无线传感网与因特网融合技术

杨盘隆　陈贵海

摘要:“泛在协同”是无线传感网发展过程的一个重要理念,因此无线传感网与因特网的融合技术成为亟需解决的热点问题。文章从设计理念、约束条件和运用模式3个方面分析了融合技术所面临的挑战,指明了技术难点与关键点;围绕网关接入策略、覆盖技术和无线网状网体系等不同风格的体制,对技术产生背景、主要特点和技术差别进行了介绍和点评。以美国国家自然科学基金会(NSF)组织开展的GENI计划为背景,文章介绍了新体系下的传感网实验平台建设情况,以及GENI技术发展的新构想。根据接入(融合)技术的特点,提出了性能评价的6项准则,并对不同技术体制的优缺点进行了比较。文章还对传感网与互联网融合技术的未来发展方向进行了讨论。

关键词:无线传感网;融合技术;网关技术;延时自适应网络;代理技术;无线网状网;

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

无线传感网络(WSN)为人们感知外部世界提供了一种全新、高效的数字化手段,具有广阔的应用前景和技术前沿性。但是长期以来,传统因特网无论在技术上还是在应用中一直处于主导地位,其他新型网络与之互联,往往处于从属地位。经过多年的技术更迭,互联网现有体系与相关技术已经发生了明显的改变。由于目前受制于厂商对产品的垄断、因特网业务提供商(ISP)的利益、用户使用习惯等诸多因素,现有体系已经由最初的新技术推动者变为新技术的羁绊。

目前绝大多数的研究仍然沿用边缘网或末端网接入传统因特网的方式,侧重于将传感网作为因特网的补充接入现有体系(见图1)。最近,一些研究机构甚至预测无线传感网和因特网将共同发展[1-2],成为影响人类生活的重要技术和生产力,我们把这种模式称为“共生”模式(见图2);文献[3]于1999年提出了网络即是传感的概念,文献[4]以GENI计划为契机,进而提出了一种全新的模式,即因特网作为从属网络补充接入传感网(见图3)。在这种模式下,传感网与因特网将遵从全新的互联体系结构,以传感网(无线)为主导。有的专家预言,互联网取得巨大成功的今天,极有可能就是传感网的明天[5]。毫无疑问,这种理念与构想是革命性的,我们称之为“革命”模式。但这种模式依赖于新型互联网体系结构、传感网组网技术、移动自组织架构、硬件系统的发展及人们对网络运用模式等各方面的革命性创新。未来的技术发展将何去何从,仍不得而知,但是新型的互联理念带来了更多的创新思路,有可能产生革命性的技术突破。

1 面临的挑战

1.1 设计理念的差异

无线传感网与传统因特网诞生在不同的背景下,在设计理念上存在巨大的差异。从网络体系结构的角度来看,网络最主要功能是进行路由组织,保证节点之间的互联,不过多限制用户行为、不关心用户数据。同时,因特网的协议开放性和通用性强,较少采用专用私有协议,新型体系和技术的应用以原有体系结构或支撑平台为基础,以同现有系统兼容为目标。而无线传感网由于应用的需要,往往以数据为核心[6],同时讲究数据在网络中的自动处理[7]。

从网络业务保障的角度来看,因特网的节点(路由器)是尽力而为,在有业务质量保障要求的网络中甚至要求节点能够尽职工作[8]。但是传感器体积较小,计算能力和能量都十分有限,在协议设计时,需要简化协议,并尽量要节能,以延长传感网工作寿命,考虑节能有时甚至需要节点采取休眠或拒绝为其他节点转发数据的“自私”行为[9],因此业务保障呈现出不确定性。对于无线传感网而言,另一个困难是业务保障要求多样性。传感网中的业务,有的需要较强的实时性,有的需要尽量节省能量。保障要求多样化最终导致协议类型多种多样,业务保障能力随业务需求动态变化。

1.2 约束条件的差异

无线传感网与传统因特网作为不同的网络体系结构,它们所面临的系统约束条件也存在着巨大的差异。传统因特网一般通过有线连接,特别是作为支撑因特网的重要节点——路由器一般都固定放置,有专门的电源提供能量,不需要考虑能量问题。同时,在因特网这样的应用背景下,没有对节点分布、距离等因素作进一步的限制,节点之间通过有线连接,网络拓扑没有地理空间的概念。因特网采用相对成熟的互联协议——传输控制协议/网间协议(TCP/IP),硬件的约束也相对较低。相对无线网络而言,有线网的带宽比较充足,一般不需要考虑通信协议开销。

对于无线传感网而言,能量是限制无线传感网工作时间的重要因素,因特网节点由于不需要考虑节能,在持续供电的情况下,可以正常工作时间可达数年甚至数十年。无线传感网节点的布局各有不同,森林火警、矿井监测时,节点一般布置在最有可能出现险情的位置;飞机投放的传感器呈现出较强的随机性,而作战时飞机或炮弹投放的传感器则与军事目的密切相关;附带在动物身体上的传感器,则受到动物迁徙的习性和自然条件变化多种因素的影响。因此传感器节点的分布方式千变万化,很难用简单的拓扑模型进行描述。无线传感网节点受到的硬件约束较多,特别是体积和能量的限制,导致系统计算能力非常有限,甚至是简化版本的TCP/IP协议都难以运行。

2 技术发展现状

目前在接入策略上,主流技术从协议栈角度来看,可以分为3种类型:

●网关策略

●覆盖策略

●无线网状网策略

不同的技术出发点不同,其中网关策略关注应用层信息,为传感网与因特网提供连接支持;覆盖策略侧重协议栈改造;无线网状网充分利用协议自身强大的移动互联支持功能,为传感网接入提供一体化途径。

2.1 网关策略

网关策略可以分为3种:应用层网关策略,也称为代理策略;时延自适应策略和虚拟IP策略。网关策略最明显的特点是:这3种类型的协议都需要配置专用的节点,需要网关节点对传感网和因特网的数据进行双向的分析,用于解决传感网节点与因特网主机之间的信息交互问题。

2.1.1 应用层网关(代理)策略

应用层网关策略也被称为基于代理的策略,应用层网关(代理)一方面通过IP协议与因特网主机相连;另一方面与传感器网络连接。如图4所示。应用层网络大体可以分为两种类型:一种是网关作为转发节点出现,其特点是要求客户端首先向代理服务器注册相关的数据信息,代理只是在传感网和因特网的客户端之间转发数据信息;另一种是作为前端节点出现,其特点是主动收集来自传感网的信息,来自因特网的客户端向代理查询,如果与收集的信息吻合,则向客户端发布相关信息,否则还要再向传感网广播查询信息。

2.1.2 时延自适应网策略

与应用层网关技术类似,还有一种更为有效,通用性更强的网关接入方式是时延自适应网(DTN)策略。DTN一种是基于链路恢复的策略,主要思想是对协议栈进行改造,使不可靠、长时延链路具有常规链路的特征;另一种是基于代理服务器的策略,为接入异构网络的边缘配置代理服务器[10-11]。

2.1.3 基于虚拟IP地址的策略

文献[12-13]提出了网关设计的5个标准:即兼容、透明、节能、互联(以IP为基础)、无覆盖(不修改协议栈)。同时作者还针对虚拟IP(VIP)地址协议的特点提出了另外两个设计思路:即设计要易于实现,同时充分利用传感网协议的地理位置信息和节点标志(ID)。VIP网关策略的主要思想是,在传感网内部标志和传统因特网协议的IP地址之间建立一套协议转换机制。

VIP体系并非完全做到了与应用无关,协议也并不是完全透明的。无法解决以数据为中心的路由协议互联问题。由于VIP仍然具有明显的网关特征,并且在不同协议之间有明确的转换实体存在,所以仍然属于网关策略。

2.2 覆盖策略

覆盖策略与网关策略最大的区别是没有明确的网关,协议之间的适配依赖于协议栈的修改[14-15]。大体上可以分为两种策略:一种方式是采用因特网协议覆盖传感器协议的策略,如图5所示;另一种策略与之相反,采用传感器协议覆盖因特网协议,如图6所示。

传感器协议覆盖因特网的策略具有相当的灵活性,特别适合于将异构传感网通过因特网互联。缺点是传感器协议种类众多,很难找到一个通用的覆盖模式。但是随着网络应用模式或传感网络协议的发展,传感协议覆盖因特网的模式也许会得到较大规模的应用。

2.3 无线网状网策略

从网络结构来看,无线网状网不再是以往的基于有中心结构的星状网络连接,所有的接入点之间以完全对等的方式连接,因此大大增加了网络的可扩展能力。无线网状网能够为位于郊区的居民社区、临时性高密度集会场所或者所有无法铺设有线网的地区提供便捷有效的最后一公里接入技术。无线网状网由于可以利用多种通信手段(如IEEE 802.11、WiMAX等),被认为是一种有效的异构互联技术。

同样利用无线网状网良好的异构互联性质,可以将无线网状网作为一种全新的无线传感网接入手段,文献[16]首次提出了在无线传感网络中引入网状网技术的思想。在无线传感网络中部署无线路由器,形成一种被称为网状传感网络的网络结构。这些路由器装配有IEEE802.15.4接口,可以和传感节点直接通信。网状传感网络能够连接多个传感网络,提高网络的可扩展性和可靠性,提高数据吞吐量,并且能够支持节点移动性。

3 分析与比较

将各种不同的接入协议进行横向分析与比较。表1给出了不同接入协议之间比较后的结果。由于美国国家自然科学基金会(NSF)组织GENI计划中的网络属于实验性网络,同时目前的研究刚刚起步,并未形成规模,所以未在表中列入。6个主要的评价指标分别是:通用性、透明性、普适性、可行性、互操作性和抗毁性(抗攻击性)。各种接入技术的比较结果如表1所示。

4 结束语

目前基于网关技术、覆盖网技术和网状网结构的接入模型各有优缺点,设计一种能结合各方优点的接入模型是值得研究的问题。为避免单故障点问题,接入模型需要支持多网关。多网关的动态部署、负载均衡、容错和移动网关相关问题都直接影响接入性能。为实现功能可扩展性,需要研究网关数目和网络规模的关系。网关容易受到来自互联网和无线传感网络的双重安全威胁,需要保证网关的安全性和可用性。另一方面,通过网状网结构接入互联网时,需要解决通信协议问题;网状网结构对移动终端有良好的支持,但是如何管理移动节点也需要进一步探索[17-19]。作为未来的研究方向,应该开展复合型接入网关技术研究、异构网络互联研究、业务应用模式甚至是行为模型的研究,这些基础内容的研究将是促进传感网与因特网从接入迈向融合的重要途径。

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收稿日期:2009-06-03

杨盘隆,南京大学计算机软件新技术国家重点实验室讲师、博士后,主要研究领域为无线传感网技术、无线自组织网络技术、协议一致性测试技术。

陈贵海,南京大学计算机软件新技术国家重点实验室教授、博士生导师,主要研究领域为无线传感网、并行计算技术、网络计算技术。