无线传感器网络管理框架

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1、无线传感器网络管理框架无线传感器网络管理框架 典型的无线传感器网络管理框架包括 BOSS 和 MANNA。BOSS 可看作 UpnP 网络 和传感器节点之间的仲裁者, MANNA 则为基于策略的传感器网络管理提供了统 一的框架。 BOSS 是一种基于 UPnP 协议的无线传感器网络管理系统。 BOSS 通过在 UPnP 控 制点和 WSN 之间建立桥接架构来使得资源有限的 WSN 能接入 UPnP 网络, 同 时这种架构也让用户可以通过多种 UPnP 控制点对 WSN 进行管理,从而大大提 高了 WSN 的易用性。BOSS 系统主要由 UPnP 控制点、BOSS 和 WSN 设备组成。 控制点

2、通过 BOSS 提供的服务对 WSN 进行控制和管理, BOSS 也是一个 UPnP 设 备,并且有充足的资源运行 UPnP 协议。 控制点和 BOSS 之间使用 UPnP 协议进行 通信, 而 WSN 和 BOSS 之间使用私有协议通信。 控制点通过 BOSS 从 WSN 中收 集基本的网络管理信息, 如节点设备描述、节点数量和网络拓扑等, 对这些信息 进行分析处理之后, 控制点再通过 BOSS 进行诸如同步、定位和能量管理等基本 管理服务。 M ANNA 的设计思想是将网络管理与网络应用分离,也就是说网络管理系统能适 应不同的应用环境。MANNA 的组成要素包括管理服务、管理功能和网络模型

3、。 管理功能是执行动作, 网络模型定义了执行条件, 而管理服务则将它们有机结合 起来。这样, 就不必为每一种应用定义新的管理方案, 而可以在网络部署前考虑 好应用可能会涉及到的所有情况, 统一制定相应的网络模型和管理功能。当网络 发生变化时, 对相应的网络模型和管理功能进行修改或增删, 就可以继续提供管 理服务了。M ANNA 参考了现有的策略语言构建相关的网络模型和管理功能。M ANNA 将 WSN 网络管理中的角色分为 Manag er , Ag ent 和 MIB。功能架构定义 了这些角色的功能和位置。M ANNA 详细定义了这些网络结构、 网络流量类型和 网络管理角色的各种组合, 以适

4、应不同网络应用环境需求。M ANNA 还提出了 “ 域” 的概念, 域是对簇的抽象和提升, 它方便了对网络架构的描述。MANNA 的信息架构定义了 WSN 的信息模型, 它将信息分为两类:静态信息和动态信息。 M ANNA 吸收了传统网络管理的思想, 又充分考虑了无线传感器网络的特点, 集 多种管理结构和技术于一体。虽然 MANNA 并未完成所有细节, 但它是第一个被 完整提出并论述的无线传感器网络管理架构, 对无线传感器网络管理的研究产 生了非常大的影响。 1.无线传感器网络管理协议无线传感器网络管理协议 一些研究者为无线传感器网络管理设计了系列协议。例如在 sNMP 中用于提取 网络拓扑的

5、 To pDisc 和 S TREAM、 RRP 使用的区域泛洪协议、 S NMS 中引进的 Drip 协议、WinMS 基于的 Flex iM AC 协议。 RRP 管理架构将商业中的供应链管理策略应用到 WSN 管理中, 特别针对需要进 行连续数据采集的应用场景(如战场和生态监测)。仿照供应链策略, RRP 将无线 传感器网络分为 3 个功能区:生产区、运输区以及仓储和服务区。各个区节点的 角色和任务各不相同。生产区有两种节点:产生原始传感数据的源节点和负责对 数据进行融合过滤的汇聚节点, 汇聚节点同时也负责把数据传递给运输区。运输 区的节点则相互协作地将生产区生成的数据“ 运输” 到仓储

6、和服务区。运输区 采用一种将几何路由与泛洪相结合的方法来降低网络拓扑维护和路由发现的代 价。 RRP 可以让用户根据应用需求预先设定仓储区和泛洪区域大小, 在保证传输 可靠性的情况下达到期望的能耗水平、端到端延迟和路由代价。但是, RRP 的区 域泛洪算法需要节点备有 GPS 模块来精确定位, 而且它还需要用户在部署网络 时合理划分功能区, 精心考虑各区域中节点的位置, 这在某些情况下是很难做到 的。 SNMS 是一种交互式的 WSN 网络管理系统, 主要包括两个子系统: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。用户通过 SNMS 的查询系统可以 收集并监测诸如节点电量、节点附近的

7、温湿度等信息, 将其这些信息有助于预测 可能出现的故障。日志系统则可以让用户设置感兴趣的事件, 当事件发生时相应 的节点将报告相关数据。SNMS 支持两种流量模式:收集和分发。收集模式用来获 取网络健康状况数据, 分发模式用来发布管理消息、命令和查询。 Deb 等人提出了 sNMP(senso r Netwo rk M anag ementPr otoco l)的 WSN 网络管 理架构。建立 sNM P 架构分为两个主要步骤:一是定义描述网络当前状态的网络 模型和一系列的网络管理功能;二是设计提取网络状态和维护网络性能的一系列 算法和工具。在 sNMP 中, 关于如何进行网络拓扑信息的提取方

8、面, Deb 等人提 出了两个算法:To pDisc 和 S TREAM。TopDisc 算法的基本思想是将网络进行分簇 管理, 即在网络中找到一个能覆盖整个网络的最小节点集, 这些节点作为各个簇 的簇首节点。同时, 在该簇首节点集合上生成通信代价最小的树状结构(TreC 树)。 各个簇首节点收集网络拓扑信息, 沿着 TreC 树将其反馈给管理站点, 管理站点 根据这些信息, 可以近似地构建出整个网络的拓扑结构。TopDisc 算法有效地减 少了拓扑发现的能量消耗。此外, 管理站点还可以通过 Tr eC 树收集网络的其他 状态信息, 发布相关的管理命令。 Deb 等人在 To pDisc 的基

9、础上进一步提出了一 种参数化的拓扑发现算法 ST REAM 。S TREAM 算法的参数就是查询结果 的详细程度, 也就是说, 在指定的详细程度下, ST REAM 以相应的代价给出查询 结果, 这样用户就可以按照需求及网络状况以合适的代价获取网络的相关信息。 2.配置管理配置管理 配置管理从传感器网络中获取数据, 并使用这些数据管理所有传感器节点的配 置信息, 掌握和控制传感器网络的状态, 包括传感器网络内运行的传感器节点的 状态以及节点的连接关系等内容。 配置管理主要的作用是增强网络管理员对传感 器网络的控制。无线传感器网络在电源能量、通信能力、计算和存储能力等方面 都极度受限, 在配置管

10、理中主要体现在轻量级的网络拓扑控制和网络重编程技 术的实现中, 因此本文主要针对拓扑控制和重编程技术进行论述。 拓扑控制是节点感知和节点间通信的基础。 在无线传感器网络管理中拓扑控制主 要包括 3 个方面:拓扑发现、睡眠周期管理和成簇管理方法。例如 TopDisc 算法 使用树结构,树的根节点是网络监测节点, 用来发现整个网络的拓扑。 S TEM 算法用于睡眠周期管理, 该算法中节点在大部分时间里用来感知数据, 一 旦把数据发送出去, 就将节点无线发射装置关闭, 等需要有数据时再开启通信设 备。 在 STEM 算法中最大的问题是延时。 自适应自配置传感器网络拓扑算法是一 种在高密度传感器网络中

11、通过局部测量对网络的拓扑结构进行自动配置的休眠 调度算法。现在有许多基于簇管理的算法用于拓扑管理, 这些算法可以采用多种 方式进行分类, 如基于位置信息和不基于位置信息;分布式和集中式;基于节点 ID 和基于节点度。由于篇幅所限, 有关算法的具体描述详见相关文献。 无线传感器网络重编程是在传感器网络首次部署完成后对其进行远程任务再分 配、 节点软件更新和网络功能重配置的过程。 由于工作环境的不确定性和可变性, 工作在无线传感网上的应用往往具有动态的功能和性能需求, 并且事先计算好 所有可能的运行条件, 从而生成所有可行的系统配置一般来说是不可行的, 因此 重配置是无线传感器网络管理必须具备的重

12、要功能。 在文献中, 作者将传感网的软件重配分成 4 种:全二进制代码更新、模块二进制 更新、虚拟机方式、参数调整。其中, 参数调整方式灵活性小但开销也小;全二进 制代码更新允许做任意的功能更改, 其灵活性最强但开销也最大;模块二进制更 新的灵活性与全二进制代码更新类似, 但开销有所减少;虚拟机方式是指提供脚 本并通过执行脚本完成重配, 其灵活性主要受限于脚本, 它也是目前被广泛使用 的重配方法。文献提出了一个在传感网中的基于约束的动态软件重配置方法。在 一个领域特定的建模环境中, 用 Sensor Ne twor k Reconfig uratio n Architectur e Model

13、ing Lang uag e 刻画传感网应用的设计空间;在根据运行环境监控结果得出 需要重配时, 将调用一个基于约束的设计空间开发工具DESERT, 用它对设计空间 进行裁剪, 保留可行的配置, 并为每个传感器节点生成相应的配置文件;在这些 配置文件分发到节点上后, 由节点上的组件执行重配置指令, 来停止活动组件、 启动睡眠组件等。 文献基于控制论中反馈回路的概念提出了一个有效的环境自适应的应用重配置 机制。在文献中, 环境信息采用基于规则的知识表示, 这些知识被用于决定当前 环境中哪些应用应该被支持。相关知识只被部署到传感网中一次,此后传感网将 自适应地重配置应用以适应环境的变化。在该机制的

14、基础上, 引入一个基于拉模 式的范型, 即由传感器节点主动发请求去获得重配脚本, 从而实现传感网中的应 用脚本分发。此外, 该文还采用 Mate 的移动代码思想来实现应用脚本的分发。 文献展现了一个可从多个层次上支持传感网重配置的系统。 系统基于一个由固定 的静态的微内核和可动态添加、更新和删除的二进制模块组成的操作系统。操作 系统之上是一个命令解释器, 实现为一个动态可扩展的虚拟机, 可解释执行以可 移植的字节码编写的高级脚本。 动态插入操作系统的二进制模块可向虚拟机注册 定制的扩展, 从而允许脚本访问模块引入的服务, 例如可调整模块的参数。 文献展示了如何根据用户偏好为资源感知的应用配置自

15、动化系统。 其核心思想是 提供一个独立于应用的系统基础架构。 这样的基础架构基于如下输入做出动态配 置决策:描述用户对服务质量的需求、资源和服务的可用性以及作为分配到的资 源的函数的应用保真度(Applicatio n Fidelity)。该结构的核心是一个分析模型以及 相关联的一个有效的近似最优配置决策的算法。文献的工作受到像 Ody ssey 和 Puppeteer 这样的多保真度和资源感知应用研究的启发, 但解决了多组件集成、 配置和重配置的新问题。其配置的意义为选择和控制应用, 以最小地影响用户任 务的工作。这不同于其他研究中建构和安装新的应用到环境中的配置含义。 3.故障管理故障管理

16、 传感器网络常常需要在无人干预的环境下长时间运行,而传感器节点众多, 自身 资源受限, 使得网络中可能随时存在故障节点。传感器网络节点的故障包括传感 器故障、通信故障、 传感器节点故障 3 种, 其中传感器故障会导致节点不断地向 网络中注入采集到的错误数据, 使得网络数据融合结果产生偏差, 而通信故障和 传感器节点故障都会导致部分数据丢失、造成区域断连。无线传感器网络故障管 理按照其任务管理结构的差异主要分成 4 类:集中式结构、分布式结构、层次式 结构和基于移动装置的结构。 MANNA 是典型的集中式故障管理的代表。另外 Nithy a Ramanathan 等人还提出 了 Sympa thy, 在此结构中, 选择了 4 种标记参数, 分别是邻居列表、链路质量、 节点下一级跳转的两个最优选择和相关的下一级跳转的路径损耗。 所有节点中的 这些参数阶段性地被收集起来传递给基站, 然后在基站处进行诊断, 确认故障和 定位故障。Winnie Lo uisLee 等人提出了 WinMS , 其包含有一个计划驱动的 MAC 协议、 一个本地网络管理方案和一个中心网络管理方案。 其中, 计划