摘 要：網(wǎng)格和無線傳感器網(wǎng)絡的結合可以彌補無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)處理能力的不足，提高傳感數(shù)據(jù)利用率，增加數(shù)據(jù)價值。但網(wǎng)格和無線傳感器網(wǎng)絡結合面臨著連接、擴展性、任務調(diào)度等一系列問題。本文提出一個結合框架來實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡和網(wǎng)格的結合，并分析了在構建結合框架過程中面臨的問題和解決思路。
關鍵字：無線傳感器網(wǎng)絡;網(wǎng)格;結合框架
The Key Issues on Integration of Wireless Sensor Networks and Grid Feng Xiufang，Liu Baodong
Abstract:The integration of wireless sensor networks （WSN） and grid can complete the lack of WSN’s data processing capacities, and improve the sensor data utilization ratio and value. But there are several issues such as connection, scalability and task scheduling problems when grid communicating with WSN directly. An integration framework is presented to integrate the WSN and grid. The key issues when construct the integration framework are presented and the resolving methods also mentioned.
Keywords: Wireless Sensor Networks （WSN）; Grid; Integration Framework
1. 概述
微電子學、嵌入式系統(tǒng)等技術的進步推動著無線傳感器網(wǎng)絡技術的快速發(fā)展。無線傳感器網(wǎng)絡現(xiàn)在已應用于環(huán)境和生物監(jiān)測、工業(yè)監(jiān)控、軍事安全監(jiān)測等多個領域。通過監(jiān)測區(qū)域中布置的大量傳感器節(jié)點，可以精密測量物理世界，提高應用所需真實世界數(shù)據(jù)的數(shù)量和質(zhì)量，降低監(jiān)控成本。無線傳感器網(wǎng)絡已經(jīng)成為一個新的計算平臺，可以無縫銜接數(shù)字世界和物理世界;它由一系列的傳感器節(jié)點構成，每個節(jié)點都具有環(huán)境感知、數(shù)據(jù)處理和無線通信能力。傳感器節(jié)點具有電池供電、計算存儲能力有限、通信帶寬低的特點，這使其在處理和利用所得數(shù)據(jù)時受到了限制[1]。
現(xiàn)在，具有高速計算能力、巨量存儲能力和高速通信帶寬特點的網(wǎng)格技術已經(jīng)成為在動態(tài)虛擬社區(qū)中解決大規(guī)模分布式、異構資源共享的一個標準方式。
將無線傳感器網(wǎng)絡和網(wǎng)格結合起來可以有效彌補無線傳感器網(wǎng)絡的不足，并且有以下一些優(yōu)勢：
（1） 無線傳感器網(wǎng)絡感知到的大量數(shù)據(jù)可以利用網(wǎng)格處理。
網(wǎng)格擁有的計算資源和存儲資源可以對無線傳感器網(wǎng)絡收集到的大量數(shù)據(jù)進行處理、分析和存儲。
?。?） 一個無線傳感器網(wǎng)絡所得的數(shù)據(jù)可以同時被多個網(wǎng)格應用使用。
同一個無線傳感器網(wǎng)絡所得數(shù)據(jù)可以通過網(wǎng)格平臺同時被多個應用程序使用，傳感數(shù)據(jù)使用更加方便，數(shù)據(jù)使用率同時提高。
?。?） 利用網(wǎng)格可以得到無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的新知識。
在網(wǎng)格中可以利用數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)融合、分布式數(shù)據(jù)庫等技術對其數(shù)據(jù)進行處理，獲得傳感數(shù)據(jù)的新知識。
2. 相關工作
HourGlass[2]是一個網(wǎng)格和無線傳感器網(wǎng)絡的結合方案。HourGlass主要由三個部分構成：數(shù)據(jù)收集網(wǎng)絡（DCN），傳感器接入點（SEP），應用程序接入點（AEP）。DCN由一個互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)的系統(tǒng)構成，它能夠發(fā)現(xiàn)、過濾、查詢多個無線傳感器網(wǎng)絡。SEP能夠?qū)贸绦虻臄?shù)據(jù)需求映射成底層的無線傳感器網(wǎng)絡上的操作，或者把無線傳感器網(wǎng)絡上的數(shù)據(jù)路由到數(shù)據(jù)收集網(wǎng)絡（DCN）。 AEP是應用程序連接到DCN的連接系統(tǒng),它將應用程序的請求映射到基于DCN的服務上來處理。
SensorGrid[3][4]是將無線傳感器網(wǎng)絡和網(wǎng)格結合在一起構成的復合系統(tǒng)。 SensorGrid采用分布式網(wǎng)絡結構，由傳感節(jié)點、中間層和決策制定層構成。系統(tǒng)主要考慮了分布式數(shù)據(jù)融合、分布式處理、網(wǎng)絡協(xié)同等問題，可以進行數(shù)據(jù)融合、事務監(jiān)測和分類、分布式?jīng)Q策制定等工作。
3. 無線傳感器網(wǎng)絡和網(wǎng)格結合關鍵問題
無線傳感器網(wǎng)絡和網(wǎng)格是兩個差異性很大的網(wǎng)絡，兩者在物理層、通信協(xié)議、應用協(xié)議等各方面都不同。無線傳感器網(wǎng)絡和網(wǎng)格在結合過程中遇到的網(wǎng)絡連接、擴展性、任務調(diào)度等問題需要利用本文提出的結合框架來解決。
?。?） 不同網(wǎng)絡連接問題
無線傳感器網(wǎng)絡中傳感器節(jié)點之間的互聯(lián)是通過低帶寬、高延遲和不可靠的無線網(wǎng)絡，傳感器節(jié)點之間的無線連接會由于環(huán)境噪音和信號衰減的影響造成無線通信中斷;網(wǎng)格中各種設備的互聯(lián)是通過快速和可靠的有線網(wǎng)絡。在結合框架中，需要解決傳感器節(jié)點無線通信中不可預期的網(wǎng)絡中斷和通信延遲問題。
?。?） 無線傳感器網(wǎng)絡和網(wǎng)格的協(xié)議映射
網(wǎng)格通信中使用的是標準的Internet協(xié)議，比如TCP/IP、HTTP等。無線傳感器網(wǎng)絡通信通常使用私有協(xié)議，尤其MAC協(xié)議和無線路由協(xié)議大多都是私有協(xié)議。由于傳感器節(jié)點的計算和存儲能力有限，沒有能力使用Internet協(xié)議，在結合框架中就需要將網(wǎng)格中使用的網(wǎng)絡通信協(xié)議有效地映射到無線傳感器網(wǎng)絡的節(jié)點中。
另外，網(wǎng)格的OGSA標準是基于Web Service的，它使用了XML、SOAP和WSDL等技術。讓傳感器節(jié)點將傳感數(shù)據(jù)打包成XML格式并發(fā)布為網(wǎng)格服務是不現(xiàn)實的，需要結合框架將傳感數(shù)據(jù)映射為網(wǎng)格服務。
（3） 可擴展性
結合框架需要在不改變整體結構的前提下將無線傳感器網(wǎng)絡動態(tài)加入到網(wǎng)格中。它要能夠同時連接多個無線傳感器網(wǎng)絡，并可以容易地和網(wǎng)格的計算、存儲資源進行集成，這樣才可以使用戶透明地使用多個無線傳感器網(wǎng)絡。
?。?） 能量管理
傳感器節(jié)點使用電池供電并且通常電量不可補充，能量管理是無線傳感器網(wǎng)絡中一個非常重要問題。從結合框架角度來看，傳感器節(jié)點的可用性不僅取決于它們當前的負載狀態(tài)，同樣也取決于它們的能量剩余。結合框架應該能夠提供適應性的能量管理服務，這樣可以使使用無線傳感器網(wǎng)絡的應用程序在傳感器節(jié)點操作和電量使用上找到平衡點。
?。?） 任務調(diào)度
無線傳感器網(wǎng)絡中傳感器節(jié)點的任務調(diào)度要考慮能量消耗和可用傳感器資源。同時，無線傳感器網(wǎng)絡是以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡，在進行任務調(diào)度時，有效地利用傳感器收集到的傳感數(shù)據(jù)也是非常重要的一項工作。在結合框架中同時存在多個無線傳感器網(wǎng)絡時，要求調(diào)度過程能夠充分利用多種類型的數(shù)據(jù)。
?。?） 系統(tǒng)安全
無線傳感器網(wǎng)絡所感知到的數(shù)據(jù)往往都是非常重要而且要求保密的，不允許任何數(shù)據(jù)的竊取和惡意修改。網(wǎng)格資源也要求經(jīng)過認證的個人和服務提供者才能夠訪問。在網(wǎng)格中，通過認證和授權機制來確保訪問者的合法身份，實現(xiàn)網(wǎng)格資源的安全訪問。無線傳感器網(wǎng)絡通過使用節(jié)點認證、傳感數(shù)據(jù)加密、安全MAC協(xié)議等方式來保證節(jié)電和傳感數(shù)據(jù)的有效安全。結合框架為了同時保證網(wǎng)格和無線傳感器網(wǎng)絡的安全，需要將網(wǎng)格安全技術和無線傳感器網(wǎng)絡安全技術有機結合起來，確保整個系統(tǒng)的安全。
（7） 健壯性
傳感器節(jié)點使用電池供電、使用不可靠的無線通信網(wǎng)絡通信，很有可能會造成運行在傳感器節(jié)點上的傳感任務失敗。為了防止傳感器節(jié)點上的傳感任務失敗，結合框架應該支持任務的復制和遷移。這樣，如果部分傳感器節(jié)點失效，傳感任務也可以很快由失效傳感節(jié)點遷移到正常節(jié)點。如果有足夠的傳感資源，傳感任務也可以復制。這樣，部分節(jié)點的失效不會影響到整個傳感任務的執(zhí)行。最后，如果傳感任務被打斷，在系統(tǒng)恢復后，傳感任務應該能夠從打斷的地方重新開始。
?。?） 服務質(zhì)量
服務質(zhì)量可以決定系統(tǒng)是否能夠提供有效的傳感資源和服務。通過QoS參數(shù)可以規(guī)定網(wǎng)格傳感任務所使用的傳感器節(jié)點、存儲空間、通信帶寬、消耗電量等指標。通過這些指標的使用，可以增加傳感任務的健壯性，避免節(jié)點失效和通信中斷的影響。結合框架要滿足不同QoS的需求，將從高層規(guī)定的QoS需求映射為底層的QoS參數(shù)。在傳感任務需要多個不同的傳感器資源時，為了達到要求的QoS，需要對傳感資源進行預留。
4. 無線傳感器網(wǎng)絡和網(wǎng)格結合框架
無線傳感器網(wǎng)絡和網(wǎng)格結合框架可以使多個無線傳感器網(wǎng)絡接入網(wǎng)格，提供統(tǒng)一的網(wǎng)格服務。該框架主要有三層構成：無線傳感器網(wǎng)絡接入層、任務管理層和服務管理層。整個系統(tǒng)框架如圖1 所示。
圖1 無線傳感器網(wǎng)絡和網(wǎng)格結合框架
（1） 無線傳感器網(wǎng)絡接入層：該層的主要作用是多個無線傳感器網(wǎng)絡的無縫接入，對無線傳感器網(wǎng)絡進行抽象，使上層看到一致的數(shù)據(jù)層。該層主要完成網(wǎng)絡協(xié)議轉換、網(wǎng)格API映射、多無線傳感器網(wǎng)絡接入、安全保證和任務健壯性等任務。
?。?） 任務管理層：該層的主要作用是多數(shù)據(jù)融合任務的合理調(diào)度。該層主要完成數(shù)據(jù)處理任務的合理分配和多傳感任務的合理調(diào)度等任務。
?。?） 服務管理層：該層的主要作用是無線傳感器網(wǎng)絡的管理和無線傳感器網(wǎng)絡服務的形成和管理。該層主要完成無線傳感器網(wǎng)絡能量管理和服務質(zhì)量控制等任務。
5. 結論
無線傳感器網(wǎng)絡和網(wǎng)格結合可以有效地彌補傳感器節(jié)電數(shù)據(jù)處理能力不足的問題。本文提出了一個結合框架來實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡和網(wǎng)格結合，并論述了結合過程中需要解決的關鍵問題。利用結合框架，可以有效解決網(wǎng)絡互聯(lián)、任務調(diào)度等問題，使無線傳感器網(wǎng)絡和網(wǎng)格無縫集成，增加傳感數(shù)據(jù)的處理能力。但是，現(xiàn)在的結合框架存在一些不足，比如沒有考慮對移動傳感器節(jié)點的特殊處理，無法改進對傳感節(jié)點的調(diào)度方法等，這也是以后需要改進的地方。
參考文獻
[1] 李連,朱愛紅. 無線傳感器網(wǎng)絡中的定位技術研究[J].微計算機信息,2005, 21（9-1）:133-135
[2] Mark Gaynor, Steve Moulton. Integrating Wireless Sensor Networks with the Grid [J]. IEEE INTERNET COMPUTING, 2004,7:32-39.
[3] Chen- Khong Tham, Rajkumar Buyya. SensorGrid: Integrating Sensor Networks and Grid Computing [J]. CSI Communications, 2005,7（29）: 24-29.
[4] Hock Beng Lim, Yong Meng Teo, Protik Mukherjee etal. Sensor Grid: Integration of Wireless Sensor Networks and the Grid [J], Local Computer Networks, 2005, 91- 99.
