李长英，郑永猛，谷玉奎

(1.山东省鲁南工程技术研究院管理中心，山东 济宁 272000;2.中国联合网络通信有限公司济宁市分公司，山东 济宁 272000;3.济宁技师学院，山东 济宁 272000)

0 引言

在移动网络的快速发展背景下，宽覆盖、高吞吐量和强大的移动终端使得面向数据的移动应用和个性化的服务成为可能。然而移动通信网络是分层组织并由其运营商严格控制，个人移动用户难以直接为他人提供服务。智能终端的发展使得每个移动用户成为潜在的信息源(如报告当前某条大街的交通拥塞状况)。

另一方面，Peer-to-Peer(P2P)服务自 Napster［1］发布以来，越来越多的P2P软件验证了P2P计算的巨大 成 功，如 Gnutella［2］，Freenet［3］，OceanStore［4］，Groove［5］等。当今，P2P计算已经超过Web应用成为占据带宽最多的应用。事实上，P2P技术是一种理想的组网技术，因为它支持设备间简单地一对一通信和海量资源的分布式搜索等特点。采用移动基础设施作为其覆盖网的P2P体系结构同样可以利用这些特征，如医生可以远程监测病人的生理数据，该机制给病人带来极大方便，同时医生也能更好地了解病人的当前状况［6］。

然而，通信和终端能力都处于约束状态的移动环境毕竟不同于传统固定网络。这使得将P2P从传统网络迁移到移动网络面临诸多挑战。Krco等人［7］寻找同时满足P2P网络和移动环境的方式，通过扩充JXTA［8］来适应 GPRS，WCDMA 中的广域无线技术中的移动性和局限。本文以他们的工作为基础，基于主流P2P协议，并按照结构化的P2P协议给出一个分层移动P2P网络体系结构。在该结构中，代表无线传感器网络的网关节点以P2P方式提供服务。P2P概念呈现了在传统网络中广泛使用的组网概念，当用户需要某种服务时，则向P2P网络注入查询消息并在其中进行广播;如果任何传感器网络提供所需服务，则P2P网络返回一个响应。如果用户想要使用特定的服务，则他们唯一需要做的就是搜索可用网络。

1 背景

1.1 移动传感器网络

无线传感器网络由大量具有感知能力，能够进行简单数据处理任务和能够与其他类型设备进行通信的微型设备组成。本文关注移动、小规模的无线传感器网络。与大规模传感器网络不同，这种网络不需要复杂的自组织、路由和其他算法，因而更容易部署。这种网络由少量节点和一个连接到移动网络的网关节点构成。人们可以将组成网络的节点穿在身上，放在口袋里，嵌入汽车、房屋和路灯柱上。可能应用的例子包括提供远程医疗服务、监测车辆状态、寻找空闲停车位等。有些网络仅提供网络所有者私用信息，有些网络给兴趣用户提供公共服务。这些用户依赖他们当前的需求与特定网络交互。而且，通过节点的移动适时覆盖不同的区域，移动性提供了用少量节点监测更大地理区域的潜能。对某种特定的传感任务，传感器节点可能非常昂贵，或者传感器节点的数目太多以至于静态部署和维护过于繁琐，类似于这些场合，该方法优势明显。

1.2 P2P 技术

一般地，术语“P2P”指采用分布的资源以分布式方式进行工作的一类系统和应用。资源包括计算能力、数据、网络带宽等。P2P网络中的参与者可以同时充当服务器和客户机，它们可以被其他节点直接访问而无需经过中间实体。当前主流的P2P技术使用非结构化的和结构化的覆盖网。基于分布式哈希表(DHT)的结构化覆盖网包括 Tapestry［9］、Pastry［10］、Chord［11］和内容可寻址网(CAN)［12］。

P2P在不同的上下文具有不同的含义。本文将P2P定义为使应用逻辑分布变得更加广泛且推到网络边缘的分布式软件体系结构。本文利用调整的JXTA技术把它扩充到移动网络中。简而言之，JXTA隐藏了潜在协议，在IP或非IP网络上建立了一个虚拟的网络。

2 基于P2P平台的WSNs

2.1 移动P2P平台

移动网络以分层方式组织并严格由其运营商控制。夏启志等人［13］提出了一种基于索引的结构化P2P网络模型 IS-P2P，Mizrak等人也提出类似思想［14］。本文拟组合非结构化和结构化覆盖网到移动网络，以此作为构建移动P2P网络体系的基础。换句话说，代表传感器网络的移动终端以P2P方式工作需要体系结构的支持。Gerla等人尝试将P2P模型和技术引入到MANETs［15］，Ali等人试图将 P2P的搜索机制用于传感器网络的数据检索［16-17］。这些现有工作验证了基于移动P2P的传感器网络应用的可行性，本文对这一思想作进一步研究。

本文给出一种混合的移动P2P体系结构基于以下原因:非结构化的P2P网络简单，适合移动网络处于动态环境的典型特征，不足之处是需要较高的搜索代价。结构化的P2P网络具有更好的扩展性、自组织性和更快的搜索速率。考虑到移动网络具有稳定的基站，在这一层面上适合采用结构化的设计方式。

图1 分层的移动网络体系结构

图1给出了移动P2P平台的基本体系结构。将网络中的对等节点组织成圆形标识空间。外层环由M个移动终端充当网关节点的普通节点(记为CP)，内层环上的节点为代表移动基站的超级节点(记为SP)。内层环为使用DHT算法的结构化的覆盖图，外层环分割为弧且每个弧分配一个特定的SP。对大规模双环结构，假定内环为Chord结构，则可以得到以下性质:

性质1 高概率的搜索操作至多可以在O(logL)时间执行，L为内层环上的节点数目。

证明:已知在N节点Chord中的搜索时间为O(logN)［11］。对外层环，每个节点负责管理特定的传感节点，采用单跳模式。外层环上的搜索操作需要O(1)时间。如果没有找到数据，则搜索过程进入内层环，需要O(logL)时间。因此搜索操作至多可以在O(logL)时间执行。

由用户发起的信息搜索过程如下:

用户p2发送消息m1请求具有键值约为2.3的数据。局部SP将请求信息与特征表进行匹配，如果SP拥有请求的数值，则以消息m2通知信息源(如p4)构建与请求者之间的通信链路;否则，局部/本地SP查找其缓存发现SP1负责该键值id。以消息m4转发查询请求给SP1，然后SP1在其弧内按照缓存表查找键值id，最终存储目标数据的传感器节点与请求者之间的链路。

从传感器网络角度，该体系结构中共存在3种角色:

(1)传感器节点。每个传感节点执行路由算法，相互协作分发用户查询给相关节点，并向汇点转发来自节点的响应。

(2)网关节点。网关节点负责传感器网络的组织和维护，可由用户移动设备或专门设备充当。

(3)移动用户。服务的需求者和提供者，如由获取或提供交通状况信息的驾驶员充当。他们和网关交互并负责查询和接收请求的服务。

2.2 传感器节点设计和描述

传感器节点是监测一个或多个物理现象、处理收集的数据以及与其他节点或用户控制单元进行通信的智能微设备。原则上，传感设备由一个或多个传感器、一个短范围无线接口、一个微处理器和一个存储单元构成。其体系结构如图2所示。

图2 智能节点体系结构

由传感节点收集的数据通过微处理器处理，暂时存于存储单元。按照定义的规则周期性地或通过事件触发(如测量值大于预定义阈值)转发给网关或汇点。微处理器运行核心系统软件上用户定义的应用。每个节点的特征和功能性通过传感器配置文件进行描述，在系统中具有重要作用。一个传感器配置文件和系统中的节点相关联，它定义了一个节点的特征及其在系统中的角色。传感器配置文件是一种弹性的适用于特定用户和应用需求的XML结构。包含2部分:attributeProfile和dataProfile。

(1)attributeProfile。描述基本的传感器特征，如节点类型、位置、制造商、精度、量程等。

(2)dataProfile。描述传感器产生的数据格式，如整数或浮点数、单个数或数的序列、一个量用多少字节表示等。

本文给出一个描述交通流量状态的传感器配置文件的例子。由ABC公司生产的位于001大街的节点的配置文件可表示如下:

2.3 网关节点设计

随着科学技术的发展，越来越多的传感器网络可由所有者随身携带，实现网关功能的最合适平台是移动电话或PDA设备。其尺寸、功能、数据处理能力和普遍性使得它们成为绝佳平台，如移动电话可以收集来自嵌入到汽车中节点的信息。

网关节点是传感器网络的中心节点，它负责网络的建立和维护，是网络的唯一访问点。它通常不参与传感任务，为专门的控制节点，负责与用户通信及数据收集和处理。网关节点有较强的数据处理能力，而普通节点只负责传感数据，从而有助于构建简单、廉价的体系结构。用户使用数据查询从节点中请求数据。网关节点将用户对特定数据的请求注入到传感器网络，以及收集传感器响应并传递给用户。网络中的冗余节点从不同角度检测同一现象，因而可以对数据进行汇聚以提供精确可靠的结果。由于需要将用户查询的目标数据发送给所有相关的节点，设计中取代广播技术使用基于属性的路由协议。每个查询使用属性描述用户兴趣数据，基于描述路由协议转发数据给所有能够提供请求信息的节点。除了这些基本功能，网关还提供诸如用户身份验证、用户权限等安全性的解决方案。假定存在服务和SIM卡的绑定，SIM卡用来完成对如移动电话等便携设备身份验证。这使得服务独立于特定的设备，因而得到了一个安全和统一的管理解决方案。

2.4 服务发现与提供

传感器网络利用基于属性的概念来建立通信路由。网关提供可用传感器和数据的描述，而不提供传感器节点地址或其他任何实现细节给用户。用户可用提供的描述来描述兴趣数据。网关节点负责发送描述数据的请求给网络中相关的传感器。这些相关节点产生的响应由网关节点收集并作为一个完整的回复转发给用户。

图3 服务提供和服务查询流程图

图3(a)给出了由网关节点处理的服务提供流程。网关节点初始化后，首先建立网络中节点的通信链路，网关节点使用GetSensorList消息请求传感器配置文件的传输。无线传感器在Get Sensor List Response消息中发送其配置文件，所有的配置信息被收集并组成一个特征列表。当连通性可用时，这些配置信息被注册到SP数据库中。GetSensorList和GetSensorListResponse消息结构如下:

图3(b)给出了服务查询过程。当移动用户请求某种键值为id的信息，直接发送该请求给本地移动SP。如果移动SP自身包含了该键值id，则返回信息的位置结果并建立它们之间的链接;否则，转发该请求给其他具有相应信息的SP，由其定位目标节点并将结果返回给服务请求者。

假定协作机制在传感器网络和网关内分别完成。通常单个传感器网络由其所有者独立拥有，因而在相同或不同位置存在多个提供相同或类似服务的网络。它们都连接到移动网络上，单个传感器网络及其用户可共享可用信息并基于来自所有可用网络的信息协作以提供更好的服务。如嵌入到汽车中的传感器网络可以提供当前位置的交通流量状况信息，相互协作以覆盖更大的区域;嵌入到路灯柱或建筑物上的空气污染传感器可以协作提供覆盖更大区域;病人携带的私人健康护理传感器网络可以交互来搜索医疗建议或者建立一个治疗特殊疾病心得的支持论坛。

3 讨论

本文提出的体系结构具有良好的弹性，支持多种通信技术、不同节点类型和多种应用。以下以一个嵌入到汽车用来监测交通流量信息的传感器网络为例子，对本方法进行评估。在该体系结构中，无线传感器节点负责收集道路流量信息，无线传感器采用一个简单的8位微处理器。该微处理器要具有足够的处理能力来克服由协议消息解析引起的工作负载。传感节点通过由移动终端充当网关进行管理，为某个用户所拥有的网关节点以P2P方式进行组织。

考虑2个区域A和B。假定处于区域A的用户c1需要打车服务，则c1向网络中发送关于附近空车的查询消息，请求的消息以XML格式表示，配置信息被收集组成一个特征列表，如果附近区域的驾驶员c2具有与请求属性相匹配的相关信息，则进行响应，从而建立从c1到c2的通信链路;否则，本地机制查询缓存检查是否其他基站具有相关值。假定存储于区域B中远程基站的用户c3具有所需的特征信息，当c3查询所需数据，c1和c3之间的通信链路建立。此外，客户c1可响应由c2或c3发送的消息，从而建立相反的查询过程。这表明了每个信息提供者同时也是服务的获取者。

本文体现了通过P2P平台在移动网络上进行无处不在的传感器组网思想。在移动环境中使用JXTA基于服务能力和需要的描述为单个服务提供者和服务用户提供连通性平台。然而，在实践中仍有诸多不足，如与固定网络相比，移动网络的吞吐量相对较低，笔者将在后续工作中加以完善。

4 结束语

为了组合P2P技术和移动网络的优势，本文构建了一种无线传感器网络体系结构。充当移动P2P平台的移动网络提供了新的无处不在的传感器组网，这使得基于P2P技术，P2P网络中的移动设备进行弹性的通信成为可能。本文还讨论了服务平台构建过程中的一般性问题并给出了相应的模式。笔者下一步将关注体系结构效率和性能。

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