無線傳感網與因特網融合技術

楊盤隆　陳貴海

摘要:“泛在協同”是無線傳感網發展過程的一個重要理念,因此無線傳感網與因特網的融合技術成為亟需解決的熱點問題。文章從設計理念、約束條件和運用模式3個方面分析了融合技術所面臨的挑戰,指明了技術難點與關鍵點;圍繞網關接入策略、覆蓋技術和無線網狀網體系等不同風格的體制,對技術產生背景、主要特點和技術差別進行了介紹和點評。以美國國家自然科學基金會(NSF)組織開展的GENI計劃為背景,文章介紹了新體系下的傳感網實驗平臺建設情況,以及GENI技術發展的新構想。根據接入(融合)技術的特點,提出了性能評價的6項準則,并對不同技術體制的優缺點進行了比較。文章還對傳感網與互聯網融合技術的未來發展方向進行了討論。

關鍵詞:無線傳感網;融合技術;網關技術;延時自適應網絡;代理技術;無線網狀網;

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

無線傳感網絡(WSN)為人們感知外部世界提供了一種全新、高效的數字化手段,具有廣闊的應用前景和技術前沿性。但是長期以來,傳統因特網無論在技術上還是在應用中一直處于主導地位,其他新型網絡與之互聯,往往處于從屬地位。經過多年的技術更迭,互聯網現有體系與相關技術已經發生了明顯的改變。由于目前受制于廠商對產品的壟斷、因特網業務提供商(ISP)的利益、用戶使用習慣等諸多因素,現有體系已經由最初的新技術推動者變為新技術的羈絆。

目前絕大多數的研究仍然沿用邊緣網或末端網接入傳統因特網的方式,側重于將傳感網作為因特網的補充接入現有體系(見圖1)。最近,一些研究機構甚至預測無線傳感網和因特網將共同發展[1-2],成為影響人類生活的重要技術和生產力,我們把這種模式稱為“共生”模式(見圖2);文獻[3]于1999年提出了網絡即是傳感的概念,文獻[4]以GENI計劃為契機,進而提出了一種全新的模式,即因特網作為從屬網絡補充接入傳感網(見圖3)。在這種模式下,傳感網與因特網將遵從全新的互聯體系結構,以傳感網(無線)為主導。有的專家預言,互聯網取得巨大成功的今天,極有可能就是傳感網的明天[5]。毫無疑問,這種理念與構想是革命性的,我們稱之為“革命”模式。但這種模式依賴于新型互聯網體系結構、傳感網組網技術、移動自組織架構、硬件系統的發展及人們對網絡運用模式等各方面的革命性創新。未來的技術發展將何去何從,仍不得而知,但是新型的互聯理念帶來了更多的創新思路,有可能產生革命性的技術突破。

1 面臨的挑戰

1.1 設計理念的差異

無線傳感網與傳統因特網誕生在不同的背景下,在設計理念上存在巨大的差異。從網絡體系結構的角度來看,網絡最主要功能是進行路由組織,保證節點之間的互聯,不過多限制用戶行為、不關心用戶數據。同時,因特網的協議開放性和通用性強,較少采用專用私有協議,新型體系和技術的應用以原有體系結構或支撐平臺為基礎,以同現有系統兼容為目標。而無線傳感網由于應用的需要,往往以數據為核心[6],同時講究數據在網絡中的自動處理[7]。

從網絡業務保障的角度來看,因特網的節點(路由器)是盡力而為,在有業務質量保障要求的網絡中甚至要求節點能夠盡職工作[8]。但是傳感器體積較小,計算能力和能量都十分有限,在協議設計時,需要簡化協議,并盡量要節能,以延長傳感網工作壽命,考慮節能有時甚至需要節點采取休眠或拒絕為其他節點轉發數據的“自私”行為[9],因此業務保障呈現出不確定性。對于無線傳感網而言,另一個困難是業務保障要求多樣性。傳感網中的業務,有的需要較強的實時性,有的需要盡量節省能量。保障要求多樣化最終導致協議類型多種多樣,業務保障能力隨業務需求動態變化。

1.2 約束條件的差異

無線傳感網與傳統因特網作為不同的網絡體系結構,它們所面臨的系統約束條件也存在著巨大的差異。傳統因特網一般通過有線連接,特別是作為支撐因特網的重要節點——路由器一般都固定放置,有專門的電源提供能量,不需要考慮能量問題。同時,在因特網這樣的應用背景下,沒有對節點分布、距離等因素作進一步的限制,節點之間通過有線連接,網絡拓撲沒有地理空間的概念。因特網采用相對成熟的互聯協議——傳輸控制協議/網間協議(TCP/IP),硬件的約束也相對較低。相對無線網絡而言,有線網的帶寬比較充足,一般不需要考慮通信協議開銷。

對于無線傳感網而言,能量是限制無線傳感網工作時間的重要因素,因特網節點由于不需要考慮節能,在持續供電的情況下,可以正常工作時間可達數年甚至數十年。無線傳感網節點的布局各有不同,森林火警、礦井監測時,節點一般布置在最有可能出現險情的位置;飛機投放的傳感器呈現出較強的隨機性,而作戰時飛機或炮彈投放的傳感器則與軍事目的密切相關;附帶在動物身體上的傳感器,則受到動物遷徙的習性和自然條件變化多種因素的影響。因此傳感器節點的分布方式千變萬化,很難用簡單的拓撲模型進行描述。無線傳感網節點受到的硬件約束較多,特別是體積和能量的限制,導致系統計算能力非常有限,甚至是簡化版本的TCP/IP協議都難以運行。

2 技術發展現狀

目前在接入策略上,主流技術從協議棧角度來看,可以分為3種類型:

●網關策略

●覆蓋策略

●無線網狀網策略

不同的技術出發點不同,其中網關策略關注應用層信息,為傳感網與因特網提供連接支持;覆蓋策略側重協議棧改造;無線網狀網充分利用協議自身強大的移動互聯支持功能,為傳感網接入提供一體化途徑。

2.1 網關策略

網關策略可以分為3種:應用層網關策略,也稱為代理策略;時延自適應策略和虛擬IP策略。網關策略最明顯的特點是:這3種類型的協議都需要配置專用的節點,需要網關節點對傳感網和因特網的數據進行雙向的分析,用于解決傳感網節點與因特網主機之間的信息交互問題。

2.1.1 應用層網關(代理)策略

應用層網關策略也被稱為基于代理的策略,應用層網關(代理)一方面通過IP協議與因特網主機相連;另一方面與傳感器網絡連接。如圖4所示。應用層網絡大體可以分為兩種類型:一種是網關作為轉發節點出現,其特點是要求客戶端首先向代理服務器注冊相關的數據信息,代理只是在傳感網和因特網的客戶端之間轉發數據信息;另一種是作為前端節點出現,其特點是主動收集來自傳感網的信息,來自因特網的客戶端向代理查詢,如果與收集的信息吻合,則向客戶端發布相關信息,否則還要再向傳感網廣播查詢信息。

2.1.2 時延自適應網策略

與應用層網關技術類似,還有一種更為有效,通用性更強的網關接入方式是時延自適應網(DTN)策略。DTN一種是基于鏈路恢復的策略,主要思想是對協議棧進行改造,使不可靠、長時延鏈路具有常規鏈路的特征;另一種是基于代理服務器的策略,為接入異構網絡的邊緣配置代理服務器[10-11]。

2.1.3 基于虛擬IP地址的策略

文獻[12-13]提出了網關設計的5個標準:即兼容、透明、節能、互聯(以IP為基礎)、無覆蓋(不修改協議棧)。同時作者還針對虛擬IP(VIP)地址協議的特點提出了另外兩個設計思路:即設計要易于實現,同時充分利用傳感網協議的地理位置信息和節點標志(ID)。VIP網關策略的主要思想是,在傳感網內部標志和傳統因特網協議的IP地址之間建立一套協議轉換機制。

VIP體系并非完全做到了與應用無關,協議也并不是完全透明的。無法解決以數據為中心的路由協議互聯問題。由于VIP仍然具有明顯的網關特征,并且在不同協議之間有明確的轉換實體存在,所以仍然屬于網關策略。

2.2 覆蓋策略

覆蓋策略與網關策略最大的區別是沒有明確的網關,協議之間的適配依賴于協議棧的修改[14-15]。大體上可以分為兩種策略:一種方式是采用因特網協議覆蓋傳感器協議的策略,如圖5所示;另一種策略與之相反,采用傳感器協議覆蓋因特網協議,如圖6所示。

傳感器協議覆蓋因特網的策略具有相當的靈活性,特別適合于將異構傳感網通過因特網互聯。缺點是傳感器協議種類眾多,很難找到一個通用的覆蓋模式。但是隨著網絡應用模式或傳感網絡協議的發展,傳感協議覆蓋因特網的模式也許會得到較大規模的應用。

2.3 無線網狀網策略

從網絡結構來看,無線網狀網不再是以往的基于有中心結構的星狀網絡連接,所有的接入點之間以完全對等的方式連接,因此大大增加了網絡的可擴展能力。無線網狀網能夠為位于郊區的居民社區、臨時性高密度集會場所或者所有無法鋪設有線網的地區提供便捷有效的最后一公里接入技術。無線網狀網由于可以利用多種通信手段(如IEEE 802.11、WiMAX等),被認為是一種有效的異構互聯技術。

同樣利用無線網狀網良好的異構互聯性質,可以將無線網狀網作為一種全新的無線傳感網接入手段,文獻[16]首次提出了在無線傳感網絡中引入網狀網技術的思想。在無線傳感網絡中部署無線路由器,形成一種被稱為網狀傳感網絡的網絡結構。這些路由器裝配有IEEE802.15.4接口,可以和傳感節點直接通信。網狀傳感網絡能夠連接多個傳感網絡,提高網絡的可擴展性和可靠性,提高數據吞吐量,并且能夠支持節點移動性。

3 分析與比較

將各種不同的接入協議進行橫向分析與比較。表1給出了不同接入協議之間比較后的結果。由于美國國家自然科學基金會(NSF)組織GENI計劃中的網絡屬于實驗性網絡,同時目前的研究剛剛起步,并未形成規模,所以未在表中列入。6個主要的評價指標分別是:通用性、透明性、普適性、可行性、互操作性和抗毀性(抗攻擊性)。各種接入技術的比較結果如表1所示。

4 結束語

目前基于網關技術、覆蓋網技術和網狀網結構的接入模型各有優缺點,設計一種能結合各方優點的接入模型是值得研究的問題。為避免單故障點問題,接入模型需要支持多網關。多網關的動態部署、負載均衡、容錯和移動網關相關問題都直接影響接入性能。為實現功能可擴展性,需要研究網關數目和網絡規模的關系。網關容易受到來自互聯網和無線傳感網絡的雙重安全威脅,需要保證網關的安全性和可用性。另一方面,通過網狀網結構接入互聯網時,需要解決通信協議問題;網狀網結構對移動終端有良好的支持,但是如何管理移動節點也需要進一步探索[17-19]。作為未來的研究方向,應該開展復合型接入網關技術研究、異構網絡互聯研究、業務應用模式甚至是行為模型的研究,這些基礎內容的研究將是促進傳感網與因特網從接入邁向融合的重要途徑。

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收稿日期:2009-06-03

楊盤隆,南京大學計算機軟件新技術國家重點實驗室講師、博士后,主要研究領域為無線傳感網技術、無線自組織網絡技術、協議一致性測試技術。

陳貴海,南京大學計算機軟件新技術國家重點實驗室教授、博士生導師,主要研究領域為無線傳感網、并行計算技術、網絡計算技術。