物联网网络管理的重要性分析

出处：qwerty_abc 发布于：2011-07-27 15:03:06

　　引言

　　物联网并不是新的事物。不论称为物联网或者是传感网，物联网的基本组成可以看成为传感器网络接入互联网构成，当然也有仅仅是传感器网络组成的简单的物联网系统。但是总的来说，物联网有许多新的特点，这些特点导致物联网对于其网络的管理有新的要求。因此电信网和互联网传统的网络管理的五大功能，在物联网时代已经感到滞后而难以适应。

　　由于上述原因，物联网的网络管理还是一个新的工作。迄今为止还少有专门针对物联网网络管理的研究和开发。本文一部分是笔者在国家高技术研究发展计划（863计划）和其他项目中对自组织网络的管理、检测和控制方面的研究总结，另一部分是国内外同行们的研究成果的材料整理。因此，本综述包括了物联网网络管理和相关领域同行们的研究成果。

　　1 物联网的网络结构及其特点

　　物联网，是一种传感器网加上互联网的网络结构。传感器网作为末端的信息拾取或者信息馈送网络，是一种可以快速建立，不需要预先存在固定的网络底层构造（infrastructure）的网络体系结构。物联网，特别是传感网中的节点可以动态、频繁地加入或者离开网络，不需要事先通知，也不会中断其他节点间的通信。网络中的节点可以高速移动，从而使节点群快速变化，节点间的链路通断变化频繁。传感器网络这些使用上的特点，导致物联网或者是传感网具有如下几个特点：

　　（1）网络拓扑变化快。

　　这是因为传感器网络密布需要拾取信息的环境之中，独立工作。因为传感器数量大，设计寿命的期望值长，结构简单。但是实际上传感器的寿命受环境的影响较大，失效是常事。

　　传感器的失效，往往造成传感器网络拓扑的变化。

　　这一点特别在复杂和多级的物联网系统中表现突出。

　　（2）传感器网络难以形成网络的节点和中心。

　　传感器网的设计和操作与其他传统的无线网络不同，它基本没有一个固定的中心实体。在标准的蜂窝无线网中，正是靠这些中心实体来实现协调功能，而传感器网络则必须靠分布算法来实现。因此，传统的基于集中的HLR和VLR的移动管理算法，以及基于基站和MSC的媒体接入控制算法，在这里都不再适用。

　　（3）传感器网络的作用距离一般比较短。

　　传感器网络其自身的通信距离一般在几米、几十米的范围。例如射频电子标签RFID中的非接触式IC卡，阅读器和应答器之间的作用距离，密耦合的工作环境是二者贴近，近耦合的工作距离一般小于10mm,疏耦合的工作距离也就在50mm左右。有源的RFID,例如电子自动交费系统ETC,其工作距离在一至数米的范围。

　　（4）传感器网络数据的数量不大。

　　物联网中，传感器网络是前列的信息采集器件或者设备。由于其工作特点，一般是定时、定点、定量的采集数据并且完成向上节点传输。这一点与互联网的工作情况有很大的差距。

　　（5）物联网网络对数据的安全性有一定的要求。

　　这是因为物联网工作时一般少有人介入，完全依赖网络自动采集数据和传输、存储数据，分析数据并且结果和应该采取的措施。如果发生数据的错误，必然引起系统的错误决策和行动。这一点与互联网并不一样。互联网由于使用者具有相当的智能和判断能力，所以在发生网络和数据的安全性受到攻击时，往往可以主动采取措施。

　　（6）网络终端之间的关联性较低。

　　使得节点之间的信息传输很少，终端之间的独立性较大。通常物联网的传感和控制终端工作时通过网络设备或者上节点传输信息。所以，传感器之间信息相关性不大，相对比较独立。

　　（7）网络地址的短缺性导致网络管理的复杂性。

　　众所周知，物联网的各个传感器都应该获得的地址，才能正常的工作。但是，恰恰是IPv4的地址数量即将用完，连互联网上面的地址也已经非常紧张，即将分配完毕。而物联网这样大量使用传感器节点的网络，对于地址的寻求就更加迫切。尽管IPv6就是从这一点出发来考虑的。但是由于IPv6的部署需要考虑到与IPv4的兼容，而巨大的投资并不能立即带来市场的巨大的商机。所以营运商至今对于IPv6的部署一直是小心谨慎。目前还是倾向于采取内部的浮动地址加以解决。这样更加增加了物联网管理技术的复杂性。

　　2 物联网网络管理的内容和管理模型

　　国际电联与ISO（国际标准化组织）合作公布了网络管理的文件X.700,对应的ISO文件为ISO7498-4。对于网络管理。该标准提出系统管理的五个功能域为故障管理、配置管理、计费管理、性能管理和安全管理。在一般情况下，这五个功能域基本上涵盖了网络管理的内容，目前的通信网络、计算机网络基本上都是按照这五个功能域进行管理的。

　　但是，无论对于物联网的接入部分，即传感器网络，还是对于物联网的主干网络部分，这五个功能域显然已经不能全部反映网络管理的实际情况了。这是因为，物联网的接入部分，即传感器网络有许多不同于通信网络和互联网络的地方。例如，物联网的接入节点数量极大，网络结构形式多异，节点的生效和失效频繁，节点的产生和调整往往会改变物联网的拓扑结构；另外，物联网的主干网络在各种形式的网络结构中，也有许多新的特点。这些不同导致传统的五个功能域已经不能全部反映传感器网络和物联网网络的性能和工作情况了，因为物联网和传感器网络的许多新的问题，不仅以上的功能域不能完成管理的任务，甚至连物联网和传感器网络的覆盖都有许多新的情况需要加以解决。这些问题我们可以从物联网和传感器网络的特点加以分析。

　　根据物联网网络管理的需要，物联网网络管理的内容，除普通的互联网和电信网络网络管理的五个方面以外，还应该包括以下几个方面（见图1）：

　　传感器网络中节点的生存、工作管理（包括电源工作情况等等）；传感网的自组织特性和传感网的信息传输；传感网拓扑变化及其管理；自组织网络的多跳和分级管理；自组织网络的业务管理等。

　　对于物联网网络管理的模型，可以出以下三个方面来进行研究：

　　（1）分布式物联网网络管理模型的研究

　　该网络管理模型由网管服务器（networkmanagementsystem,NMS）、分布式网络代理（distributednetworkagen,tDNA）和网管设备组成的，其中DNA是基于自组织的网络监测、管理和控制系统的基本单元，具有网络性能监测与控制、安全接入与管理、业务分类与计费管理等功能，监测并管理各DNA中的网络管理元素。DNA之间是以自组织的方式形成管理网络，按研究制定的通信机制进行通信，在数据库级别上共享网管信息。各DNA定时或在网络管理服务器发送请求时，传递相关的统计信息给网管服务器。如此大大减轻了网管服务器的处理负荷，同样大大减少了管理信息通信量，此外，即使管理站临时失效，也不影响DNA的管理，只是延缓了相互之间的通信。用户还可通过图形化用户接口进行配置管理功能模块，提高用户可感知的QoS。

　　为实现物联网网络监测、管理与控制的模型，须研究适合DNA之间交换信息的通信机制，研究适合于DNA网络的拓扑结构、路由机制、节点定位和搜索机制、节点加入与离开以及邻居节点的发现机制、引入相应的安全和信任机制、以及网络的相对稳定性、恢复弹性和容错能力，以实现分布式管理系统对于DNA网络动态变化的适应能力和鲁棒性。自组织的DNA通信网络平台要监控网络间的通信控制和信息传输，协调网络通信，保证网间数据的可靠安全。除了研究与对等DNA之间的通信模块的设计和实现，同时研究DNA与网管服务器、用户以及与内部功能模块的接口。这些机制和结构之间的关系如图2所示。

　　（2）DNA功能模型的设计及原型实现的研究

　　DNA是本项目所设计的物联网网络监测、管理和控制系统的，是其所在管理群内授权的管理者。根据网管服务器和用户的请求策略配置服务功能，采用轮询机制，对群内各设备进行特定数据采集、提取、过滤分析，监控网络的运行状态，感知群内节点的动态，维护本地数据库，独立地完成对本群的管理工作，能够实现有效的业务分类，并按业务特点进行流量控制与整形，以及合理计费等管理功能，并且维护一个本地的MIB。各DNA应能动态地发现其他的DNA,在数据库级别上共享网管信息，并且并能实现相互间消息发送和传递，完成彼此之间的定位和通信。同时还要负责维护物联网管理网络的正常运行，实时维护DNA节点及备用节点的创建或选择、移动、退出及网络重构。能够实现与用户和NMS的交互和管理策略的制定。除了研究DNA应具备的功能，形成功能模型外，研究并实现DNA结构原型系统。

　　（3）DNA中性能监测和QoS控制功能模型与实现的研究

　　为了评估网络的服务质量以及动态效率从而为网络结构调整优化提供参考依据，物联网网络监测与控制系统的基本功能是连续地收集网络中的资源利用、业务传输及网络效率相关参数，如收集网络路由、网络流量、网络拓扑和业务传输的各测度进行分析汇聚和统计，形成汇聚，同时根据用户和NMS的性能监测管理要求执行监测配置并按此配置进行监测控制，实现统计运算、门限告警、监测并根据监测管理策略设置监测参数。

　　研究物联网网络的拓扑发现。对于不同拓扑结构的物联网网络，由于其搜索算法、网络形成机制、节点加入/离开机制、网络波动程度、网络结构（有分级的和平坦的体系结构形式）等都不尽相同，所以必须按照实际网络特性制定不同的拓扑发现策略和测量方法，实现拓扑测量。

　　（4）物联网网络安全接入与研究

　　由于物联网网络的分散式体系结构、动态路由和拓扑特性，传统的接入、密钥分发和协商机制很难应用，因此必须建立物联网访问控制模型和体系。

　　传统的访问控制策略主要有自主访问控制（DAC）、强制访问控制（MAC）和基于角色的访问控制（RBAC）策略。然而由于物联网网络环境的特殊性，在此环境下，节点之间均无法确认彼此身份；其次，由于用户出于自身考虑，一般不愿意把自己的相关信息提供给对方，虽可采用匿名等方法来实现这种目的，但却增加了访问控制的难度；此外，在物联网网络环境下大量用户频繁进出网络，使得网络的拓扑频繁变化，也给访问控制带来复杂性。

　　建立物联网网络的访问控制策略，首先要建立物联网网络的信任管理模型，在信任模型的基础上给每个节点给出信任权重和可靠度，然后在这个基础上应用相应的访问控制策略。如何建立信任模型，这与网络的环境密切相关，主要是物联网网络的节点可用性、数据源的真实性、节点的匿名性和访问控制等方面的问题。

　　3 物联网网络管理协议和应用

　　总的说来，物联网的网络管理协议还是在TCP/IP协议之下的管理。但是也有许多新的特色。

　　例如，如果物联网的节点处于运动之中，则网络管理需要适应被管理对象的移动性。这一方面，目前使用的MANET（mobileAdhocnetwork）可以给我们一些借鉴。MANET与无线固定网络的不同点在于，MANET的拓扑结构可以快速变化。MANET节点的运动方式会根据承载体的不同有明显差异，包括运动速度、运动方向、加速或减速、运动路径、活动高度等。

　　由于拓扑的快速变化，网络信息（如路由表）寿命可能很短，必须不断更新。为了反映当前网络状况，节点间不得不频繁交换控制信息。而信息的有效时间又很短，部分信息甚至从未使用就已经被丢弃，这使网络的有限带宽资源浪费在信息更新之上。

　　如何节省信息交换，对网络管理提出了新的问题。

　　目前国内外在与物联网相近的网络领域已经有不少研究，并且去的了一些积极的成果。这些研究和成果虽然没有标记是物联网的应用，但是从网络应用和管理的角度来看，应该是适用于物联网网络管理技术的。现在根据我们掌握和了解的部分的资料，稍作整理，目的是供物联网管理技术的人士借鉴，以便开发出更加适用的物联网管理系统，以便推进物联网技术及其应用的发展。更加具体的材料可以参见本文的参考资料。

　　4 结语

　　研究发现，物联网网络管理的内容，要比MANET还要繁杂。但是，可以借鉴它的管理形式，丰富其管理内容，扩大其适用范围。