簡介:網(wǎng)絡(luò)冗余技術(shù)與IEC62439標(biāo)準(zhǔn)(上),李俊剛許繼集團2014年9月25日,主要內(nèi)容,并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán),其它冗余技術(shù),網(wǎng)絡(luò)冗余技術(shù)實現(xiàn),一、課程介紹,,智能變電站自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu),(一)網(wǎng)絡(luò)冗余技術(shù)現(xiàn)狀,一、標(biāo)準(zhǔn)概述,,智能變電站網(wǎng)絡(luò)通信問題1由于以太網(wǎng)媒體訪問控制采用帶避撞的載波幀多路接入機制,信息傳遞時延具有無法預(yù)測的隨機性,例如交換機交換延時等。2網(wǎng)絡(luò)通信嚴(yán)重依賴于交換機,通信性能的優(yōu)劣受到交換機性能的限制。并且大大提高變電站的投資成本。3冗余標(biāo)準(zhǔn)缺失,IED與IED之間如何協(xié)調(diào)配合,是否會對互操作造成影響,存在不確定性。同時冗余的實現(xiàn)往往以犧牲實時性為代價,得不償失。,(一)網(wǎng)絡(luò)冗余技術(shù)現(xiàn)狀,智能變電站網(wǎng)絡(luò)安全性與可靠性,一、標(biāo)準(zhǔn)概述,,IEC61850作為變電站自動化應(yīng)用的基礎(chǔ)未對冗余網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)作嚴(yán)格定義私有冗余網(wǎng)絡(luò)方案對開放性和互操作性造成嚴(yán)重的威脅工業(yè)以太網(wǎng)終將解決變電站自動化領(lǐng)域的問題時鐘同步、網(wǎng)絡(luò)冗余,(一)網(wǎng)絡(luò)冗余技術(shù)現(xiàn)狀,一、標(biāo)準(zhǔn)概述,,變電站可用性要求通用要求需常年穩(wěn)定運行,極少停運維修,要求設(shè)備具有實時更換能力。被保護的系統(tǒng)里,出現(xiàn)故障的保護元件一般產(chǎn)生兩種結(jié)果超功能范圍系統(tǒng)不必要的停運欠功能范圍系統(tǒng)不被保護,同時運行變得不穩(wěn)定,次生性故障給系統(tǒng)帶來嚴(yán)重的危害。變電站設(shè)計要求網(wǎng)絡(luò)故障不會導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)欠功能范圍,可以容許超功能范圍的出現(xiàn),系統(tǒng)在出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障時依然能夠保持運行的時間稱之為寬限時間,(一)網(wǎng)絡(luò)冗余技術(shù)現(xiàn)狀,一、標(biāo)準(zhǔn)概述,,,網(wǎng)絡(luò)在出現(xiàn)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障并恢復(fù)的時間要小于系統(tǒng)的寬限時間。TC57定義的系統(tǒng)各種工況下網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)時間。IEC618505要求的恢復(fù)時間。,(一)網(wǎng)絡(luò)冗余技術(shù)現(xiàn)狀,一、標(biāo)準(zhǔn)概述,,(二)IEC62439標(biāo)準(zhǔn),其它領(lǐng)域的寬限時間要求。,一、標(biāo)準(zhǔn)概述,,(一)網(wǎng)絡(luò)冗余技術(shù)現(xiàn)狀,7層網(wǎng)絡(luò)模型故障概率,IEC62439定義將工業(yè)以太網(wǎng)的高可用性實現(xiàn)重點放在物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的故障探測和恢復(fù)上。,一、標(biāo)準(zhǔn)概述,,國際電工標(biāo)準(zhǔn)委員會IECSC65委員會第15工作組針對如何建設(shè)高度有效的自動化網(wǎng)絡(luò),及時推出了IEC62439標(biāo)準(zhǔn)。IEC6243912010一般概念和計算方法;IEC6243922010媒介冗余協(xié)議(MRP);IEC6243932010并行冗余協(xié)議(PRP)及高可用性無縫環(huán)(HSR);IEC6243942010跨網(wǎng)冗余協(xié)議(CRP);IEC6243952010信標(biāo)備用協(xié)議(BRP);IEC6243962010分布式冗余協(xié)議(DRP);IEC6243972011環(huán)路冗余協(xié)議(RRP)。,(二)IEC62439標(biāo)準(zhǔn),一、標(biāo)準(zhǔn)概述,,可靠性計算,(二)IEC62439標(biāo)準(zhǔn),一、標(biāo)準(zhǔn)概述,,可靠性模型,(二)IEC62439標(biāo)準(zhǔn),一、標(biāo)準(zhǔn)概述,,冗余分類,(二)IEC62439標(biāo)準(zhǔn),一、標(biāo)準(zhǔn)概述,,冗余分類特點,(二)IEC62439標(biāo)準(zhǔn),一、標(biāo)準(zhǔn)概述,,IEC6243922010MEDIAREDUNDANCYPROTOCOL媒介冗余協(xié)議(MRP,SIEMENSHIRSCHMANN);主從式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),只有一個確定的主節(jié)點,發(fā)生故障時由主節(jié)點處理,存在著網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險集中的問題,(二)IEC62439標(biāo)準(zhǔn),一、標(biāo)準(zhǔn)概述,,IEC6243932010TWOSEAMLESSPROTOCOLSPRPPARALLELREDUNDANCYPROTOCOL,并行冗余協(xié)議)采用2個對等的對立網(wǎng)絡(luò),終端設(shè)備雙端口并行冗余實現(xiàn)故障時無縫切換,雙倍通信設(shè)備,系統(tǒng)成本高,(二)IEC62439標(biāo)準(zhǔn),一、標(biāo)準(zhǔn)概述,,IEC6243932010TWOSEAMLESSPROTOCOLSHSRHIGHAVAILABILITYSEAMLESSREDUNDANCY,高可用性無縫環(huán)網(wǎng)采用環(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)將一個環(huán)的不同方向作為獨立網(wǎng)絡(luò)處理,實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)冗余,成本降低,(二)IEC62439標(biāo)準(zhǔn),一、標(biāo)準(zhǔn)概述,,IEC6243942010跨網(wǎng)冗余協(xié)議(CRP);采用MESH網(wǎng)絡(luò)多重化冗余技術(shù),連接了原本獨立的雙網(wǎng)頂層交換機,給連接到雙網(wǎng)的設(shè)備之間提供了充足的物理通道,雖然綜合了網(wǎng)絡(luò)冗余和設(shè)備端口冗余2種方式,但網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜難以實現(xiàn)。,(二)IEC62439標(biāo)準(zhǔn),一、標(biāo)準(zhǔn)概述,,IEC6243952010信標(biāo)備用協(xié)議(BRP);網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,并且維護網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞谋本┝髁枯^大,(二)IEC62439標(biāo)準(zhǔn),一、標(biāo)準(zhǔn)概述,,IEC6243962010分布式冗余協(xié)議(DRP);有多個交換節(jié)點構(gòu)成,每個交換節(jié)點至少具有一堆環(huán)內(nèi)端口和若干交換端口組成,每個交換節(jié)點都具有檢測單個物理鏈路或交換單元故障的功能,并能自行恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)傳輸,能有效避免網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險集中帶來的不穩(wěn)定性,但是網(wǎng)絡(luò)重建速度較慢,(二)IEC62439標(biāo)準(zhǔn),一、標(biāo)準(zhǔn)概述,,IEC6243972011環(huán)路冗余協(xié)議(RRP)。標(biāo)準(zhǔn)中最后推出的協(xié)議,只能局限于環(huán)網(wǎng),(二)IEC62439標(biāo)準(zhǔn),主要內(nèi)容,并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網(wǎng),其它冗余技術(shù),網(wǎng)絡(luò)冗余技術(shù)實現(xiàn),二、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網(wǎng),,并行冗余協(xié)議,(二)PRP,國際電工標(biāo)準(zhǔn)委員會IECSC65委員會第15工作組針對如何建設(shè)高度有效的自動化網(wǎng)絡(luò),及時推出了IEC62439標(biāo)準(zhǔn)。對網(wǎng)絡(luò)冗余做出了專門的規(guī)定,其中IEC624393規(guī)定的PRP(并行冗余協(xié)議)適用于各種規(guī)格的變電站網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。它依賴于并列運行的兩個網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),當(dāng)一個網(wǎng)絡(luò)連接或交換機出現(xiàn)問題時,基于數(shù)據(jù)鏈路層冗余方案,可以無縫的切換到另一網(wǎng)絡(luò)。因此無論變電站是何種協(xié)議或者何種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),都可以滿足變電站自動化網(wǎng)絡(luò)極高的實時性要求和數(shù)據(jù)安全性要求。,二、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網(wǎng),,網(wǎng)絡(luò)中,節(jié)點裝置有三種一、DANPIED雙連接節(jié)點IED,二、SANIED(單連接接點IED),三、冗余盒。相互獨立的并行網(wǎng)絡(luò),它們按并行冗余協(xié)議配置,允許網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議,如ARP的正常操作。DANPIED可以直接連接到兩個獨立的并行網(wǎng)絡(luò)上,SANIED通過冗余盒可以連接到兩個并行網(wǎng)絡(luò)上,否則,它只能連接到其中的一個網(wǎng)絡(luò)上。,(二)PRP,,,二、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網(wǎng),(二)PRP,線性拓?fù)涞牟⑿腥哂嗑W(wǎng)絡(luò),,,二、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網(wǎng),(二)PRP,環(huán)性拓?fù)涞牟⑿腥哂嗑W(wǎng)絡(luò),,在基于PRP的變電站冗余網(wǎng)絡(luò)中,冗余節(jié)點起著重要作用,每個雙連接IED節(jié)點都有兩個網(wǎng)絡(luò)端口,這兩個端口并行運行。工作時,端口通過鏈路冗余體(LRE)與網(wǎng)絡(luò)層相連,其作為一個單獨的網(wǎng)絡(luò)接口軟件管理處理以太網(wǎng)卡和上層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的通信接口。,,二、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網(wǎng),(二)PRP,,,二、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網(wǎng),(二)PRP,節(jié)點中的兩個以太網(wǎng)卡具有相同的MAC地址和IP地址,因此PRP是基于第二層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),它不需要進行改動就可以使用正常的網(wǎng)絡(luò)管理,工程配制非常簡單。同時,支持第二層網(wǎng)絡(luò)冗余,對變電站系統(tǒng)而言就是完全支持GOOSE和SV數(shù)據(jù)通信,變電站配置無需修改。節(jié)點中鏈路冗余體(LRE)有兩個任務(wù)1)處理重復(fù)的報文;2)冗余的管理。當(dāng)收到節(jié)點網(wǎng)絡(luò)層的一幀保文,節(jié)點的LRE在相應(yīng)的幀報文位置添加冗余控制器(RCT),同時向兩個以太網(wǎng)卡端口發(fā)送報文。當(dāng)接收節(jié)點從網(wǎng)絡(luò)上接收到這幀報文,鏈路冗余體(LRE)即會從兩個端口中提取第一個收到的幀報文,并且丟棄重復(fù)的那幀。,,每一幀報文序列號、網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識、報文大小發(fā)送者向兩幀報文中插入同樣的序列號、并且序列號隨報文的發(fā)送而遞增接收者跟蹤對應(yīng)MAC地址的報文序列號,同源、同序列號的不同網(wǎng)絡(luò)(后到的)報文丟棄對于監(jiān)測而言。每一個節(jié)點節(jié)點表,其包含網(wǎng)絡(luò)中所有其它節(jié)點信息,利用節(jié)點信息來判斷節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)故障,利用序列號進行重復(fù)丟棄,二、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網(wǎng),(二)PRP,,二、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網(wǎng),(二)PRP,接收IED節(jié)點表中,相應(yīng)節(jié)點預(yù)期幀序列號分別保存為EXPECTEDSEQA與EXPECTEDSEQB。接收時,以A網(wǎng)為例,比較接收幀序號CURRENTSEQA和節(jié)點表中EXPECTEDSEQA這樣即可判斷出報文是否為順序發(fā)送。接收后,不管是否為順序報文,節(jié)點表中EXPECTEDSEQA將被設(shè)置為比接收幀序號CURRENTSEQA大1的值。節(jié)點將會創(chuàng)建并保持一個持續(xù)的丟棄窗口,窗口上限為EXPECTEDSEQA,(不包括該值),下限為STARTSEQA(網(wǎng)絡(luò)丟棄的最低序號)如圖所示即為LAN_A上的丟棄窗口。,,二、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網(wǎng),(二)PRP,接收節(jié)點通過丟棄窗口決定是否丟棄接收幀。若LAN_B的接收幀其序列號和在LAN_A窗口內(nèi)部。則這幀報文將要丟棄,否則,接收幀將會提交給網(wǎng)絡(luò)層處理(圖中的KEEPB幀都將會上傳)。同時在幀丟棄或上送的同時,丟棄窗口的相關(guān)參數(shù)也在變化。這樣在丟棄窗口的配合下,進行幀的舍棄和上送。任何一個獨立網(wǎng)絡(luò)的故障,對于接收節(jié)點來說,都沒有任何影響,總有一幀報文可以實時的上送至節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)層。,,單連接節(jié)點允許冗余控制體添加在PAYLOAD之后單連接節(jié)點忽視冗余控制體,把他默認(rèn)為報文填充,單連接節(jié)點的冗余體處理,二、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網(wǎng),(二)PRP,,接收者判斷雙連接節(jié)點發(fā)送的報文、單連接節(jié)點發(fā)送的報文接收者利用報文幀里面的SUFFIX和SIZE進行判斷,如果SIZE大小和PAYLOAD匹配,那么就認(rèn)定是一PRP冗余幀報文報文只有在從另一網(wǎng)絡(luò)上接收到同源同序列號、網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識正確才會丟棄。,冗余報文和非冗余報文區(qū)分,二、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網(wǎng),(二)PRP,,檢測到重復(fù)必須滿足以下要求不丟棄正常幀報文丟棄重復(fù)報文序列號是重復(fù)丟棄算法的基礎(chǔ)序列號(16位,65535)回還100MBITS/S672US65536440MS1GBITS/S067US6553644MS,二、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網(wǎng),(二)PRP,,二、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網(wǎng),(二)PRP,同幀同序號報文抵達(dá)時間差,節(jié)點表條目保留最大時間,節(jié)點表條目保留最小時間,不同幀同序號報文接收最小時間,,PRP網(wǎng)絡(luò)管理網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量對冗余系統(tǒng)產(chǎn)生重要的影響,因此網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測顯得尤為重要,通過節(jié)點表,接收節(jié)點檢測并記錄相應(yīng)發(fā)送節(jié)點的報文狀態(tài),并且,每個雙連接節(jié)點都會周期性的發(fā)送PRP監(jiān)測幀(幾秒、可配置),那么每個節(jié)點都應(yīng)接收到相應(yīng)的監(jiān)測幀,如果在特定的時間內(nèi),某個節(jié)點的監(jiān)測幀沒有接收到,就可以認(rèn)為,此節(jié)點和本節(jié)點失去聯(lián)系,節(jié)點表此節(jié)點信息將會刪除,若能再次接收到,那么在節(jié)電表中將會再次建立此節(jié)點信息。節(jié)點中兩個以太網(wǎng)卡配置相同的MAC地址和IP地址,鏈路冗余體LRE提供網(wǎng)絡(luò)管理接口。允許類似ARP的協(xié)議工作,并且利用SNMP協(xié)議,可以對網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點信息進行配置和獲取,管理每個網(wǎng)絡(luò),當(dāng)錯誤率增加時可提前偵測網(wǎng)絡(luò)故障。,二、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網(wǎng),(二)PRP,每個節(jié)點都要有節(jié)點表單播、組播或廣播地址,條目1)支持冗余算法2)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測,二、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網(wǎng),(二)PRP,節(jié)點管理工具,二、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網(wǎng),(二)PRP,二、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網(wǎng),(二)PRP,二、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網(wǎng),(二)PRP,因此IEC624393中的PRP標(biāo)準(zhǔn),在下一步的智能電網(wǎng)建設(shè)中,將會是智能變電站冗余網(wǎng)絡(luò)方案的最佳選擇。將會極大的提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性。,HSR(高可用性無縫環(huán)網(wǎng))是基于并行冗余技術(shù)的環(huán)形網(wǎng)絡(luò)典型應(yīng)用,進而在環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信高可靠性、無縫冗余。,二、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網(wǎng),(二)HSR,,HSR多播MULTICAST,目標(biāo),紅箭頭“A”FRAMES藍(lán)箭頭STANDARDFRAMES綠箭頭“B”FRAMESCROSSREMOVALFROMTHERING,,,環(huán)中的每一個節(jié)點擁有兩個端口,PORTA和PORTB;每一幀要發(fā)送的報文“C”FRAME,源節(jié)點同時向PORTA和PORTB各發(fā)送發(fā)送一幀;每一個節(jié)點都要轉(zhuǎn)發(fā)接收到的報文,除非已經(jīng)轉(zhuǎn)發(fā)過;目標(biāo)節(jié)點接收第一幀“DFRAME”同時丟棄后到的重復(fù)報文;環(huán)網(wǎng)故障不會對應(yīng)用業(yè)務(wù)造成影響,并且能快速發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障(沒有收到重復(fù)報文),,,,,,,,,,,,,,,,,,NODE,,,NODE,,,NODE,,,,,,,,NODE,,,,,,,,NODE,,,,,,,,NODE,,,,,,,,NODE,,,,,,,源,,,,,?A“FRAMEHSRTAGGED,?B“FRAMEHSRTAGGED,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,?C“FRAME,?D“FRAME,,,,,,,,,,,A,B,,,,,,,,,,,NODE,,目標(biāo),,,二、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網(wǎng),(二)HSR,,每一個節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)所接收到的報文(除非已轉(zhuǎn)發(fā)過),,,,,,,,,,,,,,,,,,,ENDNODE,,,ENDNODE,,,ENDNODE,,,,,,,,ENDNODE,,,,,,,,ENDNODE,,,,,,,,ENDNODE,,,,,,,,ENDNODE,,,,,,,源,目標(biāo),,,,,?A“FRAME,?B“FRAME,,,,,,,,,,,,,,,,,,交換機,冗余盒,,,單連接節(jié)點,INTERLINK,,,,,,,,,實箭頭單播空箭頭沒有接收的單播CROSSREMOVEFROMTHERING,,,,,,,,,,,,,,,,,二、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網(wǎng),(二)HSR,,,,,,,,,,,,,,,,,,,SWITCH,REDBOX,,,單連接節(jié)點,INTERLINK,,,,目標(biāo),,,,,,,,,,,,,,,,,,,,NODE,,,NODE,,,NODE,,,,,,,,NODE,,,,,,,,NODE,,,,,,,,NODE,,,,,,,,NODE,,,,,,,源,,,,,?A“FRAMEHSR,?B“FRAMEHSR,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,目標(biāo),?C“FRAME,?D“FRAME,,,,,,,,,,,A,B,,,單連接節(jié)點通過冗余盒連接到網(wǎng)絡(luò)上(冗余盒充當(dāng)代理,實現(xiàn)報文的處理)冗余盒產(chǎn)生管理報文(相當(dāng)于冗余節(jié)點),目標(biāo),二、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網(wǎng),(二)HSR,,,LINKREDUNDANCYENTITY,,ETHERNETB,,ETHERNETA,,,,TCP,RFC793,,UDP,,IP,,ISOTRANSPORT,RFC1006,,ISOSESSION,,ACSE,ISO/IEC86491996,,MMS,ISO9506,,12003,,CLIENT/SERVER,,,ACSI,,PT0800,,LINKLAYER,,APPLICATION,,APPLICATION,,APPLICATION,,SNTP,,PTP,,ARP,,CLOCK,,802P1/8021Q,,TAGGING,,PT0806,,PTID8100,,8022,,RSTP,8021D,,MACLAYER,,X88B9,,X88B8,,X88BA,,GSEMGT,,GOOSE,HARDREALTIME,,,SOFTREALTIME,,SWITCHINGLOGIC,,,SV,,1588A,1588B,,無改變,二、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網(wǎng),(二)HSR,,,,,,,,,,,,A,B,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,CW,SENDLRE同時發(fā)送兩幀報文端口AAND端口B1,2FORWARD交換邏輯重新發(fā)送報文幀從一個端口在其他端口3,4除非自己的報文5,6RECEIVELRE接收兩幀報文,保留第一幀丟棄第二幀7,NETWORKLAYER,TRANSPORTLAYER,A,B,PUBLISHER/SUBSCRIBER,CCW,APPLICATIONS,NETWORKLAYER,TRANSPORTLAYER,PUBLISHER/SUBSCRIBER,APPLICATIONS,源,目標(biāo),,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,CW,,,,,發(fā)送重復(fù)報文,丟棄重復(fù)報文,,丟棄重復(fù)報文,發(fā)送重復(fù)報文,CCW,,7,,,,,,,,,,,,,ETHERNETLINK,,,,,,,,,,,,,,端口,鏈路冗余體LRE,TRANSCEIVERS,上層,鏈路層INTERFACE,交換邏輯,,,二、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網(wǎng),(二)HSR,每一個節(jié)點2個端口擁有相同的MAC地址每一個節(jié)點2個端口擁有相同的IP地址支持網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議如ARP支持基于數(shù)據(jù)鏈路層的通信,GOOSE和SV提供了無縫切換中定義的61850714為變電站站站控層和過程層提供相同的冗余方案,二、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網(wǎng),(二)HSR,一幀包含目的地址、源地址和HSR網(wǎng)絡(luò)類型,HSR網(wǎng)絡(luò)類型包括16位的以太網(wǎng)類型標(biāo)簽(0X892F),4位的報文標(biāo)示,12位幀大小和16位的序列號,插入到報文前面,以方便報文直接轉(zhuǎn)發(fā)報文發(fā)送,序列號遞增利用序列號對同源報文進行丟棄算法報文可超過1522字節(jié)(HSR標(biāo)簽),超過IEEE8021D規(guī)定的,,,,,二、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網(wǎng),(二)HSR,具有VLAN標(biāo)識可以依此進行信息傳送或隔離,實現(xiàn)虛擬網(wǎng)絡(luò)的功能。因此根據(jù)二者的特點可以分別運用到不同的區(qū)域。增加組網(wǎng)靈活性。使用HSR劃分技術(shù)可以根據(jù)功能需求,網(wǎng)絡(luò)管理者能夠把網(wǎng)絡(luò)上的任何節(jié)點進行組網(wǎng);從而對網(wǎng)絡(luò)的組建帶來了很大的方便。,,,,二、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網(wǎng),(二)HSR,,,,,,,,INPUTQUEUE,LOCALQUEUE,,,,,,,與PRP數(shù)據(jù)幀不同的是.HSR標(biāo)簽位于數(shù)據(jù)幀的開始部分.跟在目的地址后面。這使得節(jié)點在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀時能夠采用直通交換技術(shù).節(jié)點在接收完數(shù)據(jù)幀目的地址、源地址和序列號部分并確認(rèn)之前沒有接收或者發(fā)送過該數(shù)據(jù)幀后.直接在另一個端口將數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā).大幅減少了轉(zhuǎn)發(fā)過程帶來的延時。直通接收到報文MAC、立馬轉(zhuǎn)發(fā)提升節(jié)點的轉(zhuǎn)發(fā)效率,最差的情況發(fā)生在節(jié)點自身在發(fā)送報文若報文為1536OCTETS123ΜS100MBIT/S當(dāng)一個環(huán)報文幀到來,必須為環(huán)幀提供大小1536個字節(jié)的緩沖。,INCOMINGRINGFRAME,OUTGOINGRINGFRAME,,,,,,,,二、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網(wǎng),(二)HSR,報文是在環(huán)網(wǎng)內(nèi)2個不同方向同時傳輸?shù)模诰W(wǎng)絡(luò)正常情況下接收端在不同端口會接收到一對重復(fù)報文.因此必須采用在鏈路層將重復(fù)報文丟棄的處理方式。在HSR中.可以利用基于查閱表的算法來處理重復(fù)報文.每一個HSR數(shù)據(jù)幀由其獨特的目的地址DADESTINATIONADDRESS、源地址SASOURCEADDRESS和序列號SEQSEQUENCENUMBER被網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點識別。目的地址、源地址和序列號作為數(shù)據(jù)幀被節(jié)點接收的入口通行信息.環(huán)內(nèi)節(jié)點為2個端口不同路徑保存各自的查閱表.表內(nèi)儲存之前接收過的數(shù)據(jù)幀的入口通行信息。,,,,,二、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網(wǎng),(二)HSR,查閱表搜索和寫操作過程節(jié)點某一端口如端口A傳來某一單播或多播報文,在接收完數(shù)據(jù)幀目的地址、源地址和序列號后.先在另一端口查閱表內(nèi)進行搜索.如果已經(jīng)存在相同的人口通行信息.則表示已在另一端口接收到了一對重復(fù)報文中的第一個。該報文是重復(fù)的.將其丟棄。相反。如果在另一端口查閱表內(nèi)沒有搜索到相同的入口通行信息.接收進程繼續(xù).并在檢驗數(shù)據(jù)幀無錯誤后將入口通行信息寫入端口A的查閱表中。之后在另一端口傳來一對重復(fù)報文的第2個時。在另一個端口同樣采取上述過程.將其丟棄。這種基于查閱表的箅法還利于處理環(huán)網(wǎng)中可能存在的循環(huán)報。在某一端口接收數(shù)據(jù)幀.在接收完數(shù)據(jù)幀目的地址、源地址和序列號后,先在本端口查閱表內(nèi)進行搜索.如果已經(jīng)存在相同的入口通行信息,則表示該報文是循環(huán)報文,將其丟棄。相反,如果沒有搜索到相同的入口通行信息.接收進程繼續(xù).并在檢驗數(shù)據(jù)幀無錯誤后將入口通信信息寫入本端口查閱表中。,,,,,二、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網(wǎng),(二)HSR,,,,,,,A,B,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,CW,,,,,,,,丟棄重復(fù),重復(fù)發(fā)送,CCW,,7,CW,CCW,,C,,,,,,PROXYNODETABLE,,INTERLINKTOSWITCH,鏈路冗余體LRE,交換邏輯SL,,,,,,,,,,,,,,SWITCH,,,單連接節(jié)點,,8,,9,,10,,,冗余盒是單連接節(jié)點的代理刪除自己發(fā)送到環(huán)上的幀報文,并保持一個代理節(jié)點表。冗余盒是非HSR節(jié)點接入HSR的橋梁,,,,,,,,二、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網(wǎng),(二)HSR,,間隔HSRRING2,,,,,IED,,,,,,,,,,,,工作站1,LOGGER,打印機,,,,,,,,,,COM,NCC,,,,工作站2,非冗余環(huán)網(wǎng)和HSR環(huán)網(wǎng)實現(xiàn)部分冗余,,,,,,,間隔RSTP,,,,,,,,RSTPRINGLAN,SWITCHINGREDBOXWITHMULTICASTFILTER,,,,,,,,,,IED,,,,,,IED,,,,,,,,,間隔HSRRING1,,,,,IED,,,,,,,IED,,,,,,IED,,,,,,,,,,IED,IED,,GPS時鐘,,,,,,,,,,,,,,,二、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網(wǎng),(二)HSR,,,,,,,,,,,,ENDNODE,,,,,,,,ENDNODE,,,,,,,,ENDNODE,,,,,,,,ENDNODE,,,,,,,,,,,,,ENDNODE,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,A,B,QUADBOXA,QUADBOXB,環(huán)1,環(huán)2,,,其它環(huán),?A“FRAME,?B“FRAME,,,,,,,ENDNODE,,,,,,,ENDNODE,,,,,,,ENDNODE,,,,,,,ENDNODE,,,,,,,,,,,,,,,,,,避免單點故障,采用雙冗余盒,二、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網(wǎng),(二)HSR,,,,,,,,A,B,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,CW,,,,,,,,DISCARDDUPLICATE,SENDDUPLICATE,CCW,,7,CW,CCW,,C,,,,,,PROXYNODETABLE,,鏈路冗余體LRE,交換邏輯SL,,8,,9,,10,,FRAMECHECK,,C,,,,,,,,PROXYNODETABLE,,FRAMECHECK,INTERLINKTOREDBOXAOFLANA,,,MIRRORREDBOX?A“,,,,,,,,,,,二、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網(wǎng),(二)HSR,,,QB,,,,QB,,,,,,,DANH,,,,DANH,,,,,,,,DANH,,,,,,QB,,,,QB,,,,DANH,,,,DANH,,,,,,,,DANH,,,,DANH,,,,SAN,,RING2,RING3,RING1,,,,,,,,,,SAN,,,,,,DANH,,,,SAN,,,,,,,DANH,,,2個QUADBOXES接入防止獨立故障,二、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網(wǎng),(二)HSR,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,允許任何拓?fù)鋰Ш?二、并行冗余協(xié)議及高可用性無縫環(huán)網(wǎng),(二)HSR,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,SWITCH,,,,,,,,,,,SWITCH,,SWITCHEDLOCALAREANETWORKTREELAN_B,,,,,,,,,,,SWITCH,,SWITCH,,,,,,,,,,,,SW
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簡介:無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及其研究進展,王汝傳,2006年,南京郵電大學(xué)計算機學(xué)院,2024/4/4,2,提要,第1部分,第2部分,第3部分,第4部分,第5部分,,,,,概要,,協(xié)議,,關(guān)鍵技術(shù),應(yīng)用,,展望,,,,,,,2024/4/4,3,提要,第1部分,第2部分,第3部分,第4部分,第5部分,,,,,概要,,協(xié)議,,關(guān)鍵技術(shù),應(yīng)用,,展望,,,,,,,2024/4/4,4,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是計算機、通信、傳感器、微機電系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)等多項技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。,概要,2024/4/4,5,概要,,遠(yuǎn)程的(REMOTE)、現(xiàn)場的(INSITU)信息獲取和處理能力已有傳統(tǒng)技術(shù)難以實現(xiàn)的細(xì)微物理或環(huán)境現(xiàn)象感知能力不依賴于固定通信基礎(chǔ)設(shè)施的自治特性,,,REDSOILGREENVEGETATIONBLUESNOW,,,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有廣闊的應(yīng)用前景,2024/4/4,6,美國MIT技術(shù)評論(2003年)“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是在不遠(yuǎn)的將來會產(chǎn)生巨大影響的十種新興技術(shù)之一,它將很快改變計算、醫(yī)療、制造、運輸和能源基礎(chǔ)設(shè)施”,概要,2024/4/4,7,美國商業(yè)周刊“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將是21世紀(jì)最有影響的21項技術(shù)之一”(1999年)將其與公用計算(UTILITYCOMPUTING)、塑料電子學(xué)(PLASTICELECTRONICS)和仿生人體器官(BIONICBODIES)稱為全球未來四大高技術(shù)產(chǎn)業(yè)(2003年),概要,2024/4/4,8,概要,智能微塵(美國國防部在1999年展開研發(fā))在一立方毫米的范圍內(nèi)包含了從信息收集、信息處理到信息發(fā)送的所有必需部件,能夠形成自動組織的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。,2024/4/4,9,,,,處理能力,,無線通信能力,,感知能力,,,概要無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定義,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WIRELESSSENSORNETWORKS)是由具有感知、處理和無線通信能力的微型節(jié)點通過自組織方式形成的網(wǎng)絡(luò)。,2024/4/4,10,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)(1),,INTERNET、衛(wèi)星或移動通信網(wǎng)絡(luò)等,,網(wǎng)關(guān)(匯聚節(jié)點,SINKNODE)大規(guī)模的應(yīng)用可能使用多個網(wǎng)關(guān)使用多種方式與外部網(wǎng)絡(luò)通信,如INTERNET、衛(wèi)星或移動通信網(wǎng)絡(luò)等,網(wǎng)絡(luò)節(jié)點既是信息包的發(fā)起者,也是信息包的轉(zhuǎn)發(fā)者。,,,2024/4/4,11,,平面結(jié)構(gòu)(對等式結(jié)構(gòu))所有節(jié)點的地位平等,,分級結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)被劃分為簇(CLUSTER),每一個簇由一個簇頭和多個簇成員組成。,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)(2),2024/4/4,12,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,根據(jù)傳感器節(jié)點在使用中是否移動,可將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分為靜態(tài)(非移動性)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點布置在監(jiān)測區(qū)域內(nèi),根據(jù)用戶的要求,可對各種環(huán)境或物體參數(shù)進行測量動態(tài)(移動性)網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點一般處于移動狀態(tài)中(如被安置在可移動的物體上)目前大多數(shù)是靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)(3),2024/4/4,13,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(三代),概要發(fā)展歷程,2024/4/4,14,,MOTEWORKS軟件平臺,MOTEWORKS硬件平臺,HTTP//WWWXBOWCOM,概要發(fā)展歷程,2024/4/4,15,,HTTP//WWWMOTEIVCOM,概要發(fā)展歷程,2024/4/4,16,,HTTP//WWWSCATTERWEBNET,節(jié)點,網(wǎng)關(guān),軟件,帶照相機的節(jié)點,帶顯示屏的節(jié)點,概要發(fā)展歷程,2024/4/4,17,,HTTP//WWWINTELCOM/RESEARCH/EXPLORATORY/MOTESHTM,概要發(fā)展歷程,2024/4/4,18,,HTTP//WWWSUNSPOTWORLDCOM/,概要發(fā)展歷程,2024/4/4,19,,HTTP//WWWWSNNETCN,寧波中科集成電路設(shè)計中心(中科院計算所寧波分所),概要發(fā)展歷程,2024/4/4,20,自組織網(wǎng)絡(luò)的建立和節(jié)點間通信不依賴于固定的通信基礎(chǔ)設(shè)施,而通過分布式網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實現(xiàn)組網(wǎng),自動調(diào)整以適應(yīng)節(jié)點的移動、加入和退出、剩余電量和無線傳輸范圍的變化等。節(jié)點能力有限由于低成本、低能耗、體積小、野外部署等要求,傳感器節(jié)點在供電、計算、存儲、通信等方面的能力比較受限。規(guī)模大傳感器網(wǎng)絡(luò)可能包含多達(dá)上千個甚至上萬個節(jié)點。高冗余為了保證網(wǎng)絡(luò)的可用性和生存能力,傳感器網(wǎng)絡(luò)通常具有較高的節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)鏈路冗余,以及采集的數(shù)據(jù)冗余。流量不均衡傳感器網(wǎng)絡(luò)中流向處理中心的數(shù)據(jù)量往往遠(yuǎn)大于反方向的流量。數(shù)據(jù)流向處理中心并在處理中心集中,會出現(xiàn)離處理中心越近,節(jié)點負(fù)載越重的現(xiàn)象。,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點(1),2024/4/4,21,空間位置尋址傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點不必具有全球惟一的標(biāo)識,不必采用INTERNET的IP尋址。用戶可不關(guān)心數(shù)據(jù)采集于哪一個節(jié)點,而關(guān)心數(shù)據(jù)所屬的空間位置,因此可采取空間位置尋址方式。拓?fù)湟鬃兓瘋鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)節(jié)點的功率控制、剩余電量下降,以及應(yīng)用需要使有些節(jié)點可能進入休眠狀態(tài)等因素,將引起網(wǎng)絡(luò)工作節(jié)點在數(shù)目和分布上的變化,導(dǎo)致拓?fù)涓淖?。?shù)據(jù)融合傳感器網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)傳輸過程中,通常要求中間節(jié)點能將來自多個傳感器的相關(guān)數(shù)據(jù)進行融合,再傳送給處理中心。,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點(2),2024/4/4,22,提要,第1部分,第2部分,第3部分,第4部分,第5部分,,,,,概要,,協(xié)議,,關(guān)鍵技術(shù),應(yīng)用,,展望,,,,,,,2024/4/4,23,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自身的特點決定了它不能完全使用目前已經(jīng)存在的一些標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議,例如IEEE80211已有研究在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)使用TCP/IP相關(guān)協(xié)議(國家發(fā)改委下一代互聯(lián)網(wǎng)示范工程項目“IPV6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點”)國外的研究工作者為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的各個層次都提出了一些解決方案,但是總的來說,到目前為止并沒有形成較多被廣泛認(rèn)可的協(xié)議,傳輸層,,數(shù)據(jù)鏈路層,網(wǎng)絡(luò)層,物理層,2024/4/4,24,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議物理層,物理層負(fù)責(zé)載波頻率產(chǎn)生、信號的調(diào)制解調(diào)等工作節(jié)點設(shè)計利用可獲得的元器件構(gòu)建傳感器節(jié)點,如圍繞TINYOS項目所設(shè)計的系列硬件平臺;采用MEMS和集成電路技術(shù),設(shè)計高度集成化傳感器節(jié)點,如智能微塵、無線集成網(wǎng)絡(luò)傳感器WINS無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的載波媒體可能的選擇包括紅外線、激光和無線電波。,傳輸層,,數(shù)據(jù)鏈路層,網(wǎng)絡(luò)層,物理層,2024/4/4,25,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層,數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)媒體訪問和錯誤控制,錯誤控制,媒體訪問控制協(xié)議(MAC),,媒體訪問協(xié)議保證可靠的點對點和點對多點通信。以競爭為基礎(chǔ)的MAC協(xié)議基于預(yù)約的MAC協(xié)議研究現(xiàn)狀BMACBERKELEYMAC、SMACSENSORMAC、TMACTIMEOUTMAC、PMACPATTERNMAC、ZMACZEBRAMAC等,傳輸層,,數(shù)據(jù)鏈路層,網(wǎng)絡(luò)層,物理層,,,2024/4/4,26,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議網(wǎng)絡(luò)層,網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議主要負(fù)責(zé)路由發(fā)現(xiàn)和維護。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議按照最終形成的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),可以劃分為平面路由協(xié)議和分級路由協(xié)議。平面路由協(xié)議優(yōu)點節(jié)點地位平等,原則上不存在瓶頸問題。缺點可擴充性差,維護動態(tài)變化的路由需要大量的控制信息。分級路由協(xié)議優(yōu)點簇成員的功能比較簡單,不需要維護復(fù)雜的路由信息,可擴充性好。缺點簇頭節(jié)點可能會成為網(wǎng)絡(luò)的瓶頸。,傳輸層,,數(shù)據(jù)鏈路層,網(wǎng)絡(luò)層,物理層,2024/4/4,27,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議傳輸層,傳輸層負(fù)責(zé)將傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)提供給外部網(wǎng)絡(luò)。傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點硬件條件的限制使傳輸層協(xié)議的開發(fā)存在一定的困難,每個節(jié)點難以如同INTERNET上服務(wù)器那樣存儲很多的信息。目前已經(jīng)開發(fā)出的一些演示系統(tǒng)中,一般采用一個特殊的節(jié)點作為網(wǎng)關(guān),其硬件配置和電源供給有別于普通節(jié)點,網(wǎng)關(guān)使用衛(wèi)星、移動通信網(wǎng)絡(luò)、INTERNET或者其它的鏈路與外部網(wǎng)絡(luò)通信。,傳輸層,,數(shù)據(jù)鏈路層,網(wǎng)絡(luò)層,物理層,2024/4/4,28,IEEE802154/ZIGBEE協(xié)議為低速率的無線個人局域網(wǎng)設(shè)計,由IEEE802154標(biāo)準(zhǔn)的PHY和MAC層再加上ZIGBEE的網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用支持層所組成的。其突出的特點網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)支持極低成本易實現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)傳輸短距離操作極低功耗各層次的安全性等,,,,物理層24GHZ915MHZ868MHZ,MAC層,網(wǎng)絡(luò)層,應(yīng)用接口,應(yīng)用,,IEEE802154,,安全,,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議參考標(biāo)準(zhǔn),2024/4/4,29,提要,第1部分,第2部分,第3部分,第4部分,第5部分,,,,,概要,,協(xié)議,,關(guān)鍵技術(shù),應(yīng)用,,展望,,,,,,,2024/4/4,30,路由技術(shù)(1),面臨的問題和挑戰(zhàn)(1)傳感器網(wǎng)絡(luò)的低能量特點使節(jié)能成為路由協(xié)議最重要的優(yōu)化目標(biāo)。(2)傳感器網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模更大,要求其路由協(xié)議必須具有更高的可擴展性。(3)傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓詮?,通常的INTERNET路由協(xié)議不能適應(yīng)這種快速的拓?fù)渥兓?。?)數(shù)據(jù)融合的特點使傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由不同于一般網(wǎng)絡(luò)。(5)傳感器網(wǎng)絡(luò)中通信不對稱,流量分布不均勻。,2024/4/4,31,路由技術(shù)(2),研究現(xiàn)狀平面路由協(xié)議對候選路徑的能耗做出估計,并根據(jù)一定的策略選擇最佳路由從網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用模式出發(fā),進行以數(shù)據(jù)為中心的路由定向擴散DIRECTEDDIFFUSIONSPIN(SENSORPROTOCOLFORINFORMATIONVIANEGOTIATION)分級路由協(xié)議LEACH、DCHS、PEGAGIS、DAEA、HEED、CEFL、ACMWN、ACE、EECS、LSCP、TEEN、APTEEN、ECMR等,2024/4/4,32,拓?fù)涔芾?拓?fù)涔芾戆ㄍ負(fù)涞陌l(fā)現(xiàn)和控制,使生成的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錆M足一定的性質(zhì),以延長網(wǎng)絡(luò)生命周期,降低網(wǎng)絡(luò)干擾,提高吞吐率。研究進展功率控制COMPOW、LINT/LILT、LMN/LMA、CBTC、LMST、RNG、DRNG和DLSS等;層次拓?fù)淇刂芓OPDISC、GAF、LEACH、HEED等現(xiàn)有研究存在的問題用于建模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的模型過于理想化。節(jié)點的分布假設(shè)過于理想化。安放無線傳感器的區(qū)域假設(shè)過于理想化。,2024/4/4,33,部署與覆蓋,根據(jù)被監(jiān)測的區(qū)域或目標(biāo)的分布情況,對節(jié)點部署進行規(guī)劃,保證網(wǎng)絡(luò)完全覆蓋或以較大概率覆蓋被監(jiān)測區(qū)域。部署方式確定部署需要對網(wǎng)絡(luò)的物理環(huán)境有預(yù)先的了解,而且每個部署位置都必須可達(dá),通常適用于工業(yè)控制、智能家居等應(yīng)用中;隨機部署通常用于戰(zhàn)場等危險或惡劣的環(huán)境。覆蓋對象(A)區(qū)域覆蓋、(B)點覆蓋、(C)柵欄覆蓋,2024/4/4,34,數(shù)據(jù)管理,數(shù)據(jù)管理是確定傳感器網(wǎng)絡(luò)可用性和有效性的關(guān)鍵技術(shù)。研究進展數(shù)據(jù)存儲和索引基于地理散列表的方法、DIMENSIONS、DIFS、DIM等數(shù)據(jù)融合目前研究集中在聚集算法,包括網(wǎng)絡(luò)層聚集算法和應(yīng)用層聚集算法等,這些一般與路由技術(shù)(定向擴散、LEECH、TEEN等)緊密結(jié)合;數(shù)據(jù)查詢處理與優(yōu)化目前研究集中在連續(xù)查詢和近似查詢的優(yōu)化處理技術(shù)。典型系統(tǒng)加州大學(xué)伯克利分校TINYDB康奈爾大學(xué)COUGAR系統(tǒng),2024/4/4,35,安全技術(shù),無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用,尤其在軍事和商業(yè)等領(lǐng)域,需要解決安全問題。安全問題主要存在選擇轉(zhuǎn)發(fā)、HELLO洪泛、女巫攻擊、告知收到欺騙、DOS、污水池、蠕蟲洞、篡改或重發(fā)路由信息等研究進展密鑰管理、身份認(rèn)證和數(shù)據(jù)加密TINYSEC、SENSORWARE、SPINS、LEAP、基于ECC(橢圓曲線密碼)的密鑰生成協(xié)議安全路由協(xié)議對網(wǎng)絡(luò)入侵具有抵抗力的路由協(xié)議INSENS安全聚集對抗攻擊入侵檢測,2024/4/4,36,應(yīng)用,,操作系統(tǒng),,,應(yīng)用,操作系統(tǒng),,中間件,,,軟件技術(shù),2024/4/4,37,,,,設(shè)計無線傳感器的操作系統(tǒng)需要滿足傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)對于資源受限、可移植性、實時性等方面的需求自適應(yīng)可信賴包括可靠性、容錯性、安全和私密性、易用性等;可升級節(jié)能,目前對無線傳感器操作系統(tǒng)的研究集中在資源約束上,主要是采用各種簡單有效的運行模式事件模型、線程模型、狀態(tài)機模型等,軟件技術(shù)操作系統(tǒng)(1),2024/4/4,38,軟件技術(shù)操作系統(tǒng)(2),,1,TINYOS,,2,MANTISOS,,3,SOS,,4,CONTIKI,2024/4/4,39,軟件技術(shù)操作系統(tǒng)(3),,1,TINYOS,TINYOS是一個開源的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)嵌入式操作系統(tǒng)。它是采用基于組件的體系結(jié)構(gòu)。TINYOS的程序采用的是模塊化設(shè)計,程序核心一般很?。ê诵拇a和數(shù)據(jù)大概在400BYTES左右),能夠突破傳感器存儲資源少的限制,有效運行在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)上。TINYOS目標(biāo)是用最少的硬件支持網(wǎng)絡(luò)傳感器的并發(fā)密集型操作。,2024/4/4,40,軟件技術(shù)中間件(1),無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中間件一種實現(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)各成分(如網(wǎng)絡(luò)節(jié)點硬件、操作系統(tǒng)、協(xié)議棧和應(yīng)用邏輯)協(xié)同工作的軟件基礎(chǔ)設(shè)施(包含相應(yīng)的編程模型)。,2024/4/4,41,軟件技術(shù)中間件(2),研究現(xiàn)狀,,,編程支持類,編程抽象類,,,,,,虛擬機類,數(shù)據(jù)庫類,應(yīng)用驅(qū)動類,組件類,面向消息類,,,全局行為類(宏編程),本地行為類(數(shù)據(jù)為中心的、幾何的),MATE,MAGNETOS,IMPALA,AGILLA,COUGAR,TINYDB,MILAN,MIRES,AUTOSEC,GARNET,KAIROS,ABSTRACTREGIONS,ENVIROTRACK,DSWARE,TINYLIME,HOOD,JANUS,KENSHO,COMIS,FACTS,2024/4/4,42,定位技術(shù)自身定位外部目標(biāo)跟蹤時間同步技術(shù)仿真技術(shù)NS2OMNETTOSSIMJSIMSHAWNSENSSENSE,其他技術(shù),2024/4/4,43,提要,第1部分,第2部分,第3部分,第4部分,第5部分,,,,,概要,,協(xié)議,,關(guān)鍵技術(shù),,展望,,,,,,,應(yīng)用,2024/4/4,44,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在軍事和民用領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。軍事環(huán)境監(jiān)測醫(yī)療監(jiān)護空間探索工業(yè)農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)控商業(yè)其他應(yīng)用,2024/4/4,45,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是軍隊在敵對區(qū)域中獲取情報的重要技術(shù)手段,例如,通過飛機將傳感器節(jié)點撒播在戰(zhàn)場上,對化學(xué)武器的使用、敵方車輛和士兵的運動進行監(jiān)測和報告。,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用軍事,2024/4/4,46,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用環(huán)境監(jiān)測,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為環(huán)境監(jiān)測中的數(shù)據(jù)收集和處理提供重要的工具,例如,跟蹤候鳥和昆蟲的遷移,監(jiān)測海洋、大氣和土壤的成分等。,2024/4/4,47,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用環(huán)境監(jiān)測,火山噴發(fā)監(jiān)測,HTTP//WWWEECSHARVARDEDU/MDW/PROJ/VOLCANO/,2024/4/4,48,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用環(huán)境監(jiān)測,火山噴發(fā)監(jiān)測,TUNGURAHUAVOLCANO(通古拉瓦火山),ECUADOR(厄瓜多爾),2024/4/4,49,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用環(huán)境監(jiān)測,火山噴發(fā)監(jiān)測,TUNGURAHUAVOLCANO(通古拉瓦火山),ECUADOR(厄瓜多爾),2024/4/4,50,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用環(huán)境監(jiān)測,火山噴發(fā)監(jiān)測,TUNGURAHUAVOLCANO(通古拉瓦火山),ECUADOR(厄瓜多爾),2024/4/4,51,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用環(huán)境監(jiān)測,火山噴發(fā)監(jiān)測,TUNGURAHUAVOLCANO(通古拉瓦火山),ECUADOR(厄瓜多爾),2024/4/4,52,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用環(huán)境監(jiān)測,火山噴發(fā)監(jiān)測,TUNGURAHUAVOLCANO(通古拉瓦火山),ECUADOR(厄瓜多爾),2024/4/4,53,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用醫(yī)療監(jiān)護,在病人身上安裝特殊用途的傳感器節(jié)點,如心率和血壓監(jiān)測設(shè)備,這些節(jié)點組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)后,醫(yī)生就可以隨時了解被監(jiān)護病人的病情,進行及時處理。,2024/4/4,54,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用醫(yī)療監(jiān)護,中風(fēng)病人康復(fù)中的肢體移動監(jiān)測,HTTP//WWWEECSHARVARDEDU/MDW/PROJ/CODEBLUE/,2024/4/4,55,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用醫(yī)療監(jiān)護,中風(fēng)病人康復(fù)中的肢體移動監(jiān)測,2024/4/4,56,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用空間探索,借助于航天器布撒的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點實現(xiàn)對星球表面長時間的監(jiān)測是一種經(jīng)濟可行的方案。,2024/4/4,57,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用農(nóng)業(yè),在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,通過傳統(tǒng)方式采集原始數(shù)據(jù)是一件困難的工作。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為研究環(huán)境變化對農(nóng)作物的影響、監(jiān)測大氣和土壤的成分提供了方便。,2024/4/4,58,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用工業(yè),工業(yè)自動控制,2024/4/4,59,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)控,建筑設(shè)施健康狀態(tài)監(jiān)測,2024/4/4,60,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)控,建筑設(shè)施自動控制,2024/4/4,61,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用商業(yè),很多大公司現(xiàn)已在部署無線傳感器網(wǎng)絡(luò),以監(jiān)視庫存和檢查加油站油泵內(nèi)的存油狀態(tài)。預(yù)計2015年傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點可以成為“超級RFID”,主動監(jiān)測貨物參數(shù)并記錄相關(guān)數(shù)據(jù),還能夠在某些參數(shù)超過臨界值時發(fā)出警報。,2024/4/4,62,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用其他應(yīng)用,在災(zāi)難拯救、家庭、交通運輸、文物保護等眾多領(lǐng)域,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)都將會孕育出全新的設(shè)計和應(yīng)用模式。,災(zāi)難拯救,2024/4/4,63,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用其他應(yīng)用,家庭,在災(zāi)難拯救、家庭、交通運輸、文物保護等眾多領(lǐng)域,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)都將會孕育出全新的設(shè)計和應(yīng)用模式。,2024/4/4,64,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用其他應(yīng)用,交通運輸,在災(zāi)難拯救、家庭、交通運輸、文物保護等眾多領(lǐng)域,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)都將會孕育出全新的設(shè)計和應(yīng)用模式。,2024/4/4,65,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用其他應(yīng)用,文物保護,在災(zāi)難拯救、家庭、交通運輸、文物保護等眾多領(lǐng)域,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)都將會孕育出全新的設(shè)計和應(yīng)用模式。,2024/4/4,66,提要,第1部分,第2部分,第3部分,第4部分,第5部分,,,,,概要,,協(xié)議,,關(guān)鍵技術(shù),應(yīng)用,,展望,,,,,,,2024/4/4,67,發(fā)展趨勢利弊,,天使的面孔智能微塵能帶來的用途是顯而易見的。魔鬼的力量個人隱私不復(fù)存在,2006年2月國務(wù)院發(fā)布國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006-2020年),在“亟待科技提供支撐”的國民經(jīng)濟和社會發(fā)展重點領(lǐng)域中,“傳感器網(wǎng)絡(luò)及智能信息處理”被列為“信息產(chǎn)業(yè)”中七個主題之一。,2024/4/4,68,,發(fā)展趨勢節(jié)點(1),2024/4/4,69,,智能微塵(SMARTDUST)原型,GOLEMDUST(太陽能供電、雙向光通信、加速度和光傳感器、117立方毫米總外接體積),DAFTDUST(雙向光通信、63立方毫米總外接體積),SPEC(第一個集成射頻通信模塊,2MMX25MM,類AVRRISC核,3K存儲器,8BIT片上ADC,FSK無線電發(fā)射模塊),發(fā)展趨勢節(jié)點(2),2024/4/4,70,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展趨勢系統(tǒng)(1),無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將逐步成熟。制造工藝90納米技術(shù)將為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的尺寸進一步縮小和功能的提升提供了可能性;無線通信技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)ZIGBEE/IEEE802154、UWB(超寬帶)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)將會影響無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展,UWB可以使用更低的功耗實現(xiàn)更高的無線傳輸帶寬。關(guān)鍵技術(shù)解決和完善接入技術(shù)“無所不在”,融入現(xiàn)有成熟的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)實施,2024/4/4,71,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展趨勢系統(tǒng)(2),無線傳感器網(wǎng)絡(luò)商業(yè)化和普遍應(yīng)用,,2024/4/4,72,我們在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的研究狀況,我們有二十多名博士和碩士研究生正在從事無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及其應(yīng)用的研究與開發(fā)。,2024/4/4,73,我們在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的研究狀況,在研項目(1)“十一五”國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)專題課題項目“基于AGENT的面向應(yīng)用的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中間件技術(shù)”(2)江蘇省自然科學(xué)基金項目“基于智能代理的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)研究”(3)江蘇省高技術(shù)研究項目“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中間件和平臺技術(shù)研究”,2024/4/4,74,我們在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的研究狀況,,UBICELL節(jié)點集成傳感器,微處理器,無線收發(fā)器等多種嵌入式芯片,擁有信息采集,信號處理,數(shù)據(jù)傳輸和實時監(jiān)控等多種功能。,2024/4/4,75,我們在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的研究狀況,,DISWARE是我們現(xiàn)已研發(fā)的面向應(yīng)用的、基于AGENT的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中間件軟件,現(xiàn)已完成核心模塊的研發(fā),提供數(shù)據(jù)管理和安全管理功能。,2024/4/4,76,我們在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的研究狀況,謝謝,王汝傳WANGRCNJUPTEDUCN,(2006129),
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