傳感器觀測(cè)服務(wù)的性能評(píng)估與方法

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

傳感器觀測(cè)服務(wù)的性能評(píng)估與方法

陳能成，張偉杰，王曉蕾

(武漢大學(xué)測(cè)繪遙感信息工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430079)

PerformanceEvaluationandMethodforSensorObservationService

CHENNengcheng,ZHANGWeijie,WANGXiaolei

摘要：傳感器觀測(cè)服務(wù)是傳感網(wǎng)的核心服務(wù)，用于管理和獲取異構(gòu)傳感器的元數(shù)據(jù)和觀測(cè)數(shù)據(jù)。在一定的硬件和軟件條件下，評(píng)估傳感器觀測(cè)服務(wù)的性能有助于發(fā)揮傳感網(wǎng)監(jiān)測(cè)目標(biāo)地物時(shí)的最優(yōu)性能。本文以服務(wù)性能的響應(yīng)時(shí)間為評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，提出了傳感器觀測(cè)服務(wù)性能的評(píng)估方法。此方法分別從不同的操作和軟件配置等方面進(jìn)行了響應(yīng)時(shí)間的評(píng)估，分析出傳感器觀測(cè)服務(wù)中不同操作的性能特征，提高了傳感器觀測(cè)服務(wù)的設(shè)計(jì)與部署效率。

關(guān)鍵詞：傳感器觀測(cè)服務(wù)；傳感網(wǎng)；性能；評(píng)估

中圖分類號(hào)：P24

收稿日期：2014-03-07

基金項(xiàng)目：國家863計(jì)劃(2013AA01A608)；國家自然科學(xué)基金(41171315)

作者簡(jiǎn)介：陳能成(1974—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)與服務(wù)、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(cè)服務(wù)(sensorobservationservice，SOS)可以提供獲取異構(gòu)傳感器的元數(shù)據(jù)和觀測(cè)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化接口，是傳感網(wǎng)(sensorweb)的核心服務(wù)之一[1-2]，其優(yōu)劣對(duì)于傳感網(wǎng)服務(wù)體系的性能具有重要的影響。

國外學(xué)者對(duì)SOS中核心操作GetObservation的響應(yīng)時(shí)間[3]、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)下響應(yīng)內(nèi)容大小[4]以及多種SOS的實(shí)現(xiàn)軟件[5]等進(jìn)行了對(duì)比分析。這些分析評(píng)價(jià)工作對(duì)SOS的性能評(píng)估和改進(jìn)有一定的借鑒意義，但缺少針對(duì)SOS在不同的操作、軟件配置和并發(fā)請(qǐng)求數(shù)情況下性能表現(xiàn)的評(píng)估。如何針對(duì)SOS的性能進(jìn)行更綜合的評(píng)估，尤其是在一定的硬件和軟件條件下的性能評(píng)估，是現(xiàn)今亟待解決的問題。這不僅對(duì)SOS軟件實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供了有用參考，同時(shí)對(duì)合理選用SOS具有重要的指導(dǎo)意義。

針對(duì)上述情況，本文提出了針對(duì)SOS各服務(wù)操作和不同軟件配置等方面進(jìn)行評(píng)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(cè)服務(wù)軟件的設(shè)計(jì)與優(yōu)化部署。

二、傳感器觀測(cè)服務(wù)

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

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

2) 事務(wù)操作。①RegisterSensor(RS)：注冊(cè)傳感器；②InsertObservation(IO)：插入觀測(cè)數(shù)據(jù)。

各操作運(yùn)行順序如圖 1所示。

圖1　SOS核心操作與事務(wù)操作運(yùn)行順序

三、評(píng)估方法

1. 測(cè)試原則

(1) 響應(yīng)時(shí)間測(cè)試

SOS是基于傳感器觀測(cè)數(shù)據(jù)的共享操作標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于客戶端來說，SOS軟件的服務(wù)響應(yīng)時(shí)間至關(guān)重要，測(cè)試時(shí)應(yīng)包含此項(xiàng)指標(biāo)。

(2) 測(cè)試所有核心操作

標(biāo)準(zhǔn)的SOS必須提供GC、GO和DS這3個(gè)核心操作，這3個(gè)操作的性能是評(píng)估SOS共享傳感器信息及觀測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)際效果的關(guān)鍵部分。

(3) 兼顧包含空間特性的操作

傳感器的空間位置對(duì)于用戶解譯和使用觀測(cè)數(shù)據(jù)至關(guān)重要，SOS的一個(gè)重要特性是支持空間數(shù)據(jù)和空間相關(guān)的過濾操作。測(cè)試時(shí)應(yīng)基于不同空間位置的數(shù)據(jù)，并對(duì)同一操作的包含與不包含空間過濾分別進(jìn)行測(cè)試，以便能夠更準(zhǔn)確地反映SOS的性能狀況。

2. 測(cè)試設(shè)計(jì)

為了綜合評(píng)估SOS的服務(wù)性能，本文設(shè)置以下3類測(cè)試場(chǎng)景。

(1) 軟件配置測(cè)試的準(zhǔn)備測(cè)試

在一定硬件條件下，不同的軟件配置如Web服務(wù)容器、數(shù)據(jù)庫的配置不同，會(huì)導(dǎo)致不同的性能表現(xiàn)，因此在SOS各操作的測(cè)試之前，需先對(duì)不同軟件環(huán)境配置下的SOS進(jìn)行測(cè)試，從中選出較優(yōu)的軟件配置。分別對(duì)以下4種情況進(jìn)行GetObservation測(cè)試：①默認(rèn)SOS軟件配置；②僅調(diào)整Web服務(wù)容器參數(shù)；③僅調(diào)整數(shù)據(jù)庫配置參數(shù)；④同時(shí)調(diào)整前面兩個(gè)參數(shù)。

(2)SOS的每個(gè)核心操作和事務(wù)操作測(cè)試

每個(gè)操作請(qǐng)求按如下設(shè)置：①GC，請(qǐng)求所有內(nèi)容：操作元數(shù)據(jù)信息(OperationsMetadata)、服務(wù)標(biāo)識(shí)(ServiceIdentification)、服務(wù)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(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)間段、觀測(cè)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(biāo)識(shí)(Identification)和觀測(cè)輸出(Outputs)；⑤IO，包含OM(ObservationsandMeasurements)[8]的必須元素，觀測(cè)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(cè)試

分別對(duì)包含、不包含空間位置過濾的GO進(jìn)行測(cè)試。為避免返回的觀測(cè)數(shù)據(jù)大小不一致造成的影響，測(cè)試時(shí)設(shè)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(shí)，返回一樣的數(shù)據(jù)。

針對(duì)以上3類場(chǎng)景，設(shè)置每個(gè)測(cè)試并發(fā)用戶數(shù)分別為1、10、50、100、200、500和1000，每次請(qǐng)求響應(yīng)完畢后立即進(jìn)行下一次請(qǐng)求，分別連續(xù)測(cè)試5min，并在兩臺(tái)相同配置的電腦上重復(fù)5次，以盡量減少異常個(gè)例對(duì)結(jié)果的影響。

3. 測(cè)試數(shù)據(jù)

為保證測(cè)試的準(zhǔn)確性，SOS的測(cè)試數(shù)據(jù)應(yīng)符合以下條件：①包含多個(gè)傳感器的注冊(cè)信息和觀測(cè)數(shù)據(jù)信息；②數(shù)據(jù)量應(yīng)適量，不能過大，否則SOS的數(shù)據(jù)庫性能會(huì)嚴(yán)重影響整體響應(yīng)時(shí)間；③觀測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)同時(shí)包含空間觀測(cè)值和非空間觀測(cè)值，并且空間觀測(cè)值應(yīng)具有一定的隨機(jī)性。

本測(cè)試數(shù)據(jù)從武漢市1萬多輛浮動(dòng)車中隨機(jī)選取100輛的連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)，預(yù)先注冊(cè)并插入到SOS數(shù)據(jù)庫。其中，每次觀測(cè)數(shù)據(jù)包含4個(gè)觀測(cè)值：車的GPS位置(空間點(diǎn)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(cè)頻率約為40s/次，在不影響測(cè)試的前提下，為便于直觀統(tǒng)計(jì)，將數(shù)據(jù)按1h/次重新分配時(shí)間值。選取基于此頻率的30d的觀測(cè)數(shù)據(jù)作為被測(cè)試數(shù)據(jù)，即共100×4×24×30=288000個(gè)觀測(cè)值，其中空間觀測(cè)值為72000個(gè)，隨機(jī)地分布在武漢市行政區(qū)劃內(nèi)。

4. 測(cè)試環(huán)境與工具

(1) 硬件環(huán)境

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

表1　硬件配置

(2) 軟件環(huán)境

測(cè)試對(duì)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(jié)構(gòu)中包含B樹和Gist索引。測(cè)試軟件采用被廣泛用于Web性能測(cè)試的開源測(cè)試工具ApacheJMeter，版本為2.11。詳細(xì)軟件環(huán)境見表2。

表2　軟件環(huán)境

四、測(cè)試結(jié)果與分析

1. 不同軟件配置的測(cè)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(rèn)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(fù)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(wù)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(diǎn)頻率checkpoint_segments=32。

測(cè)試中，所有GO均包含空間過濾參數(shù)。GO的響應(yīng)大小為47.9KB，響應(yīng)時(shí)間如表3及如圖2所示。

表3　 GetObservation各配置下平均響應(yīng)時(shí)間　 ms

圖2　GetObservation各配置下平均響應(yīng)時(shí)間

從圖2可看出，同時(shí)調(diào)整Tomcat和PostgreSQL參數(shù)的結(jié)果最優(yōu)，相比于默認(rèn)配置，單用戶時(shí)平均響應(yīng)時(shí)間降低13%，1000并發(fā)時(shí)降低15%。這說明通過調(diào)整Web服務(wù)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(wù)性能，以此參數(shù)配置為基礎(chǔ)能夠比默認(rèn)配置更客觀地評(píng)價(jià)出SOS各操作的性能。

2. 不同操作類型的測(cè)試分析

本場(chǎng)景基于場(chǎng)景1中同時(shí)調(diào)整Web服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫參數(shù)，對(duì)SOS的5個(gè)主要操作進(jìn)行測(cè)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(gè)傳感器的720次觀測(cè)結(jié)果，共2880個(gè)觀測(cè)值；IO每次發(fā)送一次觀測(cè)的4個(gè)觀測(cè)值。特別的，RS和IO的測(cè)試也是原有測(cè)試數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，在測(cè)試過程中會(huì)逐漸增加傳感器和觀測(cè)數(shù)據(jù)。測(cè)試結(jié)果如表4和圖3所示。

表4　各操作的平均響應(yīng)時(shí)間　 ms

圖3　各操作的平均響應(yīng)時(shí)間

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

3.GetObservation有無空間過濾的測(cè)試分析

包含與不包含空間過濾參數(shù)的GO的響應(yīng)內(nèi)容完全一致，大小均為47.9KB，測(cè)試結(jié)果的響應(yīng)時(shí)間同樣隨并發(fā)數(shù)增長(zhǎng)而呈類線性增大，見表3中的列“Tomcat&Pg”和“無空間過濾”，其趨勢(shì)如圖4所示。

包含空間過濾參數(shù)的響應(yīng)時(shí)間是不包含時(shí)的3倍以上，因此對(duì)于SOS客戶端用戶而言，若能獲取同樣的所需觀測(cè)數(shù)據(jù)，則應(yīng)盡量避免在GO中加入空間過濾參數(shù)，以減少響應(yīng)的等待時(shí)間。

圖4　有無空間過濾的GetObservation平均響應(yīng)時(shí)間

4. 綜合分析

一般的，每個(gè)SOS客戶端獲取服務(wù)元數(shù)據(jù)信息只需一次GC[6]，GC的響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，但只影響一次。RS和DS只需對(duì)每個(gè)傳感器注冊(cè)和獲取一次。觀測(cè)數(shù)據(jù)由傳感器自身或傳感器所在網(wǎng)關(guān)向SOS發(fā)送IO請(qǐng)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(huì)請(qǐng)求多次數(shù)據(jù)，若在近實(shí)時(shí)應(yīng)用中，GO可能與傳感器觀測(cè)保持一致頻率，是SOS所有操作中使用最頻繁的操作。再結(jié)合前面測(cè)試分析可知，GO操作的響應(yīng)時(shí)間僅次于GetCapabilities，是RS的近10倍，IO的20多倍。因此，在SOS的代碼設(shè)計(jì)和實(shí)際部署時(shí)，優(yōu)化GO特別是包含空間參數(shù)的GO的響應(yīng)性能，是提升SOS整體性能的關(guān)鍵。

五、結(jié)束語

本文針對(duì)傳感器觀測(cè)服務(wù)包含多個(gè)操作和支持空間過濾的特點(diǎn)，提出了以響應(yīng)時(shí)間為評(píng)價(jià)因子針對(duì)多個(gè)操作及空間過濾參數(shù)的綜合測(cè)試方法。依據(jù)這種評(píng)估方法，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的測(cè)試場(chǎng)景，從而實(shí)現(xiàn)了在特定硬件條件下對(duì)SOS常用核心操作和事務(wù)操作的多種并發(fā)條件測(cè)試評(píng)估。評(píng)估結(jié)果表明，優(yōu)化包含空間參數(shù)的獲取觀測(cè)數(shù)據(jù)操作， 可以顯著提升服務(wù)的整體性能， 可以為傳感器觀測(cè)服務(wù)的軟件編碼和實(shí)際應(yīng)用時(shí)的按需部署提供重要的參考依據(jù)。

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