無線傳感器網絡性能監測技術與系統研究
2007-12-31 00:00:00馬峻巖周興社劉琴李志剛
計算機應用研究 2007年8期
摘要：探討了無線傳感器網絡性能監測中存在的問題與挑戰，著重研究當前具有代表性的監測系統并分析其主要特點，最后指出了需要進一步研究的方向。
關鍵詞：無線傳感器網絡； 網絡性能監測； 網絡管理
中圖分類號：TP393； TP277文獻標志碼：A
文章編號：1001－3695(2007)08－0005－03
微機電系統(microelectromechanism system，MEMS)、無線通信和數字電子技術的進步孕育出一種全新的信息獲取和處理技術——無線傳感器網絡(wirelss sensor networks，WSN)[1]。WSN是由能量、計算、感知和無線通信能力受限的眾多微型節點組成。節點間通過自組織方式構成的WSN對周圍環境進行分布與協作式感知，架起了計算機世界與真實物理世界的橋梁[2，3]。
近年來隨著研究的深入與技術的成熟，以應用為背景、基于WSN的試驗越來越多地涌現出來，WSN正處于從研究到應用的過渡階段[4]。現在雖然有很多針對WSN的仿真平臺[2]，但現實環境中存在各種不可預料的影響因素或系統本身的錯誤，導致WSN實際部署后的行為有時會與預期行為有很大偏差[5]。為了使WSN更加可靠、有效地運行，需要對其進行管理，從而依據不同的具體情況對網絡運行進行調整，在各種性能指標中作出權衡，以得到最大的總體性能。網絡管理包括網絡性能監測和網絡維護。網絡監測在WSN管理中地位至關重要[6]。通過網絡監測可以發現網絡中節點失效、資源消耗以及其他錯誤或異常。這些信息可以作為早期系統預警、節點再次部署等網絡維護時的依據，同時也可以幫助排除系統故障[7，8]。如何高效、準確和快速地獲得網絡各個層次的信息是WSN監測技術需要研究的問題。
1無線傳感器網絡監測中的問題與挑戰
正如大多數分布式系統一樣，具備一種底層的支持來指示網絡運行中失效節點、資源消耗以及系統綜合性能對于WSN相當重要[8]。但是作為一種新型的網絡，WSN又具有其自身的特點，所以傳統分布式系統收集加集中處理的監測手段對于WSN并不適用。以下將從WSN的特點分析其網絡監測中存在的問題與挑戰：
a)從分布式系統的角度來看，WSN是節點數量眾多且能量和傳輸帶寬高度受限的分布式系統。在傳統分布式系統中，由于網絡中的每個節點都很重要，需要監測每個節點的狀態信息；然而在WSN中單個節點的重要性降低。因此傳統的逐個采集集中式處理方式(如SNMP管理方式)對于WSN來說已不再適用。
考慮到WSN的能量與帶寬約束特性，為了以較低的能量開銷來獲得網絡中的狀態信息，需要在收集信息的過程中進行分布式處理。在節點眾多的WSN中，由于單個節點的重要性降低，眾多節點需協作才能完成任務。如何對多個節點狀態信息的聚合或怎樣從多個節點中選擇具有代表性的節點收集網絡狀態信息變得十分有意義。文獻[7]通過聚合的方式在監測網絡中節點剩余能量信息精度與系統開銷之間進行了平衡。文獻[9]從圖像處理的角度對如何選擇采樣點從而高效準確地收集網絡中信息的問題進行了研究。這些都說明了分布式處理在WSN中網絡監測的重要性。b)從嵌入式系統的角度來看，作為一種具有嵌入式特性的網絡，WSN中的節點都是資源受限的嵌入式設備。這使得傳統相對復雜的監測程序和通信協議不再適用于WSN。
作為嵌入式系統，WSN中每個節點的可利用資源（計算資源、存儲空間、傳輸帶寬和能量）十分有限。傳統網絡監測日志、字符串形式的屬性查詢在WSN中均不適用。因此，有必要優化信息的表示與存儲方式，簡化通信協議從而將資源的消耗降至最低。文獻[5]在其網絡協議設計中提出了在編譯時對信息再編碼的方法，大大降低了系統存儲和通信開銷。此外，文獻[10]提出了主動監測概念，即在網絡監測時只對重要的參數變化進行監測；通過主動監測可以避免無關信息的收集，節省了系統資源。所以，對于WSN監測，嵌入式設計與分布式處理同樣重要。
c)從應用定制的角度來看，相對于傳統網絡WSN具有高度的應用定制特性。針對不同的應用場景，WSN在設計中會有很大的差異[4]。如何定義出描述WSN性能的指標參數以及設計出具有可擴展性的監測系統是WSN網絡監測需要研究的一個重要問題。
在應用定制的WSN中，對于不同應用，管理者所關心描述網絡性能的參數往往不同。因此，一方面應該找出WSN中描述網絡性能參數的最小公共結合；另一方面WSN監測系統的設計應充分考慮到系統的可擴展性與開放性。所設計出的系統能提供一種框架，使得新的監測協議以及新的監測對象可以方便地集成于原有的監測系統中。文獻[5]在WSN監測系統框架設計方面作出了有意義的研究。此外文獻[6，10]中也對WSN的網絡性能監測標準進行了討論。
2無線傳感器網絡監測系統
2．1 基于聚合技術的監測系統
南加州大學洛杉磯分校的Zhao等人[11]提出了一種基于聚合的面向WSN的監測系統。該系統由三層構成，即digest(摘要)、scan(掃描)和dump(日志)。圖1解釋了三者間的關系。
首先，Zhao等人認為在對WSN的監測過程中，必須有一些指示網絡基本特性的參數在網絡運行時被不斷采集。對于這些基本特性參數的采集形成了監測系統的第一層（digest）。由digest獲得的網絡基本特性參數代表著網絡整體狀況。Digest由digest函數式f(v1，v2，…，vn)定義。其中vi代表網絡中節點i對應的值。這里如果將網絡中當前所有節點剩余能量最低值作為digest計算，那么digest函數實際上就是計算Emin=min{v1，v2，…，vn}的值。其中vi代表節點i當前剩余能量。此外還可以對網絡平均剩余能量、當前存活節點數、節點通信量等作digest計算。在網絡運行過程中，通過digest diffusion可以使關于網絡的digest被不斷更新并傳播至整個網絡。Digest diffusion以最小的開銷實現了對網絡持續、宏觀的監測。
Digest給出了網絡的大致運行狀況，其突變預示著網絡中異常的發生，異常產生位置的確定可以通過對網絡的進一步分析獲得。對整個網絡當前狀態視圖的分析形成了監測系統的第二層（scan）。文獻[4]對于網絡中剩余能量的scan進行了專門研究，通過指定scan視圖公差T(tolerance)和分辨率R(resolution)來控制聚合的程度，進而得到剩余能量不同精確程度的視圖。聚合式的網絡scan給出了異常在空間上的信息，為進一步分析異常產生的原因提供了依據。
Scan給出了異常在網絡中的位置，對異常區域的進一步分析可以最終得出關于異常的結論。對異常區域節點詳細的信息收集形成了監測系統的第三層（dump）。其通過收集異常區域中節點數據可以對網絡進行診斷。例如對某一區域中節點采集的一系列溫度記錄進行dump，可以對節點間協作的事件檢測算法進行調試。Dump從最小的時間和空間粒度上提供了對網絡的監測。
Digest、scan和dump對網絡的監測依次放大，逐層細化。通過三層結構，基于聚合的監測系統從三個不同角度對網絡的行為進行描述，達到了對網絡有效監測的目的。
2．2簡單、開放的監測系統
加州大學伯克利分校的Tolle和Culler基于TinyOS[12]設計并實現了一種用于協助應用的WSN管理系統SNMS(sensor network management system[5])。為了滿足簡單和健壯的需求，SNMS的設計將管理機制與策略相分離。SNMS為命令、數據、事件和方案屬性提供編碼、傳輸以及譯碼機制。策略中什么能被管理，什么將被管理以及哪些節點參與管理均應該由系統的用戶決定。這種開放式結構使得SNMS更加適用于以應用定制為特性的WSN的監測。
SNMS的底層，即網絡通信層，提供了數據分發和數據收集兩種網絡管理協議。在SNMS中，數據收集協議drain用來收集網絡中描述網絡健康狀況的數據；數據分發協議drip用來分發查詢和管理命令。Drain協議用來構造一個資料收集樹；它在構造收集樹的過程中僅依靠每次構造生成樹消息包中的RSSI累加值來選擇父節點；節點自身不存儲也不維護任何鄰居表信息，從而減少節點及網絡資源的開銷。Drip協議基于trickle[13]算法提供了傳輸層可靠的消息分發。
在drain和drip提供的數據收集和數據分發協議之上是SNMS的數據輸出、查詢系統和事件日志系統三個基礎服務。由于TinyOS各個組件隨著硬件平臺的改變、應用的不同以及組件自身的修正在不斷變化，如果定義一種靜態、統一的語義來描述組件的各個屬性顯然是不合理的。SNMS將組件屬性的分類權留給了組件的設計者。設計者將其認為組件中有意義的屬性抽取出來，并給出相應的描述和訪問方法。當節點應用程序編譯時，對程序中所有屬性統一編碼并產生一個與之對應的解釋文件。通過解釋文件，SNMS實現了對查詢的編碼和譯碼，從而減小了查詢過程中的開銷。SNMS事件日志系統借鑒了TOSSIM[2]中調試輸出的思想。與對組件中屬性的編碼方式類似，SNMS事件日志系統在編譯時將程序中日志輸出的字符串統一編碼并產生一個解釋文件。同樣，通過解釋文件SNMS實現了日志的編碼和譯碼，并減小了日志的開銷。
SNMS提供對節點的控制、屬性查詢還有事件日志三種基本服務。通過管理機制與管理策略的分離，SNMS實現了最大化的開放系統。另外，SNMS通過編/譯碼來表示屬性和事件方式，有效地解決了傳感器節點存儲和傳輸帶寬上的限制。
2．3基于特定準則的主動監測系統
加州大學洛杉磯分校的Ramanathan等人[10]從系統調試的角度出發研究了如何更加有效地對WSN進行監測，并設計了面向WSN的調試系統sympathy[10]。Ramanathan等人認為WSN中監測存在三個問題：a)由于網絡中節點的存儲、通信和能量高度受限，無法傳輸和存儲足夠的信息以監測網絡狀況；b)分布嵌入以及無線系統給監測帶來了更大的困難；c)網絡中節點數量眾多，監測時會產生大量信息，信息的泛濫與不足一樣使得無法有效地對網絡進行監測。基于此，Ramanathan等人提出了主動監測方法。主動監測就是按照事先定義好的有限準則和事件來對網絡進行監測，而不是被動地記錄網絡中的所有事件。
Sympathy就是基于上面三點原因提出了對WSN進行主動監測。參照傳統網絡結合WSN特點，sympathy提出了WSN的監測準則(表1)與需要進行監測的事件(表2)。
Sympathy使表面上相互無關的事件相關聯，并為這些事件提供上下文，以便找出錯誤的原因。通過使用sympathy可找到重要的準則、事件和一般的相關性，從而快速查明錯誤。與基于統計的網絡信息收集相比，sympathy收集更具體的內容。在文獻[10]中作者利用sympathy對tiny diffusion[14]進行了監測，并根據監測資料找出tiny diffusion中高丟包率的原因。
2．4分析比較
Zhao從數據聚合的角度研究了如何對WSN進行準確而高效的監測。其優點是：通過數據聚合分布式的處理可以減少數據中不必要的冗余信息，從而降低了數據收集過程中的網絡開銷；digest方式的聚合也從統計的角度對網絡狀況進行了描述。大部分時間的網絡監測并不需要了解網絡中每個節點的當前運行狀態，尤其對于擁有大量節點、存在信息冗余且能量高度受限的WSN來說，長時間收集所有節點的信息是不可行的。Digest在降低網絡開銷的前提下，從統計的觀點描述了網絡狀態。
Tolle則從設計的角度實現了簡單、高效并且開放的監測協議。其特點是：通過有效的編碼傳輸和解碼方式，大大降低了監測數據（狀態數據和日志數據）對于存儲和網絡通信的開銷；將監測（管理）機制與策略相分離，提供了靈活、可定制的監測（管理）系統。缺點是：該設計是以TinyOS為平臺實現的，但是在其他平臺的監測系統設計上可以借鑒SNMS系統的設計思想。
Ramanathan從分析的角度提出了WSN監測中有價值的參考準則。其特點是：將WSN與傳統網絡進行對比，提出了WSN監測中的監測準則；提出了主動監測的概念，Ramanathan等人認為面對眾多的數據與信息，必須從中抽取出最重要的數據來進行觀測而不是被動地觀測和記錄所有事件。該觀點對于各種資源高度受限的WSN來說是十分有意義的。但是對于sympathy提出的準則是否適用，還需要在以后的研究與試驗中進一步檢驗。
從以上介紹和分析可以看出，三種監測系統各有特點。它們分別從確定采集準則、實現采集協議以及對采集數據處理三方面研究了WSN管理中的監測問題。
3結束語
近年來，隨著WSN管理問題研究的不斷深入，WSN監測問題也越來越受到人們的關注。網絡監測為網絡管理提供信息，反過來網絡管理又進一步影響網絡監測的信息。能否對網絡進行有效的管理以提高整個網絡資源的利用率在很大程度上取決于網絡監測的質量。目前，網絡監測的研究還處于起步階段，進一步研究的內容包括如何設計協作于管理的監測系統，通過監測與管理構成閉環的控制系統對整個網絡的不同層次進行控制管理；此外如何將現有的監測問題逐層分解，并將監測對象、監測策略及監測機制之間分離解耦也是在以后的研究中需要考慮的問題。
參考文獻：
［1］任豐原，黃海寧，林闖. 無線傳感器網絡 [J]. 軟件學報， 2003，14(7):12821291.
[2］崔莉，鞠海玲，苗勇，等. 無線傳感器網絡研究進展 [J]. 計算機研究與發展， 2005，42(1):163174.
[3］AKYILDIZ I F， SU W， SANKARASUBRAMANIAM Y，et al. Wireless sensor networks: A survey[J]. Computer Networks， 2002，38(4):393－422.
[4］ROMER K， MATTERN F，ZURICH E，et al. The design space of wireless sensor networks[J]. Wireless Communications， 2004，11(6):54－61.
[5］TOLLE G， POLASTRE J， SZEWCZYK R，et al. Design of an applicationcooperative management system for wireless sensor networks[C]//Proc of the 2nd European Workshop on Wireless Sensor Networks. Istanbul， Turkeye:[s.n.]， 2005:121132.
[6］BOULIS A， JHA S. Network management in new realms: wireless sensor networks [J]. International Journal of Network Management， 2005，15(4):219－221.
[7］ZHAO Y J， GOVINDAN R， ESTRIN D. Residual energy scan for monitoring sensor networks [C]//Proc of IEEE Wireless Communications and Networking Conference.Orlando， USA:[s.n.]， 2002:356－362.
[8］GANESAN D， CERPA A， YE Wei. Networking issues in wireless sensor networks [J]. Journal of Parallel and Distributed Computing， 2004，64:799－814.
[9］DOHERTY L， PISTER K S J. Scattered data selection for dense sensor networks [C]//Proc of the 3rd Symposium on Information Proces￣sing in Sensor Networks. 2004:369－378.
[10］RAMANATHAN N， KOHLER E， ESTRIN D. Towards a debugging system for sensor networks [J]. International Journal of Network Management， 2005，15(4):223－234.
[11］ZHAO J， GOUINDAN R，ESTRIN D. Computing aggregates for monitoring wireless sensor networks [C]//Proc of the 1st IEEE Internatronal Workshop on Sensor Network Protocols and Applications.Piscata￣way:IEEE Press， 2003:139148.
[12］HILL J， SIEWCAYK R，WOO A，et al. System architecture directions for networked sensors[C]//Proc ofInternational Conference on Architectural Support for Programming Languages and Operating Systems.New York:ACM Press， 2000:93104.
[13］LEVIS P， PATEL N，CULLER D，et al. Trickle: a selfregulating algorithm for code maintenance and propagation in wireless sensor networks [C]//Proc of the 1st Symposium on Network Systems Design and Implementation. 2004:114.
[14］HEIDEMANN J， SILVA F，ESTRIN D. Matching data dissemination algorithms to application requirements [C]//Proc of the 1st Int’l Conference on Embedded Networked Sensor Systems.New York:ACM press， 2003:218－229.
注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文”
