（信息与通信工程专业论文）基于数据聚合的无线传感器网络主动管理机制研究.pdf

r e s e a r c ho fi n i t i a t i v em b a s e do nd a t a a g g r e g a t i o n b y c h e nl e i b e ( n a n j i n gu n i v e r s i t yo fi n f o r m a t i o ns c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g 1 n i n f o r m a t i o na n dc o m m u n i c a t i o ne n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rl u oj u a n m a y ，2 0 1 1 学 本人郑重声明：所呈交 所取得的研究成果。除了文 含任何其他个人或集体已经 重要贡献的个人和集体，均 本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 硝，防 e l 期：v 冲f 年厂月，矿日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保 存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囹。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 导师签名： 日期：) 0 1f 年j 月t 8 日 日期一l 年肌夕日 ，移啕，唏增 湃可 随着无线 速发展，但现 传感器网络实 用中的无线传 运行进行调整 在无线传感器网络管理中地位至关重要，通过网络监测可以发现网络中节点失 效、资源消耗以及其他错误或异常。如何高效、准确和快速地获得网络各个层 次的信息是无线传感器网络监测技术需要研究的问题。 为改善目前管理方案存在的能耗控制和数据主动性管理不足的问题，本文 在结合移动代理的基础上，采用策略管理的思想，提出一种无线传感器网络主 动管理方案。该方案构建和设计一个基于策略代理的中间件平台，在结合移动 代理进行分布式任务处理的同时，采用策略代理对数据的监测和聚合过程进行 分层抽象和计算，通过策略建立起一种基于数据聚合的分层主动管理机制，将 数据聚合的过程分解为预处理层、扫描层和诊断层相对独立的三个异步处理过 程，同时在异步处理中为保证数据一致性，以时间戳的方式给每个信息矩阵加 入时间标签。 在数据聚合处理逐层推进基础上，通过建立策略管理信息库对网络监测内 容制定明确监控管理策略，将节点的参数变化及其行为同网络的状态变化和随 之产生的事件行为相对应关联起来，制定了一种关联监测策略。该策略将无线 传感器网络运行保障中的基础监测内容的性能监测同网络的事件行为相分离， 建立量化和标准化的统一映射关系，以提高监测的针对性和时效性。 最后，在o m n e t + + 平台进行仿真实验，通过对比单纯基于移动代理的管 理模型，在网络整体能量消耗控制、簇周期维持时间以及管理任务响应时延三 方面的性能改进做了测试和分析。实验表明，由于使用策略代理实现了数据的 异步处理响应并将大部分处理程序代码转移到了本地库，减小了移动代理在网 内迁移和计算处理的能量开销，并延长网络簇头维持时间以及提高了任务响应 的时效性。 关键词：无线传感器网络；网络管理；数据聚合；移动代理；策略代理； t h ec h a r a c t e r i s t i c so f a p p l i c a t i o n sc a nb ei n w s n ，m a n a g e m e n ts y s t e m m o t i o nm o r er e l i a b l ya n d s h o u l dm a k et h e p r a c t i c a l e f f e c t i v e l y , a n dw i t hr o b u s t r e c o v e r ym e c h a n i s mt oa g a i n s tm o s tm a l f u n c t i o n s t h en e t w o r km a n a g e m e n t i n v o l v e sn e t w o r kp e r f o r m a n c e m o n i t o r i n g a n dn e t w o r kr e c o v e r i n g n e t w o r k m o n i t o r i n gp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nm a n a g i n gs y s t e m ，i th e l p sd i s c o v e r i n gt h e i n v a l i dn o d e s ，a n dr e c o r d st h ee n e r g ya n dc o m m u n i c a t i o ne x p e n s eo fn e t w o r ka n d o t h e re r r o ri n f o r m a t i o n h o wt oe f f e c t i v e l ya n da c c u r a t e l yc a p t u r et h ed a t ao f e v e r yh i e r a r c h yi sab a s ea n de s s e n t i a ls t u d yp o i n t f o rt h ea i m st h a ti m p r o v i n gt h ee n e r g yc o n t r o l l i n ga n di n i t i a t i v em a n a g i n g p r o b l e m s ，i nt h i sp a p e rw ep r e s e n tai n i t i a t i v em a n a g e m e n ts c h e m e ，w h i c hu s e sa n a m e dt a c t i cm i d d l e w a r em o d e l c o m b i n i n g w i t hm o b i l e a g e n t t o g e t a m e l i o r a t i o n t h i ss c h e m ec o n s t r u c t e da n dd e s i g n e dam i d d l e w a r ep l a tf o r m ，w h i c h b a s e do nt a c t i ca g e n tm o d u l e ，t om a k eaa b s t r a c t i o na n dc a l c u l a t i o no nd a t a m o n i t o r i n g a n da g g r e g a t i n gp r o c e s s ，c o m b i n i n gw i t hm o b i l e a g e n tt a k i n g o n d i s t r i b u t e d c o m p u t i n g i t e s t a b l i s h e sad e l a m i n a t e di n i t i a t i v e m a n a g e m e n t m e c h a n i s m t h r o u g ha g g r e g a t i o nt a c t i c s ，w h i c hd e p a r t st h ed a t aa g g r e g a t i n g p r o c e s si n t o3a s y n c h r o n o u sd i s p o s i n gp h a s e st h a tc o n s i s to fp r e t r e a t ，s c a na n d d i a g n o s i s b a s i n g o nt h ed a t a a g g r e g a t i o n ，t h r o u g hs e t t i n gu p at a c t i c m a n a g i n g i n f o r m a t i o nb a n kt oi n s t i t u t ee x p l i c i ts u p e r v i s o r yc o n t r o ls t r a t e g i e sf o rn e t w o r k m o n i t o r i n g ，i te s t a b l i s han a m e dr e l a t i n gm o n i t o r i n gt a c t i c ，t h a tc a nb u i l dar e l a t i o n i nw h i c ht h ev a r i e t yo fn e t w o r ks t a t ei sa s s o c i a t e dw i t ht h e v a r i e t y o f n o d e s p a r a m e t e r s t h i ss c h e m ed e t a c h e st h ep e r f o r m a n c es u p e r v i s i n go fb a s i c r u n n i n gp a r a m e t e r sf r o mt h em o n i t o r i n go fa c t i o na n db u s i n e s so fn e t w o r k ，a n d e s t a b l i s h e s a g r o u p o f q u a n t i z e d a n ds t a n d a r d i z e d u n i f o r m m a p p i n g r e l a t i o n s ，a i m i n ga te n h a n c i n gt h ep e r t i n e n c ya n dt i m i n g - e f f e c to nc o n t r o la n d m a n a g e m e n ti na d m i n i s t r a t i o no fn e t w o r k s t h ef i n a l ，p a p e rh a st e s t e da n dv e r i f i e dt h ea v a i l a b i l i t ya n de f f e c to ft h i s m o d e lo n e n e r g yc o n t r o l l i n g ，c l u s t e r - h e a d e rm a i n t a i np e r i o dl e n g t h a n dt h e r e s p o n s e t i m eo ft a s k d e a l i n g ，t h r o u g has i m u l a t i o ne x p e r i m e n tr u n n i n go n 0 m n e t + + k e y w o r d s ：w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ；n e t w o r km a n a g e m e n t ；m i d d l e w a r e ；d a t a a g g r e g a t i o n ；m o b i l ea g e n t ；t a c t i ca g e n t ； 1 1 1 基于数据聚合的无线传感器网络主动管理机制研究 目录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t i l i 插图索引v i 附表索引v i i 第1 章绪论1 1 1 引言1 1 2 无线传感器网络管理概述1 1 2 1 无线传感器网络结构与特点1 1 2 2 无线传感器网络管理概述2 1 3 选题背景及意义4 1 4 课题研究内容6 1 5 本论文结构6 第2 章相关技术概述8 2 1 无线网络管理技术8 2 1 1 无线网络管理的定义和功能8 2 1 2 传统的集中式网络管理模式9 2 1 3 分布式的网络管理模式10 2 2 移动代理技术1 0 2 2 1 移动代理技术概述10 2 2 2 移动代理系统和实现技术11 2 2 3 基于移动代理的网络管理系统12 2 2 4 现有方案的对比和优劣14 2 3 无线传感器网络中间件15 2 4 小结1 7 第3 章基于数据聚合的主动监测机制18 3 1 数据聚合问题以及聚合机制的提出18 3 2 异步数据处理1 9 3 2 1 预处理层2 0 3 2 2 扫描层2 1 3 2 3 诊断层2 2 3 3 数据聚合的能耗控制2 3 3 3 1p r e t r e a td i f f f u s i o a 2 4 硕：l 学位论文 3 3 2 预处理的计算2 5 3 3 3p r e t r e a tt r e e 的维持2 6 3 3 4 丢包率对聚合树的影响2 7 3 4 月、结2 9 第4 章基于关联监测机制的策略代理中间件3 0 4 1 关联监测策略的提出3 0 4 1 1 数据监测管理的主要问题3 0 4 1 2 前提假设和主要思想31 4 2 监测策略内容设计32 4 2 1 参数和事件的关联3 2 4 2 2 参数监测3 4 4 2 3 事件监测3 6 4 3 策略代理中间件的工作原理3 9 4 3 1 策略代理结构3 9 4 3 2 访问和控制策略4 0 4 3 3 参数和事件的主动管理4 2 4 4 小结4 3 第5 章中间件设计和仿真实验分析4 4 5 1 主动管理中间件模型设计4 4 5 1 1 中间件模型体系结构4 4 5 1 2 模型工作原理和设计4 5 5 2 仿真平台o m n e t + + 简介4 7 5 3 仿真的实施及实验分析4 8 5 3 1 网络整体能量消耗4 9 5 3 2 分簇周期有效维持时间51 5 3 3 管理任务的响应时延51 5 4 小结5 3 总结和展望5 4 参考文献5 6 致谢j 6 1 附录a 攻读硕士期间发表的论文6 2 附录b 攻读硕士期间参与的项目列表6 3 v 基于数据聚合的无线传感器网络主动管理机制研究 插图索引 2 1 移动代理系统11 2 2 基于s n m p 的移动代理管理模型1 2 2 3a n m a 主动路由器模块1 3 2 4 无线传感器网络应用系统结构图一1 6 2 5 无线传感器网络中间件和平台软件体系结构1 6 3 1 聚合监测机制结构图1 9 3 2 预处理层一工作原理2 0 3 3 网络连通性管理诊断2 2 3 4 无线传感器网络的监测过程2 3 3 5 不完全预处理计算过程一2 5 3 6ap l o to fc n t 2 8 3 7 不完全预处理计算过程一2 8 4 1 成簇的网络拓扑示意图3 2 4 2 参数和事件的关联机制3 3 4 3 策略代理中间件内部结构4 0 4 4 参数和事件管理示意图一4 2 5 1 基于策略代理的管理体系结构4 4 5 2 任务管理工作原理一4 5 5 3 任务接入标识内容定义一4 6 5 4 移动代理与策略代理的相关方式4 6 5 5 移动代理内部结构4 7 5 6 仿真所用的初始化网络模型4 8 5 7 仿真过程局部演示图4 9 5 8 两种管理机制的任务执行过程4 9 5 9 网络能量均值时间变化图一5 0 5 1 0 当前轮次簇头失效时刻对比图5 1 5 1 1 主动管理模型任务返回响应时间图5 2 5 1 2m a 管理模型任务返回响应时间图5 2 5 1 3 两种管理模型的任务响应总数统计。5 3图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图 硕士学位论文 附表索引 表3 1 超时值对软状态影响分布2 7 表4 1 参数监测策略3 4 表4 2 本地节点能量事件表一3 6 v l i 硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 随着计算机科学技术、微电子技术以及无线通信技术等信息技术的迅速发 展，信息网络开始逐步深入人们的生活和工业生产的应用中，人类生活和生产 方式的构成也随着信息世界和物理世界的逐渐交融和互相影响而产生了巨大 的变革。信息和网络已经成为日常生活和工业生产中的重要组成部分。无线传 感器网络( w i r e l s ss e n s o rn e t w o r k ，w s n ) 作为计算、通信和传感器三项技术相 结合的产物，是一种全新的信息获取和处理技术【l j 。由于近年来微型制造的技 术、通讯技术及电池技术的改进，促使微小的传感器可具有感应、无线通讯及 处理信息的能力，能够实时地获取和收集网络覆盖区域内的各种监测对象的信 息数据，并采用现代无线网络通信方式将这些信息传送到指定网关节点，以实 现在复杂环境下对指定区域内的目标跟踪和监控，具有快速展开、抗毁性强等 特点，在灾难现场紧急救援监控、环境数据长期监测以及工业应用中的信息采 集控制等领域具有广泛的应用和研究前景，近年来逐渐成为国际上网络通信的 研究热点和重点之一i 引。 而随着微电子技术、微机电系统( m ic r o - e l e c t r o - m e c h a n i s ms y s t e m ， m e m s ) 、计算机网络以及小型计算机嵌入技术的发展和成熟，加上当今互联网 的广泛应用，无线传感器网络也逐步向大规模化、多样化、多层次以及智能化 发展，以迎合现代信息世界中信息获取和处理向多样化和复杂化发展的趋势。 美国商业周刊和m i t 技术评论在预测未来技术发展的报告中，分别将无线 传感器网络列为21 世纪最有影响的2l 项技术和改变世界的10 大技术之 一【3 1 。 1 2 无线传感器网络管理概述 1 2 1 无线传感器网络结构与特点 无线传感器网络是一种大规模的工业部署网络，网络系统通常包括汇聚节 点( s i n kn o d e ) 、传感器节点( s e n s o rn o d e ) 和管理节点( m a n a g e rn o d e ) ， 数量众多、体积微小的无线传感器节点通过自组织的方式形成覆盖较大区域的 监测网络，节点之间通过互相协作来完成对覆盖区域进行各种工业或者研究数 据的采集和监测1 4 】。这些节点能够自行根据需要完成数据采集以及具备一定的 无线通信传输能力，节点通过传感装置采集数据后以多跳的方式在其他节点上 进行数据传输，其传输路径上的各节点可能会根据需要做不同程度的数据聚合 基于数据聚合的无线传感器网络主动管理机制研究 或者其他处理，然后由汇聚节点通过卫星或者互联网等的方式发送到管理节 点，用户可以通过管理节点对无线传感器网络进行管理和配置，并根据应用的 具体需要收集网络监测信息以及发布管理监测任务。 本质上传感器节点是一种微型嵌入式系统，构成无线传感网络的基础支持 平台【5 1 。无线传感器节点的特点在于一般体积较小，能量供应受限、计算处理 能力和通信能力都相对较低。从网络角色的功能上来看，每个传感器节点不仅 是网络终端设备同时也是小型的路由器设备，一方面要完成对本地数据信息的 采集和处理，另一方面也需要管理、聚合以及存储来自于其他节点的信息，并 且多个节点以协同工作的方式来完成用户特定任务的执行处理。 相较于传统的无线网络例如无线自组网( m o b i l ea d h o en e t w o r k ) 、移动 通信网、无线局域网等网络，无线传感器网络由于通信方式和网络体系的不同 而具有一系列传统网络不具备的特点： 第一、网络以自组织的方式构成，无需其他网络设施和设备。但拓扑结构 的变化频繁，网络中节点虽然一般不进行快速移动，但节点可能会随时加入或 者离开网络，频繁变化的拓扑结构将消耗过多的网络资源。 第二、传感器节点能源有限、通信和处理能力都较低且由于数量众多不便 于更换电池，具有例如低带宽，低可信度，低信号质量以及有限通信距离等局 限性。 第三、无线传感器网络是在无线信道上进行通信的，因此数据在节点间的 传输易于被截取或扰乱。 第四、无线传感器网络是面向任务、以数据为中心的网络，以数据本身作 为查询对象或者传输线索而非特定的传感器节点，区域内多个节点以协同工作 方式为同一数据任务服务。 1 2 2 无线传感器网络管理概述 正是因为上述这些特性，使得无线传感器网络在应用部署中，容易受到环 境中可种因素的干扰，由于现实环境中的各种不可预料的因素或系统本身的错 误，导致无线传感器网络实际部署后的行为有时会与预期行为有很大偏差1 6 j ， 因此无线传感器网络管理的主要目标在于：针对能源受限、带宽和功率较小、 拓扑动态变化等问题，对能量和通信等有限资源的损耗变化以及网络部署后的 实际行为( 包括生存期、拓扑变化、数据保障) 等迸行监测和诊断，以采用有 效的控制方法保障网络稳定高效地运行，进而优化网络的资源配置，降低传感 器网络系统的成本，延长网络的生命周期，提供持续稳定的服务质量来满足应 用的业务需求。这要求尽可能充分利用有限的网络资源，保证应用服务的质量。 目前国内外的研究机构在此方面上主要研究如何在有效降低无线传感器网络 硕士学位论文 的能源和通信开销的同时，通过分布式计算的方式达到对网络的数据、拓扑管 理以及应用服务保障。 无线传感器网络的管理与传统的网络管理相似，有着相同的管理任务不同 的管理方式，例如在性能管理上也包括监测网络状态以保证网络的连通和覆盖 【7 1 。在无线传感器网络中，管理的第一个目标就是自主性，特别是在故障管理 和配置中尤其重要。由于无线传感器网络是无人值守的网络，自主发现错误以 及自主修复问题的能力十分重要。另一个问题在于，当网络中的一个节点失效 后，不能影响整个网络的操作，不能出现传统网络中一个用户失效则会影响一 部分关联用户或整个网络操作的情况。 在无线传感器网络的管理中有一些新的功能，其中包括拓扑管理、能量管 理以及编程管理【引。节省能量是传感器网络中的一个重要方面，节能可以在网 络管理的不同层面和不同方式下进行。其中最通用简单的办法就是在节点空闲 的时候关闭电源，目前已有许多协议和算法都是为了节能而设计。例如，专门 用于传感器网络的m a c 协议和路由协议，在传输数据或通信的过程中，能高效 的节省能源。编程和代码管理是无线传感器网络管理中的另一个主要功能。通 常，传统的程序升级是通过把节点连接到计算机或者p d a 等设备上来实现，但 是在大规模部署的网络中，一个一个为所有节点进行程序下载或更新是显然不 现实的。这就需要通过某种方法，当某些节点需要更新自身程序时，只需通过 网络把有限的数据报在自组织网络中传送过去。另外在无线传感器网络的管理 中，有一些主要的思路同传统的网络是不相同的。节省能源是无线传感器网络 中的主要问题，而次之则是如何高效利用通信带宽。综合起来，无线传感器网 络的管理内容大致分以下几项： 1 能量管理 传感器网络中一个首要特点是节点的体积较小且能量供应十分有限，又由 于网络规模较大节点数量众多，以及部署区域的环境状况复杂多样，所以很难 保证也难以实现节点的持续稳定运行以及利用更换电源的方式来及时保证网 络正常运行。并且在网络的具体部署应用中，可能会因为通信机制设计上的偏 差或者自然环境的因素干扰，造成网络内部分节点能量消耗过快而失效，从而 导致网络部分区域瘫痪而出现监测盲区，这使得网络整体的数据任务可能出现 较大偏差或者网络工作期提前结束。 因而，保证网络稳定运行所需面临的首要问题和挑战就是如何有效控制能 耗并在此基础上实现网络生存期的最大化。 2 通信保障 在无线通信中，我们知道能耗与通信距离的关系为：e = k d “，其中2 n 4 ， 很多因素都会影响l q 的取值，比如在靠近地面情况时，障碍物的干扰越大n 的 稳定变化，造成节点间传输链路的断通；3 ，新节点的加入；4 ，某些传感器节 点或者感知对象发生一定的移动。这就要求无线传感器网络系统要能够适应这 种变化，对拓扑的变化能够做到及时的感知和管理，并具有动态的系统可重构 性。 4 数据管理 以数据任务为中心是无线传感器网络的本质特征，也是无线传感器网络区 别于其他类型无线网络的一个重要特点。网络中的传感器节点以协同工作的方 式为某一种或几种数据监测任务而服务，因此对于管理中心以及更上层的用户 而言，所直接关心的信息对象不是独立的单个节点，而是数据对象本身。用户 关心的目标数据的出现时间和位置区域，而并不关心由哪些节点监测到该项数 据。因此，对于数据的管理保障是无线传感器网络管理的最核心目标。 但由于网络中节点数量庞大，在数据监测中存在大量的信息，这些信息中 也因此存在冗余甚至是无效的数据。并且因为监测的时效性要求，全网的信息 采集处于一个时时更新的状态。为了保证监测任务的实现，就必须有效地对海 量数据进行抽取以及过滤，既要保证数据处理的及时性也要兼顾数据的有效 性。对于传感器节点本身而言，由于自身的计算和存储能力有限，想要在本地 完成较复杂的数据处理( 例如，数据聚合、数据分离或抽取等) 是很困难的， 同时也会耗费节点本来就不充裕的能量储备；而将数据信息全部交由管理节点 来完成，则会造成管理节点计算负担过重耗时较长，从而导致任务的时效性受 到严重影响。 1 3 选题背景及意义 随着无线通信技术的成熟，以工业应用和研究为背景的无线传感器网络日 趋规模化和复杂化，因而对于网络进行管理的需求和标准越来越高。无线传感 4 硕士学位论文 器网络由于采用无线通信机制和动态自组织体系，在受到现实环境中各种变化 因素和节点失效等影响后，有时将导致网络实际部署后的状态与预期行为产生 较大偏差，因此管理目的在于对网络节点有限的能量和通信带宽等资源进行控 制和优化，并对网络的生存期、拓扑变化及数据传输等实际行为状态进行监测 和诊断，以延长网络的工作时间以及保障数据服务的稳定高效。 目前针对于无线传感器网络技术及其应用发展的研究中，主要涉及的是网 络通信协议、路由协议、网络覆盖和连接等基础问题，以及时间同步、定位等 支撑技术。而对于无线传感器网络的网络管理，却被研究的较少。最近几年出 现的一些研究无线传感器网络管理的方案或者模型，主要分为传统的分布式无 线网络管理方式和基于移动代理的网络管理这两类方案。 传统分布式网络管理机制采用基于每个被管理对象资源的点对点管理方 式，通过分布式采集管理信息后由网管中心集中处理和控制，通信和计算的开 销都较大，并且拓扑管理基于固定网络形态。例如无线分组网，网络的每个节 点都拥有独立的i p ，网络节点本身就是拥有较强计算和存储能力的计算机或者 服务器等网络设备。在这种形态的网络中，拓扑结构相对稳定，基本上很少发 生变化，并且节点数量维持在一定容量内，因此管理中心可以直接对每个节点 对象进行软硬件资源的管理和调度。但这种管理方式很难适用于节点数目众 多、可用资源有限且网络形态动态改变的无线传感器网络。因此近年来开始出 现一些针对于无线传感器网络本身特性的网络管理方式，其中比较有效且应用 较为广泛就是结合了移动代理( m o b i l ea g e n t ) 技术的分布式网络管理方式。 在文献【9 】和【1 0 】中都分别提出了基于移动代理的网络管理模型。所谓移动 代理，就是一种可动态与执行环境联结的功能相对独立的智能代码片断，其具 有自主性和移动性，能自行选择运行环境和时机，转移程序至数据源本地以完 成任务处理。通过利用移动代理，使管理程序动态地寻找网络节点并实现数据 的分布式处理和任务的自主转移，从而有效解决无线传感器网络中通信开销控 制和网络拓扑动态适应等重大问题。但这类模型中移动代理所携带代码信息较 多，且需要遍历所有网络节点，难免增大了网络负载和任务响应时间并缺乏主 动性。 文献 1 1 1 在上述基础上，提出一种利用主动网络技术与移动代理相结合的 智能网络管理体系。该体系选取部分网络节点作为中间管理层的主动节点，并 在其上架设主动包的代理运行时环境，将移动代理作为主动节点的应用层程 序，各主动节点可相对独立进行应用任务控制，通过代理执行环境提高程序的 重用性和处理时效性。该体系利用代理服务器来降低网络负载并提高网络管理 的主动性，但其主动包所需的代理运行时环境结构较复杂，对主动节点的计算 和存储要求高，能耗也相对较大。 基于数据聚合的无线传感器网络主动管理机制研究 1 4 课题研究内容 本课题针对无线传感器网络及其管理中的特性进行研究，结合目前国内外 研究机构和组织已有的在无线传感器网络管理上的研究现状，指出传统的分布 式管理方案的不足和缺陷，讨论和分析当前较为广泛采用的基于移动代理分布 式网络管理模型，引入u c l a 针对于无线传感器网络提出主动网络监测系统的 概念，研究具有主动性和策略性的分布式网络管理平台方案1 1 2 】。主要包括以 下几个方面： ( 1 ) 分析当前无线传感器网络管理中存在的问题和挑战。由于w s n 本身 具有自组织、资源受限、大规模部署等特点，明确其网络管理的关键是解决在 管理中的：1 ) 分布式处理问题；2 ) 数据聚合问题；3 ) 管理的策略性和主动 性问题。 ( 2 ) 建立层次型管理体系，在管理上形成逐层扫描和重点区域放大。网 络在管理结构上结合层次型路由协议，以分簇的思想对网络管理区域进行划分 和构成三层分级，层次型路由协议根据实际应用的需要进行定制并以开放性方 式内嵌于网络管理体系结构中。区域管理节点对本区域进行信息收集和局部管 理，网络管理中心节点完成区域信息的全局化处理和重点管理区域的信息抽 取。 ( 3 ) 研究主动监测机制与分布式处理结合机制，实现管理上的策略性和 主动性。在实现上，通过部署在底层节点上的完成数据收集和聚合的策略代理 和在区域代理管理节点上进行分布是处理的移动代理相结合的机制来完成。 ( 4 ) 研究移动代理的处理及迁移策略。移动代理主要执行对各区域管理 节点上信息的分布化处理，并根据一定的机制在各区域间自主迁移。 ( 5 ) 中间件管理模型的设计。管理服务层在通信机制上对底层服务和数 据处理进行抽象，利用中间件将应用层的管理信息和任务进行重分析和重编 译，随后选择对应的移动代理程序交由数据服务层。数据服务层主要包括移动 代理和策略代理的执行。 1 5 本论文结构 全文共分5 章，各章内容安排如下： 第1 章概述无线传感器网络及其管理的相关特性、选题背景以及本文的主 要工作。 第2 章介绍了无线传感器网络管理的相关概念和技术，以及在目前传感器 网络研究中使用较多的移动代理技术和中间件技术的原理和技术特点。并对比 分析了当前几种流行的管理模型。 硕士学位论文 第3 章提出了一种基于数据聚合层次型信息监测机制，该机制将数据监测 和收集聚合过程分解为相对异步的三层，分别对数据的不同层面的需求进行处 理，结合移动代理完成信息的分布式处理，降低不同层次之间的耦合性。然后 分析了数据聚合过程中的能耗以及通信稳定性问题。 第4 章在第3 章的基础上，构建了一个基于策略代理监测方法的主动网络 管理中间件模型，主要是通过关联策略将参数和事件有效联系起来并做出明确 的量化指标定义，采用策略代理模块来实现数据监测和行为管理上的主动性， 降低对代码处理的能耗和移动代理的传输通信负担。 第5 章给出了中间件模型的设计框架和主要功能的工作原理，然后使用 o m n e t + + 仿真平台对这种主动管理模型( i n i t i a t i v em o d e l ) 进行了仿真，并对 比单纯基于移动代理的网管模型在结果上作了详细分析。 最后总结全文，并对下一步研究工作做出展望。 基于数据聚合的无线传感器网络主动管理机制研究 第2 章相关技术概述 2 1 无线网络管理技术 随着互联网的迅速发展以及无线通信技术的成熟和广泛应用，网络管理技 术和管理应用已经从传统的有线网络发展至现在的无线网络以及各种有、无线 混合网络中，管理的规模也从小型的局域网发展至大型的园区网、城际网等， 而网络管理所涉及的各种类型和功能的计算机和网络设备也日益复杂多样，因 而对网络管理，尤其是无线网络的管理的技术要求和应用模式也日趋复杂和多 样。 近年来随着无线w i f i 网络、移动网络以及传感器网络等大规模多资源型 无线网络的普及应用和发展，无线网络管理技术已逐渐成为无线网络技术研究 中的重要课题和热点。 2 1 1 无线网络管理的定义和功能 无线网络虽然在通信方式和使用的传输物理介质上与有线网络存在较大 的区别，但网络的逻辑功能、本身的拓扑结构以及网络的运行维持等本质方面 并没有发生明显的改变。在无线网络管理上，同样依据国际标准化组织对网络 管理功能分类的定义，可以划分为5 类：故障管理、配置管理、性能管理、安 全管理、计费管理【12 1 。 1 故障管理 网络管理最基本功能是对故障的管理。在监测到网络中出现故障和失效 后，需要网络管理能快速定位出故障区域和确定故障原因以作出修复。通常在 对问题和故障的处理中，不太可能孤立地针对某个故障区域或节点进行诊断修 复，这是因为网络是个很复杂的构成组织，各节点和因素之间存在不同影响和 关联，故障问题多是由于多个网络构成部分共同引起。因此一般情况下采用先 修复网络再查找分析故障原因的方式。网络故障管理包括故障检测、故障隔离 和故障修复。 2 配置管理 配置管理也是网络管理的重要组成部分之一，主要负责完成网络的初始化 工作、网络参数的配置和调控以保证网络能正常运行。配置管理本质上一组特 定含义功能的组合，用于对通信对象进行定义、辨别和管理，根据用户的目的 对网络进行一些功能上的设定和控制，实现某些特定应用目标或保证网络性能 达到优化。 3 性能管理 8 硕士学位论文 性能管理主要负责对网络和节点的运行状况及通信效率和节点资源等性 能指标进行管理，监视和分析被管网络及其所提供服务的性能机制。通过性能 分析的结果从而确定诊断或者测试的方案，或网络参数的重新配置。性能管理 收集网络当前运行状况的有关数据信息并进行分析计算，同时维护相应性能日 志等。主要功能包括：性能监控、阈值控制、性能分桥、可视化的性能报告、 实时性能监控和网络对象性能查询。 4 安全管理 网络安全管理负责维护网络的信息保密和用户的权限控制，包括对授权机 制、访问控制和加密关键字等的管理，以及维护和检查安全日志。网络管理过 程中，存储和传输管理以及控制命令信息的保密机制对网络的运行和管理至关 重要，一旦泄密、篡改和伪造，将给网络造成灾难性的破坏。网络的安全管理 有以下功能：网络资源的访问控制、告警事件分析和主机系统的安全漏洞检测。 5 计费管理 计费管理用于计算网络资源的使用情况，目的是控制和监测网络操作的费 用和代价，对一些公共商业网络尤为重要【1 2 l 。计费管理对用户占用网络资源 可能所需的代价和费用以及已经使用的资源进行估算。网络管理中心可以设定 用户可使用的费用上限，从而限制用户对网络资源的过多占用。此外，当用户 为了某个服务目的需要使用多个网络中的资源时，计费管理对其多个资源的总 费用进行计算统计。 2 1 2 传统的集中式网络管理模式 在无线网络的发展初期，由于无线设备的种类比较单一、通信模式也比较 固定，且网络规模不大，所以沿用了有线网络中的传统网络管理模式【1 3 j 。在 这种模式中，网络有一个专用于网络监控和管理的管理中心，所有设备都与网 络中心互联，由网络中心对其运行状态和资源使用进行直接管理。各无线设备 直接与网络管理中心进行通信，上报各种资源信息和网络问题，由管理中心负 责收集全网所有节点的信息后进行相应的处理。 由于采用集中式管理，管理中心直接面对每个网络节点，这种方式沿袭了 有线网络管理中的管理直接、针对性强以及网络定位快速准确等优点，能够有 效地对各种资源进行调控和及时与目标节点建立通信通道。但同时，这种模式 也继承了集中式管理的诸多缺点，诸如处理开销较大、响应等待时间较长、网 络规模不宜过大以及网络带宽利用率不高等。 由于采用了集中式信息收集和处理方式，所有网络节点的资源状态和网络 行为信息都交由网络管理中心来处理，这样一来势必在网络管理中心存在大量 的信息和数据，管理中心需要耗费大量的时间和能源开销来完成信息的检索和 处理等操作。另外，当同一时间需对多个节点进行管理时，管理中心须建立多 基于数据聚合的无线传感器网络主动管理机制研究 条相对独立的通信链路并维护这些通信连接，这对通信的控制和保障增加了开 销和复杂度，也容易造成网络通信负载过重。 2 1 3 分布式的网络管理模式 随着无线网络的应用规模越来越大，各种无线设备种类越来越繁杂，无线 网络的组成也变得日益庞大和复杂。无线网络不仅覆盖区域跨度较大，而且网 络节点所使用的设备以及其通信方式也存在多种并存使用情况，网络流量越来 越大，运载的信息量和通信频率也越来越高。在这种情况下，传统的集中式网 络管理已经无法适应，分布式的管理模式成为无线网络管理的发展趋势【1 4 】。 在分布式管理中，运用代理技术、主动网络以及多任务处理技术等，将原来的 由一个网络管理中心完成的信息收集和处理任务，分散到网络中的多个区域中 心或者服务器节点中，或者将管理任务分解为多个层次进而分布到全网中，充 分利用网络节点本身的空余处理能力和时间来分担网络管理中心的压力。 在这种管理模式下