一種基于組件的無線傳感器網絡網關的建設策略
摘要：針對無線傳感器網關設計的適應性和重用性問題，我們提出了一個基于構件的WSN網關設計方法。該設計具有下列優點：服務和協議可以被配置和遠程更新;網關可以連接異構網絡并且網關兩側的協議可以靈活組合并提供服務解釋轉換。該網關設計用XML描述模塊和配置接口，允許不同的協議棧組合和網絡層相結合，以滿足特定的WSN應用要求。為了證明模塊化設計的可行性，我們首先實現了一個原型，并給出網關的一些實施細節，并給出了基于ZIGBEE的無線傳感器網絡實驗步驟.最終實現了一個基于構件的無線傳感器網絡，驗證該設計模型的有效性和可用性。
關鍵詞：組件;傳感器網關， 協議棧組合;高效查詢
無線傳感器網絡(WSN)是一組無線連接的傳感器節點，用于執行分布式傳感檢測任務。主要應用包括環境與健康監測，工業自動化和監視檢測。無線傳感器網絡和傳統網絡之間的主要區別是節點通常具有非常有限的能量和計算能力。通信協議的設計應適應于該特點。顯然直接在WSN使用HTTP協議將引進高開銷，因此，無線傳感器網絡通常使用專有協議和無線接口，需要通過訪問網關獲得無線傳感器網絡的服務。
在本文中，我們假設無線傳感器網絡通過網關連接到廣域網，如廣域網，互聯網和蜂窩移動網絡。通常配有一個WSN網關，至少有兩個網絡接口：一個用于在廣域網絡端，另一個用于無線傳感器網絡一端。我們的網關設計基于應用級網關[1]概念，網關包含了所有發生在應用層的網絡協議和協議轉換。該情況是典型的數據交換模式，從廣域主機收到請求，發送請求消息到無線傳感器網絡中，無線傳感器網絡接收數據，將回復數據消息回送給請求主機。
關于無線傳感器網絡中的網關的研究都大多集中在網關的基本功能：分布查詢和數據聚合[2-3]。這些建議提供了高效節能的傳感器網絡的通信方案。在文獻中，介紹了基于Web技術的WSN網關架構[4]。在這個設計中，所有的查詢和管理，可以通過基于Web的方法來處理。WSN網關的研究往往假設WSN一端和廣域網一端幾乎同構的網絡環境。因此，目前的無線傳感器網絡網關通常是預定義的網絡協議的某種組合。
在實踐中，不同的無線傳感器網絡可能使用不同的協議進行數據采集、路由，并且各種不同的應用程序可能運行在無線傳感器網絡中。經常還可能有幾種不同的廣域網中，需要無線傳感器網絡的相同服務。伴隨著完美的WSN網關設計，維護和升級可能會相當復雜。我們的研究動機是解決該問題，給出在各種網絡環境中部署相同的網關的設計方案。
1 WSN網關模塊化架構
圖1中給出了模塊化WSN網關的體系結構。網關的功能可以分為控制功能集和數據功能集。數據功能集實體處理用戶接入到無線傳感器網絡[5]。它可以為用戶提供不同的接口來訪問WSN服務。通過控制功能集的功能，具有管理權限的用戶可以維護和更新數據功能集實體。此外，在數據功能集的狀態，可以由控制功能集實體監視。
在功能分配到控制功能集和數據功能集有幾個優勢。由于在數據功能集處理用戶請求和數據答復，其數據流量遠遠高于在控制功能集中。為了實現高效率，如果平臺的操作系統具有這樣的兩層體系結構，數據功能集和控制功能集實體可以在內核空間與用戶空間分別實施。劃分成不同的功能集合的另一個原因是，對于不同的功能集可以是不同的安全性和認證要求。很顯然，該配置功能集需要比無線傳感器網絡的用戶訪問更高的安全級別。
1) 控制功能集實體：控制功能集包含配置界面、注冊表配置和控制和監視實體。配置接口發送和接收控制消息。解析傳入的控制消息后配置被存儲到網關配置注冊表中。控制和監視實體提供一個界面，用于管理和更新數據功能集實體，監測數據功能集實體的狀態。例如，在數據功能集可以為控制功能集生成網絡兩側上的流量負載信息。如果有多個網關連接到無線傳感器網絡，交通信息可以在交換網關之間進行負載均衡。
2) 數據功能集實體：數據功能集包含了TCP/IP協議包，WSN協議包，協議轉換單元�；赪SN網關協議棧應包括幾種不同的協議棧，它們可以靈活組合，建立廣域網和無線傳感器網絡之間的網關功能。協議棧應包含幾層的因特網協議，即網絡層、傳輸層和應用層的分層結構。每層包含對應的協議元素和其內建的協議支持。協議模塊化結構的詳細信息將在第三部分描述。
顯然用于描述服務中的協議轉換器需要一個共同的格式。統一格式將簡化解釋、記錄和匹配服務。應該定義一個統一的數據回復格式，簡化數據應答消息的解釋并轉化為不同的WSN服務。這種格式可以是標準的，例如文獻定義的UPNP [6]，或一種特有的XML的服務描述。適配器作為一個典型的協議轉換工作，即他們的主要任務是以預定義的格式翻譯到達和離開協議棧的特定消息。無線傳感器網絡服務在服務注冊表中記錄的信息可能包含的服務類型(如定期測量或事件觸發服務)，傳感器地址，單位和精度。此外，服務描述應在底層協議中給出，供 WSN的應用程序所使用詳細協議，即定義消息是如何穿越WSN協議棧。通過配置接口描述可配置的服務。
2 WSN網關模塊化架構的實現
在本節中，我們首先解釋WSN網關使用的模塊化概念。然后描述目前的內部和外部接口以及消息。最后，給出數據功能集實體協議包和協議轉換的實現細節。
如果假設操作系統支持一個兩層的架構(不同的內核和用戶空間)，例如Linux，實現模塊化WSN網關可以使用多線程的用戶空間，或內核/用戶空間結構。在第一種方法中，所有的功能集實體編譯成一個多進程程序。在第二種方法中，在不同的功能集中的實體作為獨立的進程在用戶空間中運行。第三個選項是將一些實體移動到內核空間中，以提高性能。但該方案開發和調試代碼難度都較大。我們采用了多進程的用戶空間結構原型，因為它與內核空間的方法相比，更容易地開發，它允許為每個功能集實體的進行隔離測試。
2.1 模塊化概念
WSN網關具有模塊化結構使其可配置。模塊代表協議和服務的描述，可以通過配置接口進行維護和更新。當網關部署在不同的環境中，網絡環境經常發生變化，模塊化結構位于數據功能集實體：
在協議棧每一層協議包中的協議元素，協議轉換器中的適配器，以及無線傳感器網絡的服務描述。在我們的網關設計方案中，模塊被表示為XML格式。協議信息，如數據包格式，也通過XML描述。傳感器節點的幀結構中以 XML格式表示。引入了新的數據類型到XML描述中，解析處理相同的約定處理消息的協議元素。通過XML模式文件驗證數據類型和其他規則的有效性。WSN 網關協議的描述可以建立在一個內存中的數據結構用于解析和封裝消息的協議元素。
2.2 接口和消息
在控制功能集，配置接口實現作為一個Web服務(WS)，基于C/C++ Web服務的開發環境，GSOAP。通過使用HTTP作為底層協議，WS客戶端和服務器交換SOAP(簡單對象訪問協議)消息，它可以穿越防火墻或 NAT。在我們的原型，WS服務器運行在WSN網關端。與WS客戶端，用戶可以連接到WS服務器和發送模塊的描述(XML文件)�？刂坪捅O視實體提供了一個接口連接的控制平面和數據平面。通過這個接口交換的消息包括模塊描述數據功能集和數據功能集的監測結果。
根據不同的實現方法，不同的機制可用于功能實體之間的消息傳遞和控制/數據集。在單進程方案中，消息傳遞可以通過函數調用。在用戶空間中多進程實現方案，進程間通信機制是必要的。在我們的實現，數據功能集實體打開一個TCP套接字用于數據和控制功能集之間的消息傳遞。
為支持用戶接入WSN，Web服務器服務需支持多個接口。在我們的實現中，為用戶提供了一個網頁提交請求。然后觸發后臺程序生成請求消息協議轉換。在采集數據以后，可以文本或圖形格式呈現在網頁上。 Web服務接口更適合于應用程序間的通信。對于一個用戶特定的訪問，需要在協議轉換器的適配器翻譯消息到通用格式的服務描述。
2.3 分層協議棧
協議棧的結構如圖4所示。在原型中，該協議棧被定義為一個C++類，它可能包含幾個協議層。每個層可以包括幾個協議元素，代表各自支持的協議。主要數據功能集處理進程啟動，讀取配置注冊表，存儲為一個原型中的配置文件，包含兩個協議棧協層次和元素信息。協議層以及元素的實例相繼啟動并連接。
每個協議棧包含兩個存儲消息的緩沖區：存儲自下向上的消息(即網絡接口)，以及記錄來自上級的層(即協議轉換器)的消息的。此設計可避免不同層之間的內存拷貝，因此只有消息緩沖區的索引，偏移和大小需要在協議層之間傳遞。
2.4 協議轉換器的實現
一個通用的服務描述格式定義為原型。它包含傳感器節點的基本屬性，如地址、傳感器類型和精度。 WSN服務可以通過接口進行配置為XML配置文件。為了簡化實現，我們使用一個專有的服務描述。一旦從配置接口接收服務描述信息，立即對該服務信息進行分析，并記錄在服務注冊表中(通過數據庫實現)。
TCP/IP適配器解釋服務請求并轉換形成通用格式的服務描述，服務解釋器查詢服務注冊表，將用戶的請求映射到WSN服務。根據無線傳感器網絡提供的服務，一個廣域網的請求可能被映射到多個無線傳感器網絡的服務，從而生成不同的無線傳感器網絡請求。網絡的TCP /IP適配器的幾個請求也可能以被映射到一個單一的無線傳感器請求。
我們在下層的無線傳感器網絡協議實體中保持請求緩沖區的標識符。根據無線傳感器網絡的應用程序和無線傳感器網絡的較低層實現，也可以在網絡數據報頭或有效載荷字中添加的請求標識符。由于協議棧和請求注冊表共享一個共同的標識，所述數據報文可以正確地傳遞回給用戶。
3 實驗過程
我們的無線傳感器網關基于Linux，使用C和C++編程實現，也使用了基于HTML和JavaScript的Web網頁用于人機交互。圖2顯示了測試平臺配置包括三個主要部分組成：傳感器網絡仿真器，傳感器網關，基于Web瀏覽器的傳感網絡管理系統。三個部分都在不同的PC上執行，并通過無線信號將無線傳感器節點，傳感器網絡仿真器和傳感器網關連接。
因為實驗條件所限，難以實現一個節點數量眾多的無線傳感器網絡，而且我們專注于傳感器網關的設計實驗，我們實現了一個網絡仿真器，它模擬的傳感器網絡具有一個3層結構的分簇聚合網絡，并隨機生成的檢測數據用于測試。
同時，我們已在測試平臺與無線接口使用兩個真實的傳感器節點：一個直接連接到傳感器的網關，另一個傳感器節點連結到最近的匯聚節點。他們彼此之間通過無線網絡通信。由于這些節點執行代碼在節點物理硬件運行，我們可以獲取數據包處理時間和網絡傳輸延遲供模擬器使用
3.1 傳感器網絡仿真器
我們已經完成模擬器來模擬一個大型傳感器網絡。仿真器的程序是由C++編寫。仿真器具有三種類型的對象，區域頭對象，簇頭對象，傳感器節點對象。該文中傳感器網絡的路由協議因為它不直接與傳感器網關相關，未加以考慮。
最初，仿真器生成的區域頭對象和簇頭對象，它們具有隨機選取數量的傳感器節點。傳感器節點對象的基本信息也是隨機選擇的。該仿真器通過RS-232C 串行接口與匯聚節點直接連接，繼而通過無線網絡與實際傳感器節點進行通信。即，連接到仿真器的傳感器節點，匯聚節點接收來自網關傳播的查詢，然后將查詢通過串行接口發送到仿真器程序。查詢被傳遞給內部的簇頭，然后翻譯查詢并產生查詢結果。每個區域中簇頭產生一個新的查詢結果，然后等待一段自己的傳播時間后將它發送給區域頭加以匯聚。因此，來自區域的應答數據是以不同的時間到達網關。
3.2 通過Web瀏覽器查詢和管理傳感器網絡
在本節中，我們將展示我們的傳感器網關如何處理從用戶的Web瀏覽器的傳感器網絡查詢和管理的要求。圖3示出了用于處理查詢請求的每個階段。首先，連接到網關后，用戶會收到圖所示的登錄頁面。圖3-1，進行認證。如果登錄用戶的數據是正確的，則網關開始發送廣播消息。在接收的廣播消息的所有答復時，傳感器網關發送傳感器管理頁面。圖3-2顯示了用戶的Web瀏覽器。
該頁面有三個部分，包括用于輸入和輸出的數量的形式。第一部分用于用戶的查詢，第二個部分識別網關收到的查詢和答復，最后一個部分顯示用戶的傳感器網絡查詢的結果。
4 未來的工作和結論
本文給出的模塊化WSN網關設計，仍需要研究的模塊化WSN網關設計的效率。消息處理需要消耗能量，引入了延遲。此外，如果使用關系型數據庫，查詢和添加新條目的操作可能需要訪問磁盤，這可能會非常耗時。登記數據功能集中的每個數據包將使這種瓶頸效應越來越明顯。這個問題的一個解決方案是使用內存中的數據庫系統，該系統可以顯著降低數據庫訪問的時間，從而提高性能的網關。
該網關專注實于現單一WSN網關架構。我們的模塊化網關的設計可以很容易地擴展，以支持多個網關。我們設計了一個可配置的WSN網關框架，允許進行配置，以適合在異構網絡環境的功能。模塊化概念使得在網關上維護和更新協議和服務成為可能。用XML描述的模塊和配置接口，可以實現遠程網關管理。此外，協議棧允許不同的協議和網絡層相結合，以滿足特定的WSN應用要求。
參考文獻：
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