（计算机应用技术专业论文）基于主从代理的无线传感器网络qos测量研究与实现.pdf

基于主从代理的无线传感器网络0 0 s 测量研究与实现 摘要 无线传感器网络是集无线通信技术、传感器技术和计算机网络技术于一体的分布 式网络系统，它由大量随机部署在受监控区域的传感器节点通过自组织的方式构成， 是目前国内外研究的热点领域之一。随着无线传感器网络应用的推广，网络服务质量 的研究也开始得到该领域专家学者愈来愈多的关注。虽然无线传感器网络测量的研究 工作刚开始不久，研究成果也比较少，但是现有的研究表明，由于传感器网络自身的 能量受限、拓扑异变等特点，传统面向i p 固定网络的测量模型及方法不适用于传感 器网络，这使得无限传感器网络的性能测量面临着诸多挑战，所以研究新型的适合传 感器网络的测量模型及方法凸显重要。 本文在研究传感器网络测量路由协议和数据融合等相关支撑技术的前提下，对传 感器网络测量模型及方法做了深入的研究和探讨，并对未来继续传感器网络测量研究 的工作做了进一步的展望。本文主要工作及创新点有以下两个方面： 1 ) 针对现有数据收集协议能耗高和网络寿命短的不足，提出了一种基于树的能 量高效的无线传感器网络数据收集协议( e e d c p t b ) ，该协议通过泛洪避免方法建 立数据收集树并使用级联定时机制分配数据融合时机，来达到节省节点能耗的目的， 在选择转发节点时，引入节点能量状态参数，这样在一定程度上满足能量均衡。最后， 通过仿真实验分别对该e e d c p t b 协议、t d b c s 协议以及泛洪协议性能进行了比较， 结果表明该数据收集协议收发总次数更少，节省能耗，延长网络寿命。 2 ) 设计了一种基于主从代理的传感器网络测量模型，这种模型通过一个s i n k 汇 聚节点、多个主从代理节点协同工作的方式进行多次测量求均值，提高- j n 量的准确 性，而且还具有良好的负载均衡和可扩展性，可以很方便的在不同规模的传感器网络 上进行部署，最后通过o m n e t + + 软件对提出的测量模型进行仿真实验，实验表明， 该测量模型能够得到比较准确的测量结果，对测量结果的分析能够为实施重构网络拓 l 浙江师范大学硕士学位论文 扑等改进网络性能的措施提供可靠科学依据。 关键字：无线传感器网络；服务质量；网络测量；数据收集；主从代理 i l r e a s e a c ha n di m p l e m e n t a t i o no fq o s 匝a s u r e a 征! n tf o rw 洹l e sss e n s o rn e t w o r k b a s e do np r i mar y v i c ea g e n t a b s t r a c t w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ( w s n ) ，i n t e g r a t e dw i t ht h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y , s e n s o r sa n dc o m p u t e rn e t w o r kt e c h n o l o g y , i sad i s t r i b u t e dn e t w o r ks y s t e m c o n s i s t so fa l a r g en u m b e ro fs e l f - o r g a n i z a t i o ns e n s o r sw h i c h a r er a n d o m l yd i s t r i b u t e di nt h e m o n i t o r e da r e a , a n di th a sb e c o m ear e s e a r c hh o t s p o ti nr e c e n ty e a r s w i t ht h ew i d es p r e a d o fv a r i o u sw s n a p p l i c a t i o n s ，t h er e s e a r c ho nq u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) o fw s n h a sr e c e i v e d m o r ea t t e n t i o n s t h o u g ht h er e s e a r c ho nw s nm e 舢e m e mg o e sf o ras h o r tt i m ea n dg e t s f e wa c h i e v e m e m s ，a c c o r d i n gt ot h ee x i s t i n gm e 觥e m e m - r e l a t e dr e s e a r c hd o c u m e n t s ， t r a d i t i o n a lm e 觥e m e n tm o d e l sa n dm e t h o d sf o ri pn e t w o r kd o n t s u i ts e n s o rn e t w o r k a n y m o r e ，d u et ot h es p e c i a lf e a t u r e so fs e n s o rn e t w o r k ，s u c ha sl i m i t e dn o d ee n e r g ya n d v a r i a n tn e t w o r kt o p o l o g y , a n dt h i sm a k et h es e n s o rn e t w o r kp e r f o r m a n c em e a s u r e m e m f a c i n gm a n yc h a l l e n g e s t h e r e f o r e ，i th a sb e c o m e m o r ea n dm o r ei m p o r t a n tt oe x p l o r en e w m e 舢e m e n tm o d u l e sa n dm e t h o d st h a tc a r la p p l yt os e n s o rn e t w o r k w i t hs o m es t u d i e so nm e a s u r e m e m - r e l a t e ds u p p o r t i n gt e c h n o l o g y ：r o u t ep r o t o c o l s a n dd a t aa g g r e g a t i o n ，t h i st h e s i sf o c u su p o nq o sm e a s u r e m e mm o d e l sa n dm e t h o d sf o r w s n i tm a k e saf u r t h e rp r o s p e c tf o r t h ef u t u r ew o r ko nw s nm e a s u r e m e m t h em a i n w o r k a n di n n o v a t i o no ft h es t u d ya r eg i v e na sf o l l o w s ： f i r s t ，a l le n e r g y - e f f i c i e n td a t ac o l l e c t i o np r o t o c o lf o rw s n b a s e do nt r e ei sp r o p o s e d ( e e d c p t b ) t oc o m p e n s a t ef o rt h es h o r t c o m i n g so f t h ea v a i l a b l ed a t ac o l l e c t i o np r o t o c o l ， i i i 浙江师范大学硕士学位论文 s u c ha s ，s h o r t e rn e t w o r kl i f e t i m e ，h i g h e re n e r g yc o n s u m p t i o n , a n ds oo n t h i sp r o t o c o l c o n s t r u c t sd a t ac o l l e c t i o nt r e et h r o u g ht h em e t h o do ff l o o d i n g a v o i d a n c ea n du s e st h e c a s c a d i n gt i m i n gs c h e m et oa l l o c a t ea g g r e g a t i o nt i m ei no r d e rt os a v en o d e s e n e r g y f u r t h e r m o r e ，i ti n t r o d u c e st h en o d ee n e r g ys t a t ep a r a m e t e r st om e e te n e r g yb a l a n c et oa c e r t a i ne x t e n tw h e nw ec h o o s ef o r w a r d i n gn o d e s f i n a l l y , c o m p a r e dw i t ht b d c sp r o t o c o l a n df l o o d i n gp r o t o c o l ，s i m u l a t i o n ss h o wt h a tt h i sp r o t o c o lr e q u i r e sl e s st r a n s m i s s i o na n d r e c e i v i n g ，s a v e sm o r en o d e s e n e r g ya n dp r o l o n g sn e t w o r kl i f e t i m e s e c o n d ，am e a s u r e m e n tm o d e lf o rw s nb a s e do np r i m a r y - v i c ea g e n t i sd e s i g n e d t h i s m o d e lo b t a i n sa v e r a g em e a s u r e m e n tr e s u l t sb yt h ec o o p e r a t o ro fs i n k ，p r i m a r ya g e n ta n d v i c ea g e n t a n di te n h a n c e sm e a s u r e m e n ta c c u r a c yb yc o m p u t i n gt h ea v e r a g ev a l u eo f s e v e r a lm e a s u r e m e n t s i nt h ee n d ，w ee a r l yo u ts i m u l a t i o ne x p e r i m e n to nt h ep r o p o s e d m o d e la n dm e t h o d st h r o u g ho m n e t + + s o f t w a r e ，a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w t h a tt h e m e a s u r e m e n td a t e so b t a i n e db yt h i sm o d e la n dc o r r e s p o n d i n gm e t h o da r eq u i t ea c c u r a t e ，a n d i tc a np r o v i d er e l i a b l es c i e n t i f i ce v i d e n c e sf o rn e t w o r kc o n t r o lc e n t e rt ot a k es o m em e a s u r e s t oi m p r o v ep e r f o r m a n c ef o rt h ew h o l es e n s o rn e t w o r kb ya n a l y z i n gt h em e a s u r e m e n tr e s u l t s ， f o re x a m p l e ，r e c o n s t r u c t i o no ft h en e t w o r kt o p o l o g y k e y w o r d s ：w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ；q u a l i t yo fs e r v i c e ；n e t w o r km e a s u r e m e n t ； d a t ac o l l e c t ；p r i m a r y - v i c ea g e n t i v 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 目录v l 绪论1 1 。1 引言1 1 2 无线传感器网络1 1 2 1 无线传感器网络的基本结构1 1 2 3 无线传感器网络的基本特点2 1 2 4 无线传感器网络相关协议3 1 2 5 传感器网络发展历史、现状与趋势4 1 3 研究目的和意义6 1 4 论文的研究内容7 1 5 论文的组织结构。7 2 网络测量研究概述9 2 1 弓i 。言9 2 2 网络测量基本概念。9 2 2 1 网络测量的三个基本要素9 2 2 2 网络测量的特点9 2 3 网络测量方法1 0 2 3 1 主动测量和被动测量1 0 2 3 2 单点测量和多点测量1 1 2 4 传感器网络的q o s 支持11 2 5 本章小结1 3 v 3 无线传感器网络数据收集协议研究1 4 3 1 引言1 4 3 2 基于树的能量高效的数据收集协议的原理1 4 3 2 1 网络模型及其相关假设1 4 3 2 2 无线传感器网络节点能量消耗情况1 5 3 2 3 邻居节点集合的定义1 5 3 2 4e e d c p t b 协议算法描述1 6 3 3 仿真与性能分析2 0 3 3 1 数据分发次数比较。2 0 3 3 2 网络寿命比较2 1 3 3 3 协议存在的不足及下一步工作2 2 3 4 本章小结2 3 4 无线传感器网络q o s 测量模型及其方法2 4 4 1 引言2 4 4 2 基于主从代理的传感器网络q o s 测量模型2 4 4 3 测量子网构建2 5 4 3 1 节点状态设计。2 7 4 3 2 测量子网构建算法( m s c 算法) 描述2 8 4 4 测量方法2 9 4 4 1 延时测量3 0 4 4 2 丢包率测量31 4 4 3 吞吐量测量3 3 4 5 本章小结3 4 5 无线传感器网络测量系统仿真实现3 5 5 1 引言3 5 5 2o m n e t + + 仿真工具简介3 5 5 2 1o m n e t + + 框架。3 6 5 2 2o m n e t + + 结构3 7 5 2 3o m n e t 抖网络仿真流程。3 8 5 2 4o m n e t + + 仿真软件版本3 9 5 3 测量系统仿真实验3 9 5 3 1 节点模块设计4 0 5 3 2 网络拓扑生成4 1 5 3 3 测量数据包格式及代码设计4 1 5 3 4 节点应用层代码设计4 5 5 3 5 网络模拟配置文件描述4 5 5 4 实验结果4 7 5 5 本章小结4 8 6 总结和展望。4 9 6 1 工作总结4 9 6 2 工作展望4 9 参考文献5l 攻读学位期间取得的研究成果5 5 致谢5 6 浙江师范大学学位论文独创性声明5 8 学位论文使用授权声明5 8 浙江师范大学学位论文诚信承诺书5 8 v i l 1 1 引言 1 绪论 无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k , w s n ) 是微机电系统 ( m i c r o e l e c t r o m e c h a n i e a ls y s t e m s ，m e m s ) 、计算机、通信和传感器等多种技术相结 合的产物，也是集信息获取( 感知) 、信息传输与信息处理于一体的综合性智能信息 系统，具有广阔的应用前景【1 】【2 】。2 0 0 0 年，美国国防部将传感器网络列为国防5 个尖 端领域之一。2 0 0 2 年o a k 实验室预言：i t 时代正从“t h en e t w o r ki sc o m p u t e r 向 “t h en e t w o r ki ss e n s o r ”转变。2 0 0 3 年，美国技术评论【3 】将传感器网络技术列 为未来改变人类生活的十大技术之首。可以预见传感器网络的广泛应用是一种必然趋 势，它的出现将会给人类带来极大的变革。 1 2 无线传感器网络 无线传感器网络由大量密集分布的传感器网络节点组成，这些节点通常撒布于待 监测环境当中，并具有数据收集和将数据发送到用户端( 控制中心) 的功能。在传感 器网络中，网络节点可以同过飞机撤布或人工布置等方式来进行部署，节点通过分布 式算法来相互协调，在无人干涉的情况下，通过自组织方式构成一个无线传感器网络 f 4 】【5 】 o 1 2 1 无线传感器网络的基本结构 因为传感器网络的应用相关性和多样性，研究人员还提出了许多新的基于具体应 用的网络结构形式。无线传感器网络基本结构主要有以下几部分： 1 1 绪论 ( 1 ) 网络用户。它负责从网络中收集各种各样的信息，并加以分析和处理，同 时也可以向网络发出各种各样的命令和操作指令等。 ( 2 ) 传输方式。包括i n t e m e t 或通信卫星等，它是用户与无线传感器网络之间的 桥梁和纽带。 ( 3 ) s i n k 节点。是无线传感器网络中信息传输的汇聚点，故也称之为汇聚节点。 s i n k 节点有足够多的能量和无线电功率，可以将从传感器网络中的能量有限的节点上 传来的信息转发到传输到介质上，也可以将用户指令下传到普通节点。 ( 4 ) 传感网络。是传感网络的核心部分，在感知区域中，大量的节点自组成网， 监测、感知信息，并向s i n k 节点发送，或接受来自s i n k 节点的操作命令，改变自身 的工作状态。 图1 1 显示了一种无线传感器的基本结构形式。 豫户 图1 1 无线传感器网络的基本结构图 1 2 3 无线传感器网络的基本特点 无线传感器网络作为一种新型的信息采集智能系统，其应用范围相当广泛。在民 用领域【6 】【7 】【8 】【9 】，传感器网络可用于医疗健康、交通监视和管制、工业生产自动化、生 态环境监测和保护、住宅小区安全监测等方面；在军事领域【1 0 】，网络主要应用于战场 监视、战场侦察、目标定位、识别、跟踪等方面。与传统网络相比，无线传感器网络 2 1 绪论 具有以下几个显著特点【l l 】【1 2 】： ( 1 ) 资源有限性 这主要表现在以下几个方面：电源能量有限。每个节点的电池能量有限，而且 难以补充能量或更换。通信能量有限。表现为传输距离和通信带宽非常有限。传感 器节点的无线通信带宽通常仅为几百k b i t s 的速率，而且环境、气候等自然因素对 传输信号的强度和距离也会产生影响。存储与处理能力有限。传感器节点价格低、 能耗小的特点决定了其存储器容量小以及处理能力薄弱。 ( 2 ) 拓扑结构动态性 引起传感器网络拓扑结构变化的原因主要有以下几个方面：由于能量耗尽等原 因导致传感器节点的失效。节点的位置发生变化或是新节点的加入。网络采用的 节点节能算法，例如节点休眠和路由优化算法等。 ( 3 ) 自组织性 这一方面是由于在许多应用当中，无线传感器网络节点通常随意撒布在人不易到 达或是比较危险的区域，节点的位置不能预先精确设定，节点之间的邻居关系预先也 不知道；另一方面，传感器网络的拓扑动态性。一个具有自组织能力的网络，不仅可 以自动进行网络的配置和管理，自动形成感知和转发数据的多跳网络，而且可以适应 网络拓扑结构的动态变化。 1 2 4 无线传感器网络相关协议 与传统网络t c p i p 协议分层相似，无线传感器网络相关协议由应用层、传输层、 网络层、数据链路层和物理层几部分组成【1 3 e 1 4 1 。下一页图1 2 为无线传感器网络的协 议栈，主要解决低功耗低成本节点之间的通信、节点和系统节能问题等。应用层主要 解决定位、数据管理、时间同步和通信安全等问题，并提供低开销、低成本及动态可 扩展的核心服务。应用部分是节点和网络的服务接口，它面向应用提供了一套通用的 服务接口，面向专用系统提供不同的专用服务。应用支持部分需要解决软实时动态资 源分配、多节点协调控制及安全等问题。传输层负责数据流的传输控制，对通信的服 务质量( q u a l i t yo fs e r v i c e ，q o s ) 有重要的影响。数据链路层协议用于建立可靠的点 到点或点到多点通信链路，负责数据流的多路复用、数据帧检测、媒体介入和差错控 3 l 绪论 制，以保证无线传感器网络中节点之间的链接，链路层协议主要由媒体介质访问控制 ( m a c ) 协议构成，m a c 协议主要用于在传感器节点间有效地共享通信媒介，并进 行通信的差错控制。 定位 数据管理 p 坠l l j 后 i l 时间同步安全管理 j 传输层 传输协议 网络层 路由协议 数据链路层 媒体接入控制 物理层圆圈回 图1 2 传感器网络协议栈 1 2 5 传感器网络发展历史、现状与趋势 对无线传感器网络的研究最早是来自美国国防需求。1 9 7 8 年，美国d a r p a 在卡 内基梅隆大学成立了分布式无线传感器网络课题研究小组，走出了传感器网络研究 的第一步。之后，国外的许多高校和研究机构也相继开始投入到这一新兴领域进行研 究，如美国加州大学b e r k e l e y 分校，麻省理工学院等。2 0 0 2 年，美国i n t e r l 公司 发布了“基于微型传感器网络的新型计算发展计划 ，开始了“s m a r td u s t ( 智能微尘) 的研究。 2 0 0 2 年夏，“i n s i t u 研究小组在大鸭岛部署了4 3 个m o t e 节点组成的传感器网络。 节点运行t i n y o s 操作系统，分别使用光敏感、数字温度以及压力传感器对海燕巢的 环境进行监测，使用低能耗的被动红外线传感器监测海燕巢的使用情况，评价了一种 海燕巢的条件，整个研究取得了比较满意的结果。 2 0 0 4 年3 月英特尔公司演示了家庭护理的无线传感器网络系统。该系统通过鞋、 家具和家用电器等家居用品和设备中嵌入半导体传感器，利用无线通信将各传感器联 4 l 绪论 网，高效传递必要的信息，从而方便老龄人士、阿尔茨海默病患者以及残障人士接受 护理。 目前，国际上对无线传感器网络进行了大量的研究，比较著名的研究机构和成果 主要有： 美国佐治亚理工学院，研究了无线传感器网络的传输层、网络层、数据连接层、 物理层和任务管理调度等问题。 麻省理工学院，研究无线传感器网络的数据管理和自适应的通信构架。 美国加州大伯克利分校，研究传感器网络的体系结构和安全的通信协议、操作系 统和数据管理等，提出并设计了s m a r td u s t 、t i n y o s 以及t i n y d b 等。这是目前最活 跃的无线传感器网络研究团队。 美国信息科学研究所，研究高度分布和动态重构的无线传感器网络中的可伸缩协 同体系结构和网络服务a p i 。 康奈尔大学，提出了无线传感器网络看成是分布式数据库的思想，发表了持续查 询的传感器网络数据管理和获取方式，并给予这种思想，开发了基于嵌入式l i n u x 的 无线传感器网络数据库管理系统c o u g a r 。 哈佛大学，提出了由多个无线传感器网络和多种应用组成的网络系统的基本体系 结构，并实现了一个原型系统h o u r g l a s s 。 国内对无线传感器网络的研究起步较晚，但目前也越来越受到重视。国内的研究 起步较早的有中科院沈阳自动化所，中科院软件所，清华大学，浙江大学，华中科技 大学，哈尔滨工业大学，西北工业大学，黑龙江大学等。在一份我国未来2 0 年预见 技术的调查报告中，在1 5 7 项信息领域技术课题中有7 项是与无线传感器网络直接相 关的。中国国家自然科学基金于2 0 0 3 年开始对无线传感器网络的研究进行了资助， 并于2 0 0 4 年将其列为重点项目立项，而2 0 0 5 年又有两项相关项目列为重点项目立项， 2 0 0 6 年初发布的国家中长期科学与技术发展规划纲要为信息技术定义了3 个前 沿方向，其中有两个是与w s n 的研究直接相关，我国2 0 1 0 年远景规划和“十一五” 规划中将无线传感器网络列为重点发展的产业之一。 无线传感器网络发展的下一个阶段，将着重对网络的群体智能行为和实际应用的 5 1 绪论 研究。目前，这方面的研究相对较少，大量的问题还没有涉及到。未来的研究工作任 重而道远。 1 3 研究目的和意义 目前，无线传感器网络服务质量( q u a l i t yo f s e r v i c e ，q o s ) 测量技术还不成熟， 国外有一些研究成果报道，国内在此领域的研究刚刚开始不久。传感器网络测量技术 的研究对监视网络的运行状况、精确分析和科学评估故障和改进性能等都有十分重要 的作用。由于传感器网络自身规模大、资源有限等特点，传统的面向固定i p 网络的 测量方法，已不适用于传感器网络，所以研究符合传感器网络特点的新型测量模型和 方法就势在必行。本文较深入地研究了无线传感器网络的测量模型和方法，我们的主 要工作是根据无线传感器网络的特点，针对一些重要的q o s 参数指标提出了测量模 型和方法。我们对传感器网络测量的研究结论对无线传感器网络性能的研究有着积极 的借鉴意义。针对当前传感器网络发展面临的挑战，进行传感器网络测量研究的意义 主要体现在： ( 1 ) 传感器网络测量是提供传感器网络服务质量保证的前提条件。 随着w s n 的发展，出现了一些对网络参数指标要求比较敏感的网络应用，这些 应用对网络传输服务质量提出了一组可度量的要求。不同的传感器网络应用对q o s 有着不同的要求，周期性数据收集要求低丢包率和高吞吐量；而实时环境监控业务则 需要低延时。为了满足链路或路径服务质量保证，传感器网络应用必须得到实时的网 络性能来评估当期网络对应用的支持程度。因此，利用传感器网络测量技术，特别是 比较精确的网络性能测量模型和方法可以准确的判断网络的运行情况，从而能够更有 效地实施自适应的q o s 策略，保证网络应用的性能。 ( 2 ) 传感器网络测量是诊断网络运行状况、进行网络管理的重要技术手段。 通过传感器网络测量可以实时获取运行网络相关性能参数，例如网络延迟、包丢 失率和吞吐量等，从而能够及时了解网络运行情况，为有效实施网络管理、重新部署 或改进当前网络结构以及网络资源优化配置提供科学决策依据。 6 1 绪论 1 4 论文的研究内容 本文主要研究了无线传感器网络的数据收集机制、测量模型及方法和实现技术。 具体工作包括： ( 1 ) 研究了无线传感器网络测量的国内外发展现状，对传统疋网络测量进行了 概述，并对一些可供无线传感器网络q o s 测量参考的模型和方法进行了分析； ( 2 ) 分析了无线传感器网络数据收集协议，提出了一种基于树的能量高效的数 据收集协议( e e d c p t b ) ，通过仿真实验分析协议性能： ( 3 ) 提出一种基于主从代理的无线传感器q o s 测量模型，针对各服务质量参数 设计了相应的测量方法，并通过仿真软件对其进行验证。 1 5 论文的组织结构 本文的具体章节安排如下： 第一章通过查阅大量相关方面文献，概括了无线传感器网络的概念、应用领域、 特点、协议栈以及发展现状和趋势，介绍本文的选题背景和意义。 第二章介绍传统网络测量的基本概念及方法，引入无线传感器网络服务质量 ( q o s ) 测量的一些重要性能指标，并介绍了传感器网络q o s 测量的重要性。 第三章提出一种基于树的能量高效的无线传感器网络数据收集协议 ( e e d c p 1 7 3 ) ，通过f l o o d i n g 的方法建立数据收集路由并使用级联定时机制分配数 据融合时机，来达到节省节点能耗的目的；此外，在选择转发节点时，引入节点能量 状态参数，在一定程度上满足能量均衡需求。最后，通过理论分析和仿真实验分别对 e e d c p 协议、t d b c 协议以及泛洪协议性能进行了相关比较，结果表明：e e d c p t b 协议收发总次数更少，网络寿命更长。 第四章介绍了无线传感器网络q o s 测量的参数，提出一种基于主从代理的无线 传感器网络测量模型，分析延时、包丢失率和吞吐量这三个网络测量的重要参数指标， 7 1 绪论 一- 一 并提出三种对应的测量方法。 第五章介绍了一款基于离散事件的o e t + + 网络仿真软件，采用o m n e t 4 0 集 成开发环境对所提出的测量系统进行仿真实验，并用数据分析工具对测量结果进行分 析。 最后，对全文所作的工作做一个总结，并对未来的研究工作做一个展望。 2 1 引言 2 网络测量研究概述 网络测量是通过一些测量工具获取表征网络服务质量( q u a l i t yo fs e r v i c e ) 的参 数和性能指标，并测试或验证这些参数和性能指标的一系列活动的总和。网络测量是 一种收集和分析网络性能的手段，通过收集数据包或数据分组来分析网络中数据的传 输情况，帮助人们准确掌握网络当前运行状态，为建立高效、安全、可靠的网络提供 必要条件，为网络资源的优化配置、性能改进和网络系统维护提供科学依据。目前， 网络测量已逐渐成为网络研究的重点之一。 2 2 网络测量基本概念 2 2 1 网络测量的三个基本要素 ( 1 ) 测量对象。包括链路或路径时延、包丢失率、吞吐量、带宽等； ( 2 ) 测量环境。包括测量点的选取、测量时间的确定、通信链路的类型等； ( 3 ) 测量方法。针对某一具体的网络性能指标，选取合适的测量方法，测量方 法应满足：连续性。被测网络的轻微变化，不会使测量方法失效，表现在采用通用 测量方法，结果变化不大；重现性。同样的网络条件，多次测量结果基本一致； 准确性。测量结果应能够比较真实地反映网络的运行情况。 2 2 2 网络测量的特点 网络规模的复杂性和异构性给性能测量基础设施的建设带来一些难题。主要体现 9 2 网络测量研究概述 在以下两个方面： ( 1 ) 位置分散性：测量用户和目标系统可能分布在网络任意一个位置，用户和 数心之间会跨越多个子网，包括多个采用不同技术的异构网络，即两者之间会有多个 网络节点。 ( 2 ) 业务多样性：现在互联网上业务类型成千上万，新应用层出不穷，应用的 性能评价指标也呈现出多样性和动态变化，而网络性能测量工作都是围绕性能指标展 开的。因此如何能有效对各种业务性能数据进行有效的分析，将决定整个测量系统的 可用行以及可扩张性。 2 3 网络测量方法 网络测量方法是记录和估算网络性能特征的一种技术，它涉及到许多方面内容， 网络测量方法有多种分类标准【1 6 1 。根据测量方式的不同，分为主动测量和被动测量； 根据测量节点数目的不同，分为单点测量和多点测量；根据测量层次的不同，分为网 络层测量和应用层测量；根据测量内容的不同，分为性能测量和拓扑测量。 2 3 1 主动测量和被动测量 主动测量方式通过发送测量探测包和分析响应数据包来获取网络性能参数指标。 主动测量方式的优点在于灵活方便、可操作性强，不需要多个节点之间的协作，易于 端到端网络性能测量，而且通过主动发送测量探测数据包的方式获取表征网络状况和 网络行为的性能参数，不会因捕获网络中正在传输的数据而对网络用户信息隐私造成 威胁。在研究者进行测量的初期或满足网络用户测量需求时，主动测量是一种快速有 效的方式【l7 】。主动测量应用比较广泛，目前大多数的测量系统都采用主动测量。主动 测量方式缺点是需要向网络发送大量的测量探测包，会影响网络的流量，给网络带来 较大的负荷，进而影响测量结果的准确性。 被动测量方式使用接入网络的探针来记录和统计链路或路径上数据包的网络特 性。被动测量不需要发送测量探测包，也不会产生多余流量占用带宽，对网络影响较 小，可以获得更贴近真实的测量结果。人们常常用被动测量来监测网络数据流，如计 1 0 2 网络测量研究概述 算两个网络节点间的数据包数量来获得网络流量的大小，通过捕获链路上所有数据包 分析网络流量特征。被动测量的缺点是难以掌握端到端的性能，并且进行测量时需要 多方的合作，因此测量范围受限，实现难度较高，较难获取网络性能的全局视图。另 外，被动测量需要捕获和分析用户数据包信息，可能会侵犯用户隐私，影响网络的安 全。 以上两种测量方式各有其优缺点，而且对于不同的性能指标来说，两种测量方式 都有其各自的作用。在实际应用中，要综合考虑测量具体需求，将这两种测量方式相 结合应用。 2 3 2 单点测量和多点测量 根据测量节点数目的不同，可将测量方法分为单点测量和多点测量两种。研究初 期，网络测量大部分都是采用单点测量，但是由于其测量能力有限，收集的数据不够 完整，多点测量开始应用而生。目前，网络测量基本上都采用分布式多点协同测量， 要求在网络的多个点上进行协同工作，利用多个监测点获取数据。例如，对于大规模 网络通信流量的测量，可以考虑在多点进行监测，以收集数据在该网络上传输的详细 信息。单点非协作测量具有相当强的网络探测能力，非协作式的测量主要采用单点测 暑【1 8 】【1 9 】 里o 2 4 无线传感器网络的q o s 支持 与传统端到端的多媒体应用不同，无线传感器网络非端对端应用对网络提出了新 的q o s 的要求【2 0 】【2 1 1 。独特的传感器网络特征对网络q o s 提出了前所未有的挑战。相 对传感器网络的许多重要技术，如层次结构、协议设计、节点节能、节点定位、数据 聚合都已经有了进展，而传感器网络中的q o s 技术仍然有待于深入研究，这是因为 传感器网络与传统的网络有很大不同。 传统数据网络中的q o s 需求主要来自日益普及的端到端多媒体应用，在这些应 用中带宽严重不足。研究人员通过在不同的协议层采用大量的最大化利用带宽的机制 和算法，达到端到端q o s 支持。在网络应用领域，q o s 通常被认为是一种给网络提 1 1 2 网络测量研究概述 供给用户或应用的服务质量度量。r f c 2 3 8 6 将网络q o s 描述如下：在将信息包从信 息源传送到目的地过程中，一系列需要满足的服务要求。在这种场景，q o s 被定义为： 通过i n t e m e t 提供一系列可测量端到端的服务而达成的保障，服务测量包括延时、包 丢失率、吞吐量等。为了达到这个目标，需要分析应用需求和采用网络q o s 机制。 但是，传感器网络中的q o s 要求可能是不同的，传统的端对端的q o s 参数不足以描 述这些需求，在传感器网络应用中需要一些新的q o s 参数来有效地衡量网络数据的 传输。通过这些新的参数，网络设计者可以寻找能够采用q o s 的机制，为这些应用 提供q o s 支持。 文章q o ss u p p o r ti nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ：as u r v e y ) ) 【2 2 】对传感器网络的q o s 支持研究进行了总结，并将当前的w s n s 中的q o s 分为三类：传统端到端q o s 、可 靠性保证和应用相关q o s 。目前对传感器网络传输q o s 研究中，人们比较关心的q o s 参数主要包括：延时、丢包率和吞吐量等几个参数。 1 延时是网络性能测量中一个十分重要的指标，在网络层、应用层以及传输层 的不同应用中，时延都成为考察网络性能的重要参数，它是评估网络性能的重要参数 之一。对不同的应用业务，时延的重要性和考察重点也有不同，时延一般由介质访问 时延、传播时延、传输时延和排队时延等4 部分组成。 2 网络丢包率是指在特定时间间隔内，从目标节点到源节点之间进行数据传输 过程中，丢失的数据包数量占总发送数据包数量的百分比。在网络数据传输过程当中 要尽力而为地转发数据包，但也可以根据即时情况而将一些数据包丢弃，需要可靠数 据包传输的业务。 3 带宽是指在一定时间段内对网络数据流量的度量，作为计算机网络中的一种 宝贵资源，对其进行测量的重要性和意义已是不言而喻，准确地估测网络带宽对于有 效利用网络带宽从而提高网络服务质量非常重要。根据对带宽指标体系的说明，可以 将带宽测量分为链路带宽、瓶颈带宽和可用带宽的测量。 1 2 2 网络测量研究概述 2 5 本章小结 本章首先介绍了网络测量的一些基本概念以及特点，进而讨论分析主动测量、被 动测量、单点测量和多点测量这几种常见的测量方法的优缺点，然后引入了传统网络 服务质量( q o s ) 和性能指标，并简要介绍了无线传感器网络q o s 支持及一些重要参 数。 1 3 3 1 引言 3 无线传感器网络数据收集协议研究 无线传感器网络测量工作是在获取一定测量数据的前提下进行的，传感器网络 中，数据收集与路由协议密切相关，路由协议2 3 】【2 4 1 的任务就是在传感器节点和s i n k 节点之间按照一定规则建立路由，可靠传输数据，而且考虑到在传感器网络中，通信 的代价往往比计算代价要高几个量级【2 5 1 ，所以在数据收集过程中为了尽量减少数据传 输的次数，采用数据融合技术【2 6 】【2 7 1 。路由协议和数据融合作为传感器网络测量的两 种关键支撑技术，对他们的研究有助于我们对传感器网络q o s 测量技术的探索。本 章主要是对传感器网络的路由协议和数据融合机制进行了研究，并在t b d c s ( t r e