傳感器網絡是由一些體積小，造價低，能量和處理能力受限，能夠感知和采集數據并相互協作的傳感器節點組成的密集型無線網絡。它能夠實時地感知、采集和處理網絡覆蓋范圍內的對象信息并發送給管理站，具有覆蓋區域大、可遠程監控、監測精度高、部署速度快等優點。與傳統網絡相比，它具有能量受限、自組織性、網絡動態性和移動性、與特定應用相關等特點。

無線傳感器網絡的發展最初起源于戰場監測等軍事應用，現已廣泛應用于環境與生態監測、健康監護、家居自動化、視頻監控、以及交通控制等領域。

自第一個無線傳感器網絡管理架構MANNA被完整提出以來，目前對于傳感器網絡管理的研究，尚無一個統一的管理標準。由于傳感器網絡自身的特點，給網絡管理帶來許多挑戰。

本文的主要內容包括：介紹了網絡管理的發展及傳感器網絡的管理；總結了一些無線傳感器網絡管理系統及結構；闡述了對IPv6 的支持及基于ZigBee的無線傳感器網絡管理。最后，對無線傳感器網絡管理的發展提出了一點看法。

1 網絡管理的發展及傳感器網絡的管理

1.1 網絡管理的發展

縱觀計算機網絡管理，其發展過程大致如下。網絡誕生之初，許多管理操作是現場的物理操作；到國際標準化組織提出的基于遠程監控的管理框架，即早期的基于公共管理信息協議（CMIP）的OSI 系統管理框架；再到如今工業界事實上的網絡管理標準，即基于簡單網絡管理協議（SNMP）的SNMP網絡管理架構；以及隨著網絡技術的發展產生的一些新的網絡管理技術，如基于策略的網絡管理（PBNM）、基于智能Agent技術的網絡管理等[2],面向服務的管理，下一代互聯網絡管理中對IPv6的支持等。

1.2 簡單網絡管理協議思想

如今工業界事實上的網絡管理標準--簡單網絡管理協議（SNMP）[3],其基本思想是：SNMP 基于消息的請求/應答（Request/Response）和陷阱（Trap），通過訪問被管元素的管理信息來監控被管元素。管理站給網絡設備發送各種查詢報文，代理負責接收、處理來自管理站的請求報文，然后從設備上其他協議模塊中取得管理變量的值，形成響應報文發送給管理站。

同時，設備對于自身重要狀態的變化，主動向管理站發送消息。

1.3 傳感器網絡的管理

無線傳感器網絡為我們提供了一種新的監測和控制模型。網絡中包括大量的傳感器節點，它們密集分布于特定區域，用于采集信息或監測跟蹤特定的物理現象等。傳感器節點是電池供電的，由微處理器、傳感器、收發器及其它部件構成。節點通常只提供有限的資源（包括能量、通信和處理能力）。節點長時間是自治的，同時它們之間需要協作來完成復雜的任務。

可以看出，傳感器網絡是資源受限，以數據為中心，網絡中節點采取協作方式執行一個共同的應用，網絡部署后無人看管，故障經常發生。為此，傳感器網絡管理系統應該1）讓網絡自形成，自組織，自配置；2）能基于傳感器節點采集到的相關信息進行一系列管理控制任務，如控制采樣頻率，控制節點工作狀態，控制無線帶寬使用率，重新配置網絡等；3）通過確保特定的網絡覆蓋區域來控制整個網絡。

2 無線傳感器網絡管理系統

2.1 MARWIS

利用無線Mesh 網（WMN）作為骨干網來構建異構WSN,Gerald,Markus 等人提出了MARWIS[4]--異構無線傳感器網絡管理體系結構，支持異構WSN環境。MARWIS 支持普通的管理任務，包括監測，配置和程序代碼更新等。

為處理大型的異構WSN,同一種類型的傳感器節點建立一個傳感器子網，不同的傳感器子網間不能直接通信，提出采用無線Mesh 網絡作為骨干網，并將Mesh 節點（MN）作為傳感器子網之間的網關。有如下優點：1）Mesh 節點除了具備網關功能，還執行管理任務；2）不同傳感器子網中不同類型的傳感器節點可以相互通信；3）利用無線Mesh網可以將大型WSN劃分成小的傳感器子網，而且通過將傳感器節點網關插入到Mesh 節點就可以很方便的將新類型的傳感器節點平臺加入到異構WSN中。

MARWIS 包括如下一些結構化元素：1）帶有用戶接口和無線Mesh網絡管理系統的管理站；2）帶WSN管理程序的Mesh 節點。Mesh 節點建立多跳無線Mesh網，并提供管理功能。WSN管理程序位于每一個Mesh節點中，為不同的傳感器子網提供管理功能。

它包含三個數據庫（WSN 信息數據庫，程序版本數據庫，傳感器值數據庫）、含有三個程序模塊（WSN 監測模塊，WSN配置模塊，代碼更新管理模塊）的MARWIS服務器、和CFEngine（負責在無線Mesh 網絡內分發管理數據）；3）被插入至Mesh節點的傳感器節點網關，允許無線Mesh 網與無線傳感器網絡通信；4）帶傳感器節點代理的傳感器節點，它包含一個傳感器節點監測器，一個傳感器節點配置器，和一個代碼更新器。

MARWIS 管理功能主要包括：1）監測，可以采取管理站探測無線Mesh 網和傳感器子網，及用戶直接查詢所選擇的傳感器這兩種方式對WSN 監測；2）配置，對傳感器節點的配置與節點類型無關；3）代碼更新。

MARWIS 的優點有：由于Mesh 節點提供異構WSN的管理功能，因此傳感器節點只需執行少量的管理功能，減少了內存和計算開銷。同時，使用無線Mesh網作為骨干網，網絡中數據包的跳數減少，對節點的直接請求的通信開銷主要發生在無線Mesh 網，減少了WSN 中的負載和擁塞。其缺點包括：在MARWIS中，無線Mesh 網是進行異構無線傳感器網絡有效管理的前提，對許多應用環境，這是一種局限。

2.2 H-WSNMS

當前可用的WSN 管理工具是與特定應用相關或者平臺相關的，因此異構WSN的管理中，基本管理命令服務的可重用性差。針對這一問題，Wei Zhao,YaoLiang等提出了H-WSNMS[5]--基于Web的異構無線傳感器網絡管理系統框架。其基本思想是將無線傳感器網絡管理的功能與具體應用相分離，因此已有的無線傳感器網絡管理系統能夠被利用和擴展以適應不同的應用需求。同時為用戶提供一個統一的管理系統，便于異構無線傳感器網絡管理。

H-WSNMS 能夠直接地支持異構無線傳感器網絡的管理。并提供豐富的管理功能，從傳感器網絡監測和重配置，到數據查詢，每一功能以獨立的組件形式工作。H-WSNMS 中的一個核心概念是虛擬命令集VCS（Virtual Commands Set）。通過VCS,每一個管理功能被看作是由虛擬命令集中的一個或一組虛擬命令來實現的。另一方面，每一個虛擬命令被部分或全部地映射到一些已有的命令服務的組合。

H-WSNMS 采用基于client-server 的三層體系結構：1）頂層的客戶層，包括不同的無線傳感器網絡管理組件，每一個組件都是與應用需求相關的，并獨立執行一些客戶定義的特定功能；2）底層的網關層，包括多個異構無線傳感器網絡網關，及與此關聯的基本管理命令服務；3）中層的代理層，負責將每一個虛擬命令解釋并映射到一個具體的無線傳感器網絡網關命令服務。代理層作為管理組件和具體WSN網關之間的擴展接口，將客戶層中與特定應用相關的網絡管理功能與網關層中具體的WSN網關分離開。通過代理層和它的虛擬命令集，H-WSNMS 使得異構WSN 平臺下，管理組件變得更加可重用并容易開發。因為開發者可以基于預定義的虛擬命令集來構造管理組件。

H-WSNMS的優點主要有：1）H-WSNMS 中針對數據處理，有專門的數據查詢組件。它采用了一種稱為TSA-DataNodes樹的異構數據源數據集成模型，提高了數據查詢和檢索的性能；2）當異構WSN的數目增多時，H-WSNMS具備伸縮性；3）通過虛擬命令集，增強了對每個WSN的基本管理命令服務的可重用性。

同時為用戶提供統一的管理接口。其缺點包括：如果需要擴展命令以支持更多的功能，需要針對不同的異構節點進行編程。

2.3 TinyCubus

隨著傳感器網絡及其應用的擴展，傳感器網絡系統變得越來越復雜。同時，傳感器網絡越來越異構化，WSN中的節點程序會根據應 用場景不斷更新。這些因素造成開發、部署和優化傳感器網絡應用變得困難。

基于此，Pedro,Daniel 等人提出了TinyCubus[6]

--一種自適應的傳感器網絡跨層管理框架，TinyCubus包含三個部分：跨層結構，配置引擎，數據管理結構。

跨層結構為要進行跨層交互（如優化時需要其它模塊的信息，通過對高層組件的回調執行特定應用的代碼等）的模塊提供了一個通用的參數化接口。

TinyCubus的跨層結構中設置了一個"狀態容器"來存儲所有組件的跨層數據，這樣組件之間不用直接進行交互。跨層結構充當各組件之間的中介，支持組件之間的數據共享。

配置引擎基于傳感器節點的角色進行代碼分發，并支持動態安裝程序代碼。其目的是支持系統和應用組件的配置。它包括拓撲管理器和代碼分發程序。拓撲管理器基于每個節點的功能為其分配相應的角色（角色是根據節點特性（如硬件能力，網絡鄰居，位置等）賦予它的相應職責），以便進行網絡的自配置。基于角色的代碼分發算法會只對那些特定角色的節點或者需要代碼更新的節點進行代碼更新。

數據管理結構提供了一組標準數據管理組件（如數據的復制，緩存，預取，囤積，聚合等）和系統組件（如時間同步和廣播策略等），并根據當前系統中的信息選擇最恰當的一些組件用于管理。數據管理結構用一個立方體定義，它包含三個維度：1）優化參數，如能量，通信延遲和帶寬；2）應用需求，如可靠性；3）系統參數，如節點移動性和網絡密度。

TinyCubus具備傳感器應用的常見功能，具有自適應、重配置、靈活性、擴展性等特性。提供通用組件的參數化機制以滿足特定應用的需求。包含基于角色的有效的程序代碼更新策略，能夠適應應用場景變化并支持優化。但是，TinyCubus也面臨一些難題，如對各種不同的跨層優化支持，狀態容器中數據的訪問模式，節點角色分配的有效性，代碼更新的有效策略，傳感器節點上組件的動態安裝等問題。配置引擎利用節點的角色信息進行代碼更新時，只適合于特定的傳感器網絡（如節點不可移動等）。

2.4 WinMS

Louis Lee等人提出了WinMS[7]--一種自適應的基于策略的無線傳感器網絡管理系統。WinMS體系結構包含底層的MAC 和路由協議，局部網絡管理，和中央網絡管理。同時，WinMS還提出了一個新的稱為系統資源轉移的管理功能。WinMS中，終端用戶預先定義傳感器節點中用于觸發事件的管理參數閾值，并指定該事件發生時執行的管理任務。WinMS 根據當前事件和預測事件對網絡進行自配置，來適應網絡狀態變化。

系統資源轉移允許網絡中的資源從網絡的一部分轉移到另一部分，以達到局部和全局的自動自配置和自穩定。WinMS 采用了基于TDMA 的MAC 協議FlexiMAC 以支持資源轉移。FlexiMAC 作為底層的MAC和路由協議，用于節點之間的同步通信并連續有效地收集和分發數據。

局部網絡管理功能主要包括網絡狀態更新和事件檢測，包含數據分發和數據收集這兩個核心組件。局部系統資源轉移找出并選擇資源提供節點。節點根據其鄰居網絡狀態（如拓撲變化和事件檢測）執行管理功能。

中央網絡管理利用擁有網絡全局信息的中央管理站（基站）來可靠的執行更改和故障預防等操作。中央管理器維護MIB,并通過分析WSN模型來檢測相關事件（如網絡效率低的區域，數據變化快的區域等）。中央系統資源轉移為需要資源的子網分配資源。

WinMS網絡管理功能包括配置管理、故障管理、性能管理、計費管理等。WinMS MIB維護著如下一些傳感器網絡模型：感知數據映像、拓撲映像、鏈路質量映像、網絡利用率映像、能量映像。

WinMS采取先應式監測方式，不需要特別的代理來實行管理任務，并為傳感器節點提供自治能力，并利用中央管理器分析網絡狀態并執行更正和預防管理。輕量級TDMA協議提供了有效的能量管理，數據傳輸和本地修復。資源轉移功能允許網絡中的不同部分非均勻的和反應式感知，提供了局部和全局的自動自配置和自穩定。但是，初始化時，WinMS構建數據采集樹與節點表的開銷與網絡密度成正比，不過這只是一次性開銷，因為節點在整個生命期內都將維持所采集的信息。

2.5 BOSS

Song,Kim等人提出了BOSS[8]--基于UPnP（網絡管理的標準服務發現協議）的傳感器網絡管理協議。

其基本思想是通過實現BOSS,使資源有限的非UPnP傳感器設備能夠接入UPnP 網絡，同時讓用戶可以通過多種UPnP控制點對WSN進行管理。

BOSS系統主要由UPnP控制點，BOSS和非UPnP的傳感器節點組成。控制點（如PC,PDA等）有充足的資源運行UPnP 協議，并通過BOSS 提供的服務控制和管理傳感器網絡。如控制點可以通過BOSS 從傳感器網絡檢索基本的網絡狀態信息（如節點設備描述，網絡中節點數目，網絡拓撲等），并對這些信息進行分析處理，再通過BOSS 進行諸如同步、節點定位和能量管理等基本管理服務。

傳感器網絡和BOSS 之間使用私有協議通信，BOSS 能夠發現傳感器網絡所提供的服務列表。控制點使用UPnP 協議與BOSS 通信，發現UPnP 設備并得到其設備描述和設備提供的服務之后，便可以使用UPnP事件來接受有關設備狀態變化的信息。

BOSS 包含5 個組件：服務管理，控制管理，事件管理，服務表，傳感器網絡管理服務。BOSS 的三個主要功能包括：1）在傳感器網絡和控制點之間傳輸UPnP消息；2）理解并翻譯傳輸的UPnP消息；3）從傳感器節點采集網絡管理信息，并提供全面的網絡管理服務。

使用BOSS,不同的傳感器網絡應用（如結構監測，火災檢測，自動光控制）可以通過多個UPnP控制點（如PC,PDA 等）來管理。同時，使得網絡能適應拓撲變化，支持先應式網絡管理。通過UPnP,基于BOSS的傳感器網絡能夠容易地與其它的網絡互操作（如WLAN,IEEE1394,PLC等），因此能最大化地利用傳感器網。但是，BOSS 需要終端用戶觀察網絡狀態并做出相應的管理操作。另外，對于大規模的傳感器網絡，由于設備和服務的多樣性，對于采用集中式控制結構的BOSS來說同樣是一個考驗。

2.6 MANNA

Ruiz 等人綜合考慮了WSN 網絡管理的各個方面（管理功能，邏輯管理層，WSN 特性），提出了一個集成網絡管理系統--MANNA[1].MANNA 的設計思想是將網絡管理與網絡應用分離，其設計目標是建立自管理、自組織、自治愈、自由化、自保護、自維護和自診斷的無線傳感器網絡。

MANNA 是一個基于策略的管理結構，收集動態管理信息，將其映射到WSN模型，并基于WSN模型執行相應的管理功能和服務。MANNA 的管理策略指定了特定網絡條件下將被執行的管理功能。這樣，就不必為每一種應用定義新的管理方案，而可以在網絡部署前考慮好應用可能會涉及到的所有情況，統一制定相應的網絡模型和管理功能，當網絡發生變化時，對相應的網絡模型和管理功能進行修改和增刪就可以繼續提供管理服務了。

MANNA 體系結構包括功能架構，信息架構和物理架構。功能架構定義了網絡管理中各角色（Manager,Agent 和MIB）的功能和位置。信息架構定義了WSN 的信息模型。物理架構描述了管理實體（簇頭，普通節點和管理站）間信息交互的方式。

MANNA 的組成要素包括管理服務、管理功能和網絡模型。管理服務定義了應該在什么時候使用那些數據來執行那些管理動作，而管理功能是用戶所能看到的管理動作的最小粒度（如拓撲發現、數據融合、時間同步、節點定位和能量圖生成等），網絡模型則維護網絡狀態信息。

MANNA 吸收了傳統網絡管理的思想，又充分考慮了無線傳感器網絡的特點。但是它僅僅是設計一個網絡管理體系結構，并未完成所有的細節如提出具體的MAC 或路由協議。它是第一個被完整提出并論述的無線傳感器網絡管理框架，對無線傳感器網絡管理的研究產生了很大的影響。

2.7 對IPv6的支持

2.7.1 LNMP.

Hamid Mukhtar 等人提出了LNMP[9]--基于IPv6 的低功耗無線個域網絡管理結構。相比于MANNA,LNMP是基于WSN的IP管理結構，它實際上是與應用無關的。LNMP 由業務結構和信息結構組成。業務結構用于減少通信開銷。信息結構通過定義6LoWPAN（基于IPv6 的低功耗無線個域網）適配層管理信息庫（MIB），規定了設備上需要被管理的信息。

6LoWPAN網絡模型中，6LoWPAN設備包括PAN協調器、協調器或終端設備，網關用于連接IPv6 網絡和6LoWPAN 網絡。終端設備周期性的向協調器報告其狀態，同時要對協調器的查詢請求做出響應。協調器負責維持其下層網絡中設備的狀態信息，并向其父節點報告設備的狀態更新。IPv6網絡端支持SNMP,6LoWPAN 網絡支持特定格式的數據包，網關解析收到的數據包并將其在SNMP格式與6LoWPAN網絡端支持的數據包格式之間轉換。但是，LNMP 沒有考慮SNMP數據包的壓縮與聚合等。

2.7.2 6LoWPAN-SNMP.

針對6LoWPAN網絡的特點，及利用SNMP管理6LoWPAN網絡的一些問題，Haksoo Choi等人提出了6LoWPAN-SNMP[10]--6LoWPAN 網絡管理協議。6LoWPAN-SNMP協議能夠在啟用IPv6的低功耗無線個域網絡上傳輸SNMP消息，是對SNMP協議的簡單修改及擴展。

為減少6LoWPAN 網絡中的SNMP 通信總量，6LoWPAN-SNMP 采取如下一些措施：1）不修改SNMP 的任何協議操作，壓縮SNMPv1,SNMPv2消息，減小SNMP消息的大小；2）提出新的協議操作，并在SNMP引擎中支持廣播和多播，減小網絡中傳輸的消息數量；3）采用代理轉發器，與當前SNMP 版本兼容，并增強6LoWPAN-SNMP的效率。

具體地，報頭壓縮技術通過壓縮SNMP報頭，壓縮SNMP PDU變量綁定部分內容，能有效地減小消息的大小。對協議操作的擴展， 新增PeriodicGetRequest/StopPeriodicGet 等消息，并結合廣播和多播技術，能有效地降低網絡中傳輸的消息數量（ 例如網絡管理系統廣播一條PeriodicGetRequest消息，則網絡中的所有節點會周期性的發送各自的Response 消息，直到節點收到網絡管理系統發送的StopPeriodicGet 消息）。

6LoWPAN 網關中的代理轉發器：可以將各個版本的SNMP消息相互轉換，并可以同時應用報頭壓縮技術。

另外，6LoWPAN-SNMP 還能夠自動的將舊協議操作轉化成新的協議操作，以支持新的協議操作。

2.8 基于ZigBee的無線傳感器網絡及其管理

ZigBee標準是一組近距離、低復雜度、低功耗、低數據率、低成本的雙向無線通信標準。基于ZigBee的無線傳感器網絡，國內己有較多的研究與開發。

基于 ZigBee 的無線傳感器網絡管理是基于協調器的集中管理。ZigBee 協議定義了三種拓撲結構（星型結構、簇狀結構和網狀結構）和兩種物理設備（全功能設備FFD 和精簡功能設備RFD）。全功能設備的協調器承擔了整個網絡的管理工作，包括驅動整個網絡的通信、存儲網絡拓撲、識別網絡設備及其功能和角色、與新節點動態建立鏈接等。

可見，當網絡容量很大時，協調器很容易成為整個網絡的瓶頸。因此，為防止網絡負載過重造成網絡癱瘓，有必要對基于冗余網關的集中管理等技術進行相關研究。

3 總結

隨著傳感器網絡應用的擴展，網絡越來越趨于異構化，文中總結了兩種異構無線傳感器網絡管理結構（MARWIS,H-WSNMS），闡述了網絡管理中對異構WSN 環境的支持。同樣，考慮到對IPv6 的支持，簡單探討了兩種6LoWPAN 網絡管理協議和結構（LNMP,6LoWPAN-SNMP）。隨著WSN 網絡與IPv6網絡互聯技術的逐漸成熟，IPv6的優越性將在無線傳感器網絡的管理中得以體現。文中還提到了基于ZigBee的無線傳感器網絡及其管理。

另外，文中還提到了自適應的跨層管理結構TinyCubus,它提供了通用組件的參數化機制來滿足應用的特定需求。自適應的基于策略的管理系統WinMS,它提供了系統資源轉移功能使得網絡局部和全局的自配置和自穩定。基于UPnP 的管理協議BOSS,使得資源有限的非UPnP傳感器設備能夠接入UPnP網絡，用戶通過多種UPnP控制點對WSN進行管理。文中還總結了第一個被完整提出并論述的無線傳感器網絡管理框架MANNA.

傳感器網絡管理的發展可能包含以下幾點：1）基于Web的網絡管理將成為一種趨勢，通過傳感器網絡與Internet互聯，真正實現無處不在的管理；2）面向服務的異構網絡管理，利用網絡管理業務流程來有效的管理異構WSN,并利用SOA和Web服務技術的松耦合和相互協作等優勢，定義通用的管理服務，解決因WSN 資源有限和對應用的依賴所產生的問題；3）針對網絡管理中的管理信息，需要結合無線傳感器網絡特性，將全局網絡及節點間的協作作為測量對象，開發相應的測量技術；4）基于中間件技術的智能管理，隨著分布式管理框架成為主流，分布式智能管理也將得到重視；5）開發統一的網絡編程模型。隨著應用環境的不斷變化，程序模塊的升級、程序代碼更新等對傳感器網絡的重配置對傳感器網絡管理是一種挑戰。