自组网络

自组网络（共7篇）

自组网络 篇1

0 引 言

小区三表集抄系统是小区内水、电、气三表数据采集系统,一般由集中器和采集器(采集终端)以及通信信道与抄表软件组成,其中集中器到抄表中心为上行信道,集中器至采集器(采集终端)或水电气表间为下行信道,目前上行信道是远程数据传输,一般有电话拨号、GPRS(GSM或CDMA)等,其传输可靠性与技术难度已不是抄表中的主要问题,小区抄表关键在于下行信道,这也是抄表中最难的地方。目前小区集抄系统根据其下行通信信道的不同,可分为电力载波、RS 485总线、以太网、有线电视网等[1]。

RS 485系统因为需要部署专门的有线网络,在PLC和无线射频技术的冲击下越来越势微。PLC技术利用现有的电力线网络,在电网条件良好的欧美国家应用较为普及,也是中国目前实现自动抄表的主流技术之一。但受限于中国较差的电网环境,以及PLC在低压电网上存在的高衰减、谐波干扰等问题,其可靠性和抄通率都存在一些问题。无线射频技术是另外一种实现自动抄表的主流技术方案,特别是在低功耗无线技术越来越成熟、普及和廉价后,无线抄表已成为自动抄表市场的热门方案[2]。

无线抄表有很好的频段资源,中国国家无线电管理委员会已经将原来模拟电视的470～510 MHz频段释放用于民用计量,无线抄表的资源耗费较少、容量大、费用低、范围广。目前成熟的射频抄表方案大多是433 MHz,新型基于ZigBee无线传感器网络的产品受传输距离等因素限制亦未能推广,由此本项目研制一种新型的符合无委会民用计量频段的射频无线抄表系统[3]。

1 系统总体结构

整个系统按应用分为三层结构:最上层是综合应用层,包括下载抄表任务、数据信息查看、系统/报表管理和收费增值服务等;中间层为数据管理层,即为管理中心,其数据来源为各区域中心节点,通过GPRS无线移动网络接入;最底层为数据应用层,即为各区域下行信道各节点数据通信网络。

下行信道通过无线自组网络通信,组网方式采取CFDA (Cellular Fixed-wireless Digital Access)微蜂窝式固定无线数据接入平台,每个分布节点既是数据接入点,同时也是中继点,它是一种全路由的网络状的无线数据传输系统。最大的特点是全路由的无线接入,最大路由可达三级。主要应用于远程数据采集系统及小区安防报警系统,用无线的方式实现最后一公里内的分布信息点的数据接入,具有典型SCADA 特征,小区之间为蜂窝结构。CFDA系统由一个个的蜂窝组成,其中每个蜂窝是由中心节点(CAC)和分布节点(DAU)组成。一个CAC下面最多可挂接1 023个DAU。多蜂窝结构一般应用于系统比较庞大的情况,在大多数情况下采用的是单个的蜂窝,即一个中心节点及其下面的若干个分布结点,每个分布接点根据其RS 485的驱动能力,可挂接32台电/水/气表。其系统结构图如图1所示。

2 传感器节点模块组成

根据应用对象和功能要求,设计一种新的无线自组网络的传感器节点,在系统中,主要分两类节点,一类是中心节点,该节点即构成抄表系统的集中器;另一类是分布节点,此类节点构成抄表系统的采集器。本研究暂不对节点的感应模块作考虑,每个传感器中心节点的结构框图如图2所示。分布节点可选择不连PC机,不使用串口。

2.1 MCU+RF模块

核心模块采用具有最新技术的Silicon公司的芯片Si1010。Si10xx系列无线MCU具有25 MHz的8051内核、EZRadioPRO Sub-GHz RF收发器、最高达64 KB的FLASH和最高12 b的ADC,所有组件集成在5 mm×7 mm大小的封装内。Si10xx系列产品是业界最高效的单芯片无线MCU解决方案,常用操作模式下具有最低的电流消耗。Si10xx无线MCU是全球惟一能工作在0.9 V、并集成RF无线收发功能的MCU,它还是目前全球工作功耗最低的MCU,仅有160 μA/MHz,这使得基于它的应用无需使用昂贵的锂电池,而可改用便宜的碱性电池。其RF收发器的输出功率高达+20 dBm,室外无线工作距离可达3 km,在室内工作时可穿过7～10层楼,是无线抄表器的绝佳选择[4]。

2.2 供电单元

采集控制中心节点和无线传感器节点都采用包括超级电容的阻容降压方式供电,亦可选择电池供电,因为Si10xx系列产品的超低功耗架构和快速唤醒(2 μs)极大地延长了锂/碱性电池的使用寿命。Si10xx架构还包含DC-DC升压转换器,可以为大负载提供高效电能,DC-DC转换器还可为周期性RF收发提供所需电能,效率高达90%。

2.3 串口

控制中心节点可通过串口与PC机联系,如收到上位机的采集命令,把采集到的数据送给PC机并显示,故采取标准的RS 232C串口提供连接。对于分布节点,则可不需要串口通信[5]。

3 无线自组网络拓扑结构

本设计采取CFDA (Cellular Fixed-wireless Digital Access)微蜂窝式固定无线数据接入平台,每个分布节点既是数据接入点,同时也是中继点,它是一种全路由的网络状的无线数据传输系统。智能能源表计数据的可靠传送是设计通信协议的关键。把每个数据采集终端和能源表计设为一个无线传感器节点(为DAU),负责采集智能表计的数据;数据采集基站设为控制中心,智能表计的数据通过无线网络传送给CAC,控制中心则负责整个自动抄表系统的数据采集、管理及实时监控。在小区自动抄表系统中,为了区别网络中每户能源表计即无线传感器节点,给每个节点首先分配一个惟一的ID信息。

当数据采集模块收到发给自己的采集命令就会采集数据并发送给控制中心节点。在抄表中心节点和采集终端之间采用无线通信方式,由于无线通信距离有限,有些传感器节点不能直接把数据传送到抄表中心,这就需要其他的传感器节点即中继节点来转发数据[6]。针对提出的小区无线自动抄表系统,必须处理好下面几个问题:网络的拓扑结构;新节点加入网络;采集终端之间数据传输过程中的干扰。

基于无线传感器网络的自动抄表系统是一个多跳的自组织网络,本设计中假设一个传感器节点最多经过3跳就可到达控制中心节点,整个系统网络拓扑结构如图3所示。

4 系统的软件设计

本研究设计的抄表系统采用被动抄表的方式,其自动抄表系统是由一个中心节点和数目众多的传感器节点组成,每个传感器节点又包括具有传感器功能的智能表计和采集模块。

4.1 中心节点软件实现

控制中心节点协调整个网络的工作,接收上位机传来的命令,并按指令的要求做出相应的操作,接收无线传感器节点的数据并上传给上位机或管理中心。自动抄表系统采用分时分段抄表,即中心节点采用轮询的方式采集各个用户的能源用量。首先中心控制节点的各模块程序进行初始化,然后处于接收状态,当中心节点收到管理中心发来的采集数据命令,首先读取其要采集数据的节点的ID和采样ID(即水、电、气等采样标识),然后在其保存的路由表中查找到要采集节点的路由信息。在其保存的路由表中,如果有到采集节点即目的节点的路由信息,则把到目的节点的路由信息及采样信息加入到采集数据分组中发送出去。

如果路由表中没有到目的节点的路由信息,中心节点就会发起一个路由请求分组RREQ。然后中心节点就处于接收状态接收消息分组,当中心节点收到路由响应分组RREP后,即找到到达目的节点的路由信息后,则把此路由信息写入路由表中并将其到达目的节点的路由标识置高,然后把路由信息加入采集命令分组中发送采集数据命令分组。

中心控制节点发送完数据采集命令分组之后就一直处于接收状态,当其接收到其他传感器节点发送过来的采集数据,则把该用户的能源用量信息上传给上位机,然后上位机保存采集到的用户的能源用量,并统计计算每户的费用以方便收费管理[7,8]。

4.2 传感器节点软件

无线传感器节点主要负责采集小区用户的能源表计的用量,并把采集到的数据上传给中心节点或作为路由器转发其他节点的数据信息。由于本系统采用被动抄表方式,所以每个传感器节点只有收到发给自己的采集数据命令时才会采集该节点的数据信息。当有新用户使用智能表计记录自己的能源用量即有新节点加入网络,首先发送加入网络的消息,其成功加入网络后就跟其他的节点一样处于接收状态,接收中心节点和其他节点发来的消息分组。

当传感器节点各个部分初始化之后,Si1010就进入接收状态,监测信道并接收其他节点发送的消息分组。每个节点根据其收到的不同的消息分组,将进行不同的处理。当收到其他节点发送来的数据采集命令时,其首先判断是否是发给自己的数据采集命令,如果不是发给自己的采集数据命令,直置发送状态,则其按分组中的路由信息把该分组转发给其下一跳节点[9,10]。

中心节点的主要作用是:接收来自其他节点的数据,并对数据进行校正、融合等处理,然后发给管理节点;接收管理节点所发的指令,确定节点工作状态。其基本工作流程如图4所示。

5 结 论

本项目研究一种基于小区的无线自组网抄表系统,其创新点主要有:

(1) 对系统中控制中心节点和无线传感器节点的硬件进行全新设计,采用最新的MCU+RF一体化集成方案芯片Si1010,与双芯片解决方案相比,单芯片方案的封装尺寸与PCB空间均缩小50%,既降低了芯片本身的成本也降低了终端解决方案的成本。集成方案由于已经集成了射频功能,简化了产品的开发过程,降低了终端的开发难度。

(2) 采用CFDA微蜂窝式固定无线数据接入平台实现网络的自组织功能,每个传感器节点根据所处的位置关系可形成一个多跳的链式网络,节点可随时加入或退出网络而不影响网络正常工作。

(3) 中国国家无线电管理委员会已经将原来模拟电视的470～510 MHz频段释放用于民用计量,这对于Sub-GHz系统在中国无线抄表市场上的应用也是好消息。目前支持Sub-GHz的解决方案有Silicon Labs的Si10xx系列平台和TI的CC430平台等,Si10xx平台支持240～960 MHz频率。开发的无线抄表系统符合新规,而符合新规的产品处于刚起步阶段,具有巨大的市场潜力。

(4)编程实现按需DSR路由协议,可及时准确地找到到达数据采集节点的最佳路由信息,实现了快速准确抄表。系统在测试中获得了良好的效果,该系统具有结构简单、工作可靠、功耗低、通信成本低等优点,达到了产品设计要求。

摘要：研制一种符合国家无委会民用计量频段的基于射频发射自组无线网络的无线抄表系统,采用CFDA微蜂窝式固定无线数据接入平台实现网络的自组织功能;采用最新的MCU+RF一体化集成方案的超低功耗芯片Si1010设计集中器和采集器;软件编程实现按需DSR路由协议;集中器通过GPRS与控制中心通信,接入Web平台,实现快速自动抄表,系统构建简单方便,性价比高,更加利于实现智能小区无线抄表。

关键词：自组网络,无线抄表,CFDA,Si1010,DSR路由协议

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自组网络 篇2

移动自组织网络( Mobile Ad hoc Network,MANET) 是一种自治、多跳网络,各网络节点地位平等,没有严格的集中控制中心。MANET具有安装便捷、使用灵活、可移动、易于扩展等优点,在军事通信、车辆自组网络、紧急服务、灾难恢复、物联网等领域有着广泛的应用。MANET与传统网络相比,最显著的不同就是网络拓扑结构的动态性,以及由此引起的抖动、时延的不确定性等,这都为MANET的维护和管理带来许多困难和挑战。

人们对如何提高MANET的性能在MAC层和网络层都做了大量的研究。文献[1]提出了一类支持多类业务的多信道拓扑透明MAC调度码的设计方案,来提高MANET中信道利用率; 文献[2]的B.A. T. M. A. N. ( Better Approach To Mobile Ad hoc Networking) 在链路层实现了路由功能。路由协议的好坏在很大程度上影响了网络的性能,因此人们针对MANET提出、改进了各种路由协议: 如多路径的路由协议、针对大规模网络分簇的路由协议、用于负载均衡的路由协议等等。

但是这些协议都是分布式的,没有集中控制节点,缺乏全局的控制和管理: 例如如何对一个新加入的移动节点进行鉴权、如何决定是否允许该节点加入MANET; 如何对所有移动节点的网络拓扑结构进行监控; 如何根据网络拓扑结构人为干预路由、调整拓扑等。在分布式移动自组网络中引入集中控制策略,看似有悖自组的初衷,但某些场景引入集中控制可以更好地管理、利用移动自组网络,问题是如何将两者简单有效地结合。

Open Flow[3]技术将网络设备( 传统的交换机、路由器) 分为控制平面和数据平面,所有的控制策略移至控制器,交换机仅负责根据流表来转发数据包,控制器通过Open Flow协议来统一管理OpenFlow交换机。Open Flow交换机接收到数据包后,首先在本地的流表中查找转发规则,如果找到则按流表项定义的规则转发; 如果没有找到则把数据包转发给控制器,由控制器决定如何处理该数据包。目前应用较广的Open Flow控制器包括Nox、Pox、Beacon、Floodlight、Route Flow和Onix等。

Open Flow技术近年来在软件定义网络( SDN)中得到广泛应用,但主要集中在有线网络中。在无线网络中由于控制链路的不稳定性及应用场景的限制等,其应用研究较少。主要成果有: Nick Feamster等人基于Open Flow实现的在Wifi和Wi MAX之间无缝切换[4]; 文献[5]在无线Mesh网络中利用NOX控制器和Open Flow下发数据包的转发规则,实现了负载均衡; 文献[6]用SDN技术对无线传感器网络中节点的移动性、能量进行智能管理; 文献[7]提出了一种基于Open Flow实现移动通信的方案,该方案有效提高了网络通信效率,同时避免了移动IP的“三角路由”及其衍生问题。文献[8]对如何在无线网络中实现虚拟化及其应用场景、存在的问题等进行了总结。

本文将Open Flow引入到MANET,以实现对MANET的集中控制和管理; 并在Linux下实现该基于Open Flow的MANET,对其进行分析、验证。

1 基于Open Flow的MANET实现

文献[9]介绍了清华大学基于Open Flow的网络平台结构: 包括Open Flow硬件设备和相关软件。文献[5]用装有Debian系统的主机充当Mesh节点,用一块无线网卡同时传输控制平面和数据平面的包。

本实验环境由5 台装有Ubuntu 12. 04 的笔记本电脑组成,其中一台为控制器,另外4 台为无线移动节点。移动节点负责收集其邻节点信息、上报给控制器节点,并按照控器下发的转发规则转发数据包; 控制器节点根据收集的网络拓扑信息向移动节点下发控制规则。移动无线节点和控制器节点的逻辑图分别如图1 - 2 所示。利用batman - adv和Open Vswitch分别在无线网卡waln0 和wlan1 上传输控制面的Open Flow消息、采集的网络信息和用户数据,两网卡设在不同的网段。

batman - adv是B. A. T. M. A. N. 路由协议的守护进程,工作在数据链路层,相对于工作在网络层的AODV、OLSR性能更好。其原理是每个节点发送或转发广播包( originator messages,OGMs) ,收到该广播包的节点建立反向路由; 由于OGMs在链路质量( 信号强度) 好的路径上传播的更快,所以建立的路由更加稳定。其应用也较为方便,只需要把wlan0 配成Ad hoc模式,并调用提供的接口命令把wlan0 加入到batman-adv即可。安装Open Vswitch是为了把wlan1 加入Open Flow交换机,让wlan1 端口按照控制器下发的Open Flow规则来转发用户数据包。Open Vswitch设置为standalone模式,当连不上控制器节点时,Open Vswitch会变成普通switch。

SNMP协议和Open Flow控制消息都无法获取移动节点的邻节点信息,因此在移动节点中编写信息收集模块来收集邻节点信息并上报给控制器。收集方式为: 在wlan0 接口上周期性广播UDP包Hello Request,TTL设为1; 当邻节点收到该Request消息后,把其信息( 主机名称、wlan1 的MAC地址和IP地址) 通过Hello Reply进行回复; Hello Request的默认周期为3 秒。在收到Hello Reply之后判断其邻节点是否有变化,如有变化则将其收集到的所有邻节点信息在wlan0 上通过UDP包上报给控制器节点上的网络管理模块; 如没有变化则不进行上报。上报的UDP数据为结构体类型的主机信息列表,该结构体包括host_name,mac_addr,ip_addr三个字段。其中mac_addr和ip_addr为wlan1 的MAC和IP地址,列表的第一个元素为上报者,后续元素为其邻节点。

用装有POX Open Flow控制器的笔记本作为控制器节点,其中的网络管理模块负责收集移动节点上报的邻节点信息,并根据Dijkstra算法算出每个节点到其他所有节点的两条最短路径,其中一条用来备用,该最短路径即为两节点间的路由。该模块用Python开发,只有当收集到移动节点发来的“邻节点信息”数据包或修改了“准入节点”时才计算路由,并将计算出的路由信息存放在字典中; 用“src_ip-dst_ip”作为字典的key,两条路由信息( “node1-node2-. . . . noden; node1-node3. . . noden”) 作为字典的值。

当移动节点要在wlan1 上发送数据、而本节点又没有转发规则时,则通过wlan0 把该数据包发送到控制器。控制器的网络管理模块根据数据包源和目的IP地址在字典中查找之前计算好的路由,如果查找到则通过POX控制器提供接口函数向该路径上的所有节点( 从目的节点到源节点) 下发转发规则; 如果没有找到路由,则告诉移动节点丢弃该数据包。

2 实例分析

选用的移动节点和控制器节点的网络拓扑如图3 所示,其中节点a、b、c、d为4 个移动节点,s为控制器节点,将从下面三个应用场景来分析、验证Open Flow在MANET中的应用。

2. 1 鉴权控制

SDN中的鉴权通常由专用的鉴权服务器来处理,在此仅在控制器节点中做简单鉴权处理: 事先在控制器节点上配好允许接入的移动节点的MAC地址,如mac_a,mac_b,mac_c; 为了简单起见,将其相邻节点间的权值都设为1,后续将根据量化的RSSI来设权值; 而没有配的节点d则视为非法节点,非法节点和其他节点之间的权值为无穷大; 最终网络控制模块根据Dijkstra算法计算出的最短路径将不会包含非法节点d,后续往移动节点下发的控制规则也将不会包含节点d。每次增加或删除“准入节点”时都重新计算路由规则、比较路由变化,然后把变化了的路由规则下发到所有受影响的移动节点。

2. 2 网络拓扑图

大部分MANET路由协议中各节点只知道局部网络拓扑信息,很难得到整个网络的拓扑信息。而本方案中可以根据各移动节点上报的邻节点信息,在控制器节点的网络管理模块中计算出整个网络拓扑图; 也可以通过POX控制器查询各移动节点的控制规则来生成整个网络的拓扑图。从而可以更好地监控所有的移动节点。

2. 3 多路径路由

图3 中节点都为准入节点,节点a要通过wlan1发送数据到节点d,而本地又没有转发规则,则把要发送的数据包封装在OFPT_PACKET_IN Open Flow消息中、通过wlan0 发到控制器节点s。控制器节点s的网络管理模块收到该消息后,根据“192. 168.1. 1-192. 168. 1. 4”在路由字典中查找路由,找到的两条路由为“a-b-d; a-c-d”,其中前面一条路由的优先级较高。然后调用POX接口依次向节点b 、a 、c 、a下发如表1 所示格式的OFPT_FLOW_MOD控制消息;各Open Flow消息类似,只是目的MAC地址和优先级不同。各移动节点中的Open Vswitch收到OpenFlow规则后则根据该规则转发数据包。

3 结束语

本文结合MANET和Open Flow的特点,将Open Flow应用于MANET。在控制器节点中根据收集的网络拓扑信息,在应用层编写路由算法并通过POX控制器把路由规则下发到移动节点,为实现对MANET中进行集中控制管理提供了一种方法。在Linux下编程实现了该系统,并通过三个应用场景,实验验证了在节点的移动性不强时该方案的可行性。未对控制报文的比例以及移动性较强时的时延、丢包等性能进一步做深入分析。下一步将借鉴AODV的数据链路层反馈信息来探测邻节点的变化、及时更新路由,并增强节点的移动性做进一步的性能分析。

参考文献

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自组网络 篇3

1 无线自组网络的安全现状

1.1 无线自组网络安全问题的特征

无线自组网络的特性, 使得网络中的节点易受到地域上的攻击, 由于所有节点都在开放的环境下, 都有被欺骗、拒绝服务、被窃听等攻击的可能性。无线自组网安全的问题与有线网络的安全问题存在一定不同之处。

1.1.1 更易遭受链路攻击

由于无线自组网络使用无线链路, 使得其很易受到针对链路的攻击。有线网络可以设置类似防火墙和网关等物理防御设施, 而针对无线自组织网络的攻击可能来自各个节点, 任何节点都有可能攻击者也有可能成为被攻击的对象, 可以采用的攻击方式有冒充节点, 监听从而泄露秘密以及发送干扰信息, 从而影响整个系统的安全评判指标。有线网络不会面临所有节点全面安全防御的局面, 而无线自组网络中每个节点都要有应对攻击的准备。

1.1.2 更易被俘获

无线自组网络中的自治节点没有与有线网络中类似的物理保护, 无线自组网应用场景的开放性, 导致节点很容易被劫持、被俘获、达成妥协。易于实施来自内部的攻击是无线自组网与有线网络安全方面最大的区别。首先, 在一个大规模自组织网络中, 一旦发生攻击行为, 难以追踪定位某个异常行为的移动节点;其次, 无法判定恶意攻击来源于内部还是外部, 从一个被劫持的节点发出的攻击更难检测。而有线网络大部分的恶意攻击来自外部, 解决安全问题时更有针对性。

1.1.3 无边界性

无线自组网络节点可以自由地进入网络或者离开以及移动, 具有拓扑结构动态变化的特性, 因此难以判定无线自组网络边界。传统的静态配置的安全防御策略无法应对无明确边界的无线网络环境。

1.1.4 全分布性

无线自组网络提倡所有节点都是平等的, 采用了无中心结构的全分布框架, 其中一个原因是, 如果中心结构一旦被控制, 任何在静态网络中常用的基于中心结构的安全解决策略都是无效的, 因此, 无线自组网络中不能使用基于中心节点的安全策略。

总之, 无线自组网络中的安全问题的新特征, 使得将有线网络的安全技术直接套用在无线自组网络中有很大的难度。在无线自组网络中, 不管部署了什么安全措施, 总有可能存在一些漏洞, 从而实施来自内部或外部的各种攻击。

1.2 无线自组网络中常见安全技术

无线自组网络中的常见安全技术包括以下几个方面:密钥管理、安全路由和入侵检测。

1.2.1 安全路由

在无线自组网络中, 路由协议不仅要应对拓扑结构不断更新, 需要不断频繁寻找新的路由的问题, 还要能抵御各种针对链路的攻击, 在各类攻击中, 篡改路由信息的攻击是导致网络瘫痪的首选手段。现有的研究工作的常见思路是在无线网络常用路由协议基础上, 进行安全性扩展, 例如通过加密和数字签名技术抵御来自外部攻击。但是由于无线自组网络中被劫持的内部节点也拥有有效签名, 因此单纯通过加密和数字签名无法完全解决安全路由问题。

1.2.2 密钥管理

由于安全路由算法使用了加密机制, 该机制为了确立节点之间的认证关系, 需要保存与更新节点和密钥之间的绑定信息, 这些工作由密钥管理系统完成。在自组网络中使用一个CA中心建立既要管理服务是非常危险的, 对此有研究提出自组织新型密钥管理办法, 不需要任何可信认证机构的帮助, 而创建、保存、分发和撤销自己的公钥, 但新型密钥管理系统存在两个问题:实施难度大、存在多个过些节点分享密钥的情况下, 该方法难以奏效。

1.2.3 入侵检测

在自组网络中需要及时找到被劫持节点, 并对其进行制裁, 因此入侵检测是防御内部被劫持节点攻击的另一个保护措施。有的研究使用了统计异常检测方法, 针对无线自组织网络特性, 提出了一个基于分布式协作架构入侵检测方案。分布式协作入侵检测结构体系是建立在参与者乐于协作的基础之上, 但是由于自组网络中各节点资源有限, 某些节点出于保护自身资源的原因, 拒绝与其他节点协作, 因而难以达到入侵检测的目的。另一些研究, 提出了基于簇的入侵检测技术, 在该类方法中只使用了单层检测, 问题是在尚未收集足够证据时, 网络的拓扑结构已经发生变化, 难以应对自组网络拓扑结构变化大的特性。有些研究对此提出了多层和跨层检测机制加以改进。目前, 使用何种计算模型可以依据获取的数据直接判定异常行为依然是入侵检测技术中的难题。

通过以上常见安全技术分析可知, 仅靠将传统的加密安全理念在无线网络上做简单功能拓展, 是难以解决开放式网络所遇到的新攻击行为。如果能够综合节点的历史和现在行为信息、入侵检测信息、自身资源信息、行为喜好信息, 对节点的信任关系做综合全面的评估, 这将是无线自组网的安全问题得以解决的理想方案。在这种状态下, 节点有可能在安全方面做出正确的决定或近似正确的决定, 因此, 无线自组网络中理想的、全面的安全机制是离不开信任管理系统。

2 信任管理系统

信任是分布式系统的安全性分析与设计的重要考量指标, 是帮助决策的重要因素, 也是自组网络的安全问题的基础, 传统安全机制的实施以及后续工作的决策与应对, 都离不开建立可靠的信任关系。另外, 由于拓扑结构的动态变化的特性, 使得节点面临信息不对等的情况, 建立信任关系有利于提升节点承受风险能力以及节点间的协同性。

2.1 信任的定义

信任是在节点观测某一行为之前, 节点其评估对象 (节点或组织) 将执行某一行为的一种主观概率水平的预估。该预估是基于多种原有和因素的主观看法, 不同的节点对相同对象的评估结果可能不同。而且该评估结果一定和某被评估行为相关, 例如对一个节点的某被评估对象的服务行为可信, 并不等于其转发报文行为的可信。

2.2 信任管理的研究内容

信任管理系统研究内容按先后处理顺序包括三个方面:信息获取、信息处理、行动决策。

2.2.1 信息获取

信息获取主要负责收集用于评价某节点对于某种行为值得信赖程度的行为信息。在信息获取的过程中需要处理的问题有以下三方面。

(1) 如何管理身份:在无线自组网中, 由于不能正确识别身份给系统带来了很多安全问题, 很多攻击行为也是利用身份大做文章, 例如Sybil攻击。正确的管理维护身份信息是信任管理系统面临的第一个问题。被观测节点具有固定的身份标志, 是正确观测并记录某一节点的历史行为的基础。信任管理系统中的身份管理需要关注以下问题:节点身份的单一性与多重性;节点的每种身份的所包含的信息;如何分配和管理身份。

(2) 共享信息:一个信任系统需要收集某一节点的历史行为, 以确定对其的信任度。信息收集有两种方式:自身被动地独立完成;所有节点主动汇总。自身被动地独立完成是指, 节点仅根据自身经验, 及本地信息做出信任判断。节点主动汇总是指, 节点可以从其信任管理系统以外, 前期已建立了信任关系的节点, 收集计算信任度所需相关信息, 以提高信任判断的准确度。共享信息会存在两方面问题:信任管理系统并不能保证其他节点所提交的行为信息的真实性和准确性;信任度计算与传递是需要耗费节点的资源, 出于保护自身资源的原因, 节点有可能不愿意参与信息共享。

(3) 存储信息:信任管理系统在信息获取时, 还需要解决信任信息的分布式存储的问题, 行为信息的存储位置有三种选择:请求者、提供者、其他中心节点。在自组织网络中, 由于中心服务节点易受攻击, 使用其他中心节点也无法保证信息的安全。有些研究提出采用分布式哈希算法技术保护数据的安全和定位数据。信息也可保存在请求者, 但如何维护请求者和提供者在信任信息方面的一致性和完整性是这种方式的难题之一。信息也可保存在提供者, 只要对信息提供者提供可靠保护即可确保信息的完整性, 但这种存储方式将增加网络通讯开销。

2.2.2 信息处理

信息处理是在获取了节点的交易历史信息后, 其他对该节点有兴趣的节点计算对该节点的信任度, 计算信任度的主要目的是提供衡量某节点行为的可量化评价指标。信息处理解决以下三个问题:信任计算模型的输入和输出;节点交易历史信息中的取舍;如何表达信任度。

信息处理是使用各种信任度计算模型对节点历史行为信息进行数学处理, 使得每个被评估对象获得一个信任度度量值, 以便与其他被评估节点的信任度相比。信任度度量值可以使用逻辑符号 (0, 1) 、离散的整数、或连续的实数表示计算后的信任度, 具体使用哪种方式取决于实际应用的需要。根据具体应用背景的不同, 信任度计算模型可以实现多元交易信息的融合。不论采用何种计算模型, 都希望所计算出的信任度度量值能直观、高效地体现节点行为背后是否值得信赖的本质。

2.2.3 行动决策

行动决策的内容涵盖两个方面。 (1) 选择发送请求服务的对象:根据信任度, 选择行为可靠的节点接受其良好服务; (2) 激励所有节点参与网络协作:通过不提供网络服务或降低对恶意节点请求响应, 以达到惩戒试图破坏系统的恶意节点目的。

3 无线自组网络中引入信任系统带来的新威胁

一方面, 信任系统可以鉴别交易对象是否是自私或恶意节点, 为无线自组网建立全面的安全机制打下基础;另一方面信任系统本身也会成为攻击者的目标, 通过各种手段达到破坏信任系统提供信任评价的准确度的目的。无线自组网络中针对信任系统的攻击主要有以下几类。

(1) 误评攻击:误评攻击是针对信任系统的简单直接攻击手段, 通过提供错误评价, 而导致信任度计算错误无法对节点做出正确的评判。恶意节点可以通过错误评价, 拉底好节点或提高恶意节点的信任度。

(2) 背叛攻击:恶意节点利用了信任的动态特性, 通过时间域上行为差异实施攻击。例如, 通过实施一段时间良好服务后, 建立良好信任度伪装成良好服务节点后, 实施致命攻击。

(3) 差异攻击:恶意节点除了可以先后提供不一致的服务行为实施攻击以外, 还可以对不同用户提供不一致的服务行为实施攻击, 从而导致不同节点对恶意节点做出截然不同的评价。

(4) 联合攻击:恶意节点通过采用多种攻击联合的方式发起攻击。联合攻击主要分为三种形式:多用户单一攻击联合 (例如多节点发出误评攻击) ;单用户多攻击联合 (某恶意节点既实施背叛攻击又实施冲突攻击) ;多用户多攻击联合。

(5) Sybil攻击:Sybil攻击本质是利用无线自组网身份管理的漏洞, 非法宣称恶意节点具备多个身份, 这些多个虚假身份节点被称为Sybil节点。在信任管理系统中, 一个节点可以通过创造多个虚假节点, 可以实施联合攻击或带恶意节点受过。

(6) 洗白攻击:该攻击是另一种利用无线自组网身份管理的漏洞实施的攻击行为, 为了避免由于以前恶意行为带来的负面评价而导致的信任系统对其的惩罚, 节点可以有意识离开再进入系统消除以前身份的影响。

4 无线自组网络信任系统的研究方向

为了应对以上攻击行为, 无线自组网络中的信任系统需要解决的问题有以下几个方面。

(1) 信息获取途径局限性:无线自组网络中的信任系统基本仅使用Watchdog获取其邻居节点的行为情况, 这种方法的先决条件是, 被观测的节点需位于观测节点的无线信号范围内, 如果采用了定向天线还要在方向上符合条件。对于非邻居节点的观测, 该方法无能为力。

(2) 信任度量计算复杂:信任关系依然是人类社会的最复杂的关系之一, 无论哲学、社会科学、心理学、管理学都对该方向做了广泛深入的研究。另外, 由于各个信任系统的应用场景不同、需求不同, 所采取的信任度度量方式不同, 从而导致各信任系统采用的信任计算模型与信息处理方法不同, 因此评价信任系统工作优劣, 建立统一的评价体系很困难。此外, 目前尚未能综合处理多种信息的信任评价系统。

(3) 抵御攻击的能力弱:无线自组网络的信任系统目前只关注对某一种攻击行为的抵御能力, 对联合攻击无能为力。目前信任系统基本采用设置阈值方式决定是否采纳其他节点的推荐, 但这种处理方式过于简单, 导致信任系统对各种针对信任系统的攻击无能为力。

(4) 信息共享的自私性:所有研究都建立在一个所有节点积极提供信任信息用以信任计算的理想场景, 例如, SUN系统中通过多个节点发送推荐信息, 从而建立正确信任度评价, 这需要网络中各个节点配合。然而, 在无线自组网络中, 各节点受限于自身资源的稀缺, 各节点在享受其他节点服务的同时, 拒绝为其他节点提供推送信任信息的服务。信任系统中信任信息共享需要依靠无线自组织网络中所有节点的协作, 如何激励所有节点参与信息共享, 是信任系统需要解决的问题之一。

(5) 信任系统应用与决策:针对无线自组织网络, 信任系统现已在安全路由方面的到广泛应用, 例如:在选择路由时, 对网络中各节点对转发报文行为的积极性进行评估, 从而选择转发报文更积极的节点组成的路由。另外, 信任系统还被用于密钥管理等方面。信任系统在无线自组网中的应用领域还可以得到进一步拓展。现有信任管理系统缺乏智能决策管理机制, 无法综合考虑节点的资源水平, 能源水平、监测误导率、链路质量等各方面的因素, 综合评价节点的行为的可行度, 无法对节点是资源匮乏后, 出于保护资源还是出于攻击和自私的心理而导致的被动或主动恶意行为无法区分。对于被动恶意行为信任系统应该有一定的容忍度。通过现有的信任系统中常见的设定阈值无法解决该问题, 该问题需要进一步研究。

5 结语

本文首先对无线自组网络安全问题的特征做了较全面分析, 总结了现有的普通无线自组网络常见安全技术的实施缺乏节点间信任的问题。由此可见, 信任管理系统是无线自组网建立全面的安全机制的基石, 但是信任管理系统的引入也会给无线自组网带来新的安全问题, 文章对此也作出深入的分析, 并总结信任管理系统需要深入研究的方向。

摘要：无线自组网络是当今通信领域中的代表技术之一。笔者在总结了无线自组网络安全问题的特征的基础上, 分析了现有的普通无线自组网络常见安全技术存在的问题, 从而得出了无线自组网建立全面的安全机制离不开信任管理系统的结论。进一步分析了信任管理系统的构成以及在无线自组网环境下自身给无线自组网带来的安全问题, 从而指出了无线自组网中, 信任管理系统需要深入研究的方向。

自组网络 篇4

关键词：无线传感器网络,IEEE802.15.4,6LoWPAN,适配层,NS-2

1 背景与动机

IEEE 802.15.4 (以下简称802.15.4) 标准是一种经济、高效、低功耗、低速率 (250kbps) , 工作在2.4GHz和868/915MHz的无线技术。无线传感器网络WSN (Wireless Sensor Network) 具有广阔的应用前景, 能广泛应用于军事、环境、医疗保健、空间探索以及各种商业应用, 成为了802.15.4标准的主要市场对象。IEEE Std 802.15.4TM-2003[1]文档的第6、7章详细说明了802.15.4物理层和MAC的协议标准。基于802.15.4标准, 可以在数千个微小的无线传感器之间实现相互通信。WSN由大量的这种低成本、高密度、低功耗、低速率的无线传感器节点组成, 节点通过自我配置、自我组织的方式组成网络。网络拓扑有星型和peer-to-peer等形式。

IETF于2004年11月成立了6LoWPAN工作组, 致力于如何将IPv6与802.15.4契合, 实现IPv6数据包在802.15.4上的传输。上海市科委重大科技攻关项目中的子课题《传感网超轻量化IPv6协议栈研究》, 参考6LoWPAN工作组草案, 实现了6LoWPAN适配层和超轻量化的IPv6层。WSN具有节点数量庞大和节点分布广泛的特点。部署实际的网络系统, 进一步对性能进行分析和测试, 往往是代价较高或是不现实的。在这种情况下, 模拟就成了最佳可供选择的测试、评估和验证手段之一。美国DARPA支持的项目VINT (Virtual InterNet Testbed) 开发了针对网络技术的、源代码公开的、免费的通用多协议网络模拟软件NS-2[2]。美国Samsung实验室和CUNY (City University of New York) 合作开发了NS-2 802.15.4模拟器[3]。本文对NS-2 802.15.4模拟器进行了扩展, 用于对6LoWPAN适配层的网络自组能力进行分析和研究。

2 6LoWPAN适配层简介

2.1 6LoWPAN的提出

802.15.4标准主要定义了物理层和MAC层的协议, 其余协议主要参照和采用现有的标准。由于其主要的市场对象是WSN, 所以在选择网络层标准时, 一方面, 考虑到WSN具有“无处不在”和节点数量庞大等特点, 部署网络需要数量巨大的地址资源;另一方面, 由于WSN的应用领域往往对安全性要求较高, 而WSN自组织的先天性缺乏应有的安全机制, 需要上层应用提供安全保证。IPv6作为下一代互联网协议, 具有地址资源丰富、地址自动配置、安全性高、移动性好等特点, 可以满足WSN对地址和安全性等方面的需求。

IETF于2004年11月专门成立了6LoWPAN工作组, 进行6LoWPAN的标准化工作。图1为6LoWPAN的协议参考模型。目前, 6LoWPAN工作组已经提出数份草案, 为6LoWPAN协议栈的实现提供了可供参考的方案。

2.2 适配层简介

IPv6协议作为流行的网络层协议大多部署在路由器、PC等计算资源较为丰富的设备上;而无线传感器节点采用802.15.4标准, 大多运行在计算资源稀缺的无线设备上。由于两者在设计出发点上的不同, 导致了IPv6协议不能像构架到以太网那样直接地构架到802.15.4 MAC层上, 需要一定的机制来协调这两层协议之间的差异。在《传感网超轻量化IPv6协议栈研究》项目的实现中, 在IPv6层和MAC层之间引入了适配层来屏蔽MAC层的差异, 解决6LoWPAN遇到的若干问题。

适配层的主要功能有:

(1) 6LoWPAN支持树状和网状等peer-to-peer的多跳拓扑。适配层为6LoWPAN提供网络拓扑构建、地址分配和MAC层路由等服务。在多跳拓扑中, 中间的节点作为适配层报文的转发者, 为其他节点转发数据报文。

(2) 802.15.4标准定义的MAC层的最大MTU为102字节, 而IPv6协议要求的最小MTU为1280字节。适配层对IPv6报文头部进行压缩和解压缩, 并且对超过102字节的报文进行分片和重组。

(3) 与以太网不同, 802.15.4不支持组播, 由适配层为IPv6提供组播的支持。

图2为6LoWPAN适配层的功能模块示意图。关于6LoWPAN适配层网络拓扑构建、地址分配和路由的详细设计和实现, 请参见文献[7];头部压缩和解压缩、分片和重组、组播支持的详细设计和实现以及适配层的报文格式, 请参见文献[8]。

3 NS-2 802.15.4模拟器的扩展

3.1 NS-2 802.15.4模拟器的研究

美国Samsung实验室和CUNY (City University of New York) 合作开发了带有802.15.4物理层和MAC层的NS-2模拟器, 适用于Linux、Sun和FreeBSD系统平台下的NS-2 2.26和2.27版本, 并且较全面地分析了802.15.4 MAC层的各项性能 (参见文献[4,5]) 。图3为NS-2 802.15.4模拟器的功能模块示意图。

802.15.4 PHY模块实现了全部的物理层的14个原语。其主要功能有:信道能量检测ED (Energy Detection) 、空闲信道评估CCA (Clear Channel Assessment) 、链路质量指示LQI (Link Quality Indication) 、多路信道复用和收发数据等。该模块由Phy802_15_4类 (继承自WirelessPhy类[2]) 实现。

802.15.4 MAC模块是模拟器中最主要的模块, 实现了全部的MAC层的35个原语。其主要功能有:采用CSMA-CA机制访问物理信道、Beacon[1]同步、加入/离开PAN和直接/间接收发数据等。另外, 在802_15_4 MAC模块中还对Nam[2]工具进行了扩展。该模块由Mac802_15_4类 (继承自Mac类[2]) 和CsmaCA802_15_4类实现。对Nam工具的扩展由Nam802_15_4类实现。

SSCS (Service Specific Convergence Sublayer) 模块是802.15.4 MAC层和上层之间的接口层, 主要向上层提供访问802.15.4 MAC层服务的接口, 这些服务主要包括:启动PAN Coordinator节点、启动Common Coordinator和End Device节点、发送Beacon和停止发生Beacon等。该模块由SSCS802_15_4类实现。用户可以根据不同的仿真需要, 在该模块进行扩展。

图3中的其他模块则需要由用户实现或使用NS-2中已有的实现。例如, 路由模块可以使用NS-2中已经实现的AODV等无线路由协议, 也可以根据具体需要由用户实现路由协议。除了图3中展示的功能模块之外, Mac802_15_4Timer类主要负责NS-2 802.15.4模拟器内部各事件的调度;LFAILLINK类和NFAILLINK类对链路失效进行处理;DEVICELINK类和TRANSACLINK类则用于对节点和节点所进行的事件的模拟。此外, 在p802_15_4def.h和p802_15_4pkt.h文件中定义了需要在NS-2中添加的802.15.4协议的字段和报文格式。

本文以下章节将详细介绍如何对NS-2 802.15.4模拟器进行扩展, 使其可用于分析6LoWPAN适配层的网络自组能力。

3.2 NS-2 802.15.4模拟器的扩展

6LoWPAN适配层在构建网络拓扑时采用Beacon-enabled[1]模式的多跳树状拓扑结构。总体思想是采用一定算法使得分配的地址呈树状分布, 以便简化路由操作。适配层的节点分为三类:PAN Coordinator、Common Coordinator和End Device。其中只有两种Coordinator (PAN Coordinator和Common Coordinator) 具有地址分配能力。为了节省地址空间, 只为具有地址分配能力的节点分配地址空间, 对于End Device则只需分配其自身的地址即可。按照这种地址分配方式, 子节点的地址将按照单调递增的方式分配, 当父节点的地址空间中最大的子节点地址 (分为具有地址分配能力的节点地址和不具有地址分配能力的节点地址) 被分配后, 说明父节点的地址空间已经耗尽, 父节点将无法再为后续加入的子节点分配地址。但是, 如果子节点主动退出网络或者父节点检测出子节点链路已经失效, 则该子节点地址可以回收利用。

如前文所述, 对NS-2 802.15.4模拟器的扩展主要集中在图3所示的SSCS模块和上层模块。首先, 为NS-2添加了一个neighbor_table类, 模拟适配层的邻居表, 提供网络拓扑构建和地址分配等功能。在该类中为每一个邻居节点维护一个邻居表项, 记录该邻居节点的PAN ID、所处信道、节点地址、节点类型、与自身的关系, 以及地址是否回收等信息。类成员函数AddNeighborNode () 和LookupNodeByAddr () 分别实现对邻居表项的添加和查找功能。在本文的实现中, 每一个Coordinator最多可以分配MAX_CHILDEREN_PER_PARENT = 8个子节点地址, 包括MAX_ROUTER_PER_PARENT = 4个具有地址分配能力的节点地址和4个不具有地址分配能力的节点地址。最大支持的地址层数为MAX_DEPTH = 5层。

其次, 需要对SSCS802_15_4类的成员函数:MLME_ASSOCIATE_indication () 、MLME_ASSOCIATE_confirm () 、MLME_ORPHAN_indication () 、startPANCoord () 和startDevice () 等函数, 按照6LoWPAN适配层的网络拓扑构建和地址分配方案进行修改。并且为SSCS802_15_4类添加3个成员函数:AdptGetSkipVal () 函数用于计算为具有地址分配能力的子节点预留的地址空间;AdptSetGetClusTreePara () 函数用于设置或获取地址分配所需要的参数;AdptAssignAddr () 函数用于进行地址分配。

最后, 需要对p802_15_4field.h文件中定义的结构体DevCapability进行扩展。该结构体定义了IEEE Std 802.15.4TM-2003文档中第124页图49 (Capability information field format) 所示的字段。该8位的字段描述节点的基本属性, 其中第4位和第5位被定义为预留位 (Reserved) 。在本文的实现中将利用其中的第4位来标记一个非PAN Coordinator节点是Common Coordinator还是End Device。另外, 由于对6LoWPAN适配层的网络自组能力的分析不涉及适配层以上层次的数据收发, 路由模块暂时不需要。在今后进一步的分析和研究过程中, 需要在NS-2中添加6LoWPAN适配层的路由模块以及其余的上层模块。

4 6LoWPAN适配层的网络自组能力的分析

4.1 性能指标

节点的自我配置、自我组织是WSN最重要的特性之一。分析6LoWPAN适配层的网络自组能力可以从多方面入手, 例如, 构建网络拓扑的规模, 节点加入PAN的情况、Orphan[1]节点的恢复情况等等。其中, 节点加入PAN的过程涵盖了直接/间接的数据传输方式, 以及MAC层采用的基于CSMA/CA的重传机制, 能够体现出6LoWPAN所基于的数据收发机制。本文将重点集中在分析节点加入PAN的情况。

子节点按照以下伪代码所描述的过程加入PAN:

1: channel scan

2: if coordinators not found

3: association fail

4: if no coordinators permit association

5: association fail

6: else

7: select the coordinator with max link quality

8: send association request to the coordinator

9: wait for ACK

10: if ACK not received

11: mark the coordinator not try to associate again

12: goto 4

13: else

14: send data request to the coordinator

15: wait for ACK

16: if ACK not received

17: mark the coordinator not try to associate again

18: goto 4

19: else

20: wait for association response

21: if response not received or not granted

22: mark the coordinator not try to associate again

23: goto 4

24: else

25: association succeed

Coordinator节点收到子节点的association请求后, 调用AdptAssignAddr () 函数进行地址分配。如果成功分配到地址, 则在association response中包含该地址, 通知子节点加入成功;否则在association response中包含PanAtCapacity标志, 通知子节点该Coordinator节点的地址空间已经耗尽, 无法再接受子节点加入。

针对上述过程, 本文定义了以下性能指标:

加入成功率:节点通过向coordinator发起association请求加入PAN的成功率。在本文的测试方案中, 如果节点加入PAN的请求失败, 每隔1秒, 节点将重新尝试请求加入PAN。不考虑尝试加入的次数, 只要节点能够在模拟器运行的时间内成功加入PAN, 则认为加入成功。

加入效率:成功加入PAN的节点所尝试加入的平均次数。

4.2 仿真方案

本文的仿真方案, 将802.15.4运行在2.4GHz, 250kbps的无线链路上, 链路的丢包率设定为0.2%;传感器节点的发射范围设定为20m;Beacon Order[1]的值设定为3 (Beacon Order的值不宜过小) ;模拟器的运行时间设定为600秒。

仿真场景1 9个节点均匀分布在50×50 m2的区域内。节点0设定为PAN Coordinator。其余节点中, Common Coordinator的比例按照25%、50%、75%和100%的顺序变化。

仿真场景2 21个节点均匀分布在50×50 m2的区域内。节点角色的设定同场景1。

仿真场景3 101个节点均匀分布在80×80 m2的区域内。节点角色的设定同场景1。

4.3 仿真结果的分析

在仿真中, 通过改变节点的数量以及Common Coordinator和End Device的比例来观察节点加入PAN的效率。图4为加入成功率随节点的数量和节点角色变化的柱状图。图5为节点数量分别为9和21时, 加入效率随节点角色变化的曲线图。

从图4和图5可以看出, 节点的加入效率在各种情况下都比较良好且比较稳定。在节点数量较少的情况下, 节点具有较高的加入成功率。但是, 随着节点数量的增多, 节点的加入成功率明显下降。节点数量增加到101个节点时, 节点的加入成功率已经变得很低。

通过查看仿真过程的Trace文件, 可分析造成节点加入失败的因素。

一方面的因素来自于6LoWPAN适配层对每一个Coordinator节点所允许加入的子节点数的限制, 导致在加入过程中的第21步时, 子节点收到Coordinator节点的PanAtCapacity通告而加入失败。这将影响加入效率, 但对加入成功率的影响则相对较小。因为节点马上会选择其它Coordinator节点重新加入。《传感网超轻量化IPv6协议栈研究》项目针对这一问题将作出改进, 当Coordinator节点没有地址可供分配时, 则将macAssociationPermit[1]设置为FASLE。这样, 子节点在扫描信道后就不会选择加入该Coordinator节点。改进后的性能有待进一步的分析。另外, 根据图4所显示的结果, 当节点中Common Coordinator和End Device的比例与适配层所设置的比例 (在本文实现中为1:1) 相一致时, 能够获得最好的加入成功率。

另一方面的因素则与802.15.4 MAC层的性能相关。文献[4,5]中分析了各种Beacon模式下星型和peer-to-peer拓扑的802.15.4 MAC层的效率。文献[6]中分析了Beacon-enabled模式下星型拓扑的802.15.4 MAC层的效率。他们指出, 在节点数量较大且数据到达率较高的情况下, 802.15.4 MAC层的稳定性将下降。在本文的仿真过程中, 加入失败的节点绝大部分是在第9步和第15步等待MAC层的ACK超时, 导致加入失败。在用真实节点的测试过程中也遇到了同样的问题。由于6LoWPAN采用多跳的拓扑结构, Coordinator发送的Beacon可能同其他Coordinator发送的Beacon冲突, 也可能同其他节点发送的数据或控制帧冲突。另一个问题是, 随着Coordinator数量的增多, 发送Beacon的数量随之增多, 造成信道繁忙, 使得数据或控制帧不能被正确地传递。在这种情况下, 子节点不能正确地跟踪Coordinator发送的Beacon, 选择合适的时机发送数据。在子节点发送association request或data request时, Coordinator节点的收发器可能正处于休眠状态, 没有监听到该信号。

《传感网超轻量化IPv6协议栈研究》项目一方面正在更深入地分析和研究802.15.4物理层和MAC层的机制;另一方面对适配层的实现和配置进行改进, 使其能够更好地适应和利用802.15.4 MAC层。

5 结论与展望

本文的仿真和分析结果显示, 提高6LoWPAN适配层的网络自组能力需要考虑以下几点因素:第一, Coordinator节点的分布密度不宜过大;第二, 信道的负载不宜过高;第三, 应该根据6LoWPAN适配层设置的比例分配Coordinator和End Device的数量。

6LoWPAN的研究目前仍处于起步阶段, 国内外都还没有成熟的协议被提出。《传感网超轻量化IPv6协议栈研究》项目初步实现了6LoWPAN的协议栈, 下一步的主要工作是提高协议栈的各项性能。6LoWPAN提出了许多新的思想。例如, 适配层分片和重组的效率、IPv6头部字段的压缩率、对组播的支持, 以及如何修改和裁减IPv6 ND协议以适应802.15.4环境等等, 都值得去深入地分析和研究。本文作者对6LoWPAN适配层和ND协议的性能分析的工作将不断进行下去。希望能有对6LoWPAN更深入地分析和研究不断涌现。

参考文献

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[2]The Network Simulator-ns[EB/OL].Main Page-Nsnam[2007-03-11].http://nsnam.isi.edu/nsnam/index.php/Main_Page.

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[5]Zheng J, Lee M J.A Comprehensive Performance Study of IEEE 802.15.4[M].IEEE Press.Sensor Network Operation.New York:Wiley-Interscience, 2006:218-237.

[6]Lu G, Krishnamachari B, Raghavendra C S.Performance Evaluation ofthe IEEE 802.15.4 MAC for Low-Rate Low-Power Wireless Networks[C].Proceedings of the 23rdIEEE International Performance, Compu-ting and Communications Conference.Phoenix, Arizona, 2004:701-706.

[7]李海.6LoWPAN适配层研究与实现[D].上海:华东师范大学, 2007.

自组网络 篇5

自组织概念及其原理

耗散结构论创始人普里戈金 (I.Prigogine) 和协同学创始人哈肯 (H.Haken) 界定了自组织的概念定义和内涵:如果一个体系在获得空间的、时间的或功能的结构过程中, 没有外界的特定干涉, 我们便说该体系是自组织的。系统无需外界指令而能根据各自的行为规则相互作用而自行创生、自行组织、自行演化, 能自主地从无序走向有序的过程就是自组织。

自组织理论是复杂性科学的核心内容。按照自组织理论, 一个与外界进行物质、能量和信息交换的开放系统, 其内部各个子系统在一定条件下会自发地组织起来互相合作、竞争, 使系统从无序朝向结构和有序程度增强的方向演化, 产生有序结构。这种从无序向有序的转化称为相变。从无序向有序转化的特定条件称为临界点。

自组织机制是系统适应环境变化的根本机制, 系统将环境变化反馈到系统内部, 通过自组织重构自己, 形成多姿多彩的形态与功能以适应不断变化的环境, 达到与环境协同生存的目的。自组织现象是自然界中自发形成的宏观有序现象。

物流企业联盟自组织系统的特征

保持与外界环境的物质、能量和信息的交换的开放系统, 在远离平衡的状态下, 当涨落 (占主导地位的序参数) 得到系统整体的响应时, 系统内部要素之间非线性相互作用形成超循环, 小的涨落就可能被放大成为巨涨落, 从而导致体系偏离原状态而进入新的自组织有序结构 (或耗散结构) 。系统内部会在没有外部指令的情况下形成自组织。

物流企业联盟具备自组织系统要求的特征:物流企业联盟是开放的, 它处于在开放市场机制中, 可以不断地与外界交换物质、信息、能量, 调整自身。物流的外部环境变幻莫测, 不断对物流企业联盟提出改革发展的要求, 使其发展方向和发展空间广袤无限;对物流企业联盟来说, 物流企业联盟是社会系统的子系统, 成员企业是物流企业联盟的子系统。成员处于多种因素的共同作用下, 而且各种因素彼此渗透, 互相制约。这样, 物流企业联盟中的物流企业之间必然产生非线性的相互作用;各成员要素发展的非平衡及其关系表现为一种涨落性特点。物流系统是经济系统的一个子系统, 物流企业联盟是物流系统的一个子系统, 也是一个自组织系统。

无序的物流系统:当前, 还有很多企业没有意识到物流的重要性, 物流只是企业的一种内部活动, 物流活动分散在企业的不同的部门之中。各种大大小小专门物流企业种类繁多, 功能分散, 没有统一的标准, 互相之间合作方式多种多样, 竞争激烈, 致使“市场失灵”、“组织失灵”现象时有发生。从宏观上来看, 物流活动纷繁芜杂, 物流系统处于远离平衡的无序状态。

物流系统的临界点:企业对物流的要求越来越高, 把本企业的物流业务剥离出来交给专业的物流公司来做的企业越来越多, 形成了一个具有一定规模的物流市场。而我国现有的物流企业绝大多数经营规模小、市场份额少、服务功能少、竞争能力弱、融资能力弱、货源不稳定且结构单一、网络分散、经营秩序不规范。同时, 我国物流服务需求呈现出“小而散”的现象, 这一方面导致物流企业之间揽货竞争加剧, 另一方面交易次数的增多和物流渠道的复杂性加大了物流企业的经营管理成本, 而物流业务的总体规模偏小致使运作成本增大。物流企业迫切需要提高自己的服务质量、降低风险、降低成本。资源的共享, 企业的联合是解决问题的有效途径。当这种需要达到一定程度 (临界点) , 无序的物流系统将走向有序。

联盟组建的机制:协同学认为, 系统性质的改变是由于系统中要素子系统之间的相互作用所致。处于无序状态的系统的发展方向受到很多因素的影响 (包括外部的和内部的) , 存在大量不同的可能性。占据主导地位的序参数迫使其他因素和状态纳入它的轨道, 从而使一切事物有条不紊地组织起来。在物流系统中这个占主导地位的序参数正是物流系统所要追求的资源的集成化。当物流企业间的组织结构有利于资源的整合, 这种结构就会得到系统的加强, 表现为各子系统的协同动作, 系统的和谐有序运转。

物流企业联盟的自组织性

只有经济动力才是使企业彼此联合的动因。由于物流企业联盟允许并鼓励成员对自我利益的追求, 承认、保护成员企业对本企业的一切权利。同时, 联盟具备明显的集成优势, 使成员加入物流企业联盟的组织费用低于它的市场交易费用 (如降低了成本, 提高了成员的服务质量、缩短了其响应时间等) , 对成员具有难以抵挡的吸引力, 并自愿加入。

开始是一些非正式的暂时的业务往来给他们带来了效益和便利, 随之而来的将是合作频率不断增多, 合作领域不断拓宽, 关系不断加强。这种加强的合作 (资源的集成化) 又反过来给他们带来了更多的便利。同时也有一些其他得物流企业加入进来, 形成一个开放的非正式的物流网络。这种非正式的短期的合作方式发展的最终结果就是形成物流企业联盟。

物流企业联盟也不是无限扩展的。随着联盟内成员的增多, 联盟的规模不断扩大, 管理复杂性不断提高, 组织费用快速增加, 一直到由于规模扩大所增加的组织费用低于市场上的交易费用或另一个联盟的组织费用, 物流企业联盟的规模就不会再继续扩大。即总的联盟运营成本不能大于各个独立个体独立完成所需的费用。联盟必须设立参与联盟的标准并对成员进行定期的考核, 以防不合格企业的参与损害到其他成员的利益。对成员的考核内容应包括:具有并能为联盟贡献的自己的核心资源的能力、快速的市场响应能力、信誉、风险等。联盟的各项规章制度标准由成员共同制定, 并随外界环境的变化动态调整。

在物流企业联盟内部, 所有成员都是平等的独立个体。成员在联盟的宽松的环境中自由组织彼此之间的关系, 趋利弊害、求同存异, 充分利用资源、发挥其核心竞争力, 取得最大的效益。同时他们之间还存在竞争关系。合理程度的竞争可以促进彼此的发展, 以免出现坐享其成、打便车的现象。联盟对成员的管理采取的是一种诱导的方式, 而不是强制, 强调自我管理。动态合理的处理与其他成员的关系, 关系到企业的长期发展战略。

接到业务的成员根据最有利于自己的原则决定运输路线并选择对自己最有利的合作伙伴。伙伴选择需要考虑的因素有:风险、信誉、响应时间、成本、运营能力等。

物流企业联盟的三个发展阶段

物流企业联盟的组建阶段由非组织到组织的过程演化阶段。由于物流企业服务对象的复杂性和多样性, 致使行业内交易费用高昂。市场的协调机制将促使物流行业内部的整合, 组织化程度会不断提高。简单联合, 组织程度低的松散的企业联盟逐渐形成。

物流企业联盟的发展阶段组织程度的加强阶段。联盟内业务的相互交叉, 人员的深入交流, 信任关系逐渐加强, 联盟成员间的相互依赖性也缓慢形成, 分工协作成为组织间的常态。

物流企业联盟结构和功能的复杂化阶段。联盟内部业务的分化又促使成员不断加强其所分得的业务相关的设施和管理水平。市场化与组织化的相互融合优化了整个行业的资源配置, 形成稳固的连续统一体。

自组织不等于不组织

自组网络 篇6

显微镜是人类认识物质微观世界的重要光学仪器,也是科学研究工作中不可缺少的仪器之一[1,2,3]。随着科学技术的发展、制造技术的成熟、工艺流程的进步，显微镜的种类、功能、结构逐步得到完善和丰富，在生命科学、医学医药、科学研究、教育等领域都有非常广泛的应用。《自组显微镜》设计性实验是测控技术与仪器专业专业基础必修课《工程光学基础》中最为重要的实验之一，该实验的目的是要求学生掌握仪器测量透镜基本参数的方法，熟悉显微镜的光路，培养学生的动手能力与创新能力。

1 自组显微镜的实验内容

透镜是组成显微镜光学系统的最基本的光学元件,物镜、目镜及聚光镜等部件均由单个或多个透镜组成。显微镜把近处的微小物体进行放大成像,图一是物体被显微镜放大成像的原理图。

它由焦距很短的物镜和目镜组成，物镜像方焦点到目镜物方焦点之间有着较大的光学间隔。物体AB位于物镜物方焦点附近，成一放大倒立的实像AB于目镜的物方焦点处。当与眼睛联用时，在眼睛的视网膜上回成一放大正立的实像。借助显微镜，人就可以观察非常微小的物体。众所周知，显微镜的视觉放大率为：[4]

其中f物'是物镜焦距，f物'是目镜焦距，△是光学间隔，250mm是明视距离。

该实验包含以下几个内容：

(1)用平行光管测透镜焦距;

(2)利用已测透镜在光学平台上自组显微镜;

(3)测量实际系统的视觉放大率并与理论值比较。

2 实验开展过程中的探索与实践

2.1 完善实验条件，提高设计自由度

自组显微镜实验需要进行设计和组装两个主要内容，具备非常强的知识性、科学性、趣味性与实用性。设计性实验，使学生有了更多的选择余地，实验结果呈现出多样性，并具有较强的可比性。过去，对此设计性实验，学生在实验前具有高涨的热情，对该实验有一定的期待。但是由于对实验项目的认识不足，理论知识理解不深刻，准备不充分，实验后同学们都感到很失落。通过与学生沟通了解，对实验开展情况仔细分析，发现实验效果差与学生的知识水平、动手能力有一定的原因，但更关键的是实验室条件不够完备。实验室为每组同学提供2个凸透镜、若干光具座、光源等必须元件，这样根本没有选择的自由度，自然谈不上设计。于是，这个设计性实验仅仅是名义上的设计性实验，实际上依然是一个被提高难度的验证性基础实验。现在，实验中我们提供给学生不同孔径、焦距的透镜有6个以上，学生在预习、设计时具有较大自由度，不同组同学组装的显微镜也会有不同的效果，具有较强的可比性，使该实验成为一个深受学生喜欢的设计性实验。

2.2 增加实验学时，强化关键知识点

该实验的学时数由过去的4学时改为6学时，其中课前2学时(学生自查资料)，课内4学时。实验实施分三个阶段：第一阶段，教师讲解实验的内容、要求，学生自查资料，自学新知识，根据实验室提供的透镜参数提出设计方案;第二阶段，学生提交设计方案，教师审查并提出指导意见，学生修改设计方案;第三阶段，领取透镜等元件，实施设计方案，测量数据并完成实验报告。为达到好的实验效果，教师在《工程光学基础》课程讲授时加强相关知识点的讲授，比如“光瞳衔接原理”、“出瞳直径”、“出瞳距离”、“远心光路”、“人眼结构与目视效果”等，其中“光瞳衔接原理”、“出瞳距离”非常重要，学生在设计时必须掌握。

2.3 巧妙设计光路，准确测量实验数据。

该实验需要学生计算所组显微镜实际的视觉放大率，并与理论放大率比较。可以通过公式(1)求出所组显微镜的理论放大率。实际的视觉放大率测定方法：将一微尺放在载物台上夹住，调焦直到所观察的微尺像最清晰;再用手拿一把尺子，用一只眼睛通过显微镜观察微尺的像，另一只眼睛直接看直尺，经过多次观察，调节眼睛，使得显微镜中看到的微尺像投影到直尺上，最后选定微尺上某一分度L。记录其相当于直尺上的分度L，即得视觉放大率为：

由于用手拿直尺，通过调节眼睛使微尺的像与直尺在同一视场中，学生有正常眼和近视眼，观察习惯也不同，L读数误差较大。最后计算出的放大率与理论放大率误差有时竟达20%，无形中还助长学生对科学问题马马虎虎、随随便便的态度与作风。

改进后的实验光路如图二所示，在目镜之后置一与主光轴成45°角的平玻璃板(半透半反镜)，距此玻璃板25cm处置一白光源照明的标尺。通过显微镜既能看到微尺的放大像，还能通过半透半反镜看到标尺的像，而且它们在同一平面上，通过标尺的像就准确读出微尺像L的大小。通过实践，此法可以显著提高测量准确度。

2.4 积极探索研究，加强教师自身建设

教师在实验开展的整个过程中，从基础知识的讲授到光路设计的指导，从示范实验过程到帮助学生顺利实施实验，从现场比较实验效果到审阅实验论文，起着非常重要的作用。为此，教师在不断增加知识储备的同时，深入实验室，加强实验教学方法的研究，领悟因材施教的真谛，多运用启发方式指导学生完成实验。在教学法活动时，教师间相互学习、讨论，共同提高。在改革前，我们还进行了小范围的尝试，及时听取学生的意见，不断进行讨论和完善，使得实验教学改革有目的、有计划、科学的进行。

3 结束语

总结该设计性实验的成功经验，为其它实验课程的教学改革创新以及具体实施寻找到了一些可以借鉴的思路和方法。对实验教学方法改革的创新可行性要有充分的研讨，全面掌握该实验项目的特点以及课程改革的可实施性，还要有预见到实验过程中会出现各种新情况的远见。另外，在整个改革的过程中，不能忽视教师、学生任何一方的作用。教学改革应该有学生参与，教学是教师和学生互动的过程，两者缺一不可。

通过对《自组显微镜》设计性实验的探索与实践，严格意义的设计性实验探索取得较好的效果。学生完成实验后，普遍反映实验内容有趣，实验项目有一定的难度，非常具有挑战性与吸引力。改进后的实验真正具有研究与设计意义，学生通过实验可以锻炼、培养创新精神与创新意识。

参考文献

[1]史旭斌,田俊成.计量传感器在万能工具显微镜中的应用[J].机械工业标准化与质量,2007,(05).

[2]李霞,王伟,赵秀健.数字式万能工具显微镜常见故障排除[J].计量与测试技术,2007,(06).

[3]刘安章,刘泊,高西宽.基于CCD测量的万能工具显微镜[J].哈尔滨理工大学学报,2008,(05).

[4]郁道银,谈恒英.工程光学基础教程[M].北京:机械工业出版社,2007.

自组网络 篇7

本文从自组织理论的基本思想出发, 依靠系统间的非线性相互作用、整体协同效应而不断向有结构、有组织、多功能方向发展, 不断从无序走向有序, 从有序奔向更高级有序, 以形成积极的影响因素和演进动力, 促进体育课堂教学过程的优化。

一、体育教学过程优化的必然性

1. 新课程体育教学的本质要求

学前体育、学校体育、社会体育等教育层次是构成终身体育的教育全过程。素质教育无疑是当今教育的主旋律, 在“健康第一”的教育理念日益成为当今学校体育教学主导思想的今天, 体育素质教育所关注的内容, 绝非仅仅是学生的身体素质, 而应最大限度地扩展其张力, 利用体育学科特有的优势, 尽可能发展学生的心理素质、认知素质、道德素质等各种素质。使学生拥有健康的体质和良好的思想品质等基本体育素质, 是社会需要对体育教学提出的最基本要求。

2. 提高学生综合素质的要求

在体育教学中, 将良好的思想品质归为体育基本素质的层次, 其一是因为良好的思想品质有助于学生树立正确的世界观、价值观、人生观, 为学生形成正确的体育素质观起到标杆作用;其二是随着计算机技术与信息技术的快速发展, 各种思想与观点不断涌现, 学生处于信息漩涡之中, 良好的思想品质可以提高学生的认知能力, 使他们具有一定的选择能力, 使其自身建立一种规避不良信息、选择良性信息的信息选择机制, 促进学生富有成效地从外部环境吸收负熵流, 抵制不良的正熵流, 为学生素质系统的自组织演化确立正确的演进方向。

3. 提高体育课堂有效性的要求

面对新的教学理念、新的目标体系、学习主体的变化、课堂内容的推陈出新, 体育教育工作者应该进行新的探索, 优化体育课堂教学有利于激发师生参与课堂教学的积极性和主动性, 有利于提高体育课堂教学的有效性。

二、自组织体育教学的优化策略

1. 创新互动的自组织体育教学的形成

互动是推进创新系统的动力, 在开放环境、远离平衡的条件下, 学生、教师, 还包括教学内容和教学情境等多方面课程要素之间进行非线性相互作用, 通过一定的互动方式完成创新流程。通过优化教学系统的各个要素, 水到渠成地优化整个系统, 形成整个教学系统的开放性特质。

在体育教学过程中, 对于学生, 学练是一个不断接受教的指导过程, 同时也是一个不断争取摆脱教的引导、以能独立组织探究并发展的过程。《纲要》把运动参与目标列入首要的基本目标, 运动兴趣和习惯是促进学生锻炼的前提和保证, 是体育学习第一重要元素。个体自主性的形成培养既是教的目的, 也是每一个社会成员走向社会不断发展的不可缺少的特征, 学生体育学习和锻炼过程中的自组织能力及其培养的内在规律, 使体育教学更好地配合素质教育, 有效地发展学生的身心素质。教师要发扬教学民主, 与学生多讨论、多商量, 了解学生的内在需求, 融洽师生感情。教师概念正确、动作示范准确、重点突出、讲课有深度, 注意培养学生不畏困难、刻苦锻炼的良好作风;教师知识面广、有感染力与幽默感, 让学生体验运动的新奇、乐趣、成功的感觉;教师能与学生沟通, 架起教材、大纲与学生之间的桥梁, 避免教学过程中的一厢情愿与无的放矢, 使学生的个性得以舒展, 潜力得以挖掘, 使学生充满信心, 更加自觉、更加主动地学习与锻炼, 在课堂上要突出交流、交往、交换和交际。教师和学生在教学中要突出互动、互助、互联和互促, 对教学内容, 要真正认识学习者是主体, 教学内容选择过程的本质是学习者的自我选择, 而教师的使命是为学习者的自我选择提供机会, 体育教师在尽量掌握和了解学生知识结构与运动机能的基础上不断推动学生对新知识和运动技术做出尝试与体验, 尽量拓宽学生对知识和技术创新的空间。同时只有通过远离平衡态, 从而产生新的活动, 才可以构建新的图式, 在普利高津的视野里, 远离平衡态对于体育教学有着深刻的隐喻意义, 要想发挥学生的主体性, 促进其通过自身的不断反思与建构, 推动学生持续发展具有自组织学习的能力, 就应不断远离平衡态, 达到一种平衡—————不平衡————平衡的模式, 如此循环往复, 不断进化。对教学方法, 则应根据教学目标的要求、教学内容的特点及具体教学情境的需要将学生的探究式学与教师的探究式教进行优化组合, 形成一个有利于发挥师生双方主动积极性、可以产生合力的开放式结构。当教学方法在教学过程中可以按照需要信手拈来而不是要刻意使用的时候, 罗杰斯所强调的学生和教师的“心理的自由”[1]都在这一过程中得以实现, 而建立在自由之上的共有约束力, 也会自发出现, 引导整个教学不断演变到更加有序的状态。教师也必将由此走出人为制造的自由与约束之间的两难境地, 具有可持续发展的自组织体育教学也将逐渐变为现实。众多研究表明:充满活力的“自组织”将取代僵化呆板的“被组织”而成为教学演进的主导性力量。[2]

2. 合作意识的培养

合作学习是现代众多教学改革方案中最为成功的范例之一。在我国中小学《体育与健康》课程标准中, 明确将“具有良好的心理品质, 表现出人际交往的能力与合作精神”的合作性目标写入到课程目标体系内[3], 而对竞争则另眼相看。竞争与合作, 是体育教学中相随相伴的一对概念。无论是学生参加100米跑时表现出来的速度快慢, 学习投篮技术时的准确率, 还是他们在练习武术时的动作规范程度, 竞争性都非常明显。而对大多数的多人项目, 如篮球、足球等项目来说, 队员之间的相互合作、密切配合更是取胜的根本。通过促使学生之间形成竞争, 并利用竞争来相互沟通与交流, 在自发的基础上产生协同, 完成“竞争对手→竞争→协同→更高层次的竞争……”的循环链条, 无论是对学生还是对体育教学系统来说, 显然比单纯地强调协同更加具有可持续发展力。在体育课教学过程中, 有同伴之间的合作学习;小组合作学习, 选择小组长开展小组练习;教师和全班同学之间的全员合作学习, 师生合作的教学过程。让若干个友伴型的小群体或不同水平、不同爱好和不同需要的同学组合进行练习, 使学生、教师之间的人际关系亲切和谐, 使本来枯燥单调的练习做得生动、活泼、有趣, 激发学生创造进取的动机, 从而提高体育课教学质量。

3. 自我评价能力

自我评价能力是学生对自己在学习和锻炼过程中的思想品德、学习态度和能力、锻炼身体效果等方面的自我再认识的能力。在教学过程中, 学生除了要接受教师进行的外部评价外, 还必须学会自我评价, 提高自我评价的能力, 这是激发学生进行自我教育、自我调节、自我控制, 以及发展自觉性, 主动学习和锻炼精神的前提。学生在一定的学练背景下经常的自我评价是其内稳定程度的具体表现, 教师要引导学生作经常性的自我评定, 学生在得到教师认同的自我评价中, 容易形成一定的自制、自励能力, 能自觉保持激发状态, 以积极的非平衡行为去获得优化发展。

体育课程教学是以人体运动为基本手段, 以学生的身心发展为中心, 通过对体育知识与技能等教学和锻炼实践, 达到增进健康和提高体育素养目标的教育过程。多年来, 体育教育的观念、目标、体制、内容、方法、形式与效果评价等基本上沿用“应试教育”的模式, 虽作了一些微调, 但没有质的改变。传统的“应试教育”不重视学生创新能力的开发, 要求学生死记硬背, 只重结果, 而对探求真理的过程本身缺乏热忱。20世纪70年代以来, 教育科学领域发生了重要的“范式转折”, 由探究普适性的教育规律转向寻求“情境化”的教育意义。在这一大背景下, “自组织体育教学”————基于复杂性技术哲学理论基础形成的新兴的体育教学观, 试图建立起以关注学生的主体发展和多元化转变为核心的体育教学范式, 其理论与实践意义不可低估, 研究前景值得期待。

参考文献

[1]殷晓辉.创造性思维的自组织理论与体育教学中的创新教育.福建体育科技, 2001 (2) :46～50.

[2]于海波, 孟凡丽.论教学系统的自组织机制.教育科学, 2002 (10) :39～41.