【導(dǎo)讀】點(diǎn)構(gòu)成，能實(shí)時(shí)監(jiān)測、感知、采集和處理各種監(jiān)測對(duì)象的信息。整體，為用戶提供一體化的信息應(yīng)用服務(wù)。將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)格結(jié)合起來可。以更好發(fā)揮兩者的功能效用。該平臺(tái)采用分層結(jié)構(gòu)—無線傳感器網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)接入層、管理層、網(wǎng)。格應(yīng)用層，任務(wù)分配調(diào)度清晰，可以實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)格初步有效的融合，實(shí)現(xiàn)資源更有效的利用。

　　

【正文】 超級(jí)計(jì)算 (Distributed Superputing)是指將分布在不同地點(diǎn)的超級(jí)計(jì)算機(jī)用高速網(wǎng)絡(luò)連接起來，并用網(wǎng)絡(luò)中間件 “粘合”起來，形成比單臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的多的計(jì)算平臺(tái)。 (2)分 布式儀器系統(tǒng)。分布式儀器系統(tǒng) (Distributed Instrumentation System)是指用網(wǎng)格管理 分布在各地的貴重儀器系統(tǒng)，提供遠(yuǎn)程訪問儀器設(shè)備的手段，提高儀器的利用率，大大方便用戶的使用。 (3)數(shù)據(jù)密集型計(jì)算。對(duì)于數(shù)據(jù)密集型計(jì)算 (Data Intensive Computing)問題，數(shù)據(jù)采集地點(diǎn)、數(shù)據(jù)處理地點(diǎn)、數(shù)據(jù)分析與結(jié)果存放地點(diǎn)等往往不在用一個(gè)地方。數(shù)據(jù)密集型問題的求解往往同時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的通信和計(jì)算需求。許多高能物理實(shí)驗(yàn)、數(shù)字化天空掃描、氣象預(yù)測等 都 是數(shù)據(jù)密集型的問題，網(wǎng)格可以在這 些問題的求解中發(fā)揮作用。 (4)遠(yuǎn)程沉浸。遠(yuǎn)程沉浸 (Teleimmersion)是一種 特殊的網(wǎng)格化虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境。這個(gè)環(huán)境可以是對(duì)顯示或歷史的逼真反映，可以是對(duì)高性能計(jì)算結(jié)果或數(shù)據(jù)庫的可視化，也可以是一個(gè)純粹虛構(gòu)的空間。遠(yuǎn)程沉浸可以廣泛應(yīng)用于交互式科學(xué)可視化、教育、訓(xùn)練、藝術(shù)、娛樂、工業(yè)設(shè)計(jì)、信息可視化等許多領(lǐng)域。 我國網(wǎng)格 研究 現(xiàn)狀 從 1995 年開始 ， 中國科學(xué)院計(jì)算所就建立了專門的網(wǎng)格研究隊(duì)伍 ， 開始研究與網(wǎng)格相關(guān)的技術(shù) ， 并 成功 開發(fā)了多個(gè)版本的信息一體化平臺(tái) 。 中國科學(xué)院計(jì)算所對(duì)網(wǎng)格技術(shù)的研究已較 為深入 ， 計(jì)算所的網(wǎng)格技術(shù)研究在使用國際上已有先進(jìn)技術(shù)的同時(shí) ， 堅(jiān)持自己的創(chuàng)新 。 有特色才能參與國際標(biāo)準(zhǔn)的制定 。 計(jì)算所網(wǎng)格研究的最大特色是 “ 服務(wù)網(wǎng)格 ” 的思想 ， 而國際上的網(wǎng)格研究目前主要面向科學(xué)計(jì)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 22 頁 算 。 在我國 ， 網(wǎng)格研究項(xiàng)目主要有以中科院為主的 “ 國家高性能計(jì)算環(huán)境 ” 和清華大學(xué)牽頭、教育部支持的重點(diǎn)項(xiàng)目 “ 先進(jìn)計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施北京上海試點(diǎn)工程 ” ， 兩個(gè)網(wǎng)格計(jì)算項(xiàng)目已取得 重要 成果。 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 23 頁 第 4 章 無線傳感器網(wǎng) 絡(luò) 與網(wǎng)格結(jié)合研究 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)格的結(jié)合可以使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)得到 更加有效的處理，二者的結(jié)合涉及到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)格兩個(gè)方面。 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(diǎn)數(shù)據(jù)融合和向中心節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)的工作。 其中 ， 組節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)融合主要完成包含在該組內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的融合，然后將結(jié)果直接送到 中心 節(jié)點(diǎn)進(jìn)行處理。 網(wǎng)格主要完成 任務(wù)管理層和服務(wù)管理層的數(shù)據(jù)融合 。 任務(wù)管理層 主要是對(duì)數(shù)據(jù)的局部特征進(jìn)行提取 ；服務(wù)管理層 主要是利用多個(gè)特征層融合數(shù)據(jù)得到全局判斷。 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(bào)、軍事安全監(jiān)測等領(lǐng)域。自然環(huán)境中大量布置的傳感器節(jié)點(diǎn)能夠以很高的分辨率測量物理世界，同時(shí)提高了應(yīng)用所需真實(shí)世界數(shù)據(jù)的數(shù)量和質(zhì)量。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為一個(gè)新的計(jì)算平臺(tái)，它可以無縫銜接數(shù)字世界和物理世界。 在大多數(shù)應(yīng)用當(dāng)中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)都是作為數(shù)據(jù)源來使用的。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(gè)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和大量的計(jì)算資源結(jié)合在一起，能夠建立自然界的實(shí)時(shí)模型 ； 同時(shí)也讓 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)得到充分處理。 結(jié)合的關(guān)鍵問題 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)格是兩個(gè)差異很大的網(wǎng)絡(luò) ， 兩者在物理層 、 通信協(xié)議 、應(yīng)用協(xié)議等各方面都不同 ，由此 ， 在結(jié)合過程中 需要考慮 網(wǎng)絡(luò)連接 問題 、 協(xié)議映北方民族大學(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 24 頁 射問題、 擴(kuò)展性、 能量管理、 任務(wù)調(diào)度 、安全性、可靠性、服務(wù)質(zhì)量 等 方面的 問題 。 [1][2][3][5][11][12] (1)不同網(wǎng)絡(luò)的連接問題 在 WSN 中，各個(gè)通信節(jié)點(diǎn)通過無線媒介相互連接，這些鏈路可以由無線電波、紅外線、光構(gòu)成。無線連接的一種選擇是使用工業(yè)科學(xué)衛(wèi)生頻帶 [2]，由于硬件約束、天線效率和功耗之間的折 中平衡限制，選擇超高頻頻率 (UHF， 300～3000MHz 高頻無線電波 )作為傳感器收發(fā)信機(jī)的載波頻率；另一種可能的通信方式是采用紅外線，其收發(fā)信機(jī)價(jià)格便宜，易于研制，但通信距離有限；靈敏 Mote傳感器微粒是自動(dòng)感知、計(jì)算、通信系統(tǒng)，采用光媒介進(jìn)行通信傳輸。由于 無線傳感器節(jié)點(diǎn)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(huì)由于環(huán)境噪音和信號(hào)衰減的影響造成無線通信中斷 。 在結(jié)合 設(shè)計(jì) 中 ， 需要解決傳感器節(jié)點(diǎn)無線通信中不可預(yù)期的網(wǎng)絡(luò)中斷和通信延遲問題。 網(wǎng)格是通過快速和可靠的有線 連接將網(wǎng)絡(luò)中的各種設(shè)備互聯(lián)起來， 形成一個(gè)一大的資源共享網(wǎng)絡(luò) 。 (2)協(xié)議映射 網(wǎng)格通信中使用 開放的、通用的協(xié)議 ——Globus Toolkit 來協(xié)商和管理資源共享，它使用 Inter 協(xié)議通信，認(rèn)證、通信保護(hù)和授權(quán)使用基于公開密鑰的網(wǎng)絡(luò)安全構(gòu)架 (Grid Security Infrastructure， GSI)協(xié)議。五層沙漏網(wǎng)格結(jié)構(gòu)與 TCP/IP 協(xié)議的對(duì)比 見 圖 31 所示。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信通常使用私有協(xié)議 ， 尤其 是 MAC 協(xié)議和無線路由協(xié)議 。介質(zhì)訪問控制 (MAC)協(xié)議決定無線信道的使用方式，它通過在傳感器節(jié)點(diǎn)之間分配和共享有限的無線信道資 源，構(gòu)建起無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的底層基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。它要解決隱藏終端和暴露終端問題，使用分布式控制機(jī)制實(shí)現(xiàn)信道資源共享。 由于傳感器節(jié)點(diǎn)的計(jì)算和存儲(chǔ)能力有限 ， 沒有能力使用 Inter 協(xié)議 ， 在結(jié)合 設(shè)計(jì) 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(diǎn)中。 (3)擴(kuò)展性 擴(kuò)展 性是指把傳感器資源加入到一個(gè)傳感器網(wǎng)格來增加無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集能力， 同時(shí) 無需改變軟件體系結(jié)構(gòu)本質(zhì)的特性。 結(jié)合框架需要在不改變整體結(jié)構(gòu)的前提下將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)加入到網(wǎng)格中 。 它要能夠同時(shí)連接多個(gè)無北方民族大學(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 線傳感器網(wǎng)絡(luò) ， 而一個(gè)新 的傳感器網(wǎng)絡(luò)的加入過程應(yīng)盡可能簡單 ， 并可以容易地和網(wǎng)格的計(jì)算 、 存儲(chǔ)資源進(jìn)行集成 ， 這樣才可以使用戶透明地使用多個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 。 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。 (4)能量管理 傳感器網(wǎng)絡(luò)能量 非常有 限，每一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都沒有固定的能量來源 ， 而是依賴于有限的電池能量， 而且傳感器節(jié)點(diǎn)通常都是隨機(jī)布置和無人照管的，有時(shí)少數(shù)幾個(gè)節(jié)點(diǎn)的功能障礙就能夠引起較大的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓?可能 導(dǎo)致 需要為分組數(shù)據(jù)重新尋找路由以及網(wǎng)絡(luò)重組。 所以能量管理是一個(gè)需要重點(diǎn)考慮的問題 ， 要在執(zhí)行操作和節(jié) 省能量之間做出權(quán)衡。傳感器節(jié)點(diǎn)必須提供自適應(yīng)電源管理機(jī)制供不同的應(yīng)用使用。從傳感器網(wǎng)格的視角，傳感器節(jié)點(diǎn)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。 (5)任務(wù)分配及調(diào)度 傳感器場就像 一個(gè) 數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)從環(huán)境中動(dòng)態(tài)獲取，分布在各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)中，地理上分散的各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)通過不可靠鏈路連接在一起。 這就要求用戶有一個(gè)簡單接口來交互地給 WSN 分配、調(diào)度任務(wù)。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)的任務(wù)調(diào)度要考慮能量消耗和可用傳感器資源 。 同時(shí) ， 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(shí) ， 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(xiàng)工作 。 在結(jié)合框架中同時(shí)存在多個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí) ， 要求調(diào)度過程能夠充分利用多種類型的數(shù)據(jù)。 (6)系統(tǒng)數(shù)據(jù)安全性 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(rèn)證的個(gè)人和服務(wù)提供者才能夠訪問 。 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(duì)稱密碼體制和非對(duì)稱密碼體制等技術(shù)手段 來確保訪問者的合法身份 ，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格資源的安全訪問 。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通過使用節(jié)點(diǎn)認(rèn)證、傳感數(shù)據(jù)加密、安全 MAC 協(xié)議 、安全路 由、入侵檢測 等方式來保證節(jié)電和傳感數(shù)據(jù)的有效安全 。結(jié)合框架為了同時(shí)保證網(wǎng)格和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全 ， 需要將網(wǎng)格安全技術(shù)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來 ， 確保整個(gè)系統(tǒng)的安全。 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 (7)可靠性 傳感器節(jié)點(diǎn)使用電池供電 ， 使用不可靠的無線通信網(wǎng)絡(luò)通信 ， 很有可能會(huì)造成傳感器節(jié)點(diǎn)上的傳感任務(wù)失敗 。 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(diǎn)可 靠 性 。 結(jié)合框架應(yīng)該 能夠 支持任務(wù)的復(fù)制和遷移 ， 這樣 ， 如果部分傳感器節(jié)點(diǎn)失效 ， 傳感任務(wù)也可以很快由失效傳感節(jié)點(diǎn)遷移到正常節(jié)點(diǎn) 。 如果有足夠的傳感資源 ， 傳感任務(wù)也可以復(fù)制 。 這樣 ， 部分節(jié) 點(diǎn)的失效不會(huì)影響到整個(gè)傳感任務(wù)的執(zhí)行 。 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 。 (8)服務(wù)質(zhì)量 服務(wù)質(zhì)量是一個(gè)關(guān)鍵的問題，它決定了一個(gè)傳感器網(wǎng)格能否高效的提供所需要的資源。 傳感器應(yīng)用的 QoS 需求規(guī)范應(yīng)該以一個(gè)高層次的方式描述出來，需要一個(gè)好的機(jī)制來完成高級(jí)別的需求到低級(jí)別 QoS 參數(shù)的映射。 通過 QoS 參數(shù)可以規(guī)定網(wǎng)格傳感任務(wù)所使用的傳感器節(jié)點(diǎn)、存儲(chǔ)空間、通信帶寬、消耗電量等指標(biāo)。 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。通過這些指標(biāo)的使用 ,可以增 加傳感任務(wù)的健壯性 ,避免節(jié)點(diǎn)失效和通信中斷的影響。 另外還需要服務(wù)描述來表達(dá)一個(gè)傳感器服務(wù)做什么，如何存取它以及該服務(wù)的 QoS 參數(shù)。 一個(gè)服務(wù)請(qǐng)求可能需要很多傳感器資源。所以，為了保證要求的 QoS，需要預(yù)留這些資源。資源預(yù)留和傳感器資源調(diào)度緊緊的連在一起。由于高動(dòng)態(tài)的傳感器網(wǎng)格環(huán)境，任何關(guān)于 QoS 供應(yīng)的嘗試都應(yīng)該是自適應(yīng)的。如果希望傳感器網(wǎng)格為應(yīng)用提供最好的可能的 QoS，資源可獲得性、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、網(wǎng)絡(luò)帶寬和時(shí)延的變化都是必需考慮的。對(duì)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)。 結(jié)合框架 框架 設(shè)計(jì) 通過以上研究表述， 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)格結(jié)合框架 可分為 兩部分 :無線傳感器網(wǎng)絡(luò)層和網(wǎng)格層。 其結(jié)合框架如圖 41 所示。 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(diǎn) 1 中心節(jié)點(diǎn) n ?????? 組節(jié)點(diǎn) 1 組節(jié)點(diǎn) n ?????? 傳感器節(jié)點(diǎn) 1 傳感器節(jié)點(diǎn) 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 1. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)層 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)層主要有許多個(gè)執(zhí)行具體感知任務(wù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。每個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)都包含非常多的感知節(jié)點(diǎn)和至少一個(gè)中心節(jié)點(diǎn) (即頭節(jié)點(diǎn) )。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)運(yùn)行具體的數(shù)據(jù)感知任務(wù)，對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行初步的處理 ； 中心 節(jié)點(diǎn)是整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)匯集點(diǎn)，它可以將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所得數(shù)據(jù)傳遞到上層 進(jìn)行存儲(chǔ)或處理。在該結(jié)合框架中，中心節(jié)點(diǎn)就代表著一個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，所有無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)都通過中心節(jié)點(diǎn)向上傳輸，上層對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的操作也通過中心節(jié)點(diǎn)向下 層 下達(dá)。 在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中還存在著若干組節(jié)點(diǎn)。組節(jié)點(diǎn)可以起到感知節(jié)點(diǎn)和中心節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的無線通信范圍小，無法和中心節(jié)點(diǎn)直接通信的問題。同時(shí)，由于組節(jié)點(diǎn)接收到的都是很小范圍內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息，故可以在組節(jié)點(diǎn)上設(shè)置數(shù)據(jù)融合功能，利用數(shù)據(jù)融合將相鄰節(jié)點(diǎn)上感知的冗余數(shù)據(jù)消除，減少組節(jié)點(diǎn)再次數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的能量消耗和帶寬 占有。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)格結(jié)合框架中，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(diǎn)數(shù)據(jù)融合和向中心節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)的工作。 由此，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)層又可以分為三層 。 第一層是監(jiān)測傳感器節(jié)點(diǎn)。該層的主要任務(wù)是監(jiān)測所監(jiān)控區(qū)域的物理量并將其傳輸。 檢測節(jié)點(diǎn)具有