【正文】 結(jié)合研究第 3 頁大學(xué)創(chuàng)辦了傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)會，期望能促進(jìn)傳感器聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開發(fā)。當(dāng)微塵檢測出移動tf距離時，它將把該信息通過微型計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳遞出去，最后到達(dá)一臺更強(qiáng)大的計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，任何與當(dāng)天天氣不吻合的異常讀數(shù)都可能預(yù)示著大橋存在隱患?，F(xiàn)在已經(jīng)有一些項目進(jìn)行無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)格結(jié)合方面的研究。該系統(tǒng)主要考慮了分布式數(shù)據(jù)融合、分布式處理、網(wǎng)絡(luò)協(xié)同等問題，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)融合、事務(wù)監(jiān)測和分類、分布式?jīng)Q策制定等工作。將來，隨著網(wǎng)格和傳感器網(wǎng)絡(luò)不斷融合，網(wǎng)格就變成了一個自然網(wǎng)。第 2 章和第 3 章為課題研究的理論基礎(chǔ)，分別概述了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)格的基礎(chǔ)理論知識。網(wǎng)格層主要的任務(wù)是得到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)并進(jìn)一步進(jìn)行處理。這種微型裝置包括大量的廉價傳感器節(jié)點、無線發(fā)射機(jī)和接收機(jī)、電源，具有計算處理能力，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地理區(qū)域中感知對象的信息，并將其發(fā)布給觀察者。處理單元通常連著一個小存儲單元，管理各個傳感器節(jié)點共同完成所承擔(dān)的感知任務(wù)而必需的相互協(xié)作規(guī)程。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成一般無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由傳感器節(jié)點、網(wǎng)關(guān)或基站、互聯(lián)網(wǎng)或通信衛(wèi)星、任務(wù)管理節(jié)點等部分構(gòu)成。用戶通過管理節(jié)點對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置和管理，發(fā)布監(jiān)測任務(wù)，收集監(jiān)測數(shù)據(jù) [3]。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點有嚴(yán)格的電源要求，因為網(wǎng)絡(luò)往往部署在無人值守的地方，節(jié)點使用電池供電，不能頻繁更換電池，因此，如何節(jié)省電能是應(yīng)用的首要問題。傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信帶寬窄，覆蓋范圍小，還經(jīng)常受到自然環(huán)境的影響，導(dǎo)致傳感器節(jié)點通信失敗。因此，維護(hù)十分困難，傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟、硬件必須具有高強(qiáng)壯性和容錯性。由于傳感器節(jié)點個數(shù)多、成本要求低廉、分布區(qū)域廣，而且部署區(qū)域環(huán)境復(fù)雜，有些區(qū)域甚至人員不能到達(dá)，所以傳感器節(jié)點通過更換電池的方式來補(bǔ)充能源是不現(xiàn)實的。傳感器節(jié)點的無線通信帶寬有限，通常僅有幾百 kbps 的速率。傳感器節(jié)點是一種微型嵌入式設(shè)備，要求它價格低功耗小，這些限制必然導(dǎo)致其攜帶的處理器能力比較弱，存儲器容量比較小。傳感器網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模性包括兩方面的含義：一方面是傳感器節(jié)點分布在很大的地理區(qū)域內(nèi)，如在原始大森林采用傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行森林防火和環(huán)境監(jiān)測，需要部署大量的傳感器節(jié)點；另一方面，傳感器節(jié)點部署很密集，在一個面積不是很大的空間內(nèi)，密集部署了大量的傳感器節(jié)點。傳感器網(wǎng)絡(luò)的自組織性能夠適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動態(tài)變化 [5]。傳感器節(jié)點可能工作在露天環(huán)境中，遭受太陽的暴曬或風(fēng)吹雨淋，甚至遭到無關(guān)人員或動物的破壞，而且往往采用隨機(jī)部署，如通過飛機(jī)撒播或發(fā)射炮彈到指定區(qū)域進(jìn)行部署?？陀^世界的物理量多種多樣，不可窮盡。由于傳感器節(jié)點隨機(jī)部署，構(gòu)成的傳感器網(wǎng)絡(luò)與節(jié)點編號之間的關(guān)系是完全動態(tài)的，表現(xiàn)為節(jié)點編號與節(jié)點位置沒有必然聯(lián)系。所以通常說傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)。拓?fù)淇刂瓶梢苑譃楣?jié)點功率控制和層次型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形成兩個方面。傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議負(fù)責(zé)使各個獨立的節(jié)點形成一個多跳的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，其種類主要有MAC協(xié)議、路由協(xié)議、端到端可靠傳輸協(xié)議、逐跳可靠傳輸協(xié)議等。安全管理方面目前以密鑰預(yù)分布模型作為安全初始化和維護(hù)的主要機(jī)制，其中隨機(jī)密鑰對模型、基于多項式的密鑰對模型等是目前最有代表性的密鑰算法 [8]。目前已提出了多個時間同步機(jī)制，其中RBS、TINY/MINISYNC和TPSN被認(rèn)為是三個基本的同步機(jī)制。由于傳感器節(jié)點存北方民族大學(xué)畢業(yè)論文 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)格結(jié)合研究第 11 頁在資源有限、隨機(jī)部署、通信易受環(huán)境干擾甚至節(jié)點失效等特點，定位機(jī)制必須滿足自組織性、健壯性、能量高效、分布式計算等要求。數(shù)據(jù)融合技術(shù)在節(jié)省能量、提高信息準(zhǔn)確度的同時，要以犧牲其他方面的性能為代價——延遲的代價和魯棒性的代價 [9]。(8)無線通信技術(shù)傳感器網(wǎng)絡(luò)需要低功耗短距離的無線通信技術(shù)。(9)嵌入式操作系統(tǒng)傳感器節(jié)點是一個微型的嵌入式系統(tǒng)，攜帶非常有限的硬件資源，需要操作系統(tǒng)能夠節(jié)能高效地使用其有限的內(nèi)存、處理器和通信模塊，且能夠?qū)Ω鞣N特定應(yīng)用提供最大的支持。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用起初無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究是受到軍事應(yīng)用推動的。利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)對敵軍兵力和裝備的監(jiān)控、戰(zhàn)場實時監(jiān)控、目標(biāo)定位、戰(zhàn)場評估、核攻擊和生物化學(xué)攻擊的監(jiān)測和搜索等功能。如果在住院病人身上安裝特殊用途的傳感器節(jié)點，如心率和血壓監(jiān)測設(shè)備，醫(yī)生利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)就可以隨時了解被監(jiān)護(hù)病人的病情，一旦發(fā)現(xiàn)異樣能夠迅速搶救。(5)建筑物狀態(tài)監(jiān)控建筑物狀態(tài)監(jiān)控是利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來監(jiān)控建筑物的安全狀態(tài)。(6)其他方面的應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以應(yīng)用于空間探索。目前學(xué)術(shù)界和商業(yè)界圍繞網(wǎng)格開展的研究有很多，其研究的內(nèi)容和名稱也不盡相同，因而網(wǎng)格尚未有精確的定義和內(nèi)容定位。 網(wǎng)格的特點雖然網(wǎng)格系統(tǒng)具有分布式的一些特征，但是作為一種新的計算基礎(chǔ)設(shè)施，它還具有一些重要的特點，這些特點對于網(wǎng)格構(gòu)建、網(wǎng)格研究和網(wǎng)格應(yīng)用有著重要的影響。在這種分布情況下，需要解決網(wǎng)格資源針對任務(wù)的分配和調(diào)度問題，傳輸和通信問題，人與系統(tǒng)以及人與人之間的交互和協(xié)同問題，網(wǎng)格應(yīng)用北方民族大學(xué)畢業(yè)論文 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)格結(jié)合研究第 15 頁在分布環(huán)境中自動執(zhí)行和協(xié)作問題 [12]。當(dāng)一個網(wǎng)格節(jié)點收到作業(yè)時，中心管理節(jié)點根據(jù)搜索開銷，確定作業(yè)遷移到周圍哪些網(wǎng)格調(diào)度器是可行的，并從中選擇最適合的網(wǎng)格調(diào)度器。計算網(wǎng)格的異構(gòu)消息通信模型可分四層。因此，網(wǎng)格既要具有利用資源的異構(gòu)特點進(jìn)行處理的能力，也要具有提供一致資源管理的能力。由于網(wǎng)絡(luò)中的資源具有自治性，因此網(wǎng)格資源可能動態(tài)地加入或者退出網(wǎng)格，也可能出現(xiàn)故障而導(dǎo)致不可用；另外資源的性能情況也可能發(fā)生較大變化，使得供網(wǎng)格使用的資源也會發(fā)生相應(yīng)變化。網(wǎng)格的局部和整體之間存在著一定的相似性。以往由于大部分的用戶得不到足夠的計算能力，許多問題的解決只好通過對模型或算法的簡化來取得近似效果。(2)網(wǎng)格突破了地理位置的限制。它可以連接不同地理位置、不同領(lǐng)域的異構(gòu)設(shè)備，形成一個高性能異構(gòu)資源共享環(huán)境，真正實現(xiàn)互聯(lián)共享。 網(wǎng)格計算要求網(wǎng)格提供的計算能力需要滿足以下四個基本要求:可靠性、標(biāo)準(zhǔn)化、易訪問性和價格低廉。(2)標(biāo)準(zhǔn)化要求。(4)費用低廉性要求。 五層沙漏結(jié)構(gòu)應(yīng)用層匯聚層資源層連接層構(gòu)造層網(wǎng)格協(xié)議體系結(jié)構(gòu) 應(yīng)用層傳輸層網(wǎng)絡(luò)層鏈接層Inter協(xié)議體系結(jié)構(gòu)圖 32 五層沙漏結(jié)構(gòu)與 Inter 協(xié)議的對比北方民族大學(xué)畢業(yè)論文 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)格結(jié)合研究第 18 頁五層沙漏結(jié)構(gòu)的主要特點是結(jié)構(gòu)簡單、層次清楚。網(wǎng)格內(nèi)的全局應(yīng)用都通過協(xié)議提供的服務(wù)來調(diào)用操作系統(tǒng)。常用的資源包括處理能力、存儲系統(tǒng)、目錄、網(wǎng)格資源、分布式文件系統(tǒng)、分布式計算機(jī)池、計算機(jī)集群等。第三層為資源層(ResourceLayer):該層建立在連接層的通信和認(rèn)證協(xié)議之上，定義了一些關(guān)于安全初始化、監(jiān)視、控制單個資源的共享操作、審計及付費等方面的協(xié)議。第五層為應(yīng)用層(ApplicationLayer):該層是網(wǎng)格用戶的應(yīng)用程序。OGSA是以服務(wù)為中心的“服務(wù)結(jié)構(gòu)” 。任何一個網(wǎng)格都必須實現(xiàn)網(wǎng)格服務(wù)，它主要負(fù)責(zé)生命周期管理和服務(wù)數(shù)據(jù)管理兩個功能。這是因為科學(xué)計算問題一般都是計算密集型問題，其CPU開銷非常大，因此，如何將一個大問題分解為并發(fā)的任務(wù)，并將這些任務(wù)分配到多個異構(gòu)的計算機(jī)系統(tǒng)中去，同時將這些并發(fā)的任務(wù)有機(jī)地組織服務(wù)數(shù)據(jù) 服務(wù)數(shù)據(jù) 服務(wù)數(shù)據(jù)實現(xiàn)服務(wù)數(shù)據(jù)的訪問顯示撤銷軟狀態(tài)生命周期網(wǎng)格服務(wù)（必需的）運行環(huán)境(C、J2EE、NET、WebSphere…）綁定特性可靠激活認(rèn)證其他接口（可選的）服務(wù)注冊初期的數(shù)據(jù)網(wǎng)格項目就是為了管理高能物理實驗的海量數(shù)據(jù)而建立的。 網(wǎng)格研究關(guān)鍵問題網(wǎng)格需要研究資源管理、任務(wù)管理、通信技術(shù)、用戶管理、安全機(jī)制等一系列問題。任務(wù)調(diào)度根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)的負(fù)載情況，對系統(tǒng)內(nèi)的任務(wù)進(jìn)行動態(tài)調(diào)度，提高系統(tǒng)的運行效率；同時按照用戶提交的任務(wù)類型、所需資源、可用資源等情況安排運行日程和策略。(3)資源信息管理與服務(wù)。資源信息的種類繁多，不同種類的信息特征不同，操作方式也不相同，且資源的狀態(tài)是動態(tài)變化的。信息服務(wù)模塊是網(wǎng)格軟件中的一個重要組成部分，是資源信息的存儲與管理者，它將不同的資源信息有效地存儲和管理，向上層提供訪問服務(wù)。網(wǎng)格將實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)上所有資源的全面聯(lián)通，最終實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)虛擬環(huán)境上的資源共享和協(xié)同工作，消除信息孤島和資源孤島。(2)分布式儀器系統(tǒng)。數(shù)據(jù)密集型問題的求解往往同時會產(chǎn)生很大的通信和計算需求。這個環(huán)境可以是對顯示或歷史的逼真反映，可以是對高性能計算結(jié)果或數(shù)據(jù)庫的可視化，也可以是一個純粹虛構(gòu)的空間。有特色才能參與國際標(biāo)準(zhǔn)的制定。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要完成監(jiān)測區(qū)域數(shù)據(jù)的采集、原始數(shù)據(jù)融合、組節(jié)點數(shù)據(jù)融合和向中心節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)的工作。 結(jié)合的可行性隨著微電子學(xué)、無線通信、嵌入式系統(tǒng)等技術(shù)的發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)在已廣泛應(yīng)用于環(huán)境和生物監(jiān)測、病人健康監(jiān)測、天氣監(jiān)測預(yù)報、軍事安全監(jiān)測等領(lǐng)域。將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)格結(jié)合，可以使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為網(wǎng)格的一個數(shù)據(jù)源，大大拓展網(wǎng)格應(yīng)用的數(shù)據(jù)來源；將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)格結(jié)合起來，還可以使自然界的實時數(shù)據(jù)和大量的計算資源結(jié)合在一起，能夠建立自然界的實時模型；同時也讓無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)得到充分處理。由于無線傳感器節(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(luò)，可能會由于環(huán)境噪音和信號衰減的影響造成無線通信中斷。五層沙漏網(wǎng)格結(jié)構(gòu)與 TCP/IP 協(xié)北方民族大學(xué)畢業(yè)論文 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)格結(jié)合研究第 25 頁議的對比見圖 31 所示。由于傳感器節(jié)點的計算和存儲能力有限，沒有能力使用 Inter 協(xié)議，在結(jié)合設(shè)計中就需要將網(wǎng)格中使用的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議有效地映射到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點中。擴(kuò)展性可以保證網(wǎng)格應(yīng)用程序可以通過越來越多的異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)訪問傳感器資源。從傳感器網(wǎng)格的視角，傳感器節(jié)點的可用性不只依賴于它們的負(fù)載，也依賴于它們的能量消耗。同時，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)，在進(jìn)行任務(wù)調(diào)度時，有效地利用傳感器收集到的傳感數(shù)據(jù)也是非北方民族大學(xué)畢業(yè)論文 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)格結(jié)合研究第 26 頁常重要的一項工作。在網(wǎng)格中，主要通過數(shù)字證書、相互鑒別、秘密通信、私鑰保護(hù)、PKI安全認(rèn)證、對稱密碼體制和非對稱密碼體制等技術(shù)手段來確保訪問者的合法身份，實現(xiàn)網(wǎng)格資源的安全訪問。為了防止這種情況，需要一些技術(shù)來改進(jìn)傳感器節(jié)點可靠性。另外，如果傳感任務(wù)被打斷，在系統(tǒng)恢復(fù)后，傳感任務(wù)應(yīng)該能夠從打斷的地方重新開始。這些參數(shù)指定了要分配的資源的數(shù)量，比如傳感器的數(shù)量、內(nèi)存、網(wǎng)絡(luò)帶寬。所以，為了保證要求的 QoS，需要北方民族大學(xué)畢業(yè)論文 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)格結(jié)合研究第 27 頁網(wǎng)格應(yīng)用層服務(wù)管理層任務(wù)管理層數(shù)據(jù)接入層中心節(jié)點 1 中心節(jié)點 n………………組節(jié)點 1 組節(jié)點 n………………傳感器節(jié)點 1 傳感器節(jié)點 n………………………………網(wǎng)格層無線傳感器網(wǎng)絡(luò)層圖 41 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)格結(jié)合框架第一層第二層第三層預(yù)留這些資源。對傳感器網(wǎng)格來說，其 QoS 應(yīng)該以一種協(xié)調(diào)的方式，通過把無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)格兩者的 QoS 機(jī)制集成起來加強(qiáng)。每個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)都包含非常多的感知節(jié)點和至少一個中心節(jié)點(即頭節(jié)點)。組節(jié)點可以起到感知節(jié)點和中心節(jié)點通信橋梁的作用，解決無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的感知節(jié)點的無線通信范圍小，無法和中心節(jié)點直接通信的問題。第一層是監(jiān)測傳感器節(jié)點。組節(jié)點是一個很小的監(jiān)測區(qū)域中由所有傳感器節(jié)點選舉產(chǎn)生的一個代表節(jié)點，該節(jié)點一方面收集相鄰傳感器節(jié)點傳輸給它的數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，另一方面構(gòu)成數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，將所有的感知數(shù)據(jù)傳輸?shù)街行墓?jié)點。在組節(jié)點的周圍，有一系列的傳感器節(jié)點給它傳輸數(shù)據(jù)，這些節(jié)點之間的距離非常小，傳感所得的數(shù)據(jù)差異也就非常的小。檢測節(jié)點采用多跳通信將感知信息中繼給中心節(jié)點，再通過中心節(jié)點來發(fā)布感知信息。該層主要完成網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換、網(wǎng)格 API 映射、多無線傳感器網(wǎng)絡(luò)接入、安全保證和任務(wù)健壯性等任務(wù)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能量有限，通信距離有限，如果讓所有節(jié)點都參與傳感數(shù)據(jù)的傳輸，既浪費帶寬，又浪費能量，還傳輸了大量冗余數(shù)據(jù)，降低了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)整個系統(tǒng)的有效利用率。(3)該節(jié)點接收別的節(jié)點的應(yīng)答，判斷應(yīng)答是否為中心節(jié)點通路。在構(gòu)成傳輸網(wǎng)絡(luò)后，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)就進(jìn)入了穩(wěn)定傳輸階段，該階段主要完開始組節(jié)點判斷是否屬于傳輸網(wǎng)絡(luò)請求網(wǎng)絡(luò)應(yīng)答是否包含至中心通路該節(jié)點將加入傳輸路徑加該點為連通路徑進(jìn)入傳輸階段結(jié)束否是否圖 43 傳輸網(wǎng)絡(luò)的形成流程是北方民族大學(xué)畢業(yè)論文 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)格結(jié)合研究第 31 頁成數(shù)據(jù)的傳輸和數(shù)據(jù)融合工作，數(shù)據(jù)融合在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)層和網(wǎng)格層