无线传感器网络技术及应用(熊茂华熊昕)十剖析.pptVIP

第10章 无线传感器网络中间件技术 　10.1　无线传感器中间件体系结构及功能　　随着中间件、网格、P2P等技术的出现，分布式计算取得了很大的发展。中间件作为处于操作系统与应用程序之间的系统软件，通过对底层组件异构性的屏蔽，提供一个统一的运行平台和友好的开发环境，并随着技术的进一步发展，具有了动态重配置、可扩展、上下文敏感等特征。无论是从节点的物理分布，还是从节点间协同处理及系统资源共享上来看，无线传感器网络都是一个分布式系统，同样适用分布式系统的处理方法，分布式计算中间件也是自然选择。 10.1.1 通用的中间件的定义　　1．无线传感器网络中间件的定义　　中间件是介于操作系统(包括底层通信协议)和各种分布式应用程序之间的一个软件层。其主要作用是建立分布式软件模块之间互操作的机制，屏蔽底层分布式环境的复杂性和异构性，为处于上层的应用软件提供运行与开发环境。　　无线传感器网络的中间件软件设计必须遵循以下原则：　　(1) 由于节点能量、计算、存储能力及通信带宽有限，因此无线传感器网络中间件必须是轻量级的，且能够在性能和资源消耗间取得平衡。 　　(2) 传感网环境较为复杂，中间件软件应提供较好的容错机制、自适应和自维护机制。　　(3) 中间件软件的下层支撑是各种不同类型的硬件节点和操作系统(TinyOS、MantisOS、SOS)，因此，其本身须能够屏蔽网络底层的异构性。　　(4) 中间件软件的上层是各种应用，因此，需要为各类上层应用提供统一的、可扩展的接口，以便于应用的开发。 　　2．无线传感器网络中间件面临的问题　　设计和实现一个成功的中间件并非易事，必须面临许多问题：　　(1) 由于节点的能量、计算、存储能力和通信带宽资源有限，因此中间件必须是轻量级的。另外，中间件也应该提供优化整个系统性能的资源分配机制，在性能和资源消耗之间取得平衡。　　(2) WSN通常节点数目庞大，加上所处环境的限制，人工部署、维护也相对困难，所以中间件应该提供容错、自适应和自维护机制，执行无干涉操作。 　　(3) 在WSN中，可从应用程序相关和网络相关两种角度看待QoS(Quality of Service，服务质量)。前者把QoS视为应用程序相关的一些参数，如覆盖、活动节点数、评估的精确性等，后者考虑底层通信网络怎样有效使用网络资源处理QoS约束的传感数据。所以中间件的设计也要提供合适的QoS机制，在性能、延时和能量使用之间达到平衡。　　(4) 数据收集和处理是WSN的核心功能，然而大部分应用中都包含了冗余信息，为缩小通信开销和能量消耗，一般对数据进行聚合和融合后传给用户，支持此数据处理的中间件往往需要网络节点注入应用程序相关知识。 　　(5) 必须能够灵活支持网络在任何时候、任何地方扩展，并且要维护一个可以接受的性能级别。同时具备自适应由设备故障、障碍物等因素引起的动态网络环境，支持传感网络的健壮操作。　　(6) 为方便应用开发，中间件应为开发者针对各种各样的异构计算设备提供一个统一的系统视图，提供编程抽象或者系统服务，单个节点设备仅保留最小功能。　　(7) 有些传感器节点部署于相对恶劣的环境，使得类似拒绝服务的恶意攻击和入侵变得更加容易。此外，无线通信介质很容易受窃听包的注入损害网络功能。为保护信息的完整、可信，避免各种攻击的成功，中间件应根据WSN的特点提供新的安全机制。 10.1.2 无线传感器网络中间件体系　　1．中间件软件的层次　　一个完整的无线传感器网络中间件软件应当包含一个运行时环境以支持和协调多个应用。同时，还将提供一系列标准化系统服务，如数据管理、数据融合、应用目标自适应控制等，以延长无线传感器网络的生命周期。无线传感器网络中间件软件在其整个系统结构中的位置如图10.1所示。从图中可以看出，中间件软件位于底层硬件平台、操作系统与上层应用系统之间，它为下层提供不同类型的适配接口，并提供面向上层应用的开发接口。 图10.1 中间件软件在无线传感器网络系统结构中的位置 　　2．无线传感器网络中间件的关键技术　　无线传感器网络中间件的关键技术至少包含以下几个方面：　　(1) 资源调度技术：为用户提供透明统一的资源管理接口，为应用开发提供动态资源分配和优化。　　(2) 安全保护技术：在保证无线传感器网络资源充分利用的基础上，为节点及网络提供安全保障。　　(3) 异构系统通信技术：在具有不同介质、不同电气特性、不同协议的无线传感器网络业务间，屏蔽底层操作系统的复杂性，实现无缝通信与交互。 　　(4) 分布式管理技术：在高层交互实现无线传感器网络分布式信息处理和控制，构建面向网络的能量管理、拓扑管理、数据管理等。　　3．无线传感器网络中间件体系　　典型的无线传感器网络中间件软件体系结构见图10.