时个逻辑上的无线传感器网络的体系结构。当传感器结点被安装在个真实的物理世界中,我们可以通过图.观察到。万方数据东华大学硕士研究生学位论文第二章基础理论图.无线传感