网络管理讲义(一)

一 网络架起通桥 自从十九世纪末第二次工业革命的开始 人们之间的联系发生了质的变化 从使用书信的异地异步通讯进入了异地同步实时联系的时代 电话的出现让世界第一次有了通信网络 第一次打破了因空间产生的联系障碍 二十世纪上半叶 战争中报话机和电台的使用第一次呈现了移动通信网络的雏形 二十世纪下半叶 手机的全球推广和INTERNET的立体建设 传输介质有太空卫星 海底电 缆 地下光纤 无线基站 使人们的联系进入了平民化和大众化时代 明显标志是提供了低成本联系的实时性 平滑性 适应性服务 即3A特点 anywhereanytimeanyway 手机 QQ MSN等即时通讯方式 更具有划时代和革命性的进步作用是 快速地推动了科学技术 社会经济的发展 很大程度上改变了人们的生产和生活方式 显而易见地丰富和便利了人们的学习内容和学习途径 极具震撼性地将知识的发展推动到爆炸时代 二十一世纪刚刚开始 网络的发展又掀起了新一轮技术发展高潮 在此 美国军方又像在互联网的发展过程中一样一马当先 随着美军快速 成熟 有效地将传感网应用于作战场地的物理探测 信息搜集 行动执行 人们敏锐地发现了传感网在民用技术上的广阔天地 接踵而来的是物联网思想的形成 概念的提出 技术的研发 应用 推广风靡全球 它通过射频技术 传感技术 无线通信 因特网 超高速大规模集中和分布式计算 云计算 将物与物联系起来 通过存有 物 自己属性的信息标签 通过短距离的信息识别 将物与物由陌生变为相识 由交流而产生互动 如果说因特网使人类进入了平凡 频繁 广泛的联系时代 那么现在的物联网将世间人类设计和可控的万物进入了初步的联系时代 最终结果 人类通过互联网和物联网 将进入一个对整个世界联系的崭新的时代 1 电话使实时通信成为可能 1875年 世界上第一台电话机问世 这台电话机的发明人 是一位苏格兰青年 名叫亚 贝尔 于1878年 贝尔在波士顿和纽纽约间进行了首次长途电话通话 成功 它的简单原理 一端 将不同频率和振幅的声音转化为不同强弱和频率的电流 另一端 将电流转化为声音 从次 频率和振幅在以后的科技发展中成为无处不在的物理量 2 电台 报话机开启了移动通信的先河 1893年 尼科拉 特斯拉 NikolaTesla 在美国密苏里州圣路易斯首次公开展示了无线电通信 在为 费城富兰克林学院 以及全国电灯协会做的报告中 他描述并演示了无线电通信的基本原理 他所制作的仪器包含电子管发明之前无线电系统的所有基本要素 古列尔莫 马可尼 GuglielmoMarconi 拥有通常被认为是世界上第一个无线电技术的专利 英国专利12039号 电脉冲及信号传输技术的改进以及所需设备 从此 无线电台产生 在当时 爱迪生已经是大发明家和资本家 1940 第一个无线电接收器 发射器名为 对讲机 核心部件是摩托罗拉可控硅 300Thefirstwalkie talkiesweredevelopedformilitaryuse 第一个无线对讲机被开发用于军事用途 Majorcharacteristicsincludeahalf duplexchannel onlyoneradiotransmitsatatime thoughanynumbercanlisten andapush to talkswitchthatstartstransmission 主要特点包括一个半双工通道在一个时间 只有一个无线电发射 但可以听到任何数字 和按键通话开关 启动传输 Thetypicalphysicalformatlookssomewhatlikeatelephonehandset possiblyslightlylargerbutstillasingleunit withanantennastickingoutofthetop 典型的样式看起来有点像电话手机 一露出顶部的天线 可能稍大 但仍然是一个独立的单元 Whereaphone searpieceisonlyloudenoughtobeheardbytheuser awalkie talkie sbuilt inspeakercanbeheardbytheuserandthoseinhisimmediatevicinity 凡有手机的听筒声音很小 只是要由用户 对讲机的内置扬声器可以听到由用户和那些听到他的附近 3 3G时代的悲欢离合 3G 第三代 网络的开通 使可视电话成为可能 地球如此之大 世界又如此之小 可视电话最终的效果要让使用者达到身临奇景 其景 第三代与前两代的主要区别是在传输声音和数据的速度上的提升 它能够处理图像 音乐 视频流等多种媒体形式 提供包括网页浏览 电话会议 电子商务等多种信息服务 相对第一代模拟制式手机 1G 和第二代GSM TDMA等数字手机 2G 西门子和大唐电信联合制定中国3G标准TD SCDMA 2000年5月 在土耳其召开的国际电联全会上 经投票表决 由中国提出的TDD模式的TD SCDMA系统 与欧洲提出的WCDMA和美国提出的CDMA2000同列为国际3G三大标准之一 2008年06月10日 工业和信息化部部长李毅中正和八位来自电信领域的专家以及中移动董事长王建宙就TD标准的发展展开讨论 提出于当年4月1日推广TD试商用 此前 2007年12月中移动曾向TD终端企业下发了约3万部手机和1万部无线上网卡的采购标书 直到奥运会后 该采购协议才断断续续完成 最终 中国呈现给世界的是一张TD SCDMA的试验网络 这与参与北京奥运会的国际官员 媒体 运动员所用的手机都不相容 TD SCDMA的专利主要分布在诺基亚 32 爱立信 23 西门子 11 大唐 7 手中 当国际社会从2005年开始纷纷转入3G网络应用之时 中国的3G牌照 晚至2008年底才正式发放 2009年1月 工信部正式宣布向中国移动 中国联通 中国电信三大运营商同时发放3G牌照 作为TD SCDMA标准运营商的中移动 由于上市太晚 像诺基亚这样的国际手机终端制造巨头已经在3G的WCDMA模式下生产多款手机 目前国际流行3G手机没有一款是TD模式的 这直接导致了TD SCDMA的推广乏力 而就在TD尚未全面推广之时 已经有消息传出 中国移动正在力推未来的3 5G和4G标准 也就是说 TD将在2012年以后面临升级换代 号称中国特有的TD标准 经历10年挣扎之后 或将成为历史 TD SCDMA是一面镜子 它映照出了一个国家的决策能力 研发能力以及市场环境 国家的决策必须有先决条件 那就是成熟 可靠 成本可接受的技术 市场环境的搭建和培育也有先决条件 那就是人们可接受和需要的商品 所以 中国3GTD SCDMA的失败是技术的失败 归根结底是中国原创研发能力的失败 4 计算机是二十世纪科学技术发展的世界先锋计算机作为二十世纪的伟大发明之一 首先带给人们的是快速的计算速度 其次在空间上拉平了人们之间的距离 所谓 天涯若比邻 计算机是一把锐利的武器 给人们战胜科学难题增添了勇气和力量 计算机是一双飞翼 使人们能无限地翱翔在知识的天空中 计算机是多彩世界的设计师 它能给人类带来科技的梦幻 从大中小微型到嵌入式 从计算 通信 控制 计算机在各行业独立风骚 计算机是网络 网络就是计算机 5 美国军方对因特网的发展功勋卓著 在网络的发展历史上 美国的多个行业和组织 包括军方 企业 大专院校等在局域网 城域网 广域网的研发过程中可谓百花齐放 百家争鸣 有各自不同的操作系统 不同网络结构 比如令牌网 以太网等 不同的网络协议 只有在美国军方的TCP IP模型出现以后 各异构网络才统一连通 统一通信才成为可能 所以说 TCP IP协议是网络的灵魂 也是因特网的灵魂 当然 浏览器也是打开因特网多媒体大门的金钥匙 上一世纪末 美国总统克林顿从国家发展战略出发 推动美国高速公路全面发展 从而掀起全球化的互联网建设 6 1美军首先提出传感网计划 1978年美国军方提出无线传感器网络的构想 美国国防部高级研究所计划署 DARPA 开始资助卡耐基 梅隆大学进行分布式传感器网络的研究 这被看成是无线传感器网络的雏形 从此 类似的项目在全美高校间广泛展开 著名的有UCBerkeley的SmartDust项目 UCLA 加州大学洛杉矶分校UniversityofCalifornia LosAngeles 的WINS 无线网传感器 项目 以及多所机构联合攻关的SensIT计划 等等 6 2美军传感网的分布式概述 美军分布式传感网络由各个节点构成 每个节点集成有传感器 数据处理单元和通信模块 再加上执行器 各节点通过协议自组成一个分布式网络 再将采集来的数据通过优化后经无线电波传输给信息处理中心 可以说无线传感器网络可以看成是由数据获取网络 数据分布网络和控制管理中心三部分组成的 特点1 自适应性 传感器网络中 所有节点地位都是平等的 没有预先指定的中心 各节点通过分布式算法来相互协调 在无人值守的情况下 节点就能自动组织起一个测量网络 而正因为没有中心 网络便不会因为单个节点的脱离而受到损害 特点2 网络拓扑动态性 节点是处于不断变化的环境中 它的状态也在相应地发生变化 加之无线通信信道的不稳定性 网络拓扑因此也在不断地调整变化 而这种变化方式是无人能准确预测出来的 特点3 传输能力的有限性 无线传感器网络通过电波进行数据传输 虽然省去了布线的烦恼 但是相对于有线网络 低带宽则成为它的天生缺陷 同时 信号之间还存在相互干扰 信号自身也在不断地衰减 诸如此类 不过因为单个节点传输的数据量并不算大 这个缺点还是能忍受的 特点4 能量有限性 为了测量真实世界的具体值 各个节点会密集地分布于待测区域内 人工补充能量的方法已经不再适用 每个节点都要储备可供长期使用的能量 或者自己从外汲取能量 太阳能 特点5 安全受限性 无线信道 有限的能量 分布式控制都使得无线传感器网络更容易受到攻击 被动窃听 主动入侵 拒绝服务则是这些攻击的常见方式 因此 安全性在网络的设计中至关重要 6 3无线传感网的技术概述 1 物理层ISO规定 为数据流传输所需的物理连接的建立 维护和释放提供的机械的 电气的功能和规程性的模块就叫做物理层 无线传感器网络就是介质的选择 频段的选择 调制技术以及扩频技术 输介质自然要选电磁波了 不过 源信号要依靠电磁波传输必需要通过调制技术变成高频信号 当抵达接受端时 又通过解调技术还原成原始信号 信号仅经过调制是不行的 还需要进行扩频 扩频 顾名思义 就是将待传输数据进行频谱扩展的技术 它的好处是 增强了抗干扰能力 可进行多地址通信 保密性提高 6 3无线传感网的技术概述 传感器网络遵从的主要是IEEE802 15 4标准 2 4GHz频段的物理层可提供250Kb s的数据传输率 适用于高吞吐量 低延时或低作业周期的场合 工作在869 915MHz频段的物理层则能提供20Kb s的数据传输率 适用于低速率 高灵敏度和大覆盖面积的场合 依据IEEE802 15 4标准的协议被称为Zigbee 其传输带宽虽然没有Wi Fi和BlueTooth大 但是能耗较低 非常适合无线传输 同属于在办公室和家庭中使用的短距离无线技术 6 3无线传感网的技术概述 2 MAC层协议信号的传输要靠信道 因此信道也就成为了一种宝贵的资源 怎样合理有效的分配信道 就是数据链路层中的MAC子层要解决的问题了 无线传感器网络经常使用的有三种MAC协议 传感器协议 S MAC 分布式能量意识协议 DE MAC 和协调设备协议 MD S MAC协议通过调配节点的休眠方式来有效地分配信道 DE MAC则采用周期性监听和休眠机制 避免空闲监听和串音 其目的是减少能耗和增加网络的生存周期 MD协议则能为大规模 低占空比运行的节点提供了不需要高精度时钟的可靠通信 6 3无线传感网的技术概述 总体来说 无线传感器网络的MAC协议在分配信道的同时还要保证系统的能耗最低 MAC子层的主要功能包括数据帧的封装 卸装 帧的寻址和识别 帧的接收与发送 链路的管理 帧的差错控制等 MAC子层的存在屏蔽了不同物理链路种类的差异性 6 3无线传感网的技术概述 3 路由在具备底层传输协议的保障后 信息怎样快速地从源传输到目的地就是由路由协议来解决了 简单来说 路由要实现两个基本功能 确定最佳路径和通过网络传输信息 数据传输的途径存于路由表 由路由算法初始化并负责维护 无线传感器网络与普通的网络不同 它有自己的特点 比如能量受限 通信方式以数据为中心 相邻节点的数据有着相似性 拓扑结构也在不断的变化等 与此对应 常规网络的路由并不一定能适应无线传感器网络 6 3无线传感网的技术概述 4 能量管理能耗是无线传感器网络所面临的最大问题 因为节点长期处于无人值守的状况下 有效的能耗策略必不可少 目前最常使用的策略是休眠机制 即在节点空闲时 使其处于休眠状态 此时其能耗降到最低 但是休眠的节点在转回正常状态的时候 往往会消耗大量的能量 因此寻找合理的状态转换策略是确保休眠机制成功的关键 数据融合是另一项节能技术 多个邻近节点经常会采集同样的信息 发送这些冗余信息就给系统增加了不必要的负担 因此 通过本地计算和筛选 确保发送出最有效的信息就是数据融合的任务 实行逻辑并集运算 6 3无线传感网的技术概述 操作系统 TinyOS 这个系统不同于传统意义上的操作系统 它更像一个编程构架 在此构架下 搭配一组必要的组件 就能方便地编译出面向特定应用的操作系统 TinyOS由众多组件组成 包括了主组件 应用组件 执行组件 传感组件 通信组件和硬件抽象组件 每一个组件在其内部都封装了命令处理程序和事件处理程序 它们通过接口声明所调用的命令和将要触发的事件 调度器则负责根据任务的轻重缓急来安排系统的工作 Crossbow公司生产的MICA传感器平台上就使用了TinyOS系统 实践证明 其基本应用只占用很少的系统资源 能圆满的完成数据采集 处理和通信组网以及数据传输等任务 7 1美国在无线传感器网络军事应用方面的主要研究 信息技术正推动着一场新的军事变革 信息化战争要求作战系统 看得明 反应快 打得准 谁在信息的获取 传输 处理上占据优势 取得制信息权 谁就能掌握战争的主动权 无线传感器网络以其独特的优势 能在多种场合满足军事信息获取的实时性 准确性 全面性等需求 未来战争毫无质疑的是高科技战争 作战方式是陆海空天电五维空间 涉及卫星发射技术 遥感技术 电子信息技术 新材料加工技术 自动控制技术 激光技术 电磁技术 卫生与生命保障技术等等 从太空和天空准确投射化学炸药载体 导弹 火箭弹 炮弹 到发射强激光 电磁能炸弹到网络黑客攻击 决战于太空 天空 海面 海下 要求决战本土境外 其中 电战包括电磁干扰和对抗 网络攻击 信息欺骗 无线传感器网络可以协助实现有效的战场态势感知 满足作战力量 知己知彼 的要求 典型设想是用飞行器将大量微传感器结点散布在战场的广阔地域 这些结点自组成网 将战场信息边收集 边传输 边融合 为各参战单位提供 各取所需 的情报服务 由于无线传感器网络具有密集型 随机分布的特点 使其非常适合应用于恶劣的战场环境中 使其非常适合应用于恶劣的战场环境中 包括侦察敌情 监控兵力 装备和物资 判断生物化学攻击等多方面用途 友军兵力 装备 弹药调配监视 战区监控 敌方军力的侦察 目标追踪 战争损伤评估 核 生物和化学攻击的探测与侦察等 7 2美军传感器研究类型 1 智能微尘 smartdust 是一个具有电脑功能的超微型传感器 它由微处理器 无线电收发装置和使它们能够组成一个无线网络的软件共同组成 将一些微尘散放在一定范围内 它们就能够相互定位 收集数据并向基站传递信息 双向无线通信模块和供电模块的微尘器件的体积已经缩小到了沙粒般大小 但它却包含了从信息收集 信息处理到信息发送所必需的全部部件 未来的智能微尘甚至可以悬浮在空中几个小时 搜集 处理 发射信息 它能够仅依靠微型电池工作多年 智能微尘的远程传感器芯片能够跟踪敌人的军事行动 可以把大量智能微尘装在宣传品 子弹或炮弹中 在目标地点撒落下去 形成严密的监视网络 敌国的军事力量和人员 物资的流动自然一清二楚 2 目标定位网络嵌入式系统技术目标定位网络嵌入式系统技术NetworkdSystemTechnology 是战场应用实验 美国国防高级研究计划局主导的一个项目 它将实现系统和信息处理融合 项目的定量目标是建立包括10 100万个计算节点的可靠 实时 分布式应用网络 这些节点包括连接传感器和执行器的物理和信息系统部件 基础嵌入式系统技术节点采用现场可编程门阵列 FPGA 模式 该项目应用了大量的微型传感器 微电子 先进传感器融合算法 自定位技术和信息技术方面的成果 项目的长期目标是实现传感器信息的网络中心分布和融合 显著提高作战态势感知能力 2003年该项目成功验证了能够准确定位敌方狙击手的传感器网络技术 它采用多个廉价音频传感协同定位敌方射手并标识在所有参战人员的个人计算机中 三维空间的定位精度可达到1 5米 定位延迟达到2秒 甚至能显示出敌方射手采用跪姿和站姿射击的差异 3 灵巧传感器网络 灵巧传感器网络 SSW SmartSensorWeb 是美国陆军提出的针对网络中心战的需求所开发的新型传感器网络 其基本思想是在战场上布设大量的传感器以收集和中继信息 并对相关原始数据进行过滤 然后再把那些重要的信息传送到各数据融合中心 从而将大量的信息集成为一幅战场全景图 包括通过有人和无人驾驶的地面车辆 无人驾驶飞机 空中 海上及卫星中得到的高分辨率数字地图 三维地形特征 多重频谱图形等信息 系统软件将采用预先制定的标准来解读传感器的内容 将它们与诸如公路 建筑 天气 单元位置等前后相关信息 以及由其他传感器输入的信息相互关联 从而为交战网络提供诸如开火 装甲车的行动以及爆炸等触发传感器的真实事件的实时信息 SSW系统是关于传感器基于网络平台的集成 这种集成是通过主体交互作用来实现的 例如 一个被触发的传感器主体可能会要求在其范围内激活其他传感器 达到对前后相关信息的澄清和确认 该要求信息同来自气候或武器层的SSW中的信息相结合 就生成一幅有关作战环境的全景图 4 无人值守地面传感器群美国陆军近期确立了 无人值守地面传感器群 项目 其主要目标是使基层部队指挥员具有在他们所希望部署传感器的任何地方灵活地部署传感器的能力 该项目是支持陆军 更广阔视野 的多个个项目之一 5 战场环境侦察与监视系统美国陆军最近确立了 战场环境侦察与监视系统 项目 该系统是一个智能化传感器网络 可以更为详尽 准确地探测到精确信息 如一些特殊地形地域的特种信息 登陆作战中敌方岸滩的翔实地理特征信息 丛林地带的地面坚硬度 干湿度 等 为更准确地制定战斗行动方案提供情报依据 它通过 数字化路标 作为传输工具 为各作战平台与单位提供 各取所需 的情报服务 使情报侦察与获取能力产生质的飞跃 该系统组由撒布型微传感器网络系统 机载和车载型侦察与探测设备等构成 MINI地理信息系统 6 传感器组网系统美国海军最近也确立了 传感器组网系统 研究项目 传感器组网系统的核心是一套实时数据库管理系统 该系统可以利用现有的通信机制对从战术级到战略级的传感器信息进行管理 而管理工作只需通过一台专用的商用便携机即可 不需要其他专用设备 该系统以现有的带宽进行通信 并可协调来自地面和空中监视传感器以及太空监视设备的信息 该系统可以部署到各级指挥单位 7 防生化网络美国Sandia国家实验室与美国能源部合作 共同研究能够尽早发现以地铁 车站等场所为目标的生化武器袭击 并及时采取防范对策的系统 该研究属于美国能源部恐怖对策项目的重要一环 该系统融检测有毒气体的化学传感器和网络技术于一体 安装在车站的传感器一旦检测到某种有害物质 就会自动向管理中心通报 自动进行引导旅客避难的广播 并封锁有关入口等 该系统除了能够在专用管理中心进行监视之外 还可以通过WWW进行远程监视 8 网状传感器系统CEC美国海军最近开展的网状传感器系统CEC cooperativeengagementcapability 是一项革命性的技术 CEC是一个无线网络 其感知数据是原始的雷达数据 该系统适用于舰船或飞机战斗群携带的电脑进行感知数据的处理 每艘战船不但依赖于自己的雷达 还依靠其他战船或者装载CEC的战机来获取感知数据 例如 一艘战船除了从自己的雷达获取数据以外 还从舰船战斗群的20个以上的雷达中获取数据 也可以从鸟瞰战场的战机上获取数据 空中的传感器负责侦察更大范围的低空目标 这些传感器也是网络中重要的一部分 利用这些数据合成图片具有很高的精度 由于CEC可以从多方面探测目标 极大地提高了测量精度 利用CEC数据可以准确地击中目标 CEC还可以快速而准确地跟踪混乱战争环境中的敌机和导弹 使战船可以击中多个地平线或地平线以上近海面飞行的超声波目标 因此 即使是今天最先进的反舰巡航导弹也会被实时地监测到并被击中 9 沙地直线 ALineintheSand 2003年8月 俄亥俄州开发 沙地直线 ALineintheSand 在美国防高级研究计划局的资助下 这个系统能够散射电子绊网到任何地方 也就是到整个战场 以侦测运动着的高金属含量目标 这种能力意味着一个特殊的军事用途 例如侦察和定位敌军坦克和其他车辆 这项技术有着广泛的应用可能 正如所提及的这些现象 它不仅可以感觉到运动的或静止的金属 而且可以感觉到声音 光线 温度 化学物品 以及动植物的生理特征 10 C4ISRT系统传感器网络将会成为C4ISRT command controlcommunication computing intelligence surveillance reconnaissanceandtargeting 系统不可或缺的一部分 C4ISRT系统的目标是利用先进的高科技技术 为未来的现代化战争设计一个集命令 控制 通信 计算 智能 监视 侦察和定位于一体的战场指挥系统 受到了军事发达国家的普遍重视 因为传感器网络是由密集型 低成本 随机分布的节点组成的 自组织性和容错能力使其不会因为某些节点在恶意攻击中的损坏而导致整个系统的崩溃 这一点是传统的传感器技术所无法比拟的 也正是这一点 使传感器网络非常适合应用于恶劣的战场环境中 包括监控我军兵力 装备和物资 监视冲突区 侦察敌方地形和布防 定位攻击目标 评估损失 侦察和探测核 生物和化学攻击 在战场 指挥员往往需要及时准确地了解部队 武器装备和军用物资供给的情况 铺设的传感器将采集相应的信息