（计算机应用技术专业论文）基于agent的无线传感器网络自律管理模型与应用.pdf

c l a s s i f i e di n d e x ： u d c ： 1 嘲y 1 帆8 0 帆帆8 m 4 叭6 玳0 矾 ad is s e r t a t i o nf o rt h ed e g r e eo fm e n g a n a g e n t b a s e da u t o n o m i cm a n a g e m e n t m o d e la n d a p p l i c a t i o n f o rw i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k s c a n d i d a t e ：l i nx i a n g j u n s u p e r v is o r ：p r o f m ac h u n g u a n g a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ：m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a l i t y ：c o m p u t e ra p p l i c a t i o nt e e h n o l o g y d a t eo fs u b m i s s i o n ：d e c e m b e r ，2 0 0 9 d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ：m a r c h 。2 0 1 0 u n i v e r s i t y ：h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y 、i 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：从超君 日期： 矽加年孑月坶日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 留在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：林帽君 日期： 2 0 f d 年3 月唇日 导师( 签字) ：j 础 砷年了月膨日 哈尔滨丁程大学硕十学何论文 摘要 无线传感器网络是由众多小型、无线、低能耗的传感节点构成的集数据感知、 信息处理和通信传输于体的大型分布式系统。由于在大时空尺度下高效的分布式 感知与处理能力，无线传感器网络可以实时监测、采集覆盖区域内的对缘信息，被 广泛的应用于环境监测、精细农业、空间探测、远程医疗和地铁运行监控等领域， 成为一门新兴热点学科。但是由于无线传感器网络规模庞大、单个节点资源有限、 分布环境严峻等问题，如何对其有效、低开销的网络管理是当前研究的重点和难点。 本文首先对当前无线传感器网络管理模型的相关技术进行深入的分析和讨论， 指出了其管理复杂性的问题。其次，以自律计算思想为指导，利用a g e n t 的灵活性 和协同工作能力构建自律传感单元，并以此为基础，建立了种基于n g m 的无线 传感器网络自律管理模型，以降低无线传感器网络的管理复杂性；并且针对该模型 的恢复问题，提出了种无线传感器网络自律恢复方法。再次，为了便于无线传感 器网络自律管理模型的推理和分析，利用p e p a 对无线传感器网络的自律恢复过程 进行刻画，使其具有量化分析的能力。最后，利用自动化工具对建立的p e p a 模型 进行了形式化分析。 实验结果表明，本文提出的基于a g e n t 的无线传感器网络自律恢复模型是有效 的；并且提高检测a g e n t 的检测率、决策a g e n t 的正确决策率有利于减少无线传感 器网络节点的妥协。本文的结果为后续无线传感器网络的管理研究提供了参考。 关键词：无线传感器网络；自律管理；a g e n t ；自恢复 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 a b s t r a c t w i r e l e s ss s o rn e t w o r k s 玳l a r g es c a l ed i s t r i b u t e ds c y ，s t 锄so fs m a l l ，u n - t e t h e r e d , l o w - p o w e rn o d e sc a p a b l eo fs e n s i n 吕p r o c e s s i l l ga n dc o m m u n i c a t i o n w i t l lt h ea b i l i t yo f s e n s i l l ga n dr , r o c e s s i l l gw i d e l yd i s t r i b u t e di ns p a c ea r , _ dt i m e 9w i r e l e s s $ a l s o rn e t w o r k s 锄 g i v er e a l - t i m em o n i t o r i n g , c o u e c t i n gi n f o r m a t i o no nt h eo b j e c t sw i f l f i nt h ec o v e r a g ea r e a , a n dh a v eb e e nw i d e l yu s e di ne n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n g , p r e c i s l o na 鲥铡岫，s p a c e e x p l o r a t i o n , t e l e m e d i e i n e , s u b w a ym o n i t o r i n ge r e , w h i c hi sa n e wh o ts u b j 觎h o w e v e r , d u et ol a r g e - s c a l eo f n e t w o r k , l i m i t e d1 1 e s o u 嬲o f a s i n g l en o d ea n dt h ec r i t i c a ld i s t n l o u t i o n e n v i r o n m e n t , h o wt om 锄g et h ew i r e l e s ss 锄_ s o rn e t w o r k si na ne f f e c t i v ea n dl o wc o s t m a n n e ri sak e ya n dd i f f i c u l tp r o b l e mo nt h ec u r r e n tr e s e a r c h f i r s t l y , 凭姗t e c h n o l o g i e sa b o m w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sm a n a g e m e n tm o d e lw e r e a i 】a l y z e da n dd i s c u s s e dd e e p l y , a n dt h e nt h ec o m p l e x i t yo fm a n a g e m c i l ：tw a sp o i n t e do u t s e c o n d l y , 谢t ha u t o n o m i cc 0 衄珥越【玛a u t o n o m i c n s o rd e m e n tw a sb u i l to nt h eu s eo f f i l ef l e x i b i l i t ya n dc o o r d i n a t e dq ) e j 咧的璐o fa g e n t a n do nt h i sb a s e i ta na g e n t - b a s e d s e l f - m a n a g e m e n tm o d e lf o rw i r e l e s s s e n s o rn e t w o r k sw a se s t a b l i s h e dt or e d u c e 吐圮 m a n a g e m e n tc o m p l e x i t y a tt h es a m e 畦m e as e l f - r e c o v e r ym e t h o dw a sp r e s e n t e df o rt h e r e c o v e r yp r o c e s so fm em o d e l t h i r d l y , p e p aw a su s e dt od 篮正a d e | 盹琵t h es e l f - r e c o v e r y p r o c e s si no r d e rt of a c i l i t a t er e a s o n i n ga n da r l a l y mf b rt b es e l f - m a n a g e m e n tm o d e l , l n ；蚯i l g s 陀i tc 锄d oq u a n t i z a t i o na n a l y s i s f i n a l l y , 锄a m o m a t e dt o o lw a su s e dt oa n a l y z et h e p e p am o d e le s t a b l i s h e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e da g e n t - b a s e ds e l f - r e c o v e r ym o d e lf o r w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k si se f f e c t i v e , a n di n c r 潍i n gt h e d e t e c t i o nr a t eo f d e t e c t i o na g e n ta s w e l la st h ec o i t e c td e c i s i o nr a t eo fd e c i s i o na g e n ti sh e l p f u lt or e d u c en o d ec o m p r o m i t h er e s u l t so ft h i sp a p e rp r o v i d ear e f e r e n c ef o rf u r t h e rs t u d yo fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k m a n a g e m e n t k e yw o r d s ：w u e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ；a u t o n o m i cr n a n a g c r n c n t ；a g e n t ；s e l f - r e c o v e r y 哈尔滨下程大学硕七学仲论文 目录 第1 章绪论l 1 1 论文背景与意义。l 1 2 国内夕卜研究现状2 1 2 1 传统无线传感器网络管理的研究现状2 1 2 2 自律计算的研多渤盼 i c 3 1 2 3 无线传感器网络自律管理的研究现状4 1 3 研究内容及论文结构6 第2 章无线传感器网络管理的相关技术7 2 1 无线传感器网络体系结构7 2 2 网络管理模型。l o 2 2 1 传统网络管理模型 1 ( ) 2 2 2 无线传感器网络管理模型1 l 2 3 无线传感器网络管理的结构设计技术 2 4a g e n t 技术 1 2 1 4 2 4 1a g e n t 的相关理论1 4 2 4 2 移动a g e n t 技术1 7 2 5 自律计算技术18 2 5 1 自律计算的概念及属性1 9 2 5 2 自律单元。：2 0 2 5 3 自律计算的研究问题和挑战2 l 2 6 本章小结2 2 第3 章a b a m 基于a g e n t 的无线传感器网络自律管理模型2 3 3 1 基于a g e n t 的自律传感单元的设计思想2 3 3 2 自律传感单元的设计2 4 3 2 1 检测a g e n t 设计2 5 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 3 2 2 决策a g e n t 设计。2 7 3 2 3 执行a g e n t 设计2 8 3 3 无线传感器网络自律管理模型2 9 3 4 基于a g e n t 的无线传感器网络自律管理模型自恢复的实现3 1 3 4 1 无线传感器网络恢复技术的设计原则3 2 3 a 2 自恢复过程3 3 3 5 本章小结3 9 第4 章a b a m 模型的形式化描述4 0 4 1p e p a 的语义4 0 4 2 基于p e p a 的自恢复模型描述。4 2 4 3p 酐a 模型的求解。4 6 4 3 1 隐含马尔可夫链的生成4 6 4 3 2 稳态概率分析4 8 4 4 本章小结 第5 章a b a m 模型分析5 0 5 1 模型稳态概率求解 5 2 参数对模型效应的影响5 1 5 3 本章小结5 5 结论。5 6 参考文献 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果6 2 致j 射。6 3 一 一 哈尔滨 二程大学硕十学何论文 1 1 论文背景与意义 第1 章绪论 随着分布式计算、无线通信、计算机网络与信息处理等技术的飞速发展， 无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，w s n ) 变的异常活跃。w s n 综 合了嵌入式计算技术、传感器技术、分布式信息处理技术和微电子制造技术， 是由众多小型、无线、低能耗的传感节点构成的集数据感知、信息处理和通 信传输于一体的大型分布式系统，在国防军事、工农业、环境监测、交通管 理、医疗卫生、制造业和反恐抢险、家庭和办公环境等领域都具有潜在的实 用价值，已引起国际上的广泛重视关注。美国麻省理工学院新技术评论 认为，传感器网络是改变未来世界的十大新兴技术之首悖，。 尽管当前传感器网络的研究取得了一定的进展，但是基于传感器网络大 规模应用成功实例仍旧非常少一，。在w s n 研究的初期，其研究重点大多集中 在协议、时间同步等网络技术上，而对于w s n 管理的研究在很长一段时间 内未受到足够重视。但是随着w s n 研究的深入，研究人员开始越来越重视 到w s n 管理的重要意义。w s n 包含大量的节点，应用环境非常复杂，网络 资源受限，为了确保其具有最高的传输效率和最可靠的工作性能，进行w s n 网络管理是非常必要的。但是传统的w s n 管理只是被动的管理，不能很好 的满足传感器网络在无人干预情况下自我管理的性能，因此，如何能让w s n 具有自我管理能力，是近来研究的又一新的挑战，需要引入一种新的技术来 解决此问题。 当前，自律计算技术正被逐渐运用到复杂异构计算系统的自我管理中， 成为研究的热点。其本质思想是从整体上设计一种具有自我管理能力的分布 式计算机系统，不需用户的过多干预而提供给用户满足需要的服务。在传感 器网络中，传感器节点被分配到遥远的环境中，其规模大，移动性高，易于 失效，在这种动态环境下通过技术人员和当地的管理者来进行管理和维护是 非常困难甚至是不可能的。因此让传感器网络自我管理，使其具有自感知， 哈尔滨t 稃大学硕士学位论文 自配置，自优化，自恢复，自保护等自律特性哺，即传感器网络的自律管理， 以此延长网络的寿命并减少人为管理维护方面的花费。a g e n t 技术由于其具 有自治性、主动性等特征，其适用于w s n 的自律管理阳，。因此，把自律计算 技术和a g e n t 技术结合运用到传感器网络中，是解决无线传感器自我管理的 一个新角度、新途径，有助于减少管理的复杂性与井销，提高w s n 的自管 理能力。 1 2 国内外研究现状 w s n 的自律管理是一个新的研究领域，是伴随着自律计算的提出而产生 和发展起来的，最近已经引起w s n 研究领域的广泛关注。传感器网络资源 受限等独特特征使得其管理结构与传统的计算机网络有很大的不同。下面从 传统w s n 管理、自律计算和w s n 的自律管理三方面来介绍本领域的研究现 状。 、1 2 1 传统无线传感器网络管理的研究现状 w s n 管理的实现可以是一个框架、协议或算法，根据实现方式的不同， 具体细节和架构各异，现今典型的传统w s n 的管理模型主要有：集中式网 络管理系统、层次式网络管理系统和分布式网络管理系统。 集中式网络管理系统具有以下两种典型：b o s s 和s n m s 。b o s s ( b r i d g e o f t h es e n s o r s ) 是由s o n g t ”等人提出的一种基于u p n p 协议的w s n 管理架构。 其中u p n p 协议架构是一个分布的、开放的联网体系结构，定义了控制点和 设备之间通信的协议。在该模型中，通过在u p n p 控制点和w s n 之间建立桥 接架构来使得资源有限的传感器网络能接入u p n p 网络，并且这种架构允许 使用者通过多种u p n p 控制点对传感器网络进行管理，大大提高了传感器网 络的通用和易用性。s n m s ( s e n s o rn e t w o r km a n a g e m e n ts y s t e m ) 贝t j 是另一种典 型的模型，是由t o i l e t ”提出的一种交互式的w s n 管理系统，主要包括基于 查询的网络健康状况监测系统和事件驱动的日志系统两个子系统。s n m s 采 用了一种被动式管理模型，其优点在于管理人员进行查询时它才会给传感器 网络带来额外的负载，因此节点内存和网络流量的所受影响程度较小。并且， 2 哈尔滨下程大学硕士学位论文 s n m s 还可把多个查询结果打成一个响应消息包，更加降低了s n m s 的能量 消耗。其主要缺点是依赖管理人员查询，要求管理人员离线分析数据并根据 分析结果人工地对网络进行相应管理操作。 典型的层次式网络管理系统是d e b l 1 等人提出的名为s n m p ( s e n s o r n e t w o r km a n a g e m e n tp r o t o c 0 1 ) 的w s n 管理模型。其建立步骤为：首先定义 并描述了目前网络模型的状态和一系列的管理功能；其次设计网络状态和性 能维护的一系列工具和算法。s n m p 的网络模型包括网络能量图、网络拓扑 和网络使用模式。分别表示了网络各个不同部分的能量水平，网络节点之间 的连通性和可达性和网络的各种活动，以上都为s n m p 的网络管理功能所用。 典型的分布式网络管理系统是w a n u 们提出的s i p h o n 架构，它是一个按需 的流量负载管理系统。针对网络流量管理，s i p h o n 提出发现和选取虚s i n k 节 点、拥塞控制等一系列解决方法。其优点是不会发生物理s i n k 节点的漏斗 效应，能适应各种网络负载的需求，并且通过虚s i n k 的第二信道，能及时建 立新的传输路径来传输数据，而不影响主信道传输数据。其缺点是要事先设 定虚s i n k 的位置和服务范围，并确定虚s i n k 的个数来提供最优管理，与此 同时节点还要支持双信道，这也大大增加了成本。再者，w s n 节点通常随机 部署，难以保证所设的虚s i l l l ( 能有效覆盖整个w s n 。 1 2 2 自律计算的研究现状 自律计算这个概念】的提出可以追溯到2 0 0 1 年，当时担任i b m 公司执 行副总裁的p u a lh o r n 在2 0 0 1 年度的国际工程学术会议上，借鉴生物的神经 系统所具有的自律特性，提出建立一种自愿的、自动利用可用资源和能力实 现自我管理的分布式系统，在向用户提供满意服务的同时隐藏其自身的复杂 性。经过多研究机构和学者的努力，已经产生了许多自律计算系统，例如m m 公司的d b 2 ，亚利桑那大学的a u t o n o m i a ，h p 公司的p r a t o 等删。并且据文 献 1 3 】介绍包括d a r p a 和n a s a 在内的多家准军事机构由于资源和开销限 制，已经和正在赞助多项有关自律计算的研究中，包括r a i n b o w 系统、纳米 蜂群系统、自再生系统和自律后勤计划等系统尤其值得关注。 国内的研究中，自律计算也即通常所说的自主计算，主要研究机构大多 3 哈尔滨t 程大学硕十学佗论文 集中在一些科研院所或高校。其中，早在2 0 0 4 年中国科学院计算所的史忠植 研究员就从软件工程角度提出了一种多主体设计方法- d p m a s ，用于对自 主计算系统进行建模，设计了一个自律计算的开发环境a c e “”。国防科技大 学的杨学军等人采用自律计算技术设计了一定程度的自管理和自组织等能力 的实验系统“”。西北工大的李战怀等人则重点关注于网络存储与服务器系统 的自律化，通过系统的自我管理，降低了总成本“”。浙江大学的廖备水等人 则对自律计算技术的发展进行了阶段性的总结，并就自律单元组织和策略的 生成进行了讨论。 1 2 3 无线传感器网络自律管理的研究现状 考虑到传感器网络资源受限等区别与传统网络的特点，研究人员逐渐考 虑到让传感器网络进行自我控制管理，来不断优化网络性能，并减少人为干 预。当前的具有自律特性的传感器网络管理主要有以下几方面： y a o ”，提出了基于簇的分层的结构来设计传感器网络中的自组织管理，低 层次的簇节点由高层次的簇节点管理和组织。它提出的协议有：覆盖分簇 机制，来指示簇头完成分簇和广播消息：簇内部路由机制，来限制广播范 围；簇问路由机制，来交流簇间的相关信息。其特点是对节点进行局部化 管理调和，减少冗余并节省能量。 t y n a n t ”，等人借鉴b d i 规范，即信念( b e l i e f ) 、愿望( d e s i r e ) 、意图 ( i n t e n t i o n ) ，提出了一种基于智能a g e n t 的w s n 能量管理架构。在本文中， b d l 分别演化为信念、义务规则和义务。信念表示a g e n t 所认知的节点的存 在状态，义务规则是起先所定义的用于评估信念的条件，当信念和义务规则 互相匹配时，a g e n t 将执行相关的管理功能。优点有：a g e n t 收集本地信息 并作出决策，减少相邻节点信息交互；( _ 2 ) a g e n t 还可综合网络属性如覆盖、 精确性、电池寿命、延时等作出更复杂的节能决策，如改变采样率、传输距 离等，来优化网络性能。缺点有两点：调整网络相关属性必然对网络性能 产生影响，降低采样率可能会忽略一些紧急事件；扩展性不好，在规模特 大的网络中延时高。 c h i e n ”，提出了一种基于a g e n t 技术的w s n 管理架构a g i l l a 。a g i l l a 4 ， 一 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 在每个节点上建立了多个a g e n t 的运行环境，并且这些a g e n t 可以在网络条 件变化时智能的在节点间移动。其优点有以下三个方面：提供了特殊的远 程元组空间操作支持a g e n t 在节点间的合作，避免a g e n t 连续的从节点采集 网络状态信息，降低延时；通过a g e n t 的“死亡 和新a g e n t 的注入，可 以使不同应用的a g e n t 在网络里共存，因此在网络里可共存多个应用；多 a g e n t 环境架构使程序设计从复杂的分布式计算中解脱出来，更注重单个 a g e n t 的行为方式，优化传感器网络的设计。缺点是当网络规模扩大时，多 a g e n t 运行环境所带来的额外资源开销也是非常大的。 r u i z n 们提出了一个网络管理体系结构m a n n a 。设计思想是为了让网 络管理系统能适应各种不同的应用环境，将网络管理与应用分离，设计目标 是建立自管理、自组织等自律特性的传感器网络。m a n n a 实际上是构成了 一个基于策略的网络管理架构，当网络条件发生变化时，修改或增删相应的 网络模型和管理功能就可以继续进行管理。优点是集多种管理结构和技术与 一体，能适应不同应用的要求。缺点是并未完成所有细节，且消耗的内存比 较多。 l e u 啪，提出了一个自律的本地的w s n 。思想是整个区域的传感器不需要 中心基站，能根据当地的测量数据来决定本地的行为，并使用了基于解决方 法的一致问题机制。其特点是提高了行为执行的效率，基于解决方法的一致 性问题机制可以在一些传感器节点失效的情况下提高检测结果的准确性。 t h a i s t 圳特别提出了对于w s n 的一个自律单元。它的设计利用了 5 】中提 出的普通的自律单元结构和一个称为m a n n a t 川的特殊w s n 管理结构。从实验 结果分析中可以看出其自律单元占用的存储空间相对来说是有限的，并且分 布式的自律单元和局部化的自律单元在能量消耗和传输的数据量方面是不同 的，可根据具体需要而定。因此在传感器网络中应用自律单元来对其进行控 制可管理是可行的。 目前，w s n 的自律管理还处于起步阶段，没有给出系统性的设计方法， 已有的管理模型主要还是采用被动的管理方式，要真正实现传感器网络的自 律管理，尚需要把自律计算技术和传感器网络紧密联系起来。 哈尔滨t 程大学硕+ 学何论文 1 3 研究内容及论文结构 本文针对w s n 管理的研究现状，提出了一种新的w s n 自律管理模型一 一基于a g e n t 的w s n 自律管理模型，并运用其进行传感器网络的自恢复， 来验证其模型的有效性。论文结构如下： 第二章对w s n 管理的相关技术进行了分析，为后续w s n 自律管理模型 的建立奠定了基础；第三章以自律计算思想为指导，利用a g e n t 设计w s n 自律传感单元，建立了一种基于a g e n t 的自律管理模型，并在此基础上提出 了一种w s n 自恢复方法；第四章针对现有w s n 模型缺乏量化分析能力的问 题，利用p e p a 形式化语言对上一章提出的自律恢复模型进行描述，并简单 讨论其求解方法；第五章利用自动化工具对前文提出的p e p a 模型进行分析， 以验证模型的稳定性和有效性。 6 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 第2 章无线传感器网络管理的相关技术 2 1 无线传感器网络体系结构 大多情况下，w s n 的系统结构如图2 1 所示。在w s n 的监测区域内 分布有大量具有射频功能的传感器节点，它们负责对数据的采集和发送，并 且通过w s n 通信技术将数据发送至汇聚节点( 网关或者s i n k 节点) 。汇聚 节点通过其它公共网络( 如w w w 卫星通信网络等) 进行互联，把监测信息 反馈给管理中心，以便于用户对收集到的信息进行判断或者决策处理。 传感器节点 图2 1 一个典型的w s n 系统结构 正如其它公共网络( 如w w w 网络) 具有分层的体系结构一样，w s n 的通信协议也具有分层结构，包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和 应用层。它的协议体系结构如图2 2 所示。物理层负责收发数据，以及调 制信号，任务是采用无线电等传输介质传输比特流；数据链路层主要负责帧 定界、帧检测、流量控制和差错控制等保证节点间的通信方式和传送信息的 7 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 正确性：网络层主要负责完成数据的路由转发和维护，实现传感器之间、传 感器与网关之间的通信；传输层负责控制数据流的传输，通过汇聚节点收集 传感器网内数据，通过公共网络传输给用户。应用层为最高层，采用不同的 应用软件来满足用户的各种需要，以实现w s n 不同的应用目的。根据传感 器网络的独特特性并结合具体应用，w s n 需要采用各种不同的解决方案。从 图2 2 可以看出，在w s n 网络协议体系结构中定义了拓扑管理和服务质量管 理等跨层管理技术来解决不同的应用问题。 应用支持技术 匝垂匦匦壹匦 应用层 传输层q 网 能 o 网络移远 量拓扑管理 s 络安动程 网络层 管全管管 管 管 理理 理管理理 数据链路层 理 物理层 分层的网络通信协议 无线传感器网络跨层管理技术 图2 2w s n 协议体系结构图 根据已有的对w s n 的研究，w s n 体系结构设计中需要遵循的原则有以下 几方面m ，： ( 1 ) 充分利用节点资源。传感器节点具有有限的资源，表现在具有的能 量、通信能力、计算能力、存储能力有限等方面。如何延长节点及网络的生 命周期，是w s n 研究的一个非常核心的问题，需要从多个层面上给予综合性 的考虑。能量的有效管理涉及w s n 研究的许多方面，包括芯片、节点的软件、 硬件的实现技术和路由协议等。况且目前，带宽资源有限，造成w s n 仅局限 于简单信息的获取和传输，如何通过数据融合策略提高带宽利用率，也是体 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 系结构的设计需要考虑的问题。 ( 2 ) 能够进行网内数据处理。文献 2 5 】的研究说明：传感器网络与公共 网络所要求技术不同。传统的互联网是以地址为中心的网络，网络设备用网 络中唯一的p 地址标志。而在传感器网络中，则以数据为中心，用户是将查 询的事件通告给整个网络，而不是通告给某个具体的节点。为了适应广泛的 应用，有利于网络大规模的扩展，传统的因特网遵循“端到端 的边缘设计 思想，而对于w s n 而言，必须在网络内部的节点上来支持数据的过滤和融合。 ( 3 ) 协议间支持跨层合作。像传统因特网体系结构的各层相互合作一样， 在w s n 的设计过程中，为了达到性能统一并且节省能耗、提高传输效率等目 标，w s n 的各层也要进行相互协作。这就加强了w s n 体系结构中各个层次间 的耦合度，上层协议需要知道下层协议所提供的质量服务和相关内容等信息， 下层协议的运行需要上层协议的命令指示，上下层不仅仅指相邻层次之间， 这和因特网中只有邻层才可以协作的规定相背离。这种跨层设计协议明显会 增加设计的复杂度，使模块的独立性变弱。但实践证明它能有效提高w s n 的 整体性能一棚，这也是w s n 的网络体系结构设计中要考虑的问题。 ( 4 ) 加强安全性。由于w s n 采用无线信道，有时被部署于恶劣的环境 中，缺少物理线路的保护，更容易受到恶意攻击和信息窃取。因此，w s n 应 设计一定的安全机制，并贯穿于体系结构的各个层次，确保所提供安全和可 靠服务。增强安全性的方法主要有：w s n 的密钥管理，节点身份识别、访问 点控制等。与此同时，w s n 还要根据已有信息预测并应付新的攻击，如能量 耗尽攻击和信道拥塞攻击等。 ( 5 ) 支持多协议。传统的因特网支持统一的t c p i p 协议实现主机间的通 信。w s n 支持多种应用，节点除了负责数据转发，更重要的是针对具体的任 务而采取不同的数据处理，传统的t c p i p 协议已经不可取，需要多协议来支 持不同的应用。由于w s n 通过接入互联网把数据提供给用户，因此，w s n 的体系结构设计需要对互联网屏蔽内部协议，实现与互联网无缝隙的信息交 互。 ( 6 ) 支持有效的资源发现。w s n 的应用之一是能方便的获得具体的检 测信息定并定位其覆盖的区域，正如因特网中能够快速定位并获取所需的资 源。因此w s n 体系结构的设计中应接入因特网的访问接口，使未来的搜索引 9 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 擎可以方便的通过查询等方式来取得w s n 中的信息。目前已有的研究已经提 出根据节点所获得的信息的多种属性来实行编址，当然这种提法还需要相 应的资源发现机制来支持。 ( 7 ) 进行可靠的低延时通信。w s n 的应用之一是要提供实时的数据， 这就要求网络体系结构支持低延时的可靠运输。而w s n 有时部署于恶劣的环 境中，其环境的各种信息动态变化，如果w s n 的延时高，监测数据对使用者 来说已经过时而没有意义了。 2 2 网络管理模型 随着计算机和通信技术等领域的快速发展，网络规模和应用范围不断扩 大，网络类型、服务种类和设备来源越来越复杂化。网络技术的发展历程表 明，网络管理的重要性往往不亚于建立一个网络，前者也可能更难。当前， 资源分布和共享的程度日渐扩大，任何微小的错误故障都可能致使应用失败。 传感器网络的管理是控制一个复杂的传感器网络并使其具有最高的监控力和 感知力的过程，如何及早发现并排除潜在的故障隐患，有效地管理好网络是 当前研究者关心的重要问题。传感器网络的可管理性已经成为衡量网络性能 和服务质量的重要指标。 2 2 1 传统网络管理模型 国际标准化组织( i s o ) 所提出的网络管理框架模型( i s o7 4 9 8 2 4 ) d p 把网络 管理的主要内容分成五个功能，体现了一种应用导向的观点，具体内容如下 l 圳： ( 1 ) 配置管理：负责监控和管理网络的配置信息，包括收集、监视和修 改网络配置等任务。 ( 2 ) 性能管理：收集并向网络管理中心报告网络资源相关的性能测量信 息：如节点的响应时间等，以便分析网络运行效率并调整性能，进而优化系 统性能。 ( 3 ) 故障管理：监控、检测硬件设备或软件，及时发现故障，并对故障 进行相应的诊断与处理。 1 0 哈尔滨下程大学硕十学位论文 ( 4 ) 安全管理：通过信息加密和安全认证，防止网络资源被非法访问， 并对密钥分配进行管理。 ( 5 ) 计费管理：统计网络资源利用率并核算网络的成本效益，管理用户 业务情况和费用等。 国际电信联盟电信标准化部门在所提出的网络管理架构中将网络管理的 主要内容分为以下五个层次汹，： ( 1 ) 网元层( n e t w o r ke l e m e n t ) ，作为被管理层，该层表示受管理的网 络元素的逻辑和物理组成。 ( 2 ) 网元管理层( n e t w o r ke l e m e n tm a n a g e m e n t ) ，主要负责控制并协调 各个网络元素。 ( 3 ) 网络管理层( n e t w o r k m a n a g e m e n t ) ，该层依靠网元管理层的支持， 负责控制并协调管理整个范围的网络元素，并支持业务管理层。 ( 4 ) 业务管理层( s e r v i c em a n a g e m e n t ) ，该层为用户提供与之关联的业 务处理功能，其中包括业务的提供、计费、终止和服务质量等。 ( 5 ) 事务管理层( b u s i n e s sm a n a g e m e n t ) ，该层负责支持、运转、管理和 维护相关的网络管理事务。 以上两种网络管理的划分方式清晰的抽象和总结了网络管理的主要内 容，对设计出有效、可靠和经济的网络管理系统非常有帮助。 2 2 2 无线传感器网络管理模型 根据w s n 本身的特性，其管理模型与传统网络管理模型有较大区别， 可以把网络管理的内容划分为m ，。 ( 1 ) 配置 w s n 的配置可以分为部署前和部署后两个阶段。部署前主要包括确定应 用要求和部署区域，选择节点硬件，定义相关的网络服务等；w s n 的部署后， 当应用改变时配置也相应改变，如拓扑改变等。 ( 2 ) 维护 w s n 的维护与传统网络维护不同，其强调的是自适应性的维护，最终 实现网络的自我维护，维护内容包括性能监测、节点故障检测、故障诊断和 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 恢复等。 ( 3 ) 处理 w s n 的处理能力主要取决于传感器节点的内存空间和处理器的计算能 力，因为节点能量有限，因此要对它们进行合理的分配和使用，做到能量的 优化。 。 ( 4 ) 通信 w s n 拥有有限的带宽，并且通信时要消耗大量的能量，因此需要对传感 器网络的通信方面进行有效管理。其内容包括：根据节点能力( 计算能力， 存储能力，拥有能量等) 决定节点在通信中的角色( 如簇头节点或普通节点) ； 根据环境的不同设置不同的通信模式( 单播、广播或多播) 。 ( 5 ) 传感 w s n 不同的应用要求具有不同的采样频率，传感管理是指根据具体的应 用需求设置传感器的具体采样率及数据采集模式( 连续采集、周期采集和按 需采集等) 。 将上述传统网络管理和w s n 自身特点结合考虑，可将土述的三种划分 看作是w s n 管理系统的三个维度，如图2 3 所示，来全面描述w s n 管理系 统的内容。逻辑和功能说明了w s n 管理系统与传统网络管理技术的相似性。 w s n 的特性则是从其自身特点的角度来设计，体现了w s n 管理的特殊性。 在传统网络管理基础之上考虑w s n 的自身特性，设计适合自身的管理系统， 将使其与其它公共网络有效集成。在这里并不是说设计每个w s n 管理系统 时这三个维度的内容是必须的，具体的配置需要视具体的应用而定。 2 3 无线传感器网络管理的结构设计技术 本节将主要介绍传感器网络管理中结构设计的几种技术，主要包括以下 几方面： ( 1 ) 分层的管理结构 分层是w s n 管理中存在的普遍方法，相对整体的庞大系统来说，具有 以下几个优点：首先，对比设计一个具有静态集成功能的庞大系统来说，能 够较容易针对各种应用和管理功能对个体功能组件进行编程；其次，软件的 1 2 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 特性 配维处通传 置护理信感 功能 配置管理 错误管理 性能管理 安全管理 计费管理 图2 3w s n 管理系统的主要内容 变更，例如增加、移除或改变一个管理功能较为简单，因为它仅仅包含一个 可选择层上的本地代码。例如，m i l a n n l 】的中间件方法对低层网络提供了一 个抽象层来把m i l a n 命令转变成特殊协议的命令，因此m i l a n 能够在多重 网络上处理多种物理网络。 ( 2 ) 分布式的管理结构 传统的中心化感知结构主要支持一些特殊的应用，例如小型传感器网络 中的定位系统。然而，当网络规模动态增长时，这将变得不切实际。主要的 原因是由于所有的度量和决策信息都来源或反馈到中心化的基站，使得通信 量过于集中。这种方法能量的利用率不高，因为在传感器网络中网络数据的 传输比本地的计算操作更加消耗能量。因此，在资源限制的传感器网络中， 管理操作和决策的做出更加可能用一种分布式的方式表现出来。例如，文献 3 2 】考虑到把簇的组成和控制协议分配到每个节点，因为节点状态的衡量信 息( 包括可获得的数据，节点的能力或网络的连接性等) 能够更有效的在节 哈尔滨t 程大学硕七学何论文 点本地处理，特殊的命令和要求能从簇头进一步传输到本簇节点。 ( 3 ) 基于策略的管理 基于策略的管理体现了它的健壮性，它能支持w s n 中自适应分散的管 理服务。例如在m a n n a t ”，中，策略描述了一系列管理组件( 如管理者和 a g e n t ) 所要求行为来指导实时操作。基于策略，管理者和a g e n t 能相互作用 相互合作来达到全局的管理目标，例如，形成一组节点，控制网络密度，保 持网络区域的覆盖等。 ( 4 ) 基于服务的管理 基于服务的结构( s o a i 蚓) 已被证明将作为下一代分布式计算环境的软件 结构。它分解了大的复杂