摘要：為了實現無線傳感器網絡與移動通信網絡之間的無縫融合的目的，同時作為研究感知系統(tǒng)設計測試一體化平臺的基礎，采用以傳統(tǒng)網絡融合策略為基礎，結合無線傳感網和移動通信網自身的特點，并加入QoS保證和安全機制的方法，提出了融合模型。通過實現驗證了模型的可用性并提出了下一步的研究方向。
關鍵詞：感知系統(tǒng)；傳感網；移動通信網；網路融合模型；質量保證

0 引言
    由于無線傳感網技術和移動通信技術的快速發(fā)展，人們對遠程設備的控制、管理，對遠程信息的獲取、處理的需求逐步得到解決。另一方面，以物理感知、媒體感知、社會感知和信息安全等與感知相關的理論或技術研究成果為基礎，以設計和測試為一體目的的大型系統(tǒng)的設計也有了可能性。無線傳感網技術解決的是信息的獲取和感知問題，而移動通信技術解決的是數據的傳輸與分發(fā)問題，這兩者的無縫融合必然成為未來網絡發(fā)展的方向。因此，研究適用于兩網融合的設備成為了必須解決的問題。與此同時，研究融合模型能夠作為實現感知系統(tǒng)設計測試一體化平臺的基礎。兩網融合模型解決了信息在無線傳感網和移動通信網之間獲取、處理和傳輸的問題，既擴大了無線傳感網的應用范圍，又充分利用了成熟的移動通信網絡，挖掘了潛在的應用和商業(yè)價值。
    目前的研究大多集中在傳統(tǒng)應用場景，以解決傳統(tǒng)的需求為目標。例如，文獻研究了面向網絡管理的SINK節(jié)點模型，提出了較新的CORBA ／SNMP模型；文獻研究了以太網和CAN總線之間的網絡轉換模型，通過分析以太網和CAN總線的網絡模型，給出了Ethernet／CAN模型；文獻研究了基于XML的通用協(xié)議轉換模型，通過引入NETCONF機制并和SNMP結合，實現了比較通用的模型。
    可以看出，現有的研究重點仍然在較傳統(tǒng)的應用領域，而對于無線傳感器網絡和移動通信網之間的融合則鮮有研究。本文在研究傳統(tǒng)融合基礎上，針對無線傳感器網絡和移動通信網絡的特點，提出了一種既能較好滿足兩網融合基本功能，又能體現兩種網絡不同特點的模型——基于無線傳感網與移動通信網的網絡融合模型(Wireless Sensor Network-Mobile Communication Network Model，WSN-MCNM)，同時解決了融合過程中的QoS保障與安全問題。實驗表明，WSN-MCNM模型能夠體現較好的功能性、魯棒性和安全性。

1 相關研究
    自從有了“網絡”這個詞開始，多種多樣的應用逐漸催生了各種各樣的網絡，如電話網、互聯網、廣播網。甚至在互聯網里也分成好幾種適應于不同應用場景的網絡類型。有關不同網絡之間如何融合的研究也成爆炸式的增長。目前的代表性工作主要集中在以下三個方向：
1．1 面向網絡管理的融合模型
    當前的網絡管理領域中主要存在2種傳統(tǒng)的管理協(xié)議和框架，基于TCP／IP層的SNMPv2協(xié)議框架以及基于OSI七層協(xié)議上的CMIP協(xié)議框架。他們各有局限，難以滿足網絡管理領域向綜合、開放、分布式處理和互操作方向發(fā)展的迫切要求。近年來，CORBA分布式對象技術逐漸進入了人們的視線，CORBA的ORB，HOP，IDL特性使分布式對象技術開發(fā)的系統(tǒng)具有結構靈活，軟硬件平臺無關等優(yōu)點，因此能夠適應網絡管理的特點。所以，將CORBA技術和傳統(tǒng)的網絡管理技術結合成為了一種新的網絡管理方式。
    面向網絡管理的融合模型如圖1所示。

1．2 面向網絡轉換的融合模型
    目前，網絡在工業(yè)控制領域得到了廣泛的應用。現場總線，CAN總線等使傳統(tǒng)的工業(yè)制造信息化、智能化，提高了生產效率，極大的豐富了生活物資。另外，以太網以其廉價和開放的特點成為最普及的局域網技術，它是構筑互聯網的基礎。研究將以太網作為信息傳遞的主干網，連接現場總線和其他高級設備的新型網絡結構成為了工業(yè)控制網絡發(fā)展的趨勢。
    Ethernet／CAN網關連接的是2個通信協(xié)議和結構完全不同的網絡。對于Ethernet／CAN網關來說，其工作實際上是對信息重新封裝以使它們能夠被Ethernet或CAN網所讀取。為了完成這項工作，網關必須能運行在OSI模型的幾個層次上。根據網關的功能，網關系統(tǒng)主要由CAN總線接口、協(xié)議處理單元和Ethernet接口三部分組成。協(xié)議處理單元是網關硬件的核心，它的主要部分是通用微處理器，主要完成CAN總線到以太網的協(xié)議轉換。
    面向網絡轉換的融合模型如圖2所示。

1．3 面向協(xié)議轉換的融合模型
    在網絡管理領域，SNMP曾經由于它的簡單性和實用性廣泛應用于網絡管理領域，但是SNMP自身存在著很多缺陷，如靈活性和效率不夠，這樣的缺陷使SNMP不能適應大型異構網絡的需求。與SNMP相比，XML在網絡管理方面有很多優(yōu)勢。首先，XML全面支持基于web的網絡管理，因為XML文檔可以在網絡上方便的使用HTTP協(xié)議傳送；其次，XML將文檔的內容和表示方法分開，更有利于處理復雜的數據，上述這些優(yōu)勢使得XML成為SNMP未來很好的代替品。
    目前，協(xié)議轉換網關的研究吸引了許多專家的注意，而通用協(xié)議轉換更是成為了其中的重點。通用協(xié)議轉換設備可以實現SNMP與非SNMP設備之間的通信，完成XML格式與非XML格式之間的統(tǒng)一轉換。通用協(xié)議轉換模型主要包括XML—SNMP模型和XML—non—SNMP模型兩部分。其中，XML—SNMP模型又分為五個部分：與管理者的通信，XML消息解析，SNMP消息的封裝，與代理的通信和trap處理。
    面向協(xié)議轉換的融合模型如圖3所示。

2 基于無線傳感網與移動通信網的網絡融合模型
    本文的討論基于如下的應用場景：底層網絡是大規(guī)模無線傳感器網絡，高層網絡是先進、成熟的移動通信網絡，如何融合這兩種網絡，使得底層的無線傳感器網絡數據既能可靠、迅速地傳輸，又能保證服務質量要求和安全要求。因此在詳細提出該網絡模型之前，首先討論相關的問題。
2．1 面臨的挑戰(zhàn)
    主要存在以下挑戰(zhàn)：
    (1)無線傳感器網絡的特點是節(jié)點分布廣泛，而且數量眾多，每一個節(jié)點既獨立完成自己的信息搜集、傳輸工作，又需要和附近節(jié)點組成自組織網絡，完成數據的智能管理。這樣的網絡雖然具有智能化、自組織化的優(yōu)點，但是出于成本等方面的考慮，每個節(jié)點的壽命和處理能力必然有限。另外，無線傳感器網絡一般應用于環(huán)境比較惡劣或者數據流動不穩(wěn)定的場景，數據有時會呈現出爆炸式的增長，這樣必然給上層網絡帶來嚴重的網絡負擔，如何讓這些數據都得到有效的處理同時又不丟包是面臨的挑戰(zhàn)之一。
    (2)移動通信網絡已經很成熟的應用于人們的生活之中，從最初的單純的電話通信，到后來可以借助于它實現短信數據傳輸，再后來實現無線互聯網，每一次進步都極大的擴展了移動通信網絡的應用范圍。另一方面，移動通信網和無線傳感器網絡的結合需要研究穩(wěn)定、可靠的通信協(xié)議，研究功能齊全的終端設備等一系列工作。一個好的融合設備不僅需要完成基本的功能，而且需要適應無線傳感器網絡數據來源突變的特點以及移動通信網絡信號隨天氣等環(huán)境變化的特點。這也是面臨其中的一個挑戰(zhàn)。
2．2 WSN-MCNM體系架構
    WSN-MCNM的體系架構如圖4所示。該模型主要包括三個部分：無線傳感器網絡接口模塊，移動通信網絡接口模塊，數據處理與轉換模塊。其中，核心模塊是數據處理與轉換模塊。

2．3 WSN-MCNM模型
    WSN-MCNM模型如圖5所示。該模型既實現了兩個接口之間數據的轉換，又實現了QoS質量保證和安全保障功能。面對底層無線傳感器網絡數據突變的特點，通過建立心跳重傳機制和數據暫存模式，保證了即使出現瞬間大數據量的情況也能保證基本不丟包、不重傳。另外，對于特定的融合協(xié)議，通過實現基本功能集，保證了模型的通用性和可擴展性。在內部實現上，模型采用的是操作系統(tǒng)自帶的進程通信機制——消息隊列。消息隊列的特點是緩沖區(qū)容量較大，結構比較規(guī)范，系統(tǒng)接口較豐富，對于模型設計自由度較高。

    另一方面，由于融合協(xié)議一般包括了對控制字符的處理，如果感知信息中包括了控制字符，那么這些字符很有可能會被上層應用模塊當成控制字符進行處理。如果出現這種情況，則會導致數據包被意外地截斷，出現處理混亂的問題。所以，模型特別增加了字符加密和安全保障模塊。
    模型的工作過程(以數據上行為例)如圖6所示。

2．4 QoS與安全機制
    無線傳感器網絡和移動通信網絡不同于傳統(tǒng)的互聯網，它們面對的場景比較復雜，環(huán)境比較惡劣，任何微小的環(huán)境變化都可能導致數據突變或者信號中斷。針對這種情況，為了保證模型的可用性，需要研究如何提高QoS和安全機制。考慮到模型的通用性和簡潔性，本文使用一種成熟、簡單又能基本解決上述問題的方法——Base64加密技術作為模型的安全機制，如圖7所示。

    安全機制工作流程如下：
    (1)對于感知信息按照位碼的方式，將3個字節(jié)轉換成4個字節(jié)；
    (2)對于轉換之后的編碼，每76個字符加上一個換行符；
    (3)然后對字符再次進行分組；
    (4)最后參照字符轉換表，按照一定的規(guī)則將包含控制字符(不可見字符)的感知信息字節(jié)碼轉換成只含可見字符的字節(jié)碼。
    可以看到，這種方法成功地避開了控制字符陷阱。通過這種安全機制處理之后，感知信息中只含有可見字符，不會被協(xié)議錯當成控制字符處理，只需要在上層應用中使用類似規(guī)則解密即可。

3 實現與分析
    基于該模型，設計并實現了面向感知信息的數據處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括三個部分：
    (1)TCPServer部分
    該部分以TCP／IP方式實現與無線傳感器網絡接口交互功能，其中包含以下三個處理模塊：
    ①void create_msg_queue(void)；創(chuàng)建消息隊列，為接口之間的數據處理做好準備。
    ②void prepare_tcp_connect(void)；創(chuàng)建到無線傳感器網絡的連接。
    ③void do_tcp_seltver(void)；主模塊，實現與無線傳感器網絡的交互。
    (2)UART AT部分
    該部分基于自定義的融合協(xié)議，實現與移動通信網絡接口的數據傳輸功能，其中包含以下四個處理模塊：
    ①void open_msgqueue(void)；打開消息隊列，準備接收數據。
    ②void open_uart(void)；打開到移動通信網絡接口模組的連接。
    ③void set_opt(void)；設備屬性設置。
    ④void do_uart_at(void)；主模塊，實現與移動通信網絡的交互。
    (3)Base64部分
    該部分主要完成QoS服務保證和安全機制。其中包含一個模塊：
    int base64_encode(char*ret，char*data，int dlen)；實現對字節(jié)碼的去控制字符化操作。
    模塊之間調用與實現的流程圖如圖8所示。

    實驗表明，這種模型不僅能夠實現基本功能，也能達到QoS質量保證的要求。

4 結語
    本文針對無線傳感器網絡和移動通信網絡應用環(huán)境，對實現兩網融合的模型進行了研究，提出了一種適應這種應用場景的模型。該模型分為三個部分，核心是數據轉換與處理模塊。除了提供基本的數據轉換功能之外，為了滿足對QoS質量保證和安全機制的要求，提出了一種基于Base64的安全機制。通過實現與分析，該模型實現了上述的功能要求。
    下一步將在這個模型的基礎上研究更多實際的問題：擴充安全機制；實現拓撲管理等。