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二、网管技术
网络管理技术包括对硬件、软件和人力的使用、综合与协调,以便对网络资源进行监视、测试、配置、分析、评价和控制,以合理价格满足网络的一些需求,如实时运行性能、服务质量等,简称网管技术。
物联网在网络管理方面已形成了基于SNMP等多种协议的网络管理模式,建立了较为完善的网络管理体系。随着信息化技术的不断发展,网络结构呈现移动化、虚拟化的发展趋势,移动网络、云网络等新兴的模式发展迅猛。网络主要从节点管理、数据管理和用户管理等3方面进行管理。
(一)节点管理
节点管理的中心是在保证传感器网络应用需求的前提下实现节点能量的有效使用,主要从节点的休眠/唤醒机制和节点的功率管理机制两方面管理节点。
基于无线传感器网络中节点分布密集,存在相邻节点采集的信息数据有较大的冗余度,内容重复性高,而且在传输信息过程中数据的冲突也将加大的角度,提出了传感器节点休眠/唤醒研究机制。节点休眠/唤醒研究机制有效变换节点工作状态,使监测区域的节点交替工作,能有效节省节点的有限能量,提高整个网络的生存周期。节点休眠/唤醒机制首先要保证网络的联通和对监测区域的全覆盖,并使处于工作状态的节点数量最小化、计算过程简单化。
如果在无线传感器网络中缺少地理信息的有效支持,判断节点是否冗余将比较困难,但在许多具体应用环境中并不需要传感器网络时刻保持全覆盖的工作状态,如获取邻近区域信息。
节点功率管理通过节点通信发射功率的有效管理,实现降低节点工作能力消耗。无线传感器网络中的节点采用多跳的通信方式实现相互间的数据传递,且节点的通信半径一般大于节点确定邻居节点的探测半径,降低了节点的发射功率。通过短距离多跳完成节点的通信,可有效提升网络的空间复用率,避免长距离通信受到的干扰。节点管理的目的是在确保网络中节点具有双向连通性的前提下尽可能降低节点发射功率,实现网络资源的动态管理。
(二)数据管理
传感网的特点要求数据管理算法设计以能量、时间和空间复杂性最小化为目标,并充分考虑系统的分布式特性、健壮性、自适应特性等。
传统数据库的数据模型是对数据的精确描述,强调数据的完整性和一致性,该模型定义对传统的商务和事务型数据是有效的。传感网数据流具有完全不同的特点,主要表现在:①数据实时到达是一个时间序列。②由于硬件测量误差以及受通信不可靠和环境的影响,数据流中可能存在噪声数据。③数据规模宏大,无法被完全存储。④数据不能永久存放在网内。如何设计一种能真实反映此类特征的数据模型是传感网数据管理需要解决的第一个问题。
目前传感网数据管理模式主要有集中式、半分布式和分布式等。集中式结构在网外进行感知数据的存储查询,传感网只具有数据收集的作用,一般适用于规模小且查询频率远高于数据采样频率的网络。网络规模大时采用多跳通信方式将使网内通信量大幅增加,而且离基站较近的节点易成为通信热点,能量过早耗尽,影响了网络生命期。
半分布式结构把网络分为2层或2层以上,如图1-2-9所示。底层为传感器网络层,由能力有限的传感器节点组成,每个节点从代理层接收命令、进行数据采集、本地计算,将数据传送到代理层。代理层由能力较强的传感器节点(如Crossbow的Stargate)或计算机组成的无线或有线网络,代理层节点从传感器节点接收数据,为接收到的数据建立分布式索引,或从用户接收查询,向传感器节点发送控制命令,分布式地进行查询处理,并将查询结果返回用户。该结构的问题是整个网络由不同能力的节点组成,与传感网节点地位平等的特点相违背。
图1-2-9 半分布式结构
分布式结构也对网络进行分层,但网络由同类节点构成,只是从中选出部分节点对底层节点的监测数据进行预处理,生成包含较少报文的中间结果,节约通信量。系统要求传感器节点具有近似普通计算机的能力,目前传感器节点硬件水平尚未达到,研究处于仿真阶段。
传感网是一种面向应用的网络,采用何种系统结构来管理网络数据应根据具体的应用需求。目前关于传感网数据模型的研究很少,代表性的有美国伯克利大学的TinyDB和康奈尔大学的Cougar两个系统,两者都是传统关系模型的简单扩展,没有很好地表达感知数据流的不确定性、统计特性以及感知数据之间的关联性。
传感网的数据存储与索引技术是研究热点,如何存放数据直接影响到查询处理性能。传感网内数据存储方式一般分为外部存储、本地存储和数据中心存储(data centric storage,DCS)。传感网分布式索引的研究参考了现有分布式索引技术,存储量和计算通信复杂度都很高,现有的硬件设备无法实现,算法实现处于仿真阶段。数据流的模型定义和索引、数据分布不均衡引起的负载平衡、节点移动或失效造成的数据丢失依然是该领域要解决的问题。
(三)用户管理
无线网络用户认证管理中的基于用户名和密码的身份认证是基本要求,同时随着系统与应用的复杂,支持与微软AD/LDAP的统一认证以及支持智能卡、数字证书认证等应用也逐渐推广。无线用户认证管理过程中为保障网络的安全,还可对MAC地址、IP地址、无线接入点(AP)IP地址等进行绑定。
由于无线网络的开放性,接入无线网络的用户终端相比有线网络存在更大的变数。通过对用户终端安全状况(如病毒、补丁等安全信息)的检查,同时基于用户身份将网络访问权限下发到网络联动设备,可以保证为最安全的无线用户开放最安全的无线网络。