CN111447645B

CN111447645B - 无线传感器网络场景下一种实时感知网络状态的方法

Info

Publication number: CN111447645B
Application number: CN202010168313.3A
Authority: CN
Inventors: 薛依琪; 徐晓斌; 赵辉
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2020-03-11
Filing date: 2020-03-11
Publication date: 2022-10-11
Anticipated expiration: 2040-03-11
Also published as: CN111447645A

Abstract

本发明涉及一种无线传感器网络场景下一种实时感知网络状态的方法，用于解决现有的无线传感器网络无法同时将数据和网络状态实时传输到汇聚节点的问题。首先根据现有的网络拓扑图生成一个静态的链路连接图，采用邻接矩阵表示法生成一个初始化的链路状态信息表；然后将内容数据域和更新后的消息头整合拼接起来发送给下一跳，直到到达SINK汇聚节点；更新网络链路状态信息表，进行全网状态感知。本发明在无线传感器网络场景下将数据与相应链路的网络状态进行绑定传输，最终生成一个实时更新的全局网络链路状态信息表，实现全网状态可视化。

Description

无线传感器网络场景下一种实时感知网络状态的方法

技术领域

本发明属于电子信息技术领域，具体涉及无线传感器网络场景下一种实时感知网络状态的方法

背景技术

传统物联网的基本构架包括三个层次:一是信息感知层，由检测区域的传感器感知节点来感知目标因子，将所有采集到的信息发送给汇聚节点，汇聚节点接收传感器采集的信息并转换为数字信息发送到互联网上；二是应用管理层，管理中心可以接受、存储和分析信息感知层获取的数据，并发出操作指令，实现远程控制；三是信息传输层，以互联网作为桥梁将上述两个层次链接起来实现信息的互通。

本发明主要应用于信息感知层中感知结点将数据发送给汇聚节点的过程。在监测区域基于单片机硬件安装的多个感知节点利用Zig Bee技术组成无线传感网络，数据的采集和传输都以字符为单元，传送数据的同时实时监测网络工作状态信息，所属的网络工作状态信息在本文中指传输时间和节点能量信息。最终将采集到的信息发送至汇聚节点进行处理，形成实时的链路状态信息表。目标是让物联网能够在收集环境数据的同时获取实时网络信息，便于观察各个路径的传输状态，为下一次数据传输的可靠性奠定基础。

在无线传感器网络中,传感器节点将采集到的数据通过多跳自组织的形式先传给汇聚节点,，然后由汇聚节点通过无线或者有线通信传送到互联网上,并最终传给网络另一端的管理中心。

现有的无线传感器网络研究大多对于网络状态的监控比较弱，更关注于数据的传输方法而忽略了网络状态的传输。就算是考虑到了网络状态信息的传输，基本也是通过带外网络遥测(Out-band Network Telemetry，简称ONT)的方式。

ONT是通过监控设备单独发送探测报文，从而收集链路状态信息，这种类似于在网络中部署一套长PING设备，通过PING网络中不同设备和主机，从而判断网络链路是否可达，在网络监控中普遍应用。但是问题在于这种网络探测结果并不准确。原因有三：一是探测报文并不能覆盖所有转发路径和表项，有的网络链路故障不仅仅是一条转发表项出问题，而探测报文只能走一条转发表项，大概率发现不了网络故障；二是探测报文的特征和业务流量不同，PING、TCP，UDP等类型并不能覆盖所有业务流量类型，比如组播业务，各种隧道封装业务，视频大包业务等，简单地周期性发一些探测报文并不是完全发现具体业务问题；三是报文探测报文虽少，但仍会占用少量带宽，造成网络带宽的一些浪费，探测报文的优先级和多业务类型的优先级也不尽相同，这样走的优先队列通道也不同，从而很难发现所有优先级队列里的网络问题；四是探测报文是独立于数据传输之外的，双方走的通道不同，传输到汇聚节点的时间不同，很有可能造成消息时延，无法实时的进行网络状态的统计传输。

发明内容

本发明针对现有的无线传感器网络无法同时将数据和网络状态实时传输到汇聚节点的问题，提出一种在无线传感器网络场景下能够将数据与相应链路的网络状态进行绑定传输，从而进行实时感知网络状态的一种方法，最终生成一个实时更新的全局网络链路状态信息表，实现全网状态可视化。具体技术内容如下：

(一)初始化链路状态信息表

首先根据现有的网络拓扑图生成一个静态的链路连接图，采用邻接矩阵表示法生成一个初始化的链路状态信息表。假如有n个节点，那么就建立一个n*n的矩阵G[n][n]。当i≠j，如果第i个点与第j个点可以进行通信，G[i][j]的权值表示i节点到j节点的通信时间，初始化状态下，在矩阵中设定为G[i][j]＝-1；如果第i个点与第j个点没有传输通道，设定G[i][j]＝0；当i＝j时，G[i][j]表示对应节点的剩余节点能量，初始化状态下设定G[i][j]＝100。

根据图2所示的节点之间的通信路线，初始化的链路状态信息矩阵可以表示为表1：

表1

(二)进行传送数据的同时传输网络工作状态信息

消息结构

本发明给每一个消息报文分为两部分：第一部分是可变长头部HMES，主要用以感知实时网络信息；第二部分是数据段DATA，主要用以传输环境数据。header标识标记头部的开始，完整的消息报文格式如表2所示：

header

可变长头部HMES

数据段DATA

表2

可变长头部HMES中包括：消息头长度Length，跳转次数TTL，网络状态数据INTDATA。Length用来标识消息头范围，占1个字符；TTL标示数据包在网络中转发的跳数，占1个字符；INTDATA存储实时网络信息，根据跳数可变长度。可变长头部HMES格式如表3：

Length

TTL

INTDATA

表3

网络状态数据INTDATA为可变长度，每经过一跳长度增加一个单元(6个字符)每个单元包括：经过的上一个通讯节点LAST，占1个字符；上一个通讯节点剩余的能量，占1个字符；消息报文抵达的时间RETIME，占2个字符；消息报文发送出的时间POTIME，占2个字符。网络状态数据INTDATA的单元格式如表4：

LAST

REST

RETIME

POTIME

表4

下文中的网络状态数据用INT1，INT2....简称，整体消息结构如图5。

消息处理机制

每一个通信节点维护一个队列，用链表方式来实现，队列里面存储的是需要传递的消息报文，每个报文包括三个部分：一个是消息头，一个是存储消息内容的数据域，另一个是存储下一个报文地址的指针域。当新的消息报文传递过来的时候，可以根据不同的消息优先级插入消息报文，再按队列先进先出的顺序将各个报文发送给对应的目的节点。通过微控制器来实现，在单片机的控制下进行有序的传输。

第一步：接收。消息报文从源感知节点发出，被转发至下一台路径上的设备，下一台路径的设备逐个字符接收消息。

第二步：存储与添加。根据消息头长度信息将消息头与消息体分别存储：为了避免多余的能耗，消息体中的原有内容数据域保持不变，按照消息头的长度将消息头的部分拆出来进行下一步更新处理。每经过一跳都要更新消息头的长度，跳转次数和网络状态。消息头的长度从1开始，每经过一跳就大小增加6(网络状态数据长度)。跳转次数从0开始，每经过一跳就加1，当跳转次数到达16但是还未到达目的地，则丢弃该报文。在之前的网络状态数据之后添加报文在本节点传输的新的网络状态数据，记录时间，路径，顺序情况。

第三步：转发。发出前将内容数据域和消息头整合拼接起来发送给下一跳，如图3所示。

需要说明的是，虽然为每个消息报文都设计了一个定制的头格式，但是网络设备仍然可以转发这些探测包，因为这个网络是支持协议无关的转发的。

(三)更新网络链路状态信息

利用这样的处理方法不断传输消息报文直到最后一个目的节点，将消息头发送给SINK汇聚节点。最后设置一个处理中心SINK节点作为监控服务器：根据消息头长度信息将网络状态信息和数据包拆开。整合收集所有的消息报文最后一跳时的消息头，通过时间戳可以计算得到数据从抵达到发出用了多长的时间，同时可以观察到每个节点的剩余能量，对比记录的节点路径，从而收集网络状态。每收到一条就更新一次，每次汇聚节点收到消息都进行一次链路状态信息表的更新，这样实时性推送网络设备的各种运行状态给监控服务器，监控服务器就获得了实时的网络链路状态信息，更新全局链路状态信息矩阵，进行全网流量感知。当i≠j时G[i][j]的权值表示i节点到j节点的通信时间，当i＝j时，G[i][j]表示对应节点的剩余节点能量。

有益效果

本发明能够实现全网状态可视化，帮助使用者实时快速的监测全局网络链路状态信息。

附图说明

图1、传统物联网的基本构架示意图；

图2、节点之间的通信路线示意图；

图3、消息报文更新示意图；

图4、监测区域网络示意图；

图5、整体消息结构图。

具体实施方式

在本实例中设定传感器监测环境信息，具体采用一套基于ZigBee技术的环境监控系统，选择温湿度传感器完成桑园环境信息的采集，选用单片机作为感知节点控制器的处理单元。由于受低功率的限制，传感器之间的通信只能是短距离的通信。因此，无线传感器网络通常是高密度多跳自组织的网络

此时感知节点要将环境信息报文和网络信息从A节点传输给B节点然后传输到C节点，最后转发到SINK节点，如图4所示。

从A节点发出给B节点，该报文排在A通讯节点消息队列的第一位，A节点发出该报文的时间为12：00，A节点发出时的剩余能量为90，A节点发出的消息如表5所示：

表5

(2)经过一跳之后报文到达B节点，根据消息头长度信息将消息头与消息体分别存储。B节点收到该报文的时间为12:03，等待队列中的前三个报文发送完毕后，轮到该报文发出的时间为12：08，B节点发出时的剩余能量为80，更新消息头，在之前的网络状态数据之后添加报文在本节点传输的新的网络状态数据，消息头如表6所示。

表6

B节点发出前将内容数据域和消息头整合拼接起来发送给下一跳。发送给C节点的完整消息如表7所示：

表7

(3)经过一跳报文从B节点传输给C节点(目的节点)，C节点根据消息头长度信息将消息头与消息体分别存储。C节点收到该报文的时间为12:10，等待队列中的前一个报文发送完毕后，轮到该报文发出的时间为12：12，C节点发出消息时的剩余能量为40，更新消息头，在之前的网络状态数据之后添加报文在本节点传输的新的网络状态数据，消息头如表8所示：

表8

(4)C节点再将内容数据域和消息头整合拼接起来发送给SINK节点。SINK节点收到报文的时间是12：13.发送给SINK节点的完整消息如表9所示：

表9

(三)更新全局网络链路状态信息表

最后SINK汇聚节点进行处理分析：根据消息头长度信息将消息头和消息体数据分别拆出来，从数据包头分析获取实时网络信息。

本例可以算出消息从A到B传输用时3分钟，A剩余能量90；B到C传输用时2分钟，B剩余能量80；C到sink节点传输用时1分钟；C剩余能量40，一次传输之后更新的网络链路状态信息矩阵进行更新，如表10所示。

表10

通过实时的对数据链路状态进行监测，可以帮助后续快速了解网络哪里出现问题，进行最优路径选择等。

Claims

1.无线传感器网络场景下一种实时感知网络状态的方法，其特征在于：

基于消息结构，

所述的消息结构具体如下：每一个消息报文分为两部分：第一部分是可变长头部HMES，主要用以感知实时网络信息；第二部分是数据段DATA，主要用以传输环境数据；其中，第一部分可变长头部HMES中包括：消息头长度Length，用于标识消息头范围；跳转次数TTL，用于标识数据包在网络中转发的跳数；网络状态数据INTDATA，用于存储实时网络信息，每经过一跳长度增加一个单元，每个单元包括：经过的上一个通讯节点LAST，上一个通讯节点剩余的能量；消息报文抵达的时间RETIME；消息报文发送出的时间POTIME；

并包括以下步骤：

步骤1、构建网络链路状态信息表，并初始化

根据现有的网络拓扑图生成一个静态的链路连接图，采用邻接矩阵表示法生成一个初始化的链路状态信息表，即建立一个n*n的矩阵G[n][n]，n表示节点总数，当i≠j，如果第i个点与第j个点可以进行通信，则G[i][j]的权值表示i节点到j节点的通信时间；当i＝j时，G[i][j]表示对应节点的剩余节点能量；

步骤2、进行传送数据的同时传输网络工作状态信息，具体传送过程如下：

第一步、接收

消息报文从源感知节点发出，被转发至下一台路径上的设备，下一台路径的设备逐个字符接收消息；

第二步、存储与添加

根据消息头长度信息将消息头与消息体分别存储：消息体中的原有内容数据域保持不变，按照消息头的长度将消息头的部分拆出来进行下一步更新处理，即每经过一跳都要更新消息头的长度，跳转次数和网络状态，其中，消息头的长度的更新指消息头的长度从1开始，每经过一跳就大小增加网络状态数据长度，跳转次数更新指跳转次数从0开始，每经过一跳就加1，网络状态更新指在之前的网络状态数据之后添加报文在本节点传输的新的网络状态数据；

第三步：转发：发出前将内容数据域和更新后的消息头整合拼接起来发送给下一跳，直到到达SINK汇聚节点；

步骤3、更新网络链路状态信息表，进行全网状态感知；

通过上述步骤不断传输消息报文直到最后一个目的节点，将消息头发送给SINK汇聚节点，根据消息头长度信息将网络状态数据INTDATA和数据段DATA拆开；整合收集所有的消息报文最后一跳时的消息头，通过时间戳计算得到数据从一个节点到达下一节点的时间，以及每个节点的剩余能量，实时更新网络链路状态信息表；实时推送网络设备的各种运行状态给监控服务器，监控服务器就获得了实时的网络链路状态信息，进行全网流量感知。

2.根据权利要求1所述的无线传感器网络场景下一种实时感知网络状态的方法，其特征在于：步骤1所述的网络链路状态信息表，初始化状态下，当i≠j，如果第i个点与第j个点可以进行通信，在矩阵中设定为G[i][j]＝-1；如果第i个点与第j个点没有传输通道，设定G[i][j]＝0；当i＝j时，G[i][j]＝100。