面向传感网的软件定义测量技术研究

Recent advances in low-power wireless technologies have enabled a variety of applications of sensor networks, such as military surveillance, disaster warning, and urban computing. Network measurement technologies enable the network designers and managers to understand more internal network behaviors, providing a data basis for fault diagnosis, protocol optimization, and etc. Traditional measurement technologies have closed architecture and are difficult to configure, posing difficulties to be used in more and more complex applications. This project aims to study software-defined measurement technologies, and propose a set of measurement platform technologies and measurement methods, for flexible, efficient, and accurate network measurement in sensor networks. First, we study a flexible and configurable measurement platform, including node architecture based on redirect table, real-time control instruction dissemination based on link layer preemption, and measurement data collection based on data plane reusing. Second, we study the measurability theory of measurement tasks, then propose a distributed measurement method for dynamic topology based on conflict-free path encoding and link metric measurement method based on multi-packets collaboration. Finally, we implement and evaluate the proposed measurement technologies in real sensor networks.

无线低功耗技术的发展使得传感网在军事监控、灾害预警、城市计算等领域得到了广泛应用。网络测量技术能够使网络设计者和管理者了解传感网内部的运行状态，为故障诊断、协议优化等操作提供数据基础。传统的测量技术架构封闭，配置困难，已难以满足日趋复杂的应用场景。本项目拟研究面向传感网的软件定义测量技术，在测量平台以及测量方法两个方面提出一系列关键技术，构建灵活、高效、精确的软件定义测量体系。首先，项目拟研究灵活可配置的测量平台架构，包括基于重定向表的节点架构，基于链路层抢占的实时指令分发，以及基于数据层复用的测量数据收集等。其次，项目拟在研究测量任务可测性理论的基础上，提出基于零冲突路径压缩的分布式动态拓扑测量方法以及基于多数据包协同优化的链路性能测量方法。最后，项目拟针对中等规模的传感网测试床，实现所提出的测量平台以及测量方法，验证并优化所提技术在真实网络中的效果。

无线低功耗技术的发展使得传感网在军事监控、灾害预警、城市计算等领域得到了广泛应用。网络测量技术能够使网络设计者和管理者了解传感网内部的运行状态，为故障诊断、协议优化等操作提供数据基础。传统的测量技术架构封闭，配置困难，已难以满足日趋复杂的应用场景。本项目研究面向传感网的软件定义测量技术，在测量平台以及测量方法两个方面提出一系列关键技术，构建灵活、高效、精确的软件定义测量体系。. .在灵活的传感网软件定义测量平台方面，提出了测量架构TinySDM，支持多种测量任务的简易配置与高效部署。和现有方法比，本项目所提方法对网络测量过程进行抽象，设计类C编程语言TCL（TinyCode Language），充分减少网络管理者编程负担，使其能够简便配置多种测量任务。其次，所提架构在部署测量任务时只需要传输相应的二进制代码，显著减少了任务部署的开销。. .在有效的软件定义测量理论与方法方面，提出了基于路径编码的动态拓扑测量方法PAT，相比于传统的拓扑测量方法，PAT能显著提高拓扑测量的准确率。提出了基于数据包相关性分析的逐跳时延测量方法Domo, 并在TinyOS 2.1.1上实现了该方法；提出了基于链路质量与链路相关性分析的监测节点部署方法NetVision，实验表明NetVison能够在任意网络中最大限度地降低部署成本，同时确保满足对节点流量的测量需求。在主动式网络测量方面，提出了基于网络断层透视的测量理论以及监测节点部署算法OMA，相比传统方法，OMA可实现定向的网络测量，大幅度减少监测节点部署数量。针对网络拓扑动态性，提出了基于拓扑预测的测量理论和监测节点部署算法MAPLink，并证明了MAPLink在动态网络中的有效性。. .在实际的传感网系统中，对所提的测量架构和测量方法等展开了实际的案例研究。基于测量架构TinySDM实现了对四种已有测量任务的高效配置，并在室内传感网测试床中进行部署，证明了所提架构灵活可配置，表达力强的特点。此外，在传感网测试床中对数据包逐跳时延测量方法Domo的性能进行了验证。. .项目共计论文16篇，其中IEEE/ACM Transactions长文4篇，CCF A类论文10篇，CCF B类论文4篇。本项目的研究有助于提高网络测量的灵活性、有效性以及精确性，并进一步提升传感网的设计及管理水平，推动传感网规模化应用，具有重要价值。