基于无线传感网与移动通信网的网络融合模型

摘要：为了实现无线传感器网络与移动通信网络之间的无缝融合的目的，同时作为研究感知系统设计测试一体化平台的基础，采用以传统网络融合策略为基础，结合无线传感网和移动通信网自身的特点，并加入QoS保证和安全机制的方法，提出了融合模型。通过实现验证了模型的可用性并提出了下一步的研究方向。
关键词：感知系统；传感网；移动通信网；网路融合模型；质量保证

0 引言
    由于无线传感网技术和移动通信技术的快速发展，人们对远程设备的控制、管理，对远程信息的获取、处理的需求逐步得到解决。另一方面，以物理感知、媒体感知、社会感知和信息安全等与感知相关的理论或技术研究成果为基础，以设计和测试为一体目的的大型系统的设计也有了可能性。无线传感网技术解决的是信息的获取和感知问题，而移动通信技术解决的是数据的传输与分发问题，这两者的无缝融合必然成为未来网络发展的方向。因此，研究适用于两网融合的设备成为了必须解决的问题。与此同时，研究融合模型能够作为实现感知系统设计测试一体化平台的基础。两网融合模型解决了信息在无线传感网和移动通信网之间获取、处理和传输的问题，既扩大了无线传感网的应用范围，又充分利用了成熟的移动通信网络，挖掘了潜在的应用和商业价值。
    目前的研究大多集中在传统应用场景，以解决传统的需求为目标。例如，文献研究了面向网络管理的SINK节点模型，提出了较新的CORBA ／SNMP模型；文献研究了以太网和CAN总线之间的网络转换模型，通过分析以太网和CAN总线的网络模型，给出了Ethernet／CAN模型；文献研究了基于XML的通用协议转换模型，通过引入NETCONF机制并和SNMP结合，实现了比较通用的模型。
    可以看出，现有的研究重点仍然在较传统的应用领域，而对于无线传感器网络和移动通信网之间的融合则鲜有研究。本文在研究传统融合基础上，针对无线传感器网络和移动通信网络的特点，提出了一种既能较好满足两网融合基本功能，又能体现两种网络不同特点的模型——基于无线传感网与移动通信网的网络融合模型(Wireless Sensor Network-Mobile Communication Network Model，WSN-MCNM)，同时解决了融合过程中的QoS保障与安全问题。实验表明，WSN-MCNM模型能够体现较好的功能性、鲁棒性和安全性。

1 相关研究
    自从有了“网络”这个词开始，多种多样的应用逐渐催生了各种各样的网络，如电话网、互联网、广播网。甚至在互联网里也分成好几种适应于不同应用场景的网络类型。有关不同网络之间如何融合的研究也成爆炸式的增长。目前的代表性工作主要集中在以下三个方向：
1．1 面向网络管理的融合模型
    当前的网络管理领域中主要存在2种传统的管理协议和框架，基于TCP／IP层的SNMPv2协议框架以及基于OSI七层协议上的CMIP协议框架。他们各有局限，难以满足网络管理领域向综合、开放、分布式处理和互操作方向发展的迫切要求。近年来，CORBA分布式对象技术逐渐进入了人们的视线，CORBA的ORB，HOP，IDL特性使分布式对象技术开发的系统具有结构灵活，软硬件平台无关等优点，因此能够适应网络管理的特点。所以，将CORBA技术和传统的网络管理技术结合成为了一种新的网络管理方式。
    面向网络管理的融合模型如图1所示。

1．2 面向网络转换的融合模型
    目前，网络在工业控制领域得到了广泛的应用。现场总线，CAN总线等使传统的工业制造信息化、智能化，提高了生产效率，极大的丰富了生活物资。另外，以太网以其廉价和开放的特点成为最普及的局域网技术，它是构筑互联网的基础。研究将以太网作为信息传递的主干网，连接现场总线和其他高级设备的新型网络结构成为了工业控制网络发展的趋势。
    Ethernet／CAN网关连接的是2个通信协议和结构完全不同的网络。对于Ethernet／CAN网关来说，其工作实际上是对信息重新封装以使它们能够被Ethernet或CAN网所读取。为了完成这项工作，网关必须能运行在OSI模型的几个层次上。根据网关的功能，网关系统主要由CAN总线接口、协议处理单元和Ethernet接口三部分组成。协议处理单元是网关硬件的核心，它的主要部分是通用微处理器，主要完成CAN总线到以太网的协议转换。
    面向网络转换的融合模型如图2所示。

1．3 面向协议转换的融合模型
    在网络管理领域，SNMP曾经由于它的简单性和实用性广泛应用于网络管理领域，但是SNMP自身存在着很多缺陷，如灵活性和效率不够，这样的缺陷使SNMP不能适应大型异构网络的需求。与SNMP相比，XML在网络管理方面有很多优势。首先，XML全面支持基于web的网络管理，因为XML文档可以在网络上方便的使用HTTP协议传送；其次，XML将文档的内容和表示方法分开，更有利于处理复杂的数据，上述这些优势使得XML成为SNMP未来很好的代替品。
    目前，协议转换网关的研究吸引了许多专家的注意，而通用协议转换更是成为了其中的重点。通用协议转换设备可以实现SNMP与非SNMP设备之间的通信，完成XML格式与非XML格式之间的统一转换。通用协议转换模型主要包括XML—SNMP模型和XML—non—SNMP模型两部分。其中，XML—SNMP模型又分为五个部分：与管理者的通信，XML消息解析，SNMP消息的封装，与代理的通信和trap处理。
    面向协议转换的融合模型如图3所示。

2 基于无线传感网与移动通信网的网络融合模型
    本文的讨论基于如下的应用场景：底层网络是大规模无线传感器网络，高层网络是先进、成熟的移动通信网络，如何融合这两种网络，使得底层的无线传感器网络数据既能可靠、迅速地传输，又能保证服务质量要求和安全要求。因此在详细提出该网络模型之前，首先讨论相关的问题。
2．1 面临的挑战
    主要存在以下挑战：
    (1)无线传感器网络的特点是节点分布广泛，而且数量众多，每一个节点既独立完成自己的信息搜集、传输工作，又需要和附近节点组成自组织网络，完成数据的智能管理。这样的网络虽然具有智能化、自组织化的优点，但是出于成本等方面的考虑，每个节点的寿命和处理能力必然有限。另外，无线传感器网络一般应用于环境比较恶劣或者数据流动不稳定的场景，数据有时会呈现出爆炸式的增长，这样必然给上层网络带来严重的网络负担，如何让这些数据都得到有效的处理同时又不丢包是面临的挑战之一。
    (2)移动通信网络已经很成熟的应用于人们的生活之中，从最初的单纯的电话通信，到后来可以借助于它实现短信数据传输，再后来实现无线互联网，每一次进步都极大的扩展了移动通信网络的应用范围。另一方面，移动通信网和无线传感器网络的结合需要研究稳定、可靠的通信协议，研究功能齐全的终端设备等一系列工作。一个好的融合设备不仅需要完成基本的功能，而且需要适应无线传感器网络数据来源突变的特点以及移动通信网络信号随天气等环境变化的特点。这也是面临其中的一个挑战。
2．2 WSN-MCNM体系架构
    WSN-MCNM的体系架构如图4所示。该模型主要包括三个部分：无线传感器网络接口模块，移动通信网络接口模块，数据处理与转换模块。其中，核心模块是数据处理与转换模块。

2．3 WSN-MCNM模型
    WSN-MCNM模型如图5所示。该模型既实现了两个接口之间数据的转换，又实现了QoS质量保证和安全保障功能。面对底层无线传感器网络数据突变的特点，通过建立心跳重传机制和数据暂存模式，保证了即使出现瞬间大数据量的情况也能保证基本不丢包、不重传。另外，对于特定的融合协议，通过实现基本功能集，保证了模型的通用性和可扩展性。在内部实现上，模型采用的是操作系统自带的进程通信机制——消息队列。消息队列的特点是缓冲区容量较大，结构比较规范，系统接口较丰富，对于模型设计自由度较高。

    另一方面，由于融合协议一般包括了对控制字符的处理，如果感知信息中包括了控制字符，那么这些字符很有可能会被上层应用模块当成控制字符进行处理。如果出现这种情况，则会导致数据包被意外地截断，出现处理混乱的问题。所以，模型特别增加了字符加密和安全保障模块。
    模型的工作过程(以数据上行为例)如图6所示。

2．4 QoS与安全机制
    无线传感器网络和移动通信网络不同于传统的互联网，它们面对的场景比较复杂，环境比较恶劣，任何微小的环境变化都可能导致数据突变或者信号中断。针对这种情况，为了保证模型的可用性，需要研究如何提高QoS和安全机制。考虑到模型的通用性和简洁性，本文使用一种成熟、简单又能基本解决上述问题的方法——Base64加密技术作为模型的安全机制，如图7所示。

    安全机制工作流程如下：
    (1)对于感知信息按照位码的方式，将3个字节转换成4个字节；
    (2)对于转换之后的编码，每76个字符加上一个换行符；
    (3)然后对字符再次进行分组；
    (4)最后参照字符转换表，按照一定的规则将包含控制字符(不可见字符)的感知信息字节码转换成只含可见字符的字节码。
    可以看到，这种方法成功地避开了控制字符陷阱。通过这种安全机制处理之后，感知信息中只含有可见字符，不会被协议错当成控制字符处理，只需要在上层应用中使用类似规则解密即可。

3 实现与分析
    基于该模型，设计并实现了面向感知信息的数据处理系统。该系统主要包括三个部分：
    (1)TCPServer部分
    该部分以TCP／IP方式实现与无线传感器网络接口交互功能，其中包含以下三个处理模块：
    ①void create_msg_queue(void)；创建消息队列，为接口之间的数据处理做好准备。
    ②void prepare_tcp_connect(void)；创建到无线传感器网络的连接。
    ③void do_tcp_seltver(void)；主模块，实现与无线传感器网络的交互。
    (2)UART AT部分
    该部分基于自定义的融合协议，实现与移动通信网络接口的数据传输功能，其中包含以下四个处理模块：
    ①void open_msgqueue(void)；打开消息队列，准备接收数据。
    ②void open_uart(void)；打开到移动通信网络接口模组的连接。
    ③void set_opt(void)；设备属性设置。
    ④void do_uart_at(void)；主模块，实现与移动通信网络的交互。
    (3)Base64部分
    该部分主要完成QoS服务保证和安全机制。其中包含一个模块：
    int base64_encode(char*ret，char*data，int dlen)；实现对字节码的去控制字符化操作。
    模块之间调用与实现的流程图如图8所示。

    实验表明，这种模型不仅能够实现基本功能，也能达到QoS质量保证的要求。

4 结语
    本文针对无线传感器网络和移动通信网络应用环境，对实现两网融合的模型进行了研究，提出了一种适应这种应用场景的模型。该模型分为三个部分，核心是数据转换与处理模块。除了提供基本的数据转换功能之外，为了满足对QoS质量保证和安全机制的要求，提出了一种基于Base64的安全机制。通过实现与分析，该模型实现了上述的功能要求。
    下一步将在这个模型的基础上研究更多实际的问题：扩充安全机制；实现拓扑管理等。