无线传感器网络与TCPIP网络互联通信技术研究.doc

无线传感器网络WSN(WirelessSensorNetworks)是由大量传感器节点通过无线通信技术组成的自组织网络。WSN具有成本低、功耗低、灵活性高、可扩展等优点[1]，在民用和军事领域都具有广泛的应用前景。特别是WSN接入到Internet已成为全新的研究热点。如果能够将WSN与Internet互联起来，则可以通过Internet远程访问和控制WSN，而且WSN也可以将信息传输给远端感兴趣的用户，不仅实现了网络远程监控、诊断和系统升级的功能，而且也促进了用户端共享更多的网络信息资源。而这也将进一步促进WSN在环境监测、医疗监护、城市交通管理、仓储管理、军事侦察等领域的应用。1无线传感器网络与Internet的互联方案分析无线传感器网络具有以下特点：节点可供开发片上资源(如内存等)不多；部分应用情形下节点数量众多；节点可以静止也可以移动等。因此WSN与Internet的互联技术较之一般的设备连接Internet技术有更多的难点。随着技术的发展，提出了越来越多的方案，这些方案在不同的场合有不同的应用。综合起来可以分为以下几种。(1)通过IPv6进行互联在某些应用中，无线传感器网络应用中所需的节点数量非常多，如果每一个节点都分配一个IP地址，则需要的IP地址数量众多[2]。但实际应用中没有足够的IP资源可用。而IPv6是下一代网络协议，具有地址资源丰富，可以自动配置IP地址等优点，可以满足无线传感器网络节点对IP地址数量大的需求，所以在WSN互联Internet技术中使用IPv6协议成为一个研究方向。但是由于Internet还是基于IPv4的TCP/IP协议，所以采用IPv6的WSN与Internet互联需要进行地址转换[3]，并且目前使用IPv6的WSN还处于实验网阶段。(2)通过GSM/CDMA网络进行互联许多WSN网络应用在偏远区域，那里除了移动通信网络设施外没有其他的通信基础设施，因此在这类区域中WSN互联Internet必须借助于移动通信网。移动通信网覆盖范围广，并且已过渡到3GCDMA网络，都已经能够连接到Internet。因此WSN通过移动通信网很容易连接到Internet。但通过移动通信网互联，要求WSN节点有较强的无线射频发射和接收功率，这将使WSN节点能耗大大增加，需要增加额外的射频硬件或发射天线。且须支持无线通信接口的相关协议。(3)代理服务器结构由于传感器节点片上资源太少，无法在传感器上完整实施与Internet互联的TCP/IP协议，因此在传感器网络与TCP/IP网络之间设置一个代理服务器是比较常用的方法。使用代理服务器的WSN与Internet互联网结构如图1所示。
代理服务器结构的缺点是，如果代理服务器失效，则整个传感器网络都无法接入到Internet。为了避免发生这种情况，可以再使用一个备份代理网关。(4)直接实施TCP/IP协议在传感器网络节点上实施TCP/IP协议，并与Internet直接互联是一种比较理想的方案。网络结构如图2所示。这种方案的优点是不需要通过代理网关就能够实现与Internet无缝连接，减少传输时延。但是考虑到传感器节点自身因素，这种方法大规模实施起来难度很大[5]。主要原因有：①因为TCP/IP协议簇庞大，在传感器无法直接使用TCP/IP协议，只能根据网络互联要求实施实现互联功能的主要部分协议，这要求程序设计人开发出一套简化的TCP/IP协议组件。②部分传感器网络应用于离城市较远的偏僻地区，这些地区没有连接到Internet的基础设施，因此即使传感器网络各节点实施了简化的TCP/IP协议组件，仍没有可连接的Internet接入点。③对于数量众多的WSN网络，每个WSN节点都分配一个IP地址，则地址数量过于庞大，目前的IPv4无法满足要求。④TCP协议是根据有线网络设计的，有线网络极少出现网络差错，数据包的丢失主要是由于网络发生拥塞。而无线网络与有线网络的最大不同是，无线网络极易发生高比特率错误，即由于无线链路的原因可能导致数据包连续丢失，这种情况会使TCP协议无法工作。因此TCP协议直接应用于无线网络，其效率极其低下。
由于上述原因，这种WSN网络与Internet的直接互联目前处于研究起步阶段，诸多问题还有待解决。2本系统采用的方案及设计比较分析上述各种WSN与Internet互联的方案，考虑到传感器的硬件特点，结合目前技术发展的成熟度，本项目采用代理服务器结构来连接Internet，如图1所示。本结构的关键是代理服务器或网关完成的功能及系统设计。本系统中的代理网关主要完成两个功能。一是在传感器网络和Internet之间起协议转换作用。传感器网络中的节点并不直接和外部Internet的主机进行通信，所有节点和外部主机的通信都通过代理网关进行，同时外部主机想要查找某个传