第9章容错设计技术。

无线传感器网络可靠性分析
传输层可靠性 在无线传感器网络中，理想的传输层能支持可靠的信息传递和提供 有效的拥塞控制，以此来延长无线传感器网络的生命周期。可靠性保证 分为两种，一种是事件的可靠性，另一种是数据包的可靠性，无线传感 器网络中一般采用基于事件的可靠性，因此只需要数据传输的可靠性达 到一个保证事件传输的阈值即可。 无线传感器网络中数据传输分为两种形式： 上行模式，即从传感器节点到汇聚节点，这是感应源节点到汇聚节点而 形成的一股数据流，目的是保证汇聚节点能够监测到感兴趣区域的事件 情况。 下行模式，即从汇聚节点到传感器节点的数据传输，在这种模式中传输 的不再是节点采集的信息，而是汇聚节点给予感应区域内的控制或者查 询消息，它可能用于调整整个网络的路由，避免网络的拥塞；也可能用 于反馈消息的正确接收或者查询某个特定区域的信息，规定其优先级等。
无线传感器网络容错技术概述
在无线传感器网络中，至少有三大理由说明我们应该 足够重视WSN中的容错技术。 首先，要考虑相关的技术和实现方面。 其次，WSN中的应用与其相关技术和架构一样复杂。 第三，WSN本身就是一个新的科研领域，并不清楚对于一 个特定的问题该如何解决是最好的。
容错设计模型
无线传感器网络的故障从整体上考虑可以分为三个层级：部件级、节点级和网 络级。 部件级故障是指此类故障节点能够正常通信，但其测量值是错误的，会影响网 络分析处理数据的结果； 节点级故障是指故障节点不能与其他节点进行正常的通信，会影响网络连通性 和覆盖性； 网络级故障是指网络通信协议或协作管理方面的问题或其他原因造成的较大规 模的故障，导致整个网络不能正常工作。 下面来描述这种错误的测量值。设某个节点所在地的真实值为γ(t)，记测量误 差符合正态分布（0，σ2）。传感器发生故障时，测量值将可以形式化为
无线传感器网络容错技术概述
故障在某些条件下会使设备运转产生差错，从而导致输 出结果不正常，当这种不正常结果累积到一定程度时就 会使系统失效。
容错技术在传统分布式系统的分类方法，简述如下：
（1）故障避免：简单来说，就是避免或者预防故障的发 生。 （2）故障检测：用不同的策略来检测网络中的异常行为。 （3）故障隔离：就是对故障节点进行隔离，以免其影响 现有网络。 （4）故障修复：这是网络故障发生后的一项补救措施，
式中，β0(t)是偏移值，β1(t)是缩放倍数，ξ是测量噪声，由此可以得到下几种 故障模型
容错设计模型
（1）固定故障：固定故障是指感应器的读数一直为某个固定的值。 这个值通常大于或小于正常的感知范围。发生固定故障的感应器不能 提供任何感知环境的信息。它可以形式化为 （2）偏移故障：偏移故障是指在真实值的基础上附加一个常量。它 能被形式化为 （3）倍数故障：倍数故障是指真实值被放大或缩小某个倍数。它可 以形式化为 （4）方差下降故障：这类故障通常是由于使用时间过长，感应器老 化后变得越来越不精确而产生的。设测量方差为σm2，故障方差为σf2， 当σm2>σf2，则误差演变为故障。包含故障的测量值为
容错设计模型
依据无线传感器网络的特点及与应用结合的限制等而制定的， 主要有以下几方面的标准。 （1）能效性：这里主要考虑传感器节点在数据采集、数据处理、 通信三方面的能耗。 （2）故障诊断精度：一般地，故障诊断精度是指一次故障诊断过 程完成后，诊断状态与实际状态相同的节点占总节点数的百分比。 有时候，故障诊断精度也被细分为故障识别率和误报率两个指标。 （3）故障诊断执行时间：在执行故障诊断过程中节点之间要进行 协作判断，也就是处于激活状态的节点数目会比较大，如果故障诊 断过程持续比较久会给网络带来较大的能耗负担。 （4）恶劣环境中的故障诊断精度：在一些特殊的应用中，由于环 境、自然灾害或人为因素的影响，网络中的故障节点分布不均匀， 可能在局部区域出现故障节点聚集的现象，这种现象会影响故障诊 断机制的性能表现，一个好的故障诊断机制应该能有效地应对这样 的情况。
无线传感器网络可靠性分析
网络层可靠性 网络层的主要功能是负责节点间路由的选择及维护。可分为两种模式：、 任由节点泛洪式地选择自己的路由，不加任何干涉，泛洪就是这种模式 的典型协议，这种模式的好处就是基本上不涉及算法，节点接收到信息 之后不用维护本地路由表，直接广播数据包即可，因为多路径传输数据 包到汇聚节点，所以具有很高的容错性，但由此带来了大量冗余信息传 输，容易造成网络拥塞，耗费大量能量，因此不适宜用在无线传感器网 络中。 另外一种模式就是局部多路径传输协议，当网络正常时，网络以一跳最 优路径进行数据的传输，这样能最大限度地节省能量，如最小跳数协议。 当网络发现某节点发生拥塞时，调控节点进行多径分流，以此来降低节 点的通信负载，保证系统的可靠性
第9章 容错设计技术
第9章 容错设计技术
无线传感器网络容错技术概述
容错设计模型 无线传感器网络可靠性分析 无线传感器网络故障检测与诊断 无线传感器网络的自恢复策略
无线传感器网络容错技术概述
容错就是指当由于种种原因在系统中出现了数据、文件损坏或丢 失时，系统能够自动将这些损坏或丢失的文件和数据恢复到发生 事故以前的状态，使系统能够连续正常运行的一种技术。 失效：失效就是某个设备停止工作，不能够完成所要求的功能。 故障：故障是指某个设备能够工作，但是并不能按照系统的要求 工作，得不到应有的功能，它与失效的主要区别就是设备还在工 作，但是不正常。 差错：差错是指设备出现了的不正常的操作步骤或结果。
无线传感器网络可靠性分析
无线传感器网络是一个新型网络，按照功能的不同可将协议分为 五层，分别是物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层，采用容 错技术就是保证系统的可靠性，由于每一ຫໍສະໝຸດ Baidu的结构不同，每一层保证系 统的可靠性机制也就不同。
物理层是无线传感器网络的最底层，主要负责信息的发送、编/解码功 能，其主要可靠性都是来自于系统硬件. 数据链路层主要负责对物理层发送的数据进行错误检测，将物理层的数 据错误率降低到阈值以下，采用反馈机制来保证它的可靠性。