[发明专利]无线传感网络的网络监测和协议分析系统

说明书

技术领域

本发明属于无线传感网络的网络监测技术领域，涉及一种无线传感网络的网络监测和协议分析系统。

背景技术

网络监测和协议分析对于网络协议开发调试、提高网络运行效率至关重要。有线网络拥有可靠的传输介质和统一的网络协议标准，学术界和工业界开发了大量的网络监测工具。在无线网络中，信道冲突和链路质量的不稳定性增加了无线网络的监测难度。在无线传感网络中，由于缺乏统一的网络架构和网络协议标准，且网络节点资源受限，给无线传感网络的监测带来了更多的挑战。

在无线传感网络中，网络监测方法分为主动监测和被动监测两种。主动监测需要在被监测网络节点中安装监测协议模块，可以获得网络协议运行的详细参数，工作方式与SNMP网络管理协议类似。由于监测协议控制流和网络数据流混杂在网络流量中，对被监测网络造成影响，也给网络协议的设计、部署和升级带来困难。被动监测是在传感网络外部搭建监测节点和监测网络，通过监听无线信道抓取和分析无线数据包，不占用被监测网络的任何资源，对被监测网络造成的影响很小。现有的被动监测系统基本上都采用下述的框架：将多个监测节点分散部署在无线网络中抓取网络中传输的数据，并将所有监测流合并成一个更加完整的网络数据传输记录，再通过分析网络流量进行网络性能评估、故障诊断等。

数据合并是被动监测中的基本问题，多数系统都提出数据合并方法。但是在无线传感网络中，现有的合并方法多采用离线合并方式，适用于小规模监测节点的合并，没有处理时钟漂移问题。在数据包和隐含事件推断方面，已有的无线传感网络监测系统没有提出针对多跳网络的数据包和网络事件推断方法。无线传感网络是由大量的低功耗节点构成的多跳自组网，多跳网络的复杂性和不稳定性使得网络更容易丢包。无线传感网络的事件推断问题也比WLAN等单跳无线网络更具挑战性。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于被动方式的网络监测和协议分析系统，该系统帮助开发人员和用户实时地了解网络的运行状况，调试优化网络、维护网络正常运行。

为了实现上述目的，本发明提供一种基于被动方式的网络监测和协议分析系统，该系统包括：协议解析，将原始数据帧按照网络协议的层次结构和字段格式解析；记录合并，合并多个监测节点的监测记录，提供时间有序、更加完整的监测记录，更全面的对整个网络进行分析；记录推理，将有限状态机应用到多跳网络协议的漏听数据包数量和包接收状态的推断；数据可视化，提供了可配置的用户界面，通过多种可视化方式展示数据分析结果。

所述的协议解析包括：为支持协议的扩展，设计基于XML标准的协议结构描述方法，对于新的协议或用户自定义的协议，用户只需按照协议描述方法修改协议描述文件中的结构即可对其进行解析；为了提高数据包解析的效率，在系统启动时预先分析协议文件结构，将复杂的计算提前到数据包解析之前，这个过程称为协议预处理。

所述的记录合并按照时间顺序将多个监测记录合并成一个时间有序的全局监测记录，包括：时间同步算法使用时间偏移图方法将各监测记录的时间戳根据参考时间进行调整，使得在不同监测记录中的相同数据包时间戳相同；数据包合并算法采用最小堆存储结构，将时间同步后的数据包按照时间顺序合并成单一的监测记录，并过滤重复的数据包；时钟调整策略解决了合并过程中时钟漂移带来的误差，提高合并的准确性。

时钟调整策略包括：时钟微调，在监测记录合并模块运行过程中，利用重复数据包时间戳之间的微小偏差重新将节点调整到同步状态；节点时钟自调整，记录过去一段时间内节点时钟漂移情况，使用指数加权移动平均方法预测当前时钟漂移，主动调整自身的时钟偏差，抵消时钟漂移的误差；时钟重新同步，当节点间的时钟偏差超过设定的阈值或者发现逆序数据包时，重新启动时钟同步过程。

所述的记录推理针对被动监测中的数据包漏听和隐含事件推断问题，将有限状态机应用到多跳网络协议的漏听数据包数量的推断和包接收状态的推断，根据协议规则构建有限状态机，推理监测节点漏听数据包的数量和数据包的接收情况，提高被动监测数据包的完整性。