無(wú)線傳感網(wǎng)與因特網(wǎng)融合技術(shù)

楊盤(pán)隆　陳貴海

摘要:“泛在協(xié)同”是無(wú)線傳感網(wǎng)發(fā)展過(guò)程的一個(gè)重要理念,因此無(wú)線傳感網(wǎng)與因特網(wǎng)的融合技術(shù)成為亟需解決的熱點(diǎn)問(wèn)題。文章從設(shè)計(jì)理念、約束條件和運(yùn)用模式3個(gè)方面分析了融合技術(shù)所面臨的挑戰(zhàn),指明了技術(shù)難點(diǎn)與關(guān)鍵點(diǎn);圍繞網(wǎng)關(guān)接入策略、覆蓋技術(shù)和無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)體系等不同風(fēng)格的體制,對(duì)技術(shù)產(chǎn)生背景、主要特點(diǎn)和技術(shù)差別進(jìn)行了介紹和點(diǎn)評(píng)。以美國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金會(huì)(NSF)組織開(kāi)展的GENI計(jì)劃為背景,文章介紹了新體系下的傳感網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)情況,以及GENI技術(shù)發(fā)展的新構(gòu)想。根據(jù)接入(融合)技術(shù)的特點(diǎn),提出了性能評(píng)價(jià)的6項(xiàng)準(zhǔn)則,并對(duì)不同技術(shù)體制的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了比較。文章還對(duì)傳感網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)融合技術(shù)的未來(lái)發(fā)展方向進(jìn)行了討論。

關(guān)鍵詞:無(wú)線傳感網(wǎng);融合技術(shù);網(wǎng)關(guān)技術(shù);延時(shí)自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò);代理技術(shù);無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng);

Abstract: Since “pervasive coordination” is one of the most important goals in sensor network evolution, integrating technology of wireless sensor network and traditional Internet is becoming the key problem that needs solving. In this paper, challenges of integrating technology are composed of three parts: Design principle, system constraint and application mode. We keep these three parts as the keynote of Integration. Status quo of integrating technology is introduced, such technologies as gateway-based approach, overlay approach and wireless mesh sensor network are all presented in detail with back groundings and main characteristics. We have made a comparison of different integrating technology based on above introduction, merits and shortcomings of different mechanisms are all analyzed in detail. Back grounding on GENI project of U.S.A National Science Fund, we make an introduction to wireless sensor network test-bed deployment in GENI and its new technology evolution trend. After that, according to technological characteristics of Integration (Synergy), we proposed six metrics to measure efficiency of different integration technology, and make comparison among different technologies based on these metrics. At the end of this paper, the future evolution of integrating technology is discussed.

Key words: wireless sensor network; integrating technology; gateway technology; delay tolerant network; proxy technology; wireless mesh network

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)(WSN)為人們感知外部世界提供了一種全新、高效的數(shù)字化手段,具有廣闊的應(yīng)用前景和技術(shù)前沿性。但是長(zhǎng)期以來(lái),傳統(tǒng)因特網(wǎng)無(wú)論在技術(shù)上還是在應(yīng)用中一直處于主導(dǎo)地位,其他新型網(wǎng)絡(luò)與之互聯(lián),往往處于從屬地位。經(jīng)過(guò)多年的技術(shù)更迭,互聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)有體系與相關(guān)技術(shù)已經(jīng)發(fā)生了明顯的改變。由于目前受制于廠商對(duì)產(chǎn)品的壟斷、因特網(wǎng)業(yè)務(wù)提供商(ISP)的利益、用戶(hù)使用習(xí)慣等諸多因素,現(xiàn)有體系已經(jīng)由最初的新技術(shù)推動(dòng)者變?yōu)樾录夹g(shù)的羈絆。

目前絕大多數(shù)的研究仍然沿用邊緣網(wǎng)或末端網(wǎng)接入傳統(tǒng)因特網(wǎng)的方式,側(cè)重于將傳感網(wǎng)作為因特網(wǎng)的補(bǔ)充接入現(xiàn)有體系(見(jiàn)圖1)。最近,一些研究機(jī)構(gòu)甚至預(yù)測(cè)無(wú)線傳感網(wǎng)和因特網(wǎng)將共同發(fā)展[1-2],成為影響人類(lèi)生活的重要技術(shù)和生產(chǎn)力,我們把這種模式稱(chēng)為“共生”模式(見(jiàn)圖2);文獻(xiàn)[3]于1999年提出了網(wǎng)絡(luò)即是傳感的概念,文獻(xiàn)[4]以GENI計(jì)劃為契機(jī),進(jìn)而提出了一種全新的模式,即因特網(wǎng)作為從屬網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)充接入傳感網(wǎng)(見(jiàn)圖3)。在這種模式下,傳感網(wǎng)與因特網(wǎng)將遵從全新的互聯(lián)體系結(jié)構(gòu),以傳感網(wǎng)(無(wú)線)為主導(dǎo)。有的專(zhuān)家預(yù)言,互聯(lián)網(wǎng)取得巨大成功的今天,極有可能就是傳感網(wǎng)的明天[5]。毫無(wú)疑問(wèn),這種理念與構(gòu)想是革命性的,我們稱(chēng)之為“革命”模式。但這種模式依賴(lài)于新型互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)、傳感網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)、移動(dòng)自組織架構(gòu)、硬件系統(tǒng)的發(fā)展及人們對(duì)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)用模式等各方面的革命性創(chuàng)新。未來(lái)的技術(shù)發(fā)展將何去何從,仍不得而知,但是新型的互聯(lián)理念帶來(lái)了更多的創(chuàng)新思路,有可能產(chǎn)生革命性的技術(shù)突破。

1 面臨的挑戰(zhàn)

1.1 設(shè)計(jì)理念的差異

無(wú)線傳感網(wǎng)與傳統(tǒng)因特網(wǎng)誕生在不同的背景下,在設(shè)計(jì)理念上存在巨大的差異。從網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的角度來(lái)看,網(wǎng)絡(luò)最主要功能是進(jìn)行路由組織,保證節(jié)點(diǎn)之間的互聯(lián),不過(guò)多限制用戶(hù)行為、不關(guān)心用戶(hù)數(shù)據(jù)。同時(shí),因特網(wǎng)的協(xié)議開(kāi)放性和通用性強(qiáng),較少采用專(zhuān)用私有協(xié)議,新型體系和技術(shù)的應(yīng)用以原有體系結(jié)構(gòu)或支撐平臺(tái)為基礎(chǔ),以同現(xiàn)有系統(tǒng)兼容為目標(biāo)。而無(wú)線傳感網(wǎng)由于應(yīng)用的需要,往往以數(shù)據(jù)為核心[6],同時(shí)講究數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的自動(dòng)處理[7]。

從網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)保障的角度來(lái)看,因特網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)(路由器)是盡力而為,在有業(yè)務(wù)質(zhì)量保障要求的網(wǎng)絡(luò)中甚至要求節(jié)點(diǎn)能夠盡職工作[8]。但是傳感器體積較小,計(jì)算能力和能量都十分有限,在協(xié)議設(shè)計(jì)時(shí),需要簡(jiǎn)化協(xié)議,并盡量要節(jié)能,以延長(zhǎng)傳感網(wǎng)工作壽命,考慮節(jié)能有時(shí)甚至需要節(jié)點(diǎn)采取休眠或拒絕為其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的“自私”行為[9],因此業(yè)務(wù)保障呈現(xiàn)出不確定性。對(duì)于無(wú)線傳感網(wǎng)而言,另一個(gè)困難是業(yè)務(wù)保障要求多樣性。傳感網(wǎng)中的業(yè)務(wù),有的需要較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性,有的需要盡量節(jié)省能量。保障要求多樣化最終導(dǎo)致協(xié)議類(lèi)型多種多樣,業(yè)務(wù)保障能力隨業(yè)務(wù)需求動(dòng)態(tài)變化。

1.2 約束條件的差異

無(wú)線傳感網(wǎng)與傳統(tǒng)因特網(wǎng)作為不同的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu),它們所面臨的系統(tǒng)約束條件也存在著巨大的差異。傳統(tǒng)因特網(wǎng)一般通過(guò)有線連接,特別是作為支撐因特網(wǎng)的重要節(jié)點(diǎn)——路由器一般都固定放置,有專(zhuān)門(mén)的電源提供能量,不需要考慮能量問(wèn)題。同時(shí),在因特網(wǎng)這樣的應(yīng)用背景下,沒(méi)有對(duì)節(jié)點(diǎn)分布、距離等因素作進(jìn)一步的限制,節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)有線連接,網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錄](méi)有地理空間的概念。因特網(wǎng)采用相對(duì)成熟的互聯(lián)協(xié)議——傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)間協(xié)議(TCP/IP),硬件的約束也相對(duì)較低。相對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)而言,有線網(wǎng)的帶寬比較充足,一般不需要考慮通信協(xié)議開(kāi)銷(xiāo)。

對(duì)于無(wú)線傳感網(wǎng)而言,能量是限制無(wú)線傳感網(wǎng)工作時(shí)間的重要因素,因特網(wǎng)節(jié)點(diǎn)由于不需要考慮節(jié)能,在持續(xù)供電的情況下,可以正常工作時(shí)間可達(dá)數(shù)年甚至數(shù)十年。無(wú)線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的布局各有不同,森林火警、礦井監(jiān)測(cè)時(shí),節(jié)點(diǎn)一般布置在最有可能出現(xiàn)險(xiǎn)情的位置;飛機(jī)投放的傳感器呈現(xiàn)出較強(qiáng)的隨機(jī)性,而作戰(zhàn)時(shí)飛機(jī)或炮彈投放的傳感器則與軍事目的密切相關(guān);附帶在動(dòng)物身體上的傳感器,則受到動(dòng)物遷徙的習(xí)性和自然條件變化多種因素的影響。因此傳感器節(jié)點(diǎn)的分布方式千變?nèi)f化,很難用簡(jiǎn)單的拓?fù)淠Ｐ瓦M(jìn)行描述。無(wú)線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)受到的硬件約束較多,特別是體積和能量的限制,導(dǎo)致系統(tǒng)計(jì)算能力非常有限,甚至是簡(jiǎn)化版本的TCP/IP協(xié)議都難以運(yùn)行。

2 技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

目前在接入策略上,主流技術(shù)從協(xié)議棧角度來(lái)看,可以分為3種類(lèi)型:

●網(wǎng)關(guān)策略

●覆蓋策略

●無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)策略

不同的技術(shù)出發(fā)點(diǎn)不同,其中網(wǎng)關(guān)策略關(guān)注應(yīng)用層信息,為傳感網(wǎng)與因特網(wǎng)提供連接支持;覆蓋策略側(cè)重協(xié)議棧改造;無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)充分利用協(xié)議自身強(qiáng)大的移動(dòng)互聯(lián)支持功能,為傳感網(wǎng)接入提供一體化途徑。

2.1 網(wǎng)關(guān)策略

網(wǎng)關(guān)策略可以分為3種:應(yīng)用層網(wǎng)關(guān)策略,也稱(chēng)為代理策略;時(shí)延自適應(yīng)策略和虛擬IP策略。網(wǎng)關(guān)策略最明顯的特點(diǎn)是:這3種類(lèi)型的協(xié)議都需要配置專(zhuān)用的節(jié)點(diǎn),需要網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)對(duì)傳感網(wǎng)和因特網(wǎng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行雙向的分析,用于解決傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)與因特網(wǎng)主機(jī)之間的信息交互問(wèn)題。

2.1.1 應(yīng)用層網(wǎng)關(guān)(代理)策略

應(yīng)用層網(wǎng)關(guān)策略也被稱(chēng)為基于代理的策略,應(yīng)用層網(wǎng)關(guān)(代理)一方面通過(guò)IP協(xié)議與因特網(wǎng)主機(jī)相連;另一方面與傳感器網(wǎng)絡(luò)連接。如圖4所示。應(yīng)用層網(wǎng)絡(luò)大體可以分為兩種類(lèi)型:一種是網(wǎng)關(guān)作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn),其特點(diǎn)是要求客戶(hù)端首先向代理服務(wù)器注冊(cè)相關(guān)的數(shù)據(jù)信息,代理只是在傳感網(wǎng)和因特網(wǎng)的客戶(hù)端之間轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)信息;另一種是作為前端節(jié)點(diǎn)出現(xiàn),其特點(diǎn)是主動(dòng)收集來(lái)自傳感網(wǎng)的信息,來(lái)自因特網(wǎng)的客戶(hù)端向代理查詢(xún),如果與收集的信息吻合,則向客戶(hù)端發(fā)布相關(guān)信息,否則還要再向傳感網(wǎng)廣播查詢(xún)信息。

2.1.2 時(shí)延自適應(yīng)網(wǎng)策略

與應(yīng)用層網(wǎng)關(guān)技術(shù)類(lèi)似,還有一種更為有效,通用性更強(qiáng)的網(wǎng)關(guān)接入方式是時(shí)延自適應(yīng)網(wǎng)(DTN)策略。DTN一種是基于鏈路恢復(fù)的策略,主要思想是對(duì)協(xié)議棧進(jìn)行改造,使不可靠、長(zhǎng)時(shí)延鏈路具有常規(guī)鏈路的特征;另一種是基于代理服務(wù)器的策略,為接入異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的邊緣配置代理服務(wù)器[10-11]。

2.1.3 基于虛擬IP地址的策略

文獻(xiàn)[12-13]提出了網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)的5個(gè)標(biāo)準(zhǔn):即兼容、透明、節(jié)能、互聯(lián)(以IP為基礎(chǔ))、無(wú)覆蓋(不修改協(xié)議棧)。同時(shí)作者還針對(duì)虛擬IP(VIP)地址協(xié)議的特點(diǎn)提出了另外兩個(gè)設(shè)計(jì)思路:即設(shè)計(jì)要易于實(shí)現(xiàn),同時(shí)充分利用傳感網(wǎng)協(xié)議的地理位置信息和節(jié)點(diǎn)標(biāo)志(ID)。VIP網(wǎng)關(guān)策略的主要思想是,在傳感網(wǎng)內(nèi)部標(biāo)志和傳統(tǒng)因特網(wǎng)協(xié)議的IP地址之間建立一套協(xié)議轉(zhuǎn)換機(jī)制。

VIP體系并非完全做到了與應(yīng)用無(wú)關(guān),協(xié)議也并不是完全透明的。無(wú)法解決以數(shù)據(jù)為中心的路由協(xié)議互聯(lián)問(wèn)題。由于VIP仍然具有明顯的網(wǎng)關(guān)特征,并且在不同協(xié)議之間有明確的轉(zhuǎn)換實(shí)體存在,所以仍然屬于網(wǎng)關(guān)策略。

2.2 覆蓋策略

覆蓋策略與網(wǎng)關(guān)策略最大的區(qū)別是沒(méi)有明確的網(wǎng)關(guān),協(xié)議之間的適配依賴(lài)于協(xié)議棧的修改[14-15]。大體上可以分為兩種策略:一種方式是采用因特網(wǎng)協(xié)議覆蓋傳感器協(xié)議的策略,如圖5所示;另一種策略與之相反,采用傳感器協(xié)議覆蓋因特網(wǎng)協(xié)議,如圖6所示。

傳感器協(xié)議覆蓋因特網(wǎng)的策略具有相當(dāng)?shù)撵`活性,特別適合于將異構(gòu)傳感網(wǎng)通過(guò)因特網(wǎng)互聯(lián)。缺點(diǎn)是傳感器協(xié)議種類(lèi)眾多,很難找到一個(gè)通用的覆蓋模式。但是隨著網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用模式或傳感網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的發(fā)展,傳感協(xié)議覆蓋因特網(wǎng)的模式也許會(huì)得到較大規(guī)模的應(yīng)用。

2.3 無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)策略

從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來(lái)看,無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)不再是以往的基于有中心結(jié)構(gòu)的星狀網(wǎng)絡(luò)連接,所有的接入點(diǎn)之間以完全對(duì)等的方式連接,因此大大增加了網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展能力。無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)能夠?yàn)槲挥诮紖^(qū)的居民社區(qū)、臨時(shí)性高密度集會(huì)場(chǎng)所或者所有無(wú)法鋪設(shè)有線網(wǎng)的地區(qū)提供便捷有效的最后一公里接入技術(shù)。無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)由于可以利用多種通信手段(如IEEE 802.11、WiMAX等),被認(rèn)為是一種有效的異構(gòu)互聯(lián)技術(shù)。

同樣利用無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)良好的異構(gòu)互聯(lián)性質(zhì),可以將無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)作為一種全新的無(wú)線傳感網(wǎng)接入手段,文獻(xiàn)[16]首次提出了在無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中引入網(wǎng)狀網(wǎng)技術(shù)的思想。在無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中部署無(wú)線路由器,形成一種被稱(chēng)為網(wǎng)狀傳感網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這些路由器裝配有IEEE802.15.4接口,可以和傳感節(jié)點(diǎn)直接通信。網(wǎng)狀傳感網(wǎng)絡(luò)能夠連接多個(gè)傳感網(wǎng)絡(luò),提高網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性和可靠性,提高數(shù)據(jù)吞吐量,并且能夠支持節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性。

3 分析與比較

將各種不同的接入?yún)f(xié)議進(jìn)行橫向分析與比較。表1給出了不同接入?yún)f(xié)議之間比較后的結(jié)果。由于美國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金會(huì)(NSF)組織GENI計(jì)劃中的網(wǎng)絡(luò)屬于實(shí)驗(yàn)性網(wǎng)絡(luò),同時(shí)目前的研究剛剛起步,并未形成規(guī)模,所以未在表中列入。6個(gè)主要的評(píng)價(jià)指標(biāo)分別是:通用性、透明性、普適性、可行性、互操作性和抗毀性(抗攻擊性)。各種接入技術(shù)的比較結(jié)果如表1所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

目前基于網(wǎng)關(guān)技術(shù)、覆蓋網(wǎng)技術(shù)和網(wǎng)狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)的接入模型各有優(yōu)缺點(diǎn),設(shè)計(jì)一種能結(jié)合各方優(yōu)點(diǎn)的接入模型是值得研究的問(wèn)題。為避免單故障點(diǎn)問(wèn)題,接入模型需要支持多網(wǎng)關(guān)。多網(wǎng)關(guān)的動(dòng)態(tài)部署、負(fù)載均衡、容錯(cuò)和移動(dòng)網(wǎng)關(guān)相關(guān)問(wèn)題都直接影響接入性能。為實(shí)現(xiàn)功能可擴(kuò)展性,需要研究網(wǎng)關(guān)數(shù)目和網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的關(guān)系。網(wǎng)關(guān)容易受到來(lái)自互聯(lián)網(wǎng)和無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的雙重安全威脅,需要保證網(wǎng)關(guān)的安全性和可用性。另一方面,通過(guò)網(wǎng)狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)接入互聯(lián)網(wǎng)時(shí),需要解決通信協(xié)議問(wèn)題;網(wǎng)狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)移動(dòng)終端有良好的支持,但是如何管理移動(dòng)節(jié)點(diǎn)也需要進(jìn)一步探索[17-19]。作為未來(lái)的研究方向,應(yīng)該開(kāi)展復(fù)合型接入網(wǎng)關(guān)技術(shù)研究、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)研究、業(yè)務(wù)應(yīng)用模式甚至是行為模型的研究,這些基礎(chǔ)內(nèi)容的研究將是促進(jìn)傳感網(wǎng)與因特網(wǎng)從接入邁向融合的重要途徑。

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收稿日期:2009-06-03

楊盤(pán)隆,南京大學(xué)計(jì)算機(jī)軟件新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室講師、博士后,主要研究領(lǐng)域?yàn)闊o(wú)線傳感網(wǎng)技術(shù)、無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、協(xié)議一致性測(cè)試技術(shù)。

陳貴海,南京大學(xué)計(jì)算機(jī)軟件新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授、博士生導(dǎo)師,主要研究領(lǐng)域?yàn)闊o(wú)線傳感網(wǎng)、并行計(jì)算技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)計(jì)算技術(shù)。