基于云边端协同的软件定义无线传感器网络管理方法技术

本发明专利技术公开了基于云边端协同的软件定义无线传感器网络管理方法，针对无线传感器网络资源受限的特点，以及无线传感器网络当前所面临的大规模网络的管理问题和安全问题设计了云边端协同的软件定义无线传感器网络体系结构，基于此结构设计了无线传感器网络网络管理机制与安全管理机制。云边端协同的软件定义无线传感器网络体系结构可以显著提升网络的管理效率。网络管理机制可以根据无线传感器网络的全局信息对拓扑结构进行调整并且可以对网络有限的资源进行合理配置延长网络的生存周期。安全管理机制通过在无线传感器网络运行时对节点进行动态度量识别异常节点并通过网络管理将节点从网络中删除，保证无线传感器网络数据采集过程中的安全性。

【技术实现步骤摘要】
基于云边端协同的软件定义无线传感器网络管理方法
本专利技术涉及无线传感器网络
中一种基于云边端协同的软件定义无线传感器网络管理方法。
技术介绍
随着传感器技术、无线通信技术、边缘计算等技术的发展，物联网得到了广泛的应用。物联网被广泛应用于环境监测、智慧城市、智慧电网、智能家居以及医疗保健系统。无线传感器网络作为一个无线自组网是物联网的重要基础部分，担任了数据采集与传输的重要工作。为了满足物联网上层的应用需求，往往需要在特定的地点,例如无人看管的野外环境，部署大规模的无线传感器网络，无线传感器网络的管理问题以及安全问题也随之而来。首先，大规模部署的无线传感器网络节点会使得无线网络的拓扑结构变得复杂，网络管理难度高、成本高、效率低。其次，由于传感器节点受到体积和成本的限制，其存储、计算、能量资源都是有限的，没有固定的基础设施为节点提供保障，如何对每个节点有限的资源进行合理的配置是十分重要的。此外，由于传感器节点部署在无人看管的野外环境中极易被攻击。软件定义网络(Software-DefinedNetworking，SDN)的思想可以解决无线传感器网络多面临的问题。软件定义网络思想将传统网络的数据平面与控制平面分离，通过控制器收集网络中设备的信息对网络进行集中的管理和控制，并根据网络的需求对网络进行动态地调整。利用SDN的思想可以解决无线传感器网络所固有的无法获得全局知识信息的问题，对无线传感器网络中复杂的拓扑结构进行有效地管理，并根据不同的网络需求对不同节点的状态进行相应的配置使节点资源的配置更加合理。r>综上所述，目前无线传感器网络由于上层应用的需求从而大规模部署导致网络拓扑管理问题，受到体积以及成本限制导致节点资源有限，节点安全等问题。软件定义网络的思想为解决当前无线传感器网络所面临的问题提供了新的解决思路与方法。因此，本专利技术提出了基于云边端协同的软件定义无线传感器网络管理方法。
技术实现思路
为了解决上述无线传感器网络拓扑管理问题、受限资源合理配置问题、节点安全问题，本专利技术根据物联网的服务需求以及无线传感器网络的特点，将软件定义网络的思想应用于无线传感器网络来解决无线传感器网络无法获取全局知识信息的问题，提出了基于云边端协同的软件定义无线传感器网络管理方法。为了达到本专利技术的目的，本专利技术设计了软件定义无线传感器网络体系结构，将网络划分为应用层、控制层、基础设施层三个层次。基于此结构提出了无线传感器网络网络管理机制与安全管理机制。通过软件管理机制对网络的拓扑结构进行有效的管理，通过安全管理方法保证节点在运行时的安全。软件定义无线传感器网络体系结构。在此体系结构中包含应用层、控制层、基础设施层三个层次：1.应用层。应用层以云端的数据服务器为基础，通过编写相应的应用程序来满足不同应用场景中的需求。2.控制层。在控制层中定义了云端设备网络的控制器。控制器负责对网络中各个节点的状态进行全局的感知并进行相应的决策以此来控制网络的运行。控制器通过云端的资源进行实现，网络管理机制与安全管理机制部署在控制器中。3.基础设层。基础设施层中包括边缘设备网关节点以及终端设备传感器节点和路由节点。边缘设备为网关节点是上层云端设备与下层终端设备沟通的桥梁。网关节点可实现通过无线通信与下层终端设备进行通信，同时采用传统网络的有线通信的方式与上层的云端设备进行数据传输。在本专利技术中为网关节点配备可信平台控制模块为节点提供密码支持同时提供可信存储。此外可信平台控制模块还可为节点部署传统网络的网络安全方案提供必要的硬件基础。终端设备传感器节点与路由节点之间通过无线通信的方式进行数据传输。传感器节点根据上层应用的需求搭载相应类型的传感器对环境中的数据进行感知并将数据发送给路由节点。路由节点负责对无线传感器网络中的数据进行转发，将传感器节点发送过来的数据转发给下一个路由节点或上层节点。网络管理机制。网络管理机制包括网络资源配置、拓扑结构调整、节点出入网络三个部分：1.资源配置。在基础设施层中的无线传感器网络包括传感器节点与路由节点。在网络运行过程中路由节点往往会负责对多个传感器节点的数据进行转发，会导致路由节点的能量消耗过快。为了延长网络的生存周期，合理配置无线传感器网络中有限的资源，需要在一定的时间内对负责路由的节点进行转换，使各个节点的能量消耗更加均衡。资源配置的过程由云端设备、边端设备与终端设备协同完成。在软件定义无线传感器网络中每个节点的路由信息除了保存在控制器中，还保存在网关节点中。每个网关节点会保存在自己通信范围内的路由节点与传感器节点的路由信息。当控制器节点发出更换路由节点的策略后，网关节点根据自身存储的数据，为新的路由节点配置路由信息。并对相应的传感器节点的路由信息进行调整。2.拓扑结构调整。在每个节点的路由信息中都会存储节点的下一条节点的信息。控制器在执行拓扑调整过程时，通过下发控制消息来改变节点的下一跳节点信息来完成对无线传感器网络拓扑结构的调整。3.节点出入网络。节点出入网络主要包括节点申请加入网络以及节点离开网络。节点申请加入网络时，控制器根据节点的信息以及无线传感器网络的全局信息为节点指定下一跳节点并下发控制信息。节点离开无线传感器网络是在安全管理机制判定节点出现异常时要将节点从网络中删除。控制器通过下发控制消息在无线传感器网络中广播异常节点的节点号，收到该消息的正常节点将不再接收该节点的数据同时也不会向该节点发送数据。安全管理机制。安全管理主要是在无线传感器网络在运行时对终端设备传感器节点与路由节点进行动态的度量。节点的动态度量由控制器完成，控制器对节点的动态度量主要依据节点在运行过程中的不同行为进行。在基础设置层中共有两类终端设备传感器节点与路由节点。传感器节点的主要行为是通过节点所配备的传感器周期性的采集环境中的数据并对数据进行传输。路由节点主要行为是对网络中的数据进行转发。安全管理的主要内容是对节点的标识信息、安全信息、节点网络环境进行度量，并且根据节点的传感行为以及数据转发行为对节点的状态进行度量。安全管理在无线传感器网络运行时对节点进行动态度量来评估节点的信任度，对于信任度较低的节点，通过网络管理方法将异常节点从网络中删除，以此来保证网络的安全运行。本专利技术提出了基于云边端协同的软件定义无线传感器网络管理方法。在云与端直接相连的网络中加入了边缘设备网关节点，网关节点的加入将云端设备与终端设备分离，使得终端设备免于遭受来自互联网的网络攻击。此外，本专利技术还提出了网络管理方法与安全管理方法。网络管理方法基于软件定义无线传感器网络结构对网络进行管理，可以提高无线传感器网络的管理效率。安全管理方法可以在无线传感器网络正常运行时识别异常的节点，保障网络的安全运行，并且安全方法的部署所消耗的能量在可接受的范围内。附图说明图1是本专利技术的总体结构示意图图2是基于云边端协同的软件定义无线传感器网络结构图图3软件定义无线传感器网络中各类设备的结构图图4是节点控制消息结构图图5是网络管理本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于云边端协同的软件定义无线传感器网络管理方法，其特征在于：将网络划分为应用层、控制层、基础设施层三个层次；基于此结构提出了无线传感器网络网络管理机制与安全管理机制；通过软件管理机制对网络的拓扑结构进行有效的管理，通过安全管理方法保证节点在运行时的安全；/n所述的基于云边端协同的软件定义无线传感器网络中的控制层负责控制无线传感器网络的运行，控制器在云计算环境中实现；控制器负责对网络中各个节点的状态进行全局的感知并进行相应的决策以此来控制网络的运行；/n所述的基于云边端协同的软件定义无线传感器网络中的基础设施层包括边缘设备网关节点与终端设备传感器节点和路由节点；边缘设备网关节点采用基于SOC芯片的设备实现，并支持网络的有线通信方式以及无线通信方式；网关节点应配备可信密码模块或可信平台控制模块为节点提供安全存储；终端设备传感器节点与路由节点采用基于MUC芯片的设备实现，配备无线通信模块完成与网关节点的无线通信；传感器节点根据上层应用的需求搭载相应类型的传感器对环境中的数据进行感知并将数据发送给路由节点；路由节点负责对无线传感器网络中的数据进行转发，将传感器节点发送过来的数据转发给下一个路由节点或网关节点。/n...

【技术特征摘要】
1.基于云边端协同的软件定义无线传感器网络管理方法，其特征在于：将网络划分为应用层、控制层、基础设施层三个层次；基于此结构提出了无线传感器网络网络管理机制与安全管理机制；通过软件管理机制对网络的拓扑结构进行有效的管理，通过安全管理方法保证节点在运行时的安全；
所述的基于云边端协同的软件定义无线传感器网络中的控制层负责控制无线传感器网络的运行，控制器在云计算环境中实现；控制器负责对网络中各个节点的状态进行全局的感知并进行相应的决策以此来控制网络的运行；
所述的基于云边端协同的软件定义无线传感器网络中的基础设施层包括边缘设备网关节点与终端设备传感器节点和路由节点；边缘设备网关节点采用基于SOC芯片的设备实现，并支持网络的有线通信方式以及无线通信方式；网关节点应配备可信密码模块或可信平台控制模块为节点提供安全存储；终端设备传感器节点与路由节点采用基于MUC芯片的设备实现，配备无线通信模块完成与网关节点的无线通信；传感器节点根据上层应用的需求搭载相应类型的传感器对环境中的数据进行感知并将数据发送给路由节点；路由节点负责对无线传感器网络中的数据进行转发，将传感器节点发送过来的数据转发给下一个路由节点或网关节点。


2.根据权利要求1所述的基于云边端协同的软件定义无线传感器网络管理方法，其特征在于：定义网络中控制消息的格式以及网络管理机制的执行流程；
所描述的网络控制消息格式包括：
Send-ID：数据发送节点的节点号，在此体系结构中发送控制消息的为控制器节点或网关节点；Length：数据包的总长度；Model：控制消息的模式，包含广播Broadcast，单播Multicast与组播Unicast；Rec-ID：接收该消息节点的节点号；Node-Role：接收节点的节点角色，包含传感器节点SensorNode，路由节点RoutingNode，网关节点Gateway；Type：控制消息类型，表示控制消息是节点资源配置、拓扑调整还是控制节点出入网络的消息；Action：此字段用来控制节点的具体行为；根据网络管理的功能，此字段分为四种类型，每个控制消息的Action字段只能包含一种类型的一个行为；RtoS与StoR表示节点进行角色转换，ChangeNextID表示改变节点的下一跳节点，SetNextID表示为节点设置下一跳节点，NotReceiveID与NotSendID表示不接收该节点的消息以及不向该节点发送消息。


3.根据权利要求2所述的基于云边端协同的软件定义无线传感器网络管理方法，其特征在于：所描述的网络管理机制的执行流程包括：
步骤51，节点加入无线传感器网络；
步骤52，控制其...

【专利技术属性】
技术研发人员：赖英旭，罗士尧，刘静，王一鹏，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京;11