無線傳感器網(wǎng)絡(luò)故障檢測研究
摘要：針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)資源受限的特點(diǎn)，研究了故障管理的相關(guān)內(nèi)容，主要對故障檢測的幾種常見方法進(jìn)行比較說明，對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。
關(guān)鍵詞：無線傳感器；資源受限；故障管理；故障檢測。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量低成本且具有傳感、數(shù)據(jù)處理和無線通信能力的傳感器節(jié)點(diǎn)通過自組織方式形成的網(wǎng)絡(luò)[1]。它獨(dú)立于基站或移動(dòng)路由器等基礎(chǔ)通信設(shè)施，通過特定的分布式協(xié)議自組織起來形成網(wǎng)絡(luò)。它能夠協(xié)作地實(shí)時(shí)監(jiān)測、感知和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，并對這些信息進(jìn)行處理，使需要這些信息的用戶在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)和任何環(huán)境條件下（尤其是僅適合無線通信條件下）獲取大量詳實(shí)而可靠的信息。因此，這種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以被廣泛地應(yīng)用于國防軍事、國家安全、環(huán)境監(jiān)測、交通管理、醫(yī)療衛(wèi)生、制造業(yè)、反恐抗災(zāi)等領(lǐng)域。
隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用范圍的進(jìn)一步擴(kuò)展，常常被部署在極端環(huán)境來收集外部環(huán)境的數(shù)據(jù)。由于傳感器節(jié)點(diǎn)的電源、存儲(chǔ)和計(jì)算能力有限，并且應(yīng)用環(huán)境惡劣，使得傳感器節(jié)點(diǎn)比傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)更易于失效。在這些情況下維持高質(zhì)量的服務(wù)，并盡可能地降低能源消耗是很有挑戰(zhàn)性的，有效的故障管理對于達(dá)成這些目標(biāo)是有極大幫助的。因此，對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)故障進(jìn)行管理是非常重要的。
1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)故障管理。
當(dāng)網(wǎng)絡(luò)或系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，網(wǎng)絡(luò)故障管理便成為管理員首要用到的工具。因此，故障管理事實(shí)上是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)管理的重中之重。
但遺憾的是，由于網(wǎng)絡(luò)故障涉及到不同廠商，不同類型設(shè)備，涉及復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，涉及不同組織對故障類型的不同定位規(guī)則。
從用戶的角度來說，希望在日常工作和生活中網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營暢通，信息傳輸不受任何網(wǎng)絡(luò)故障干擾。而從網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行和管理者角度來說，他們希望在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營過程中，即使發(fā)生故障，也能很快地得到故障發(fā)生的原因。這些方方面面的因素使得對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)故障管理的研究在近年來發(fā)展比較緩慢。下面參照傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的故障管理，將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的故障管理分為三個(gè)階段：故障檢測、故障診斷和故障恢復(fù)[2]來分別說明。
1） 故障檢測。
為了確定故障的存在，需要收集與網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)相關(guān)的數(shù)據(jù)。一般來說，網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障后，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備將處于不正常的狀態(tài)。通過獲取設(shè)備的狀態(tài)信息，就可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)的故障。收集網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息有兩種方法：設(shè)備向管理系統(tǒng)報(bào)告關(guān)鍵的網(wǎng)絡(luò)事件；由網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)定期地查詢網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的狀態(tài)，即主動(dòng)輪詢。
一般情況下，網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)將這兩種方法結(jié)合起來使用。當(dāng)對網(wǎng)絡(luò)組成部件狀態(tài)進(jìn)行檢測后，不嚴(yán)重的簡單故障通常被記錄在錯(cuò)誤日志中，并不作特別處理。而嚴(yán)重一些的故障則需要通過網(wǎng)絡(luò)管理器，即所謂的“告警”。
網(wǎng)絡(luò)設(shè)備一般都具有感知異常情況的能力，當(dāng)設(shè)備發(fā)現(xiàn)自身或網(wǎng)絡(luò)中的嚴(yán)重不正常現(xiàn)象時(shí)，它采用告警的方式報(bào)告給網(wǎng)管中心，因此，故障檢測一般由網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備完成。
2）故障診斷。
故障會(huì)在網(wǎng)絡(luò)中傳播，論文格式所有感知到故障的網(wǎng)絡(luò)對象（包括物理對象和邏輯對象）都會(huì)發(fā)生告警，在一個(gè)大型網(wǎng)絡(luò)中，一個(gè)故障可能會(huì)引起大量的告警。故障診斷就是對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備發(fā)出的告警進(jìn)行相關(guān)處理，從一大堆的告警中找到故障發(fā)生的真正原因，并找出故障節(jié)點(diǎn)。在網(wǎng)絡(luò)故障診斷中，一個(gè)理想的告警應(yīng)該包含有關(guān)故障的五W 信息（Who、What、Where、When 和why）。由于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對于自身以外的網(wǎng)絡(luò)情況只了解非常有限的知識(shí)，所以網(wǎng)絡(luò)設(shè)備產(chǎn)生的大部分網(wǎng)絡(luò)告警只回答了who、what 和when 三個(gè)問題，而故障診斷要進(jìn)行where 和why 的推理。另外，告警噪聲的存在進(jìn)一步增加了故障診斷的難度，這些告警噪聲包含：告警丟失、延遲、重復(fù)和虛假告警等。
3） 故障恢復(fù)。
故障恢復(fù)的主要目的是根據(jù)識(shí)別的故障原因，自動(dòng)或手動(dòng)地對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制操作，恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行。
2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)故障檢測常見方法按照故障檢測的執(zhí)行主體所處位置的不同，可以將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)故障檢測方法分為集中式方法和分布式方法[3]。
2.1 集中式方法。
集中式方法[3]是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中較為常見的一種方法，一般來說是物理上或邏輯上處于中心位置的節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)控，追蹤失敗節(jié)點(diǎn)或可疑節(jié)點(diǎn)。由于中心節(jié)點(diǎn)要負(fù)責(zé)的事務(wù)較多，通常都讓該節(jié)點(diǎn)不受能量的限制，能夠執(zhí)行大范圍的故障管理事務(wù)。集中式方法的結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要采用周期輪詢的方式來對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管理：中心節(jié)點(diǎn)通常采用周期性主動(dòng)探測的方式發(fā)布一些探測包，來獲取節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)信息，對獲得的信息進(jìn)行分析，從而確定節(jié)點(diǎn)是否失效。
采用集中式網(wǎng)絡(luò)管理，所有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都由一個(gè)管理者進(jìn)行管理。當(dāng)信息流量不大的時(shí)候，集中式網(wǎng)絡(luò)管理簡單且有效，在失效節(jié)點(diǎn)定位方面具有高效和準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，所以它非常適用十小型的局域網(wǎng)絡(luò)。在集中式網(wǎng)絡(luò)管理結(jié)構(gòu)下，管理者作為“客戶”要完成復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)管理任務(wù)，同時(shí)還必須與多個(gè)作為“服務(wù)器”的代理交換信息。這種結(jié)構(gòu)存在著較大的缺陷，主要表現(xiàn)為：
1） 所有的分析和計(jì)算任務(wù)都集中在中心節(jié)點(diǎn)站， 造成網(wǎng)絡(luò)管理的瓶頸，中心節(jié)點(diǎn)負(fù)載過重。由于其余節(jié)點(diǎn)的信息收集后都是發(fā)往中心節(jié)點(diǎn)，因此中心節(jié)點(diǎn)很可能變成一個(gè)專門用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓?jié)點(diǎn)以滿足故障檢測和管理的需要。隨之而來的問題就是中心節(jié)點(diǎn)所在的區(qū)域會(huì)有大量的流量往來，導(dǎo)致該區(qū)域的節(jié)點(diǎn)能量消耗急劇增加，越是靠近中心節(jié)點(diǎn)的越是這樣，如圖1 中的A，B 節(jié)點(diǎn)。
2） 中心節(jié)點(diǎn)站一旦失效，整個(gè)網(wǎng)管系統(tǒng)就崩潰了，這樣導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的可靠性偏低。
3） 集中式結(jié)構(gòu)導(dǎo)致大量的原始數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)上傳輸，帶來了大量額外的通信量，占用大量的通信帶寬，并導(dǎo)致網(wǎng)管系統(tǒng)工作效率降低。
4） 用于監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)并收集數(shù)據(jù)的代理是預(yù)先定義好且功能固定的，一旦要擴(kuò)展新的功能時(shí)十分不便，這樣會(huì)造成系統(tǒng)的可擴(kuò)展性較差。
5） 遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)與管理中心之間的距離較遠(yuǎn)，且傳感器網(wǎng)絡(luò)中采用多跳通信，因此這兩者之間的信息交互時(shí)延過長。
2.2 分布式方法分布式方法支持局部決策的概念，能夠平滑地將故障管理分散到網(wǎng)絡(luò)中去。目標(biāo)是讓節(jié)點(diǎn)在與中心節(jié)點(diǎn)通信前，能夠給出一定層次的決策。在這種思想下，傳感器節(jié)點(diǎn)能做的決策越多，越少的信息將被傳輸給中心節(jié)點(diǎn)，從而減少通信量。其算法流程如右表1。分布式的方法通常分為以下幾種：
1） 節(jié)點(diǎn)自檢測方法。節(jié)點(diǎn)自檢測的方法依賴于節(jié)點(diǎn)自身所包含的功能進(jìn)行故障檢測，并將檢測結(jié)果發(fā)送給管理節(jié)點(diǎn)。文獻(xiàn)[4]中介紹了一種節(jié)點(diǎn)自檢測的方法，通過軟件和硬件的接口檢測物理節(jié)點(diǎn)的失效。硬件接口包含了幾個(gè)靈活的電路用于檢測節(jié)點(diǎn)的方位和碰撞。軟件接口包含了幾個(gè)軟件部件，用于采樣傳感器節(jié)點(diǎn)的讀取行為。由于故障的檢測由節(jié)點(diǎn)本身完成，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是不需要部署額外的軟件或硬件節(jié)點(diǎn)用于故障檢測。
2） 鄰居協(xié)作的方法[5]。顧名思義，鄰居協(xié)作的基本思想就是：在節(jié)點(diǎn)發(fā)出故障告警之前，將節(jié)點(diǎn)獲得的故障信息與鄰居（一跳通信范圍內(nèi)）獲得的故障信息進(jìn)行比較，得到確認(rèn)的情況下才將故障信息發(fā)往管理節(jié)點(diǎn)。在大多數(shù)的情況下，中心節(jié)點(diǎn)并不知道網(wǎng)絡(luò)中的任何失效信息，除非那些已經(jīng)用節(jié)點(diǎn)協(xié)作方式確認(rèn)的故障。這樣的設(shè)計(jì)減少了網(wǎng)絡(luò)的通信信息，從而保留了節(jié)點(diǎn)的能量。
3） 基于分簇的方法[6]。基于分簇的方法將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)分成不同的簇，從而將故障管理也分散到各自的區(qū)域內(nèi)完成。簇內(nèi)采用散播的方式來定位失敗節(jié)點(diǎn)，簇頭節(jié)點(diǎn)與一跳范圍內(nèi)的鄰居以某種規(guī)則交換信息。通過分析收集到的信息，根據(jù)預(yù)先定義的失敗檢測規(guī)則可以最終確定失敗節(jié)點(diǎn)。接著，如果發(fā)現(xiàn)了一個(gè)故障節(jié)點(diǎn)，該區(qū)域所在的節(jié)點(diǎn)將會(huì)把信息傳播給所有的簇。
3 常見方法的比較。
從上可知，集中式方法與分布式方法都各有優(yōu)缺點(diǎn)，針對于不同應(yīng)用類型的網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)該選取不同的方法。為了方便方法的選取，我們對上述方法個(gè)定性分析�？紤]無線傳感器網(wǎng)絡(luò)本身能量有限的特點(diǎn)，以及故障檢測的一般目的，我們選取能量消耗、通信開銷、故障檢測率和虛警率這四個(gè)方面進(jìn)行比較，結(jié)果如表1。
4 結(jié)束語。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用已經(jīng)十分廣泛，而且，一般認(rèn)為物聯(lián)網(wǎng)的最底部一層即為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)， 因此對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究能很好地指導(dǎo)實(shí)踐工作。本文對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)故障檢測的方法進(jìn)行了分類描述分析， 對于指導(dǎo)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)故障研究工作具有一定的指導(dǎo)意義。
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