无线传感器网络WSN接入Internet网络体系结构及服务提供方法

摘要

本发明公开一种WSN接入Internet的网络体系结构和WSN的服务提供方法，用于解决WSN接入Internet，并向用户提供服务的问题，使得Internet真正延伸到物理世界的各个角落。本发明以网络中间件的形式，在WSN和Internet之间布署WSN－Internet网关，在Internet上布署管理服务器；使用WSN－Internet网关现实WSN和Internet协议的转换，将WSN接入Internet；使用WSN－Internet网络中间件实现WSN的服务注册、查找、定购和提供。本发明不需要修改现有的网络协议栈；体系结构简单、合理，方便、灵活的实现WSN服务的统一控制和管理；在网络接入和服务提供中，容易实现服务的访问控制；为WSN的运行提供参考模式，有益于加快WSN的实用化进程。

说明书

技术领域

本发明属于网络通信技术领域，涉及异构网络互联和服务提供技术，具体是无线传感器网络WSN接入Internet网络体系结构及服务提供方法。用于将WSN接入Internet并向用户提供服务，使得Internet真正延伸到物理世界的各个角落。

背景技术

美国《商业周刊》认为WSN是全球未来的四大高技术产业之一。WSN最早的研究始于20世纪70年代，早期的研究重点在国防项目上：美国的战术互联网，近距离数字无线电台，DAPRA的全球移动(GloMo)信息系统，英国的战斗无线网(CNR)，澳大利亚国防部研制的短波战术无线网(TPRN)、挪威陆军研制的TADKOM战术通信系统和法国的第四代战术电台(PR4G)等。在民用上，WSN同样具有广阔的应用前景，如环境监测、森林防火、交通管制、社区安防等。

WSN是由大量体积小、价格便宜、电池供电、具有无线通信和监测能力的传感器节点组成。WSN被部署在监测区域，为用户提供实时环境监测等服务。由于WSN的自身特性，节点资源严格受限，现有的无线网络协议栈不能直接应用。使用专用网络协议栈的WSN和其他网络之间的互联存在许多难题，Internet上的用户难以直接使用WSN提供的服务。

Internet是当今世界上规模最大、覆盖最广的计算机互联网络，Internet的迅猛发展，使世界经济、社会发展和人类生活产生了巨大的变化，改变着人们的学习、工作和生活方式。Internet作为一个巨大的资源库，是资源整合、资源共享、服务提供、服务访问和信息传输的载体。但是Internet缺乏与物理世界直接打交道的能力。WSN是微型的、自组织的信息采集网络，直接监测收集物理世界的各种信息，提供各种环境下的信息服务。不解决WSN接入Internet问题，用户难以查找、定购和使用WSN提供的服务。将各种WSN接入Internet，使得Internet真正延伸到世界的各个物理角落，人们能够方便的了解到自己所关心的物理区域状态(温度、湿度、震动等)。将WSN接入Internet是信息技术进一步发展的需要，对推动网络技术的新发展具有重要的意义。

目前、相关的研究人员对WSN如何接入Internet没有达成共识。现有WSN和Internet的融合方案有以下几种：

1、美国南加利福尼亚大学Marco Z.Z.和Bhaskar Krishnamachari指出在WSN中使用Internet中使用的协议栈，给每个传感器节点分配IP地址对于WSN是不适合的。他们提出使用ALG网关的方法实现WSN接入Internet，如图1所示；

2、在ALG网关方法的基础上，美国Intel伯克力研究中心Kevin Fall提出WSN和Internet融合的DTN体系结构。其主要思想是在TCP/IP网络和非TCP/IP网络协议栈上部署Bundle层实现WSN接入，如图2所示。但是在现有的网络协议栈上部署额外的层次需要花费很大的代价；

3、TCP/IP覆盖WSN：A.Dunkels，J.Alonso，T.Voigt，H.Ritter，J.Schiller等人[德国]提出u-IP方案，其在无线传感器网络上实现IP协议，如图3所示。此方案需要给一些传感器节点分配IP地址；

4、WSN覆盖TCP/IP：美国科罗拉多州大学Hui Dai和Richard Han将WSN协议栈部署在TCP/IP协议栈上，实现WSN和Internet的互联，如图4所示。在此方式中，每个Internet主机都被认为是虚拟的传感器节点。

现有的解决方案主要存在以下缺点：1)网络接入方法简单、没有形成网络接入体系以及从服务提供的角度实现WSN接入Internet；2)没有充分考虑其安全问题，缺乏对WSN提供的服务进行管理和访问控制。

发明的内容

本发明的目的是：避免现有无线网络协议栈及现有WSN和Internet的融合方案所存在的不足，在基于网关的互联技术的基础上，提出了无线传感器网络WSN接入Internet网络体系结构及服务提供方法，解决WSN接入Internet和服务提供问题。此方案给出了WSN的业务提供方式，对WSN服务进行统一控制和管理，通过此方式，Internet上的用户能够安全的查找、定购和使用传感器网络提供的各种服务。

本发明提出的WSN接入Internet网络体系结构：以网络中间件的形式，在WSN和Internet之间布署WSN-Internet网关，在Internet上布署管理服务器；WSN通过WSN-Internet网关接入Internet；使用WSN-Internet网络中间件实现WSN的服务注册、查找、定购和提供。所述WSN-Internet网关由WSN-＞Internet的数据包转换、Internet-＞WSN的数据包转换、服务注册、服务提供、服务管理和位置管理模块组成，主要实现WSN和Internet网络协议栈的转换，对WSN进行管理，为Internet用户提供功能调用，对用户请求进行访问控制；所述管理服务器由安全管理支撑、服务查找、服务定购、服务配置、服务注册、服务接口和服务逻辑执行模块组成，主要实现对各WSN提供的服务进行服务融合，为用户提供服务查询、定购和服务访问令牌，在管理服务器授权之后，Internet上的用户方能访问WSN服务。

本发明提供的服务方法，基于无线传感器网络WSN接入Internet网络体系结构，布署了WSN、WSN-Internet网关、管理服务器、Internet用户之间的服务调用关系，即WSN提供的各种服务可以相互调用；WSN通过WSN-Internet网关向管理服务器注册服务；用户向管理服务器查找、定购服务，并通过WSN-Internet网关调用服务；管理服务器在WSN提供的服务的基础上进行服务融合。

与现有的WSN接入Internet方法相比较，本发明具有以下优点：

1、本发明不仅在网络上实现WSN接入Internet，而且从WSN服务提供的角度提出服务层面上的WSN和Internet的互联互通。在WSN接入Internet的网络体系结构和WSN的服务提供体系结构下，WSN服务提供方式简单，不需要对WSN和Internet使用的协议栈作任何修改。WSN-Internet网关在管理服务器上注册WSN提供的服务，Internet上的任何用户均可以方便、灵活的查找、定购和调用服务。

2、本发明在WSN-Internet网络中间件中加入访问控制机制。使用WSN服务的用户必须具有相应的权限(在向服务器查找和定购服务成功之后，管理服务器给用户分配服务访问令牌和访问权限)。

3、本发明通过WSN-Internet网络中间件实现对所有WSN服务的统一控制、管理和配置，使得WSN面向所有的Internet用户提供服务。本发明设计的WSN接入Internet的网络体系结构和服务提供方法为WSN运营提供参考模式，推动WSN的实用化进程。

附图说明

图1应用层网关方式互联WSN和Internet体系结构图

图2DTN方式互联WSN和Internet体系结构图

图3TCP/IP覆盖WSN方式互联WSN和Internet体系结构图

图4WSN覆盖TCP/IP方式互联WSN和Internet体系结构图

图5本发明中WSN接入Internet体系结构图

图6本发明中WSN的服务提供示意图

图7本发明中WSN-Internet网关结构图

图8本发明中WSN-Internet网络中间件结构图

图9本发明中用户服务请求流程图

图10本发明中用户发送给WSN-Internet网关的服务请求消息格式图

图11本发明中Internet-＞WSN的数据包格式转换流程图

图12本发明中WSN-Internet网关发送给传感器节点的请求消息格式图

图13本发明中传感器节点给WSN-Internet网关的请求响应消息格式图

图14本发明中WSN-＞Internet数据包格式转换流程图

图15本发明中WSN-Internet网关给用户的请求响应消息格式图

具体实施方式

结合上述附图，本发明提出WSN接入Internet体系结构和服务提供方法，具体的实施步骤包括以下几个部分：

一、WSN接入Internet网络体系布署和服务方法提供

网络体系的实施部署如图5、图7、图8所示，以网络中间件的形式，设计了WSN-Internet网关和管理服务器，实现WSN的服务注册、查找、定购和提供。网络体系的布署如下：

1、在WSN和Internet之间部署WSN-Internet网关，并在此网关中部署Internet-＞WSN数据包转换、WSN-＞Internet数据包转换、服务注册、服务提供、位置管理、服务管理和访问控制模块。在Internet上可以布署多个WSN接入Internet；在同一WSN和Internet之间可以部署多个WSN-Internet网关，以防止WSN-Internet网关成为网络瓶颈。

2、如图5、图8所示，在Internet上以网络中间件形式部署管理服务器，并在管理服务器上部署安全管理支撑模块、服务注册模块、服务查找模块、服务定购模块、服务配置模块、服务接口模块和服务逻辑执行模块。管理服务器的部署可以是集中式的也可以是分布式的。

在管理服务器授权之后，Internet上的用户方能访问WSN服务。

如图5、图6所示，基于WSN接入Internet的网络体系结构，WSN提供的服务方法是，在WSN、WSN-Internet网关、管理服务器、Internet用户之间进行服务关系的融合：WSN提供的各种服务可以相互调用；WSN通过WSN-Internet网关向管理服务器注册服务；用户向管理服务器查找、定购服务，并通过WSN-Internet网关调用服务；管理服务器在WSN提供的服务的基础上进行服务融合。

二、服务请求响应具体实施步骤

在总体网络实施之后，具体的服务提供和访问流程如图9所示，服务提供和访问的步骤如下：

1、服务注册

1.a WSN-Internet网关查询WSN能够提供的服务；

1.b WSN中的各个传感器节点收到WSN-Internet网关服务查询时，将自己的ID，位置和能够提供的环境监测服务类型向WSN-Internet网关注册；

1.c WSN-Internet网关综合WSN能够提供的服务，将这些服务和提供服务的节点存储在信息服务库中，然后向Internet中的管理服务器注册服务(这个服务注册信息包括：服务类型、服务描述、服务定购方式、服务调用地址、服务调用绑定方式)。至此、管理服务器能够向Internet用户提供WSN服务查询、定购和使用服务。

2、服务查询

2.a Internet用户向管理服务器提出服务查询请求；

2.b 管理服务器向Internet用户返回查询服务列表。

3、服务定购

3.a Internet用户根据查询的服务向管理服务器定购所需要的服务；

3.b 定购成功(身份认证成功或者交纳费用)后，管理服务器给用户返回调用所定购服务的访问令牌和服务调用的方式。

4、服务调用

4.a用户根据获得的服务访问令牌和服务调用方式，向WSN-Internet网关提出服务请求，请求信息的格式如图10所示；

4.b WSN-Internet网关对来自用户的消息进行Internet-＞WSN的数据包转换，转换流程如图11所示，转换得到的数据包如图12所示，并将转换得到的数据包发送给相应的传感器节点；

4.c 传感器节点将请求响应消息返回给WSN-Internet网关，消息格式如图13所示；

4.d WSN-Internet网关将收到的传感器节点返回的请求响应消息进行WSN-＞Internet数据包的转换，转换流程如图14所示，转换得到的数据包如图15所示，并将转换得到的数据包发送给提出服务调用请求的用户。

三、WSN-Internet网关中Internet-＞WSN数据包转换实施步骤

Internet-＞WSN数据包转换流程如图11所示，主要实施步骤如下：

1、对来自Internet用户请求数据包(数据包格式如图10所示)中的请求令牌进行认证(具体认证方式可采用证书方式)，若请求令牌非法，则丢弃此信息；若请求令牌合法，提取数据包中的用户IP地址；

2、在请求令牌认证通过之后，提取此请求数据包中的地址转换类型，若转换类型为基于数据信息的发现，则执行3.A；若转换类型为基于IP地址的发现，则执行3.B；

3.A提取数据包内容，根据请求数据包的内容查找信息服务库得到相应传感器节点的ID或者位置(根据WSN的编址方式：ID或者位置)；

3.B根据步骤1中提取的用户IP地址查找IP映射库得到相应的传感器节点的ID或者位置；

4、将步骤1中提取的用户IP地址和步骤3中得到的传感器节点ID或者位置保存在IP地址和传感器节点映射记录表中，供此请求的响应消息使用；

5、生成WSN中的数据包，格式如图12所示。

四、WSN-Internet网关中WSN-＞Internet数据包转换实施步骤

WSN-＞Internet数据包转换流程如图14所示，主要实施步骤如下：

1、提取来自WSN的请求响应数据包(数据包格式如图13所示)中的传感器节点ID或者位置；

2、根据获得的传感器节点ID或者位置，查找IP地址和传感器节点映射记录表获得对应的IP地址；

3、生成WSN-Internet网关给用户的请求响应数据包，格式如图15所示；

4、从IP地址-传感器节点映射记录表中删除该条记录。

说明：本发明中所有消息的表示可采用XML方式；消息传输可采用SOAP方式；服务描述可采用WSDL方式；服务注册可使用UDDI方式。

符号说明：

WSN：无线传感器网络；

Internet：因特网；

ALG：应用层网关；

DTN：延时容忍网络；

TCP：传输控制协议；

IP：网际协议；

ID：身份；

SOAP：简单对象访问协议；

XML：可扩展标记语言；

WSDL：WEB服务描述语言；

UDDI：统一描述、发现和集成。