传感器网络结点OS及其传输协议的设计与实现.docx

1、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）JournaI of Northeastern Universit y （NaturaI Science ）VoI. 27，No. 6! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !

2、! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !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

3、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：TP 393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

4、的信息3传感器网络结点具有以下特点410：（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SNN

5、EOS 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#$#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 （SensorNetwork Node Embedded O p eratin g S y stem ），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SNN

6、EOS 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Fi g .2SNNEOS state machine model after reduction表1SNNEOS 的TCP 各种状态Table 1

7、SNNEOS s TCP states 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

8、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Fi g .3Black box of SNNEOS state machine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

9、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

10、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：1FIo y d S ，Paxson V. DifficuIties in simuIatin g the InternetJ . IEEE /ACM Trans on Net workin g ，2001，9（4）：392-403.2EIson J.

11、 Time s y nchronization services for wireIess sensornetworks A . Proceedin g s o f the 15th International Parallel &Distributed Processin g S y m p osium C . Los AIamitos ：IEEE Com p uter Press ，2001. 1965-1970.3Yao Y ，Gehrke J. The cou g ar a pp roach to in-network g uer yp rocessin g in sensor net

12、worksJ . SIGMOD Record ，2002，31（3）：918-920.4Bodur F ，Bakan F. An im p roved ZCT-PWM DC-DCconverter for hi g h-p ower and fre g uenc y a pp Iications J .IEEE Transactions on Industrial Electronics ，2004，51（1）：89-95.5Santi E ，Monti A. S y ner g etic controI for DC-DC boostconverter im p Iementation o

13、p tions J . IEEE Transactions onIndustrial ，A pp lications ，2003，39（6）：1803-1811.6Govindan R ，Tan g munarunkit H. Heuristics for Internet ma pdiscover y A . Proceedin g s o f IEEE INFOCOM C . IsraeI ：TeI Aviv ，2000. 1-11.7Kokar M M ，Tomasik J A ，We y man J. A formaI a pp roach toinformation fusion A

14、 . Proceedin g s o f the 2nd International Con f erence on Neural Net works C . New York ：IEEE Press ，1988. 255-262.8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J 东北大学学报（自然科学版），2001，22（4）：385-388（Du O D ，Xu L Y ，Zhao H. New decision feedback datafusion aI g orithm in distributed fauIt detection s y stem J .Journal

15、o f Northeastern Uniuersit y （Natural Science ），2001，22（4）：385-388. ）9潘泉，于昕，程咏梅，等信息融合理论的基本方法与进展J 自动化学报，2003，29（4）：599-615（Pan O ，Yu X ，Chen g Y M ，et al . The basaI method andp ro g ress of fusionJ . Acta Automatica Sinica ，2003，29（4）：599-615. ）10Denoeux T. An evidence-theoretic neuraI network cIass

16、ifierA . IEEE Int Con f on S y st ，Man and C y bernetics C . Vancouver ，1995. 712-717.Desi g n and Im p Iementation of SN NEOS and Its T ransfer ProtocoISU Wei- i ，ZHAO Hai ，XU Ye ，ZHANG Xin（SchooI of Information Science &En g ineerin g ，Northeastern Universit y ，Shen y an g 110004，China. Corres p o

17、ndent ：SU Wei- i ，E-maiI ：suwei i -2003 163. com ）Abstract ：Discussin g the p articuIarit y and diversit y of the task of sensor network nodes ，the commonI y -used reaI-time o p eratin g s y stem SNNEOS （sensor network node embedded o p eratin g s y stem ）is ex p Iored incIudin g its structure ，mana

18、 g ement of kerneI interru p tion and communications subs y stems ，as weII as the im p Iementation mechanism of its transfer p rotocoI. As an event-driven ，SNNEOS can avoid CPU round-robin and save p ower. B y the reaI-time kerneI and non-reaI-time kerneI interru p tion ，the reaI-time task is se p a

19、rated from non-reaI-time one so as to res p ond to ke y reaI-time tasks p unctuaII y . To im p Iement SNNEOS easier and cIearer ，the communication subs y stems are p rocessed in Ia y ers and each Ia y er p rovides an individuaI p rocess. Ke y words ：SNNEOS ；embeddin g technoIo gy ；o p eratin g s y s

20、tem ；reaI-time ；transfer p rotocoI（Receiued Jul y 12，2005）146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， SU Wei-ji， ZHAO Hai， XU Ye， ZHANG Xin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：JOURNAL OF NORTHEASTERN UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE年，卷(期：2006,27(6参考文献(10条1. Bo

21、dur F;Bakan F An improved ZCT-PWM DC-DC converter for high-power and frequency applications外文期刊 2004(012. Yao Y;Gehrke J The cougar approach to in-network query processing in sensor networks 2002(033. Elson J Time synchronization services for wireless sensor networks外文会议 20014. Denoeux T An evidence

22、-theoretic neural network classifier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(046. 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(047. Kokar M M;Tomasik J A;Weyman J A formal approach to information fusion 19888. Govindan R;Tangmunarunkit H Heuristics for Internet map discovery外文会议 20009. Santi E;Monti A Synergetic control for DC-DC boost converter implementation options外文期刊2003(0610. Floyd S;Paxson V Difficulties in simulating the Internet 2001(04本文链接：