基于無線傳感網(wǎng)與移動通信網(wǎng)的網(wǎng)絡融合模型

摘要：為了實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡與移動通信網(wǎng)絡之間的無縫融合的目的，同時作為研究感知系統(tǒng)設計測試一體化平臺的基礎，采用以傳統(tǒng)網(wǎng)絡融合策略為基礎，結合無線傳感網(wǎng)和移動通信網(wǎng)自身的特點，并加入QoS保證和安全機制的方法，提出了融合模型。通過實現(xiàn)驗證了模型的可用性并提出了下一步的研究方向。
關鍵詞：感知系統(tǒng)；傳感網(wǎng)；移動通信網(wǎng)；網(wǎng)路融合模型；質量保證

0 引言
    由于無線傳感網(wǎng)技術和移動通信技術的快速發(fā)展，人們對遠程設備的控制、管理，對遠程信息的獲取、處理的需求逐步得到解決。另一方面，以物理感知、媒體感知、社會感知和信息安全等與感知相關的理論或技術研究成果為基礎，以設計和測試為一體目的的大型系統(tǒng)的設計也有了可能性。無線傳感網(wǎng)技術解決的是信息的獲取和感知問題，而移動通信技術解決的是數(shù)據(jù)的傳輸與分發(fā)問題，這兩者的無縫融合必然成為未來網(wǎng)絡發(fā)展的方向。因此，研究適用于兩網(wǎng)融合的設備成為了必須解決的問題。與此同時，研究融合模型能夠作為實現(xiàn)感知系統(tǒng)設計測試一體化平臺的基礎。兩網(wǎng)融合模型解決了信息在無線傳感網(wǎng)和移動通信網(wǎng)之間獲取、處理和傳輸?shù)膯栴}，既擴大了無線傳感網(wǎng)的應用范圍，又充分利用了成熟的移動通信網(wǎng)絡，挖掘了潛在的應用和商業(yè)價值。
    目前的研究大多集中在傳統(tǒng)應用場景，以解決傳統(tǒng)的需求為目標。例如，文獻研究了面向網(wǎng)絡管理的SINK節(jié)點模型，提出了較新的CORBA ／SNMP模型；文獻研究了以太網(wǎng)和CAN總線之間的網(wǎng)絡轉換模型，通過分析以太網(wǎng)和CAN總線的網(wǎng)絡模型，給出了Ethernet／CAN模型；文獻研究了基于XML的通用協(xié)議轉換模型，通過引入NETCONF機制并和SNMP結合，實現(xiàn)了比較通用的模型。
    可以看出，現(xiàn)有的研究重點仍然在較傳統(tǒng)的應用領域，而對于無線傳感器網(wǎng)絡和移動通信網(wǎng)之間的融合則鮮有研究。本文在研究傳統(tǒng)融合基礎上，針對無線傳感器網(wǎng)絡和移動通信網(wǎng)絡的特點，提出了一種既能較好滿足兩網(wǎng)融合基本功能，又能體現(xiàn)兩種網(wǎng)絡不同特點的模型——基于無線傳感網(wǎng)與移動通信網(wǎng)的網(wǎng)絡融合模型(Wireless Sensor Network-Mobile Communication Network Model，WSN-MCNM)，同時解決了融合過程中的QoS保障與安全問題。實驗表明，WSN-MCNM模型能夠體現(xiàn)較好的功能性、魯棒性和安全性。

1 相關研究
    自從有了“網(wǎng)絡”這個詞開始，多種多樣的應用逐漸催生了各種各樣的網(wǎng)絡，如電話網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、廣播網(wǎng)。甚至在互聯(lián)網(wǎng)里也分成好幾種適應于不同應用場景的網(wǎng)絡類型。有關不同網(wǎng)絡之間如何融合的研究也成爆炸式的增長。目前的代表性工作主要集中在以下三個方向：
1．1 面向網(wǎng)絡管理的融合模型
    當前的網(wǎng)絡管理領域中主要存在2種傳統(tǒng)的管理協(xié)議和框架，基于TCP／IP層的SNMPv2協(xié)議框架以及基于OSI七層協(xié)議上的CMIP協(xié)議框架。他們各有局限，難以滿足網(wǎng)絡管理領域向綜合、開放、分布式處理和互操作方向發(fā)展的迫切要求。近年來，CORBA分布式對象技術逐漸進入了人們的視線，CORBA的ORB，HOP，IDL特性使分布式對象技術開發(fā)的系統(tǒng)具有結構靈活，軟硬件平臺無關等優(yōu)點，因此能夠適應網(wǎng)絡管理的特點。所以，將CORBA技術和傳統(tǒng)的網(wǎng)絡管理技術結合成為了一種新的網(wǎng)絡管理方式。
    面向網(wǎng)絡管理的融合模型如圖1所示。

1．2 面向網(wǎng)絡轉換的融合模型
    目前，網(wǎng)絡在工業(yè)控制領域得到了廣泛的應用。現(xiàn)場總線，CAN總線等使傳統(tǒng)的工業(yè)制造信息化、智能化，提高了生產(chǎn)效率，極大的豐富了生活物資。另外，以太網(wǎng)以其廉價和開放的特點成為最普及的局域網(wǎng)技術，它是構筑互聯(lián)網(wǎng)的基礎。研究將以太網(wǎng)作為信息傳遞的主干網(wǎng)，連接現(xiàn)場總線和其他高級設備的新型網(wǎng)絡結構成為了工業(yè)控制網(wǎng)絡發(fā)展的趨勢。
    Ethernet／CAN網(wǎng)關連接的是2個通信協(xié)議和結構完全不同的網(wǎng)絡。對于Ethernet／CAN網(wǎng)關來說，其工作實際上是對信息重新封裝以使它們能夠被Ethernet或CAN網(wǎng)所讀取。為了完成這項工作，網(wǎng)關必須能運行在OSI模型的幾個層次上。根據(jù)網(wǎng)關的功能，網(wǎng)關系統(tǒng)主要由CAN總線接口、協(xié)議處理單元和Ethernet接口三部分組成。協(xié)議處理單元是網(wǎng)關硬件的核心，它的主要部分是通用微處理器，主要完成CAN總線到以太網(wǎng)的協(xié)議轉換。
    面向網(wǎng)絡轉換的融合模型如圖2所示。

1．3 面向協(xié)議轉換的融合模型
    在網(wǎng)絡管理領域，SNMP曾經(jīng)由于它的簡單性和實用性廣泛應用于網(wǎng)絡管理領域，但是SNMP自身存在著很多缺陷，如靈活性和效率不夠，這樣的缺陷使SNMP不能適應大型異構網(wǎng)絡的需求。與SNMP相比，XML在網(wǎng)絡管理方面有很多優(yōu)勢。首先，XML全面支持基于web的網(wǎng)絡管理，因為XML文檔可以在網(wǎng)絡上方便的使用HTTP協(xié)議傳送；其次，XML將文檔的內容和表示方法分開，更有利于處理復雜的數(shù)據(jù)，上述這些優(yōu)勢使得XML成為SNMP未來很好的代替品。
    目前，協(xié)議轉換網(wǎng)關的研究吸引了許多專家的注意，而通用協(xié)議轉換更是成為了其中的重點。通用協(xié)議轉換設備可以實現(xiàn)SNMP與非SNMP設備之間的通信，完成XML格式與非XML格式之間的統(tǒng)一轉換。通用協(xié)議轉換模型主要包括XML—SNMP模型和XML—non—SNMP模型兩部分。其中，XML—SNMP模型又分為五個部分：與管理者的通信，XML消息解析，SNMP消息的封裝，與代理的通信和trap處理。
    面向協(xié)議轉換的融合模型如圖3所示。

2 基于無線傳感網(wǎng)與移動通信網(wǎng)的網(wǎng)絡融合模型
    本文的討論基于如下的應用場景：底層網(wǎng)絡是大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡，高層網(wǎng)絡是先進、成熟的移動通信網(wǎng)絡，如何融合這兩種網(wǎng)絡，使得底層的無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)既能可靠、迅速地傳輸，又能保證服務質量要求和安全要求。因此在詳細提出該網(wǎng)絡模型之前，首先討論相關的問題。
2．1 面臨的挑戰(zhàn)
    主要存在以下挑戰(zhàn)：
    (1)無線傳感器網(wǎng)絡的特點是節(jié)點分布廣泛，而且數(shù)量眾多，每一個節(jié)點既獨立完成自己的信息搜集、傳輸工作，又需要和附近節(jié)點組成自組織網(wǎng)絡，完成數(shù)據(jù)的智能管理。這樣的網(wǎng)絡雖然具有智能化、自組織化的優(yōu)點，但是出于成本等方面的考慮，每個節(jié)點的壽命和處理能力必然有限。另外，無線傳感器網(wǎng)絡一般應用于環(huán)境比較惡劣或者數(shù)據(jù)流動不穩(wěn)定的場景，數(shù)據(jù)有時會呈現(xiàn)出爆炸式的增長，這樣必然給上層網(wǎng)絡帶來嚴重的網(wǎng)絡負擔，如何讓這些數(shù)據(jù)都得到有效的處理同時又不丟包是面臨的挑戰(zhàn)之一。
    (2)移動通信網(wǎng)絡已經(jīng)很成熟的應用于人們的生活之中，從最初的單純的電話通信，到后來可以借助于它實現(xiàn)短信數(shù)據(jù)傳輸，再后來實現(xiàn)無線互聯(lián)網(wǎng)，每一次進步都極大的擴展了移動通信網(wǎng)絡的應用范圍。另一方面，移動通信網(wǎng)和無線傳感器網(wǎng)絡的結合需要研究穩(wěn)定、可靠的通信協(xié)議，研究功能齊全的終端設備等一系列工作。一個好的融合設備不僅需要完成基本的功能，而且需要適應無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)來源突變的特點以及移動通信網(wǎng)絡信號隨天氣等環(huán)境變化的特點。這也是面臨其中的一個挑戰(zhàn)。
2．2 WSN-MCNM體系架構
    WSN-MCNM的體系架構如圖4所示。該模型主要包括三個部分：無線傳感器網(wǎng)絡接口模塊，移動通信網(wǎng)絡接口模塊，數(shù)據(jù)處理與轉換模塊。其中，核心模塊是數(shù)據(jù)處理與轉換模塊。

2．3 WSN-MCNM模型
    WSN-MCNM模型如圖5所示。該模型既實現(xiàn)了兩個接口之間數(shù)據(jù)的轉換，又實現(xiàn)了QoS質量保證和安全保障功能。面對底層無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)突變的特點，通過建立心跳重傳機制和數(shù)據(jù)暫存模式，保證了即使出現(xiàn)瞬間大數(shù)據(jù)量的情況也能保證基本不丟包、不重傳。另外，對于特定的融合協(xié)議，通過實現(xiàn)基本功能集，保證了模型的通用性和可擴展性。在內部實現(xiàn)上，模型采用的是操作系統(tǒng)自帶的進程通信機制——消息隊列。消息隊列的特點是緩沖區(qū)容量較大，結構比較規(guī)范，系統(tǒng)接口較豐富，對于模型設計自由度較高。

    另一方面，由于融合協(xié)議一般包括了對控制字符的處理，如果感知信息中包括了控制字符，那么這些字符很有可能會被上層應用模塊當成控制字符進行處理。如果出現(xiàn)這種情況，則會導致數(shù)據(jù)包被意外地截斷，出現(xiàn)處理混亂的問題。所以，模型特別增加了字符加密和安全保障模塊。
    模型的工作過程(以數(shù)據(jù)上行為例)如圖6所示。

2．4 QoS與安全機制
    無線傳感器網(wǎng)絡和移動通信網(wǎng)絡不同于傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)，它們面對的場景比較復雜，環(huán)境比較惡劣，任何微小的環(huán)境變化都可能導致數(shù)據(jù)突變或者信號中斷。針對這種情況，為了保證模型的可用性，需要研究如何提高QoS和安全機制?？紤]到模型的通用性和簡潔性，本文使用一種成熟、簡單又能基本解決上述問題的方法——Base64加密技術作為模型的安全機制，如圖7所示。

    安全機制工作流程如下：
    (1)對于感知信息按照位碼的方式，將3個字節(jié)轉換成4個字節(jié)；
    (2)對于轉換之后的編碼，每76個字符加上一個換行符；
    (3)然后對字符再次進行分組；
    (4)最后參照字符轉換表，按照一定的規(guī)則將包含控制字符(不可見字符)的感知信息字節(jié)碼轉換成只含可見字符的字節(jié)碼。
    可以看到，這種方法成功地避開了控制字符陷阱。通過這種安全機制處理之后，感知信息中只含有可見字符，不會被協(xié)議錯當成控制字符處理，只需要在上層應用中使用類似規(guī)則解密即可。

3 實現(xiàn)與分析
    基于該模型，設計并實現(xiàn)了面向感知信息的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括三個部分：
    (1)TCPServer部分
    該部分以TCP／IP方式實現(xiàn)與無線傳感器網(wǎng)絡接口交互功能，其中包含以下三個處理模塊：
    ①void create_msg_queue(void)；創(chuàng)建消息隊列，為接口之間的數(shù)據(jù)處理做好準備。
    ②void prepare_tcp_connect(void)；創(chuàng)建到無線傳感器網(wǎng)絡的連接。
    ③void do_tcp_seltver(void)；主模塊，實現(xiàn)與無線傳感器網(wǎng)絡的交互。
    (2)UART AT部分
    該部分基于自定義的融合協(xié)議，實現(xiàn)與移動通信網(wǎng)絡接口的數(shù)據(jù)傳輸功能，其中包含以下四個處理模塊：
    ①void open_msgqueue(void)；打開消息隊列，準備接收數(shù)據(jù)。
    ②void open_uart(void)；打開到移動通信網(wǎng)絡接口模組的連接。
    ③void set_opt(void)；設備屬性設置。
    ④void do_uart_at(void)；主模塊，實現(xiàn)與移動通信網(wǎng)絡的交互。
    (3)Base64部分
    該部分主要完成QoS服務保證和安全機制。其中包含一個模塊：
    int base64_encode(char*ret，char*data，int dlen)；實現(xiàn)對字節(jié)碼的去控制字符化操作。
    模塊之間調用與實現(xiàn)的流程圖如圖8所示。

    實驗表明，這種模型不僅能夠實現(xiàn)基本功能，也能達到QoS質量保證的要求。

4 結語
    本文針對無線傳感器網(wǎng)絡和移動通信網(wǎng)絡應用環(huán)境，對實現(xiàn)兩網(wǎng)融合的模型進行了研究，提出了一種適應這種應用場景的模型。該模型分為三個部分，核心是數(shù)據(jù)轉換與處理模塊。除了提供基本的數(shù)據(jù)轉換功能之外，為了滿足對QoS質量保證和安全機制的要求，提出了一種基于Base64的安全機制。通過實現(xiàn)與分析，該模型實現(xiàn)了上述的功能要求。
    下一步將在這個模型的基礎上研究更多實際的問題：擴充安全機制；實現(xiàn)拓撲管理等。