1.3.1 网络协议体系结构

无线传感器网络拥有和传统无线网络不同的体系结构，除了基本的网络结构，还包括不同的网络协议体系结构。网络协议体系结构是无线传感器网络的“软件”部分，包括网络的协议分层及网络协议的集合，是对网络及其部件应完成功能的定义与描述。如图1-2所示，无线传感器网络协议体系结构由网络通信协议、传感器网络管理技术及应用支撑技术组成。

分层的网络通信协议结构类似于传统的TCP/IP协议体系结构，由物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层组成。

（1）物理层的功能包括信道选择、无线信号的监测、信号的发送与接收等。无线传感器网络采用的传输介质可以是无线电、红外线或光波等。物理层的设计目标是以尽可能小的能量损耗获得较大的链路容量。

（2）数据链路层的主要任务是加权物理层传输原始比特的功能，使之对上层显现一条无差错的链路，该层一般包括介质访问控制（MAC）子层与逻辑链路控制（LLC）子层。其中，MAC层规定了不同用户如何共享信道资源，LLC层负责向网络层提供同意的服务接口。

（3）网络层主要实现数据融合，负责路由发现、路由维护和路由选择，使传感器节点能够以无线多跳方式进行有效的数据传输。

（4）传输层负责数据流的传输控制，提供可靠、高效的数据传输服务。

图1-2 无线传感器网络协议体系结构

（5）应用层包括用于实现检测任务的各种应用层软件。

在进行无线传感器网络协议栈[2]的设计时，考虑到分层管理、提高效率和网络鲁棒性的要求，充分参考互联网七层协议模型，结合无线传感器网络的特点，把无线传感器网络中的网络协议栈设计成包含物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层的五层协议模型。再结合无线传感器网络不同于传统互联网的独有特点，还应具有能量管理、动态自组网管理、网络拓扑动态管理及任务管理等特殊功能。这些特殊功能的引入能够使无线传感器节点高效、稳定、实时、准确地进行协同工作。对于无线传感器网络协议栈的五层协议模型，各层各司其职，相互协调和服务，完成整个数据传输处理过程。

无线传感器网络拓扑控制[3]主要包括三个方面的内容，分别为时间控制、空间控制及逻辑控制。时间控制是指通过固定的时间间隔，周期性地对所有无线传感器节点在工作状态和休眠状态进行切换，从而实现网络拓扑结构的周期性变化。空间控制是指根据一定的规律周期性地改变无线传感器节点的通信功率，节点的通信功率大于某个阈值时能够与其他节点实现连通，小于这个阈值时与其他节点断开，通过这个周期性变化来改变无线传感器节点的连通范围和连通状态，从而周期性地形成不同的网络拓扑结构。逻辑控制是指通过事先确定的逻辑规则，排除不满足规则的节点，而使用保留下来的节点形成稳定的网络拓扑。总之，拓扑控制技术的目的是在保障无线传感器网络的连通，确保工作的顺利执行下，尽量减小节点能耗，延长网络的生命周期。