（通信与信息系统专业论文）基于移动代理的无线传感器网络管理研究.pdf

摘要 摘要 随着微电子、集成电路、无线通信和信息网络等技术的迅速发展，无线传感器 网络作为普适计算的一种新的应用模式成为近年来学术界和工业界的研究热点之 一。无线传感器网络集数据采集、处理及通信于一体，具有价格低廉、部署方式便 利、环境自适应等特点。它具有节点数量多、能量有限、带宽有限的特点。如何在 有限的资源上，更好的管理无线传感器网络是目前网络管理面临的问题。移动代理 技术融合了分布式计算、软件a g e n t 和移动代码技术，克服了传统的计算模式的不 足，突破了分布式计算中的诸多限制，为实现无线传感器网络管理提供了可行性。 本文首先介绍无线传感器网络管理和基于移动代理的网络管理的国内外研究现 状，针对无线传感网节点数量多，能量有限的特点，分析现有的网络管理存在的问题。 其次介绍了移动代理技术，在分析了移动代理技术应用在网络管理中的可行性的基 础上，提出了基于移动代理的无线传感器网络管理模型，设计性能管理功能的移动 a g e n t 节点模型。针对无线传感网节点能量有限的特点，设计了基于改进的蚁群算法 研究设计了代理迁移策略。利用j a v a 语言和j a v a r m i 技术模拟了基于移动代理的无 线传感器网络性能管理，验证了移动代理技术应用在无线传感器网络的优势。最后 对整个研究工作进行了总结和展望。 关键词无线传感器网络；网络管理模型；移动代理；性能管理；代理迁移策略 a b s t r a c t i 目自- 目_ i = = = ；= ；e = _ 自_ i li l l _ _ ；= ；= = = = ；= - _ _ _ _ _ _ _ - _ l _ _ _ 目_ e 目目目_ _ a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm i c r o e l e c t r o n i c s ，i n t e g r a t e dc i r c u i t s ，w i r e l e s sc o m m u n l c - a t i o na n di n f o r m a t i o nt e c h n o l o g i e s ，w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ka sap e r v a s i v ec o m p u t i n g a p p l i c ：a t i o nm o d e l si so n eo f t h ef o c u si nt h ea c a d e m i ca n di n d u s t r i a lc i r c l e si nr e c e n ty e a r s w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sh a v ec h a r a c t e r i s t i c sa sm a n yn u m b e ro fn o d e s ，l i m i t e de n e r g y ， l i m i t e db a n d w i d t h o nt h el i m i t e dr e s o u r c e s ，h o wm a k eb e t t e rm a n a g e m e n to fw i r e l e s s s e n s o rn e t w o r k si st h en e t w o r km a n a g e m e n tp r o b l e m s m o b i l ea g e n tt e c h n o l o g y c o m b i n e s d i s t r i b u t e dc o m p u t i n g ，s o f t w a r ea g e n ta n dm o b i l ec o d et e c h n o l o g y t oo v e r c o m et h e s h o r t c o m i n g so ft r a d i t i o n a lc o m p u t i n gm o d e l s ，b u ta l s ob r o k et h r o u g ht h er e s t r i c t i o n si n d i s t r i b u t e dc o m p u t i n g ，w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sf o r t h em a n a g e m e n to ft h ef e a s i b i l i t y f i r s t l y ，t h i sp a p e r i n t r o d u c e sw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r km a n a g e m e n ta n dn e t w o r k m a n a g e m e n tb a s e do nm o b i l ea g e n tr e s e a r c hs t a t u sd o m e s t i ca n da b r o a df o rt h em a n y n u m b e ro fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kn o d e s ，l i m i t e de n e r g y ，t h ee x i s t i n gp r o b l e m s i n n e t w o r km a n a g e m e n t t h e ni n t r o d u c 苫t h em o b i l ea g e n tt e c h n o l o g y ，a n a l y z e st h ef e a s i b i l i t y o fi nn e t w o r km a n a g e m e n tb a s e do nm o b i l ea g e n tt e c h n o l o g y ，d e s i g no fw i r e l e s ss e n s o r n e t w o r km a n a g e m e n tm o d e l a n df o rt h e c h a r a c t e r i s t i c sw h i c hi s t h en o d e si nw i r e l e s s s e n s o rn e t w o r kl i m i t e de n e r g yd e s i g no ft h ea g e n tm i g r a t i o np a t hs t r a t e g yb a s e do nt h e i m p r o v e da n tc o l o n ya l g o r i t h m u s i n gt h ej a v al a n g u a g ea n dj a v a _ r m i o nm o b i l ea g e n t t e c h n o l o g yt os i m u l a t eaw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kp e r f o r m a n c em a n a g e m e n t ，v e r i f i c a t i o n o ft h em o b i l ea g e n tt e c h n o l o g ya p p l i c a t i o n si nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ke d g e f i n a l l y ，a s u m m a r yo ft h er e s e a r c ha n dp r o s p e c t s k e y w o r d s n e t w o r k m a n a g e m e n t ； n e t w o r km a n a g e m e n tm o d e l ；m o b i l ea g e n t ； p e r f o r m a n c em a n a g e m e n t ；a g e n tt r a n s f e ri t i n e r a r yp o l i c y i i 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究背景和意义 无线传感器网络是一种无基础设施的网络，它由大量具有通信与处理能力的微 小传感器节点布设在无人值守的监控区域构成的测控网络系统，具有自组织和自适应 等智能属性，其目的是协作感知、采集和处理网络覆盖的地理区域信息，获得详细准 确的信息，最终将这些信息传送到需要的用户【1 吨j 。当前网络规模日益庞大，结构越 来越复杂，异构性程度不断加强，对网络性能的要求也越来越高，使网络管理变得 越来越困难和重要，同时无线传感器网络的独特性质使得它的管理面临着传统网络 管理所未曾面临的新挑战。 无线传感器网络研究初期，重点多集中在m a c 协议、路由协议、时间同步和定 位等基本网络技术上，它的管理技术在很长一段时间内被忽略。随着无线传感器网 络研究和应用的深入，研究者们越来越意识到无线传感器网络管理的重要性。由于 无线传感器网络具有节点数量多，应用环境复杂，网络资源有限的特点，为了保证 其具有高效率和高可靠性的工作性能，把网络管理引入到无线传感器网络中是非常 必要的。 、 传统的s n m p 的网络管理是最成熟的网络管理体系。s n m p 的网络管理主要是 基于管理者代 望( m a n a g e r a g e n t ) 的集中式网络管理模式。管理站负责处理收集上来 的信息并且对网络状况作出判断，管理代理去完成指定的工作，而a g e n t 只是被动 的转发消息和命令。集中式的网络管理在面对大规模、通信资源有限的无线传感器 网络时就至少存在着能量消耗大、网络延迟高和可伸缩性差的特点。 移动代理由分布式计算演变而来，主要是一段可以独立在客户端运行的程序代 码。移动代理技术具有自主性和智能性的特点，突破了人的传统观念把计算移往了 数据，这可以极大的降低网络传输的原始信息量，突破了网络延迟束缚【训。此外它的 协作性、移动性等特点还使得它在动态的适应环境、系统容错性和健壮性等方面表 现出很大的优势。传统的网络管理中，网管中心采用轮询的方式与设备之间进行通 信以获取网络设备的信息，这样频繁的数据交换会形成大量的数据流量给网络带宽 造成压力，容易形成管理的瓶颈。而在基于移动代理的网络管理的模式下，网管中 心把管理任务和数据处理任务分派到各个网络节点上，这不仅减轻了网管中心的压 力还大大降低了网管中心和各个节点之间频繁的数据交互，提高了系统应用的灵活 性和功能的可扩展性【5 j 。把移动代理技术应用到网络管理中具有很好的研究价值。结 合无线传感器网络自身的特点，本文提出了基于移动代理的无线传感器网络管理。 河北科技大学硕士学位论文 1 2 无线传感器网络的应用 自从无线传感器网络提出到现在，无线传感器网络一直是科学家研究的重点。 研究人员都一致认为无线传感器网络有很好的发展前景，必将成为新兴的下一代传 感器网纠翻。1 9 9 2 年在一篇题为“传感器走向无线时代”的论文中最早出现了无线传 感器网络的论述。随后在美国举行的移动计算和网络国际会议上确定了无线传感器 网络将是下一世纪推动社会发展的关键技术。在2 0 0 3 年的美国技术评论杂志上， 无线传感器网络被评为未来十大新兴技术之一，进一步确定了无线传感器网络发展 的地位。无线传感器网络具有传感器的快速部署、自组织、隐蔽性高的优势，因此 ，无线传感器网络最初是应用在军事上的。美国d a r p 在很早之前就启动了一个名为 t s e n s i t 的计划，这个计划的目的是把多类型的传感器、处理器和无线通信技术组合 起来，建立一个廉价的覆盖范围广阔的网络来监测温度、压力、污染、适度等物理 量。 随着无线传感器网络技术的飞速发展，它渐渐的被科学家们应用到了民用领域。 最典型的应用就是无线传感器网络在环境监测方面的应用为环境问题研究提供了强 大的技术支持，在监测农作物的生长情况、空气情况、温度和湿度方面无线传感器 网络都表现出了强大的优势【7 】。随着传感器技术的发展，科学家甚至把无线传感器网 络应用到了行星探测、地理研究等方面。有科学家提出一个名为a l e r t 的系统，这 个系统就是基于无线传感器网络用来监测降雨量、河水水位、土壤水分的综合系统， 大大提高了预测山洪爆发的准确性【引。与之相类似的还有科学家利用无线传感器网络 实现对森林环境的监测，他们把传感器节点大量的放置在无人值守的森林区域，实 现实时的对森林环境的监测并能够及时的发现火灾和寻找火源位置【9 】。 除了在环境监测方面的应用，无线传感器网络还可以应用在医疗领域。人体的 生理数据、药品的流动和医院人员的行动都可以成为无线传感器网络监测的目标。 通过病人身上的特殊传感器医生就可以随时随地及时了解病人的心率、血压等基本 体征以便及时发现病情、快速的实施抢救。更重要的是，人体的生理数据是长时间 有目的的收集的，这给医学的研究提供了强大的数据支持【加】。无线传感器网络也可 以做到对药品、医护人员和病人的行为的监测，更好的管理医疗机构。 无线传感器网络有很广阔的应用前景。随着传感器技术的进一步发展，它完全 可以更好的应用到社会的其他各个方面，比如工厂管理、智能家居、城市交通网络 等等领域【1 1 j 。随着无线技术的发展和不断深入，更多更好的无线传感器网络系统会 应用到的社会中来，为社会的发展和人类文明的进步提供强大的支持。 1 3 无线传感器网络管理的研究现状 随着无线传感器网络的应用越来越广泛，它对于网络管理的功能和性能要求也 2 第1 章绪论 越来越高，对无线传感器网络的管理已经引起了科学家们的广泛关注。他们从不同 的角度提出了相关的思想、框架、协议和算法。目前已有的无线传感器网路管理系 统主要有三种： ( 1 ) 集中式的网络管理系统b o s s ( b r i d g eo f t h es e n s o r s ) 、s n m s 、t i n y d b 等 b o s s 系统是基于u p n p 协议的无线传感器网络管理系统，为无线传感器网络提 供一个通用的管理架构。管理者通过这种架构来对各种无线传感器网络的设备进行 管理。u p n p 协议是分布式开放结构的，可以实现灵活的配置管理。b o s s 系统通过 桥结构来解决无线传感器网络中节点通信能力有限的问题。虽然用户可以利用b o s s 系统对整个无线传感器网络进行控制，但是在面对通信带宽有限的无线传感器网络 的时候，b o s s 系统表现的不尽人意。s n m s 、t i n y d b 等系统在这里就不在叙述了。 ( 2 ) 分布式的网络管理系统s i p h o n 等。 流量的按需分配是s i p h o n 架构最大的特点。w a n 等人提出了一种虚拟的s i n k 节 点用来处理数据拥塞问题。虚拟s i n k 节点一般设置在多信道节点上，s i p h o n 提供了 数据拥塞检测和数据流方向定向等方法来解决按需流量分配的问题，通过一系列的 方法实现按需求分配给各个信道相应的流量。但是这个系统的缺点是：因为无线传 感器网络的节点数量巨大，网络节点是随机分布的，要实现预设的虚拟s i n k 节点并 规定该节点的应用范围是很困难的，所以s i p h o n 架构很难覆盖整个网络【1 2 】。除了 s i p h o n 意外研究者还提出了不少针对的分布式的网络管理系统，比如：基于移动 a g e n t 的数据管理、t i n y c u b u s 等。但是他们同样只能针对无线传感器网络的某一个 特点去解决问题，很难完整的适应无线传感器网络。 ( 3 ) 层次式的网络管理系统r r p 、s n m p 、集成的网络管理系统m a n n a 等。 r r p 系统主要解决无线传感器网络中数据的连续采集问题。科学家受到商业中 供应管理策略的启发，把这种管理策略应用到网络管理中，提出了一种r r p 的网络 管理架构。这种管理架构把无线传感器网络管理分成不同的功能区域，每一个功能 区域根据不同的特点采取不同的路由策略的选择，各个功能区域协作完成传输任务， 以达到降低网络延迟提高网络性能的目的【1 3 j 。r r p 系统也存在着缺点：r r p 系统所 依赖的泛洪算法需要精确的节点定位，而廉价的无线传感器节点是不可能提供一套 精确的g p s 模块。无线传感器网络的节点数量过多，这给划分功能区域带来了不小 的困难。 基于s n m p ( s e n s o rn e t w o r km a n a g e m e n tp r o t o c 0 1 ) 的无线传感器网络管理架构是 d e b 等人提出的，s n m p 架构首先定义和描述网络设备信息和管理功能，其次通过一 些算法和工具来提取网络的运行状态和设备的m i b 信息【1 4 】。同样这个架构存在不足， t o p d i s c 算法在面对无线传感器网络大量的传感器节点传输时给网络带来的大量的 延迟和消耗，反而不利于网络性能的提高。 3 河北科技大学硕士学位论文 集成的网络管理系统m a n n a 是综合考虑了无线传感器网络管理的各个方面， 提出了一个集成网络管理系统。设计思想是将网络管理与网络应用相分离，也就是 让m a n n a 能够适应各种复杂的环境【1 5 】。但是，研究者只是提出了一个架构和思想， 有许多细节没有完成。 综上所述，无线传感器网络应用大都需求在无人值班的情况下能长久的运行， 网络高可靠性是一个基本要求，但受传感器网络资源的限制，采用传统的网络管理 模型开发健壮的传感器网络应用系统存在一定的困难。 网络管理是无线传感器网络走出实验室得到普遍应用的必不可少的条件。越来 越多的研究人员关注这一领域，随着不断的探索和尝试相信在不久的将来无线传感 器网络管理的研究会得到一个突飞猛进的发展。 1 4 本文研究的主要内容和结构安排 目前无线传感器网络管理越来越受到学者们的重视，网络管理也成为了无线传 感器网络必不可少的一部分。分布式计算和灵活的配置功能更是无线传感器网络管 理的发展趋势，基于移动代理技术的网络性能管理可以很好解决无线传感器网络自 身能量有限和带宽有限的特殊性。本文在研究了现有网络管理体系，分析移动代理 技术的基础上，在无线传感器网络的大环境下针对能量和带宽的问题，构建了一个 基于移动代理的网络性能管理模型，这个模型采用三层体系结构，充分发挥了分布 式计算和集中式管理的优势，既能够减轻网管中心的处理压力，降低网络原始信息 的传输量又能够合理的管理传感器网络各个节点。为了验证系统的优越性，本文进 行了一系列实验分析。 本文的内容安排如下： 4 一。 第1 章是绪论，主要介绍了课题的研究背景、研究现状趋势以及该课题的研究 内容。 第2 章介绍了无线传感器网络技术和移动代理技术。重点阐述了无线传感器网 络和移动代理的概念和关键技术，以及网络管理应用在无线传感器网络中的要求、 任务和要实现的功能等。 第3 章介绍了已有的基于移动代理的网络管理模型，从无线传感器网络中带宽 有限出发，利用移动代理技术自身具有的优势，充分的挖掘分布式计算带给整个系 统带来的网络传输的原始信息量和冗余的信息的减少的优势提出了基于移动代理的 无线传感器网络管理架构，并对其进行性能分析。 第4 章设计了基于移动a g e n t 的无线传感器网络性能管理节点结构，并针对无 线传感器网络能量有限的特点，利用蚁群算法设计移动a g e n t 的迁移策略。 第5 章介绍了基于r m i 技术实现移动代理技术，并依照此技术开发前两章设计 4 第1 章绪论 的基于移动代理的无线传感器网络管理平台。详细介绍了编程的思路、程序的框架 和编程中的细节问题。最后使用s n i f f e r 工具对系统做出整体的评价。 结论部分对本文的研究进行了总结，并指出了该研究上的不足，以此作为下一 步研究的重点。 5 河北科技大学硕士学位论文 第2 章无线传感器网络及移动代理技术 2 1 无线传感器网络概述 2 1 1 体系结构和通信模型 无线传感器网络是由大量廉价的传感器布设在无人值守的区域，以a dh o c 方式 连接构成的无线自组织网络系统，其节点可以协同工作来达到感知、采集和处理网络 覆盖的地理区域中感知对象的信息的目的，获得详尽而准确的信息，并且按需把数据 及时的传给发布给观察者。一般的无线传感网络由三个部分组成即：传感器节点 ( n o d e ) ，汇聚节点( s i n k ) 和监测中心。一般传感器节点具有简单的计算功能和通信功 能，它们随机的部署在目标监测区域，各个节点经过简单的协作来收集和处理该区 域内监测对象的信息。汇聚节点主要负责收集一般传感器节点发送的数据，并将这 些数据转发给观察者观察者，各个汇聚节点之间是通过i n t e m e t 或者无线通信的方式 进行通信的【1 6 】。监测中心站是整个无线传感器网络的最上端，主要负责数据的处理 和人机信息的交互。下面分别从无线传感器网络的通信结构、拓扑结构、节点结构 三个方面介绍无线传感器网络，分析无线传感器网络的特点。 一般传感器网络的通信结构如图2 1 所示，传感器网络具有自组织的功能，单个 节点通过初始通信和协商，形成一个传输信息的多跳网络。每个传感器网络单元也 都有一个连接到传输网络的网关，传输网络是由一个单跳链接或者一系列无线网络 节点组成的。网关通过这个传输网络把感测数据从传感区域发送到提供远程连接和 数据处理的基站，基站在通过i n t e m e t 连接到远程数据库。最后采集到数据经过分析、 挖掘后通过一个界面提供给最终用户。 ( 【f 】广 - u 基站 炼，j 愈q 、 。霹翼、! 一j 传输网络j ，葛石、 辫传感器网 络单元、 图2 - 1 无线传感器网络通信结构 f i g 2 - 1 w i r e l e s ss c n s o _ rn e t w o r kc o m m u n i c a t i o na r c h i t e c t u r e 与其它网络一样，无线传感器网络也有它的通信协议栈。随着应用功能和体系 6 第2 章无线传感器网络及移动代理技术 结构的不同，无线传感网的通信协议栈也不尽相同。图2 2 是一种典型的无线传感器 网络通信协议栈。它的物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层构成，与互 联网协议栈的五层协议相对应【批捌。针对无线传感器网络，这个协议栈还包括一些 附加的功能包括了能量管理，节点移动管理和任务管理等。这些功能主要是为了协 调不同网络层的功能从而达到在综合考虑能量、节点移动和s i n k 节点任务的情况下 得到最优的网络性能。 图2 2 无线传感器网络通信协议栈 f i g 2 2w k e l e , s ss c n s o rn e t w o r kc o m m u n i c a t i o np r o t o c o ls t a c k 各层功能如下： 物理层：物理层的主要功能有两个，主要负责信号的调制和基本的无线电技术。 发送频率、载波信号的产生、信号调制和数据的封装。 数据链路层：数据链路层的主要工作时通过差错控制、多路复用和数据流的分 配来实现无线传感器网络点对点和一点对多点的连接。 网络层：路由发现、路由选择和路由策略的生成。 传输层：传输层是整个通信结构中保证无线传感器网络通信服务质量的重要部 分，主要负责数据流的传输和控制。 应用层：应用层主要是监测软件和网络管理软件，目的是为了实现无线传感器 网络不同的应用功能【1 8 】。 2 1 2 网络拓扑结构 无线传感器网络的节点是随机部署的，但是它仍然有自己的拓扑结构。无线传 感器网络的网络结构根据应用功能和环境的不同而变化，单纯的从网络的数据流的 7 河北科技大学硕士学位论文 方向的角度可以分为以下几种： ( 1 ) 集中式的网络结构【1 9 】，集中式的网络结构和蜂窝结构非常类似，监测中心 站是整个无线传感器网络的中心，每一个汇聚节点收集一般传感器节点的信息以后 直接与监测中心站进行通信。 ( 2 ) 分布式的网络结构，每一个传感器节点都通过自组织的方式组成整个网络， 监测中心对整个网络实行分布式管理。 ( 3 ) 树型的网络结构，参照树型结构组成的无线传感器网络，根节点为检测中 心，树枝节点为汇聚节点和一般传感器节点，如同一般的树型结构一样，网络中仅 存在父子节点之间的通信。 ( 4 ) 簇型的网络结构【2 0 】，如图2 3 所示无线传感器网络的节点是以簇的形式组 织的，每一个簇都包括若干个以汇聚节点为首的一般网络单元，每一个簇内的节点 可以按照树型、集中型等方式进行组合。每一个簇内有一个簇首，簇首的任务就是 代替汇聚节点来与上层的传输网络进行通信，而一般的汇聚节点是不直接与传输网 络进行连接的。簇首的选择可以遵循能量、数据处理能力、通信能力等不同的指标 去选择，选择的过程是通过簇首选择算法来完成的。不同的簇首选择算法对应着不 同的功能，例如针对无线传感器网络节点的不稳定性，可以从能量有效的角度去选 择簇首节点，使得簇首节点的能量保持在一个良好的状态。 图2 - 3 无线传感器网络簇型拓扑结构 f i g 2 - 3w i r e l e s ss c l l s o rn e t w o r kc l u s t e rt o p o l o g y 2 1 3 节点结构模型 传感器节点是无线传感器网络最重要的部件，无线传感器网络的数据采集和简 单的数据处理都是由一般传感器节点来组成的。不同的传感器的类型对应着不同的 无线传感器网络的应用。传感器节点并不同于一般意义上的传感器，除了数据采集 的功能以外，传感器节点还具有通信功能和数据处理功能。能量管理模块、数据处 8 第2 章无线传感器网络及移动代理技术 理模块、传感器模块和通信模块是一般传感器节点的四个基本要素，在这个基础上 还可以扩展一般传感器的功能，于是就有了再生能量模块、移动模块等附加的可选 模块【2 1 1 。如图2 4 为一般传感器节点结构模型。 图2 4 无线传感器网络节点结构 f i g 2 4w i r e l e s ss c n s o rn e t w o r kn o d es t r u c t u r e 传感器和a d 转换设备组成了传感器模块，不同的传感器类型对应了不同的监 测对象，如铂电阻传感器用于温度监测的无线传感器网络中，而电容式传感器多用 于检测压力的无线传感器网络中。处理器模块主要负责对传感器收集的数据进行一 次简单的处理。由于一般传感器节点都是廉价的且能量有限的，所以低功耗和低成 本是选择处理器的标准，如m i c a 系列使用的a t m e g a l 2 8 ，t e l o 平台使用的t im s p 4 3 0 。 通信模块主要负责数据的发送任务，无线传感器网络的无线传输都是短距离的，在 通信模块的选择通常是由通信协议和传输功耗决定的，比如c 0 1 0 1 0 、c 0 2 4 2 0 等【2 2 1 。 能量模块为节点的正常工作提供保证，一般廉价的传感器节点的能量模块都是使用 a a 型碱电池或者锂电池。随着电子技术的不断进步，一些利用周围环境获得电量的 能量模块也渐渐的开发出来，但是因为成本太高还不能得到广泛的应用。 无线传感器网络是一个综合性的网络，它不仅需要简单的收集数据对目标区域 进行监测，它还要对整个监测区域内的节点进行管理，分配节点任务统筹规划整个 网络的运行。因此，无线传感器网络的组织和运行是一个及其复杂的过程，这就需 要操作系统的支持。为此很多大的公司针对无线传感器网络设计了很多操作系统， 其中较为成熟的就是u cb e r k e l e y 公司开发的t i n y o s 系统1 2 3 1 。 2 1 4 无线传感器网络特点 与一般的网络相比，无线传感器网络节点数量多且不稳定、应用环境复杂、无 基础设施等特殊性决定了无线传感器网络有它自己的特点，其主要特征主要有以下 几点： 9 河北科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 无线传感器网络的资源及其有限。 网络最基本的性能指标节点的能量、通信带宽等比起一般的网络来都相差很远。 目前最为流行的基于z i g b e e 技术的无线传感器网络的带宽只有2 0 2 5 0 k b p s t 2 4 1 。每一 个传感器节点都要与上层的节点进行通信，占用了大量的通信带宽，使得网络环境 进一步恶化。 ( 2 ) 无线传感器网络的应用决定了它往往应用在环境恶劣的监测区域【2 5 1 。 恶劣的天气、节点能量的耗尽、人为因素的毁坏等等因素都能使传感器节点停 止工作，造成网络节点的变化频繁且没有规律。环境对于无线通信信道的影响也是 不能忽视的，这些都使网络故障的发生变得十分频繁，网络的拓扑结构充满了不确 定性。 ( 3 ) 网络延迟和能量消耗大。 每一个传感器节点都要向汇聚节点发送数据，而汇聚节点只能采用轮询的方式 接受各个节点发送的数据，当传感器的基数巨大时，网络延迟和汇聚节点的能耗随 之增大，造成了网络的不稳定性。 无线传感器网络跟a d h o c 有着很多相似的地方，所以有科学家就想到把a d h o c 的网络管理系统应用在无线传感器网络中。要注意到的是虽然它们的组网方式是一 样的，但是在网络的其他方面它们表现出了很大的不同，因此不能简单的把a d h o c 的网络管理搬到无线传感器网络管理中来。 结合以上特点，无线传感器网络给网络管理系统提出了一系列挑战性的问题： 1 1 节约能量。 2 ) 无线传感器网络必须有一定的伸缩性，以适应相应的管理功能，同时还 要考虑内存限制。 3 1 健壮性和适应性 4 1 一定的控制功能。 2 2 移动代理技术 2 2 1 移动代理技术概念 移动代理技术是软件a g e n t 技术、分布式计算、移动代码技术经过不断的融合 和发展形成的【2 6 】。移动代理的定义有很多种，不同的专家、不同的应用领域对于移 动代理的定义都不尽相同，对这些定义进行对比可以找到移动代理本质的东西：移 动代理就是一段可以在网络环境中自主执行和移动的程序代码，它可以按照一定的 规则移动到网络上的其他节点，并恢复执行自身携带的代码。 移动a g e n t 可以分为静态a g e n t 和动态a g e n t ，其中静态a g e n t 一般是与本地环 境绑定在一起的，主要辅助动态a g e n t 更好的完成任务，帮助移动a g e n t 分担一些 1 0 第2 章无线传感器网络及移动代理技术 计算和通信的任务。动态a g e n t 是可以自主迁移自主恢复运行的智能a g e n t ，它继承 和发展了软件a g e n t 的思想，科学家充分的发挥想象力赋予移动a g e n t 各种人的能 力，比如智能性、自主移动甚至还可以赋予移动a g e n t 学习的能力【2 7 】。移动a g e n t 主要有五种基本的属性：分别为：独立、任务、执行、状态和协作。 执行是指：移动a g e n t 到达本地以后，可以自主的执行自身携带的代码与本地 环境进行信息交互和数据的处理。 状态( s t a t e ) 是指：移动a g e n t 的状态属性包括两个方耐矧，一是移动a g e n t 的迁 移状态，这种状态记录了移动a g e n t 的迁移路径和运行状况；二是移动) g e n t 代码 运行的状态，移动a g e n t 在本地运行的过程中是随时可以挂起程序进行迁移的，在 到达目的地以后移动a g e n t 还可以在上一个节点没有运行完的程序上继续运行。 独立是指：移动a g e n t 从创建以后就具有智能性的特点，可以独立的分析数据 和处理数据。不再过多的依赖管理站的支持，分担管理站的任务。 任务是指：移动a g e n t 的任务不是一成不变的，也不是一个移动a g e n t 就具有 所有的网络管理的功能，这是不科学也是不现实的。当有节点需要管理，就向管理 站发送代理请求，描述需要的代理类型，管理站根据收集的请求来决定派遣哪一种 代理去执行相应的任务。所以每一种移动a g e n t 都有自己特定的任务。 协作是指：每一种代理都只能完成某种特殊的任务。网络管理是个庞大而复 杂的过程。这需要不同代理之间相互的协作，以完成既定的任务。这就决定了移动 a g e n t 要有协同工作的属性。而且，多代理之间的协作已经成为了研究的热点问题， 可以很好的解决复杂的网络管理问题。 此外，从广义的角度理解移动a g e n t ，继续深挖移动a g e n t 的概念和功能，移动 a g e n t 自身还应该具有诸如情感、意图、承诺等属性。在这里就不再一一叙述了。总 的说来，移动a g e n t 可以看做一个人的代理者，由它去代替人去独立的处理一些网 络管理事务，以达到网络管理的自适应，自管理，自治愈的目的。 2 2 2 体系结构 移动代理技术在分布式计算、数据挖掘、数据处理和网络管理领域都有广泛的 应用，所以不同的移动代理系统有不同的体系结构，但是几乎所有的移动代理系统 都包括：可移动a g e n t 和a g e n t 服务设施【2 9 。如图2 5 所示。 河北科技大学硕士学位论文 移动移动、 、 仑状。 接口 a t p a c l 。曰a g e n t 接口 a g e n t 上 a c l 1 a g t 执行环境a g o r o t 执行环境 l、 移动a g e n t 服务设施移动a g e n ! 服务设施 图2 5 移动代理体系结构 f i g 2 5m o b i l ea g e n ta r c h i t e c t u r e 移动a g e n t 是移动代理技术的核心，它是移动代理功能体现的载体。移动a g e n t 由移动a g e n t 管理站或者移动a g e n t 服务设施进行创建，代理再被创建以后就可以 根据网络的需要在各个移动a g e n t 服务设施之间进行迁移。移动a g e n t 在本地创建 以后要在本地移动a g e n t 服务设施注册自己的i d 、状态信息等，与本地数据库和系 统a g e n t 进行交互并运行自己的代理任务。 有的文献里也把移动a g e n t 服务设施叫做移动a g e n t 执行环境，是a g e n t 能够运 行的根本，为系统a g e n t 和移动a g e n t 提供必要的服务。这些服务包括了：为移动 a g e n t 分配执行环境、保证代理的安全、代理之间的通信等。 2 2 3 移动代理技术的优势 移动性和智能性是移动a g e n t 主要的特点，它的分布式计算的思想在许多应用 中都表现出了优越性，同时移动a g e n t 的协作性、学习性和自主性的特点又使得它 能进一步提高系统的工作效率，提高系统的性能，特别是移动代理技术应用在网络 管理技术中更现实了其强大的优势。移动代理技术的优势至少有以下几点【3 0 l + 1 ) 移动代理技术不同于其他数据处理方法的就是把计算移往数据，这就避免了 大量原始信息量的传输，充分发挥客户端的处理能力，减轻数据处理中心的压力。 2 ) 节省带宽，克服了网络延迟的影响。程序代码的传递取代了大量传输的原始 数据，减轻了网络的负载压力，使数据得到了及时的处理。 3 ) 移动a g e n t 的开发和应用是在网络的应用层进行的，现有的移动a g e n t 开发 系统可以让开发人员无需了解底层的通信协议而实现移动a g e n t 的传输，所以移动 a g e n t 起到了封装网络协议的目的。 4 ) 方便的应用功能实现，移动a g e n t 是由移动a g e n t 管理中心进行创建和派遣 的。移动a g e n t 管理中心的移动a g e n t 库存放着各种功能的移动a g e n t ，由移动a g e n t 管理中心统一的管理。当网络应用变化时，开发人员可以通过修改移动a g e n t 库来 修改网络的应用功能。 ， 5 ) 动态适应环境的能力，具有智能属性的移动a g e n t 可以根据运行的环境和状 1 2 第2 章无线传感器网络及移动代理技术 态做出快速的反应以适应环境的变化。此外，多移动a g e n t 协作机制可以合理的覆 盖网络，使整个网络保持良好的配置状态。 6 ) 健壮性和容错性。移动代理技术不需要大量的数据传输，移动a g e n t 到达本 地以后可以类似于离线的方式进行工作，这就大大降低了对网络可靠性的要求。另 外，移动a g e n t 之间的相互协作更加增加了系统的容错性，相邻代理的协作可以很 好的弥补某一代理的失效带来的隐患。 2 3本章小结 本章介绍了无线传感器网络和移动代理技术，通过介绍无线传感器网络的组网 结构、通信模型和应用环境得出无线传感器网络的特点。介绍移动代理技术，了解 了移动代理技术基本思想和工作流程，总结了移动代理技术的优势。可以看出，移 动代理技术非常适合应用到无线传感器网络，它可以克服网络带宽、节点数量多带 来的限制，为下文基于移动代理技术的网络管理做了铺垫。 河北科技大学硕士学位论文 第3 章基于移动代理的无线传感器网络管理 3 1 基于移动代理的网络管理 3 2 1 基于移动代理网络管理的特点 当前两种主要的网络管理方案是i e t f 的s n m p 和o s i 的c m i p 。众所周知，这 两种网络管理协议都是采用客户服务器模式，绝大部分的管理计算都是由网管中心 来完成的。采用这种方式的管理方案与采用移动a g e n t 的网管方案相比至少存在了 以下几个方面不足： ( 1 ) 代理没有分辨信息处理信息的作用 网管中心和代理之间存在着大量的信息交换，大量没用的信息在代理和网管中 心传递，造成了网络带宽的浪费。针对本文的应用环境，无线传感器网络中节点数 量巨大，网络负载重，网管的操作反而增加了网络的负担，不仅没有起到优化网络 的作用，相反降低了网络的性能【3 1 】。 ( 2 ) 功能扩展能力 ： 传统的网络管理的代码是静态的，当需要对网络管理功能进行修改和调整时就 需要更新网络中存在的大量的固定代理，特别是网络功能变化时，这将是一项很繁 琐的工作。 ( 3 ) 管理站的处理能力有限 大量的数据等待管理站进行处理，即使网管站并行的处理各个固定代理转发上 来的m i b 信息，但是网络规模的增大势必会给网管站造成很大的负载压力。 移动代理技术将计算移往数据，极大的降低了网络中原始信息量的传输，所以 移动代理技术应用到网络管理中不但可以解决以上问题，而且还为网络带来了健壮 性和容错性的优势，克服了当前网络管理协议的局限性。j a v a 的独特性质又为移动 代理提供了一个良好的运行平台：j a v a 的系统无关性、远程代码调用( r m i ) 为访问远 程代码提供了可能性；对象序列化又为对象的编码和存储提供了支持；另外，j a v a 自身的安全机制更加保证了移动代理的安全，从而保证了网络管理的安全性。移动 代理应用于网络管理主要有以下几个优势【3 2 】： 1 ) 降低网络负载。不同于c s 模式的是移动a g e n t 的网络管理是将计算移往数 据，而不是将数据移往计算，这样可以大幅度的减少网络上的原始数据量。而且移 动a g e n t 会智能的处理数据，在海量的网络信息中提取出网管中心需要的数据。 2 ) 克服网络延迟。网络各个节点不需要与网管中心做过多的信息交互。取而代 之的是网管中心将移动代理派遣到网络节点上，直接执行网管中心的指令，大幅度 降低了传输距离，从而消除由于网络延迟带来的隐患。 1 4 第3 章基于移动代理的无线传感器网络管理 3 _ ) 减少数据处理的时间。加快数据处理效率。网管中心把计算任务下发到各个 移动a g e n t 中，相当于把大量的计算任务分配给各个移动a g e n t ，让移动a g e n t 并行 的计算和处理数据，减少了数据等待的时间。 4 ) 减轻网管中心的任务。网管中心只是辅助移动代理来管理网络。网管中心最 主要的任务从对网络的管理转变为对代理的管理。这样能使移动代理代替网管中心 完成一些计算任务，分担网管中心压力，网管中心通过管理移动a g e n t 来管理整个 网络。 此外自然的异构性以及健壮性和容错性都是移动代理显著的优势。 3 2 2 基于移动代理网络管理的构成 基于移动代理的网络管理系统既要满足移动代理的要求又要实现网络管理的五 个基本功能。基于移动代理的网络管理系统主要需要三个组件，即网络管理中心、 移动a g e n t 和移动a g e n t 的服务设施。基于移动代理的网络管理结构如图3 - 1 所示 图3 - 1 移动代理的三个基本组件 f i g 3 - 1t h et h r e eb a s i cc o m p o n e n t si nm o b i l ea g e n t 网络管理中心主要负责移动a g e n t 的派遣和与管理人员的信息交互。网管中心 是通过移动a g e n t 库的接口来创建移动a g e n t ，网管中心在接到下属移动a g e n t 服务 设施派遣代理的请求以后，根据请求问题的描述来生成不同类型的移动a g e n t 。网络 管理中心对网络中存在的移动a g e n t 进行管理，统筹安排代理的迁移和复制，必要 时还可以收回代理。 移动a g e n t 主要负责完成网络管理的任务，当它被创建的同时就确定了它的生 命周期、约束条件、网管任务、网管功能、管理目标、迁移条件、迁移计划等。它 可以按照网管中心事先设计好的迁移节点集合在被管节点之间迁移，完成网络管理 的操作和信息的收集。在实际的网络管理中移动a g e n t 就是一段j a v a 编写的代码， 所以代理的迁移等就需要用到r m i 、多线程等j a v a 技术。 1 5 河北科技大学硕士学位论文 移动a g e n t 的服务设施就存在于被管节点上，执行环境接收移动a g e n t 并且给 已经开始工作的a g e n t 提供本地的资源访问的权限。本地还有一些代理被称为系统 a g