传感器网络结点OS及其传输协议的设计与实现.docx
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传感器网络结点OS及其传输协议的设计与实现
收稿日期：
2005-07-12
基金项目：
国家高技术研究发展计划项目（2001AA415320）・作者简介：
苏威积（1975-），男，辽宁抚顺人，东北大学博士研究生；赵
海（1959-），男，辽宁沈阳人，东北大学教授，博士生导师・
第27卷第6期2006年6月东北大学学报（自然科学版）JournaIofNortheasternUniversity（NaturaIScience）VoI.27，No.6!
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Jun.2006文章编号：
1005-3026（2006）06-0639-03
传感器网络结点!
"及其
传输协议的设计与实现
苏威积，赵
海，徐
野，张
昕
（东北大学信息科学与工程学院，辽宁沈阳
110004）
摘要：
首先分析了传感器网络结点任务的特殊性和多样性，在此基础上论述了传感器网络
结点通用实时嵌入式操作系统（SNNEOS），阐述了该操作系统的系统构架、内核中断的管理和通信子系统的实现方式，并对该操作系统的传输协议关键问题进行论述・SNNEOS采用的事件驱动方
式响应外界请求，避免处理器轮循，节省能源消耗・通过实时内核与非实时内核的方式，将实时任务与非实时任务分离，对关键的实时任务进行及时响应・通信子系统中采用分层处理方式，每一层单独创建一个进程，使SNNEOS的实现更加的清晰和容易・关键词：
传感器网络；嵌入式技术；操作系统；实时；传输协议中图分类号：
TP393
文献标识码：
A
传感器网络，又称为无线传感器网络，它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理
技术和无线通信技术［1，2］
・节点能够协同实时监
测、感知、采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并对这些数据进行处理，获得详尽而准确的信息，传送这些信息给需要的用户・
传感器网络结点的主要工作是感知、采集、处理和传递其周围网络覆盖的地理区域中感知对象
的信息［3］
・
传感器网络结点具有以下特点［4~10］
：
（1）能源有限・传感器网络结点以蓄电池为供电单元，并且在野外作业，更换蓄电池和对蓄电池充电实际上存在困难，因此必须以节约能源为前提・
（2）计算能力有限・传感器网络结点的计算单元是嵌入式芯片，其计算能力较通用计算机相差很远・
（3）计算任务的多样性・不同传感器终端的响应优先级不同，对异质信息的融合，对上级结点命令事件的响应，对融合后的信息传输等等，构成了传感器网络结点计算任务的多样性・
（4）任务调度的复杂性・传感器结点处理的任务既包括实时任务，又包括非实时任务・
由于以上特点，决定了传感器网络结点操作系统的数据传输模块必须高效而低功耗・
本文以自主开发的传感器结点操作系统SNNEOS为背景，
讨论了传感器网络结点操作系统及其传输层通信协议的设计与实现・
1
传感器结点操作系统SNNEOS
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传感器网络结点操作系统体系结构
传感器网络结点操作系统SNNEOS（Sensor
NetworkNodeEmbeddedOperatingSystem）
，是被动地响应外界发生的各种事件，而不是主动地去“查询”，其目的是减少处理器时间，节省能源消耗・SNNEOS采用事件驱动编程的方法，提高了运行效率，降低了事件处理之间的耦合，使程序流程更加清晰，从而大大提高开发效率・
SNNEOS系统对外部事件的响应是通过中断来处理的，其对中断的处理方式，直接影响到系统的实时性能・
SNNEOS有两种中断：
硬中断和软中断・软中断是内核中断，它的优点在于可无限制地使用
内核系统调用・硬中断是对外部事件响应的中断・SNNEOS通过一个高效的、
可抢先的实时调度核心来全面接管中断・借鉴RTLinux的思想，SNNEOS把非实时内核作为其实时内核的一个
优先级最低的进程运行・当有实时任务需要处理
时，SNNEOS运行实时任务；无实时任务时，SNNEOS运行非实时进程・其系统结构见图
l・
图1SNNEOS
系统结构
图2SNNEOS传输层的状态机模型
Fig.2SNNEOSstatemachinemodelafterreduction
表1SNNEOS的TCP各种状态
Table1SNNEOS’sTCPstates状
态
说
明
LISTEN
服务器等待从客户来的呼叫SYN-SENT连接请求已发送；等待确认SYN-RCVD连接请求已收到ESTABLISHED连接已建立
FIN-WAIT-l应用程序已请求关闭该连接FIN-WAIT-2另一端已接受关闭该连接
CLOSE-WAIT服务器等待应用程序关闭连接LAST-ACK服务器等待最后一个确认
在SNNEOS的传输层协议中，参考TCP状态机，并根据传感器网络特殊要求对其进行了改进，将不必要和很少用到的状态筛选出去，最终得到一个适合于资源非常有限的传感器结点嵌入式应用环境的状态机・由于SNNEOS采用标准的协议为参照，对TCP改进时做到接口和功能的完备性，保留了协议的入口和出口完整性，将耗费资源的状态转换划归到异常处理部分・例如，在同时断开连接时，客户端不会感觉到服务器端没有处理它发出来的FIN，而是认为这个报文丢失了，在它等待的这段时间内，由服务器发出的断开请求FIN已经到达客户端，
有效地避免了同时断开给嵌入式服务器增加的负担・状态机函数处理流程如图3示・
046东北大学学报（自然科学版）第27卷
图3状态机黑盒子
Fig.3
BlackboxofSNNEOSstatemachine
经过实践证明，SNNEOS的传输层协议的代码实现较传统的TCP协议更加容易，传输速度更加迅速・
3结语
本文首先对传感器网络结点任务的特点和分类进行了分析・通过对SNNEOS的系统结构、中断处理方式、通信子系统的实现方式的描述，系统地阐述了SNNEOS设计和实现的基本思想・
SNNEOS采用的事件驱动方式响应外界请求，避免了处理器轮循，节省了能源消耗，满足了传感器网络资源有限要求・本文通过实时内核与非实时内核的方式，将实时任务与非实时任务分离，从而使SNNEOS能对关键的实时任务进行及时响应，在完成中断响应后，再通过调入非实时内核对常规任务进行处理・这有效地解决了传感器网络对感知、采集对象信息等实时任务的要求与融合信息、传输融合结果之间对处理器争夺的矛盾・在此基础上讨论了通信子系统・
通信子系统中采用分层处理方式，每一层单独创建一个进程，使SNNEOS的实现更加清晰和容易・
并针对SNNEOS中的传输层协议实现特点进行了论述，无论是实现的代码量，还是传输速度都达到了传感器网络的数据传输要求・
随着传感器结点处理能力的增强，传感器网络的多样化应用，SNNEOS必将会对今后的传感器结点操作系统的设计起到积极的影响，但SNNEOS自身不足之处也需要不断完善・参考文献：
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DesignandImpIementationofSNNEOSandItsTransferProtocoI
SUWei-i，ZHAOHai，XUYe，ZHANGXin
（SchooIofInformationScience&Engineering，NortheasternUniversity，Shenyang110004，China.Correspondent：
SUWei-i，E-maiI：
suweii-2003163.com）
Abstract：
DiscussingtheparticuIarityanddiversityofthetaskofsensornetworknodes，thecommonIy-usedreaI-timeoperatingsystemSNNEOS（sensornetworknodeembeddedoperatingsystem）isexpIoredincIudingitsstructure，managementofkerneIinterruptionandcommunicationssubsystems，asweIIastheimpIementationmechanismofitstransferprotocoI.Asanevent-driven，SNNEOScanavoidCPUround-robinandsavepower.BythereaI-timekerneIandnon-reaI-timekerneIinterruption，thereaI-timetaskisseparatedfromnon-reaI-timeonesoastorespondtokeyreaI-timetaskspunctuaIIy.ToimpIementSNNEOSeasierandcIearer，thecommunicationsubsystemsareprocessedinIayersandeachIayerprovidesanindividuaIprocess.Keywords：
SNNEOS；embeddingtechnoIogy；operatingsystem；reaI-time；transferprotocoI
（ReceiuedJuly12，2005）
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46第6期苏威积等：
传感器网络结点OS及其传输协议的设计与实现
传感器网络结点OS及其传输协议的设计与实现
作者：
苏威积，赵海，徐野，张昕，SUWei-ji，ZHAOHai，XUYe，ZHANGXin作者单位：
东北大学信息科学与工程学院,辽宁沈阳,110004
刊名：
东北大学学报（自然科学版）
英文刊名：
JOURNALOFNORTHEASTERNUNIVERSITY（NATURALSCIENCE年，卷（期：
2006,27（6
参考文献（10条
1.BodurF;BakanFAnimprovedZCT-PWMDC-DCconverterforhigh-powerandfrequencyapplications[外文期刊]2004（01
2.YaoY;GehrkeJThecougarapproachtoin-networkqueryprocessinginsensornetworks2002（033.ElsonJTimesynchronizationservicesforwirelesssensornetworks[外文会议]20014.DenoeuxTAnevidence-theoreticneuralnetworkclassifier[外文会议]19955.潘泉;于昕;程咏梅信息融合理论的基本方法与进展[期刊论文]-自动化学报2003（04
6.杜庆东;徐凌宇;赵海基于分布式结构的判决反馈数据融合算法[期刊论文]-东北大学学报（自然科学版2001（04
7.KokarMM;TomasikJA;WeymanJAformalapproachtoinformationfusion19888.GovindanR;TangmunarunkitHHeuristicsforInternetmapdiscovery[外文会议]2000
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10.FloydS;PaxsonVDifficultiesinsimulatingtheInternet2001（04
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