第一篇：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)課堂教學(xué)方法探索

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)課堂教學(xué)方法探索

摘 要：針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)課程知識(shí)點(diǎn)講解難、原理演示難和案例應(yīng)用難的問題，提出一套無線傳感器網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)方法，包括課前知識(shí)探究、比較講解、仿真演示和創(chuàng)新案例設(shè)計(jì)等方法。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)工程；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；課堂教學(xué)方法；創(chuàng)新案例；比較講解

文章編號(hào)：1672-5913（2017）05-0066-03

中圖分類號(hào)：G642

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)是繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)通信之后的又一次信息產(chǎn)業(yè)的革命性發(fā)展，目前被正式列為國(guó)家重點(diǎn)發(fā)展的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一[1]。近年來，物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)在全國(guó)很多高校開設(shè)，但是作為一個(gè)新興專業(yè)，有其獨(dú)有的特征，如知識(shí)范圍涵蓋廣等。對(duì)于其專業(yè)課程教學(xué)特別是像無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks，WSN）這類核心課程更需要在教學(xué)方法、教學(xué)思路上進(jìn)行改革和

創(chuàng)新[2]。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)課程的地位

物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)在全國(guó)很多高校開設(shè)，培養(yǎng)方案和課程體系可能有差別，但無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一般會(huì)被設(shè)置成核心課程或必修課程[3]。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一門理論性和實(shí)用性都較強(qiáng)的課程，多學(xué)科高度交叉，知識(shí)點(diǎn)涵蓋范圍廣，在課堂教學(xué)上對(duì)教師的要求較高，需要學(xué)生掌握的內(nèi)容也較多和復(fù)雜[4]。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中存在的問題

（1）知識(shí)點(diǎn)講解難，知識(shí)點(diǎn)涵蓋了傳感器、嵌入式計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)與通信、分布式信息處理等技術(shù)，在課堂講解中，學(xué)生對(duì)于不熟悉的知識(shí)點(diǎn)往往覺得晦澀難懂，最終放棄聽講。

（2）原理演示難，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中很多原理在課堂教學(xué)中較難演示，學(xué)生只能在理論上接受，不能建立形象化理解。

（3）案例應(yīng)用難，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以在很多領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，但學(xué)生往往難以找到突破口，不能很好的將所學(xué)知識(shí)應(yīng)用在實(shí)際需要中，一方面是不善于尋找需求，另一方面是對(duì)所學(xué)知識(shí)不能夠融會(huì)貫通，舉一反三。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)教學(xué)方法探討

3.1 課前知識(shí)探究

物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)學(xué)生需要有較廣的知識(shí)面和較深的專業(yè)技能，課上所學(xué)內(nèi)容是有限的，需要學(xué)生對(duì)知識(shí)進(jìn)行廣泛涉獵，但往往他們又是迷茫的，不知從何學(xué)起以及學(xué)些什么?！罢n前知識(shí)探究”是建立教師引導(dǎo)性的知識(shí)學(xué)習(xí)過程，在這個(gè)過程中，教師抽取出下次課堂教學(xué)中的前提內(nèi)容，即學(xué)生需要提前了解的內(nèi)容，讓學(xué)生進(jìn)行探究。學(xué)生憑借已有的知識(shí)、生活經(jīng)驗(yàn)和學(xué)習(xí)方法自主探索，從而激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)學(xué)好課程的信心。最后以多種形式進(jìn)行總結(jié)匯報(bào)，如寫成科技綜述、PPT課堂匯報(bào)等。這種預(yù)習(xí)不再是單純?yōu)檎莆罩R(shí)和技能的學(xué)習(xí)活動(dòng)，而是為了學(xué)生綜合素質(zhì)的培養(yǎng)和提升。

主要過程如下：教師布置任務(wù)，多以“主題”形式展現(xiàn)；學(xué)生根據(jù)已有知識(shí)進(jìn)行獨(dú)立思考；學(xué)生通?^知網(wǎng)、百科、文庫、技術(shù)論壇等網(wǎng)絡(luò)資源庫進(jìn)行更全面的信息獲??；形成匯報(bào)文件，以PPT講稿呈現(xiàn)；課堂10分鐘講解。

比如在學(xué)習(xí)“傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)融合技術(shù)”前，讓學(xué)生提前總結(jié)整理“數(shù)據(jù)融合”的概念由來、發(fā)展歷程、工作原理以及應(yīng)用等信息，下次課堂講解預(yù)留10分鐘讓學(xué)生通過PPT進(jìn)行演示講解。課前知識(shí)探求充分調(diào)動(dòng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力，同時(shí)也鍛煉了分析、總結(jié)能力和基本的科學(xué)素養(yǎng)。學(xué)生通過這種探求方式獲取的知識(shí)要比教師直接課堂講授掌握得更牢固、更深刻。

3.2 比較講解法

比較講解法不是一個(gè)普遍適用的方法，但對(duì)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)課堂教學(xué)有著獨(dú)特的良好效果，主要原因是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)在層次結(jié)構(gòu)、知識(shí)框架以及應(yīng)用特征上都具有參照性，而計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)又是學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)過的、較為熟悉的課程。教師在講解中通過比較突顯所需掌握知識(shí)的特征、難點(diǎn)和重點(diǎn)。主要過程如下：①通過比較法引入新概念，有些概念間有許多相似之處，了解一些概念之后，另一些概念可用比較法引入，使教學(xué)難度降低，并能把規(guī)律揭示出來；②通過對(duì)比圖或者表講解異同，幫助學(xué)生理解兩者的差別，深化記憶。

如圖1所示是開放式系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)參考模型（OSI）和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)模型的對(duì)比圖。在協(xié)議、安全以及應(yīng)用等各個(gè)方面都可以通過比較講解法進(jìn)行課堂教學(xué)。

通過比較學(xué)習(xí)會(huì)發(fā)現(xiàn)很多知識(shí)有相同點(diǎn)和不同點(diǎn)，若不去比較，可能會(huì)把相關(guān)知識(shí)的概念、原理、現(xiàn)象等混為一談，這不利于對(duì)知識(shí)進(jìn)行深刻理解和準(zhǔn)確應(yīng)用；善于比較則可以抓住知識(shí)的本質(zhì)特征和知識(shí)間的內(nèi)在聯(lián)系，從而達(dá)到準(zhǔn)確理解、記憶和應(yīng)用知識(shí)的目的。

3.3 仿真演示法

WSN是一門實(shí)用型課程，在課堂上需要形象、立體地向?qū)W生展示所學(xué)知識(shí)，比如數(shù)據(jù)是如何在網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)?，路由方式是怎樣的。在課堂上只是講解路由協(xié)議或者算法，學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解不深刻。仿真演示可激發(fā)學(xué)生求知欲望，提高學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)積極性，激發(fā)求知欲。我校使用了ATOS-SensorSim無線傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng)，如圖2所示。

它是一款功能強(qiáng)大、配置簡(jiǎn)便的WSN專業(yè)模擬系統(tǒng)，具備算法過程演示、算法分析和調(diào)試等功能，通過配置參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)不同參數(shù)條件下的算法自動(dòng)運(yùn)行、運(yùn)行過程顯示、實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖自動(dòng)生成。

通過模擬演示，學(xué)生直觀了解WSN的組織結(jié)構(gòu)、傳輸過程及算法應(yīng)用等；學(xué)生也可以驗(yàn)證自己所寫的路由算法，并對(duì)結(jié)果自動(dòng)分析，這種仿真演示法極大提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和學(xué)習(xí)興趣。

3.4 創(chuàng)新案例設(shè)計(jì)

創(chuàng)新案例設(shè)計(jì)教學(xué)法是讓學(xué)生主動(dòng)觀察生活中的細(xì)節(jié)，提煉業(yè)務(wù)需求，自主設(shè)計(jì)基于WSN的解決方案。在課堂中每講解一個(gè)知識(shí)點(diǎn)，就讓學(xué)生將所學(xué)知識(shí)應(yīng)用在自己設(shè)計(jì)的案例中，具體的設(shè)計(jì)實(shí)施在實(shí)驗(yàn)課中完成，整個(gè)過程教師給予指導(dǎo)和重要知識(shí)講解。

基本過程如下：學(xué)生在具有一定知識(shí)儲(chǔ)備后提出創(chuàng)意設(shè)計(jì)思路；教師幫助確定設(shè)計(jì)思路的可行性；學(xué)生學(xué)習(xí)新知識(shí)后將知識(shí)應(yīng)用到創(chuàng)意設(shè)計(jì)中，完成文檔編寫或編碼；學(xué)生課堂講解知識(shí)在自己設(shè)計(jì)中的應(yīng)用；提交最終設(shè)計(jì)方案。

比如設(shè)計(jì)“基于WSN的智能家居系統(tǒng)”，在學(xué)習(xí)WSN的物理層概念、主要技術(shù)以及設(shè)計(jì)方法后，學(xué)生基本能給出他所要設(shè)計(jì)的家居系統(tǒng)的物理層解決方案，采用哪種介質(zhì)傳輸，哪些設(shè)備并給出原因和性能說明。每次課會(huì)抽取1～2個(gè)學(xué)生對(duì)自己的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行講解。

通過創(chuàng)新案例設(shè)計(jì)法，建立學(xué)生獨(dú)立解決問題的能力和知識(shí)運(yùn)用能力。在經(jīng)歷過初期的掙扎和迷茫后，大部分學(xué)生都能認(rèn)真、順利地完成設(shè)計(jì)。重要的是通過這個(gè)過程，學(xué)生能充分理解一個(gè)系統(tǒng)的產(chǎn)生流程，從需求分析、框架設(shè)計(jì)、軟硬件選擇到子部件的設(shè)計(jì)、集成、測(cè)試等讓學(xué)生深入了解每個(gè)環(huán)節(jié)的工作以及差異，也為將來走上工作崗位打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。結(jié) 語

物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)是新興專業(yè)，物聯(lián)網(wǎng)課程的教學(xué)應(yīng)該有其獨(dú)特性和創(chuàng)新性，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)課程作為物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的一門重點(diǎn)課程，更要提高課堂教學(xué)效率。我們提出的包含課前知識(shí)探究、比較講解、仿真演示和創(chuàng)新案例設(shè)計(jì)等4部分的WSN課堂教學(xué)方法應(yīng)用在大學(xué)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)課程的課堂教學(xué)中，取得良好的教學(xué)效果，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和學(xué)習(xí)效率大大提高。通過課堂教學(xué)+實(shí)驗(yàn)課實(shí)踐后的成果參加多項(xiàng)國(guó)家級(jí)、省部級(jí)物聯(lián)網(wǎng)競(jìng)賽并取得優(yōu)異成績(jī)。

參考文獻(xiàn)：

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第二篇：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)感想

無線傳感實(shí)驗(yàn)感想

本次實(shí)驗(yàn)我們進(jìn)行的是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)中，我們小組成員學(xué)習(xí)了無線傳輸?shù)幕驹恚献魍瓿蓪?shí)驗(yàn)系統(tǒng)的安裝、調(diào)試與數(shù)據(jù)分析，在這一過程中我受益良多。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是基于ZigBee技術(shù)。ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術(shù)。主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸以及典型的有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用。

現(xiàn)在無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)廣泛用于很多方面，如農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)自動(dòng)化以及智能家居等。無線傳感的使用使傳感器和自動(dòng)化技術(shù)得到了空前的發(fā)展，并給人們的生活帶來了很大的便利。

我們平時(shí)的實(shí)驗(yàn)課更多注重對(duì)理論的驗(yàn)證，但是沒有創(chuàng)新性和自主研發(fā)性，雖然這次的實(shí)驗(yàn)我們大部分也是照著實(shí)驗(yàn)說明書進(jìn)行連接、燒錄程序、演示等，但是此次的實(shí)驗(yàn)增加了我對(duì)電子設(shè)計(jì)的濃厚興趣。只要有興趣，我相信化興趣為動(dòng)力，我肯定能更加努力加強(qiáng)電子專業(yè)的學(xué)習(xí)，努力提高專業(yè)素養(yǎng)。

當(dāng)然實(shí)驗(yàn)中還有注重團(tuán)隊(duì)的協(xié)作，我們分工明確，合作愉快，因此更快、更好地完成了實(shí)驗(yàn)?，F(xiàn)在的項(xiàng)目工程，憑一己之力幾乎不可能完成，所以企業(yè)也十分注重員工的團(tuán)隊(duì)意識(shí)，我們想要進(jìn)入好的企業(yè)，對(duì)這塊不能等閑視之，必須加以重視。

最后，通過這次的傳感器技術(shù)實(shí)驗(yàn)我不但對(duì)理論知識(shí)有了更加深的理解，對(duì)于實(shí)際的操作和也有了質(zhì)的飛躍。經(jīng)過這次的實(shí)驗(yàn)，我們整體對(duì)各個(gè)方面都得到了不少的提高，希望以后學(xué)校和系里能夠開設(shè)更多類似的實(shí)驗(yàn)，能夠讓我們得到更好的鍛煉。

第三篇：機(jī)械 無線傳感器實(shí)驗(yàn)小結(jié)

實(shí)驗(yàn)小結(jié)

一個(gè)下午的實(shí)驗(yàn)，或許比我這大學(xué)三年多所學(xué)的理論知識(shí)更加具有實(shí)用性。開頭，老師用一個(gè)混凝土傳送車的測(cè)量項(xiàng)目，從經(jīng)濟(jì)成本和技術(shù)手段等方面詳細(xì)介紹了有線測(cè)量的缺點(diǎn)與無線測(cè)量的有缺點(diǎn)。印象最深刻的一點(diǎn)是：有線測(cè)量的線路布置相當(dāng)麻煩，且成本高昂，易受外界干擾；無線測(cè)量安裝方便，隨著技術(shù)的進(jìn)步，成本也較低，抗干擾性較好，將是未來科技發(fā)展的方向。接下來便是動(dòng)手操作，其中有兩點(diǎn)感觸頗深：

第一、從基礎(chǔ)做起很重要。

整個(gè)實(shí)驗(yàn)從學(xué)習(xí)測(cè)量軟件開始，實(shí)驗(yàn)的相關(guān)參數(shù)都需要再軟件中事先設(shè)置妥當(dāng)。有的同學(xué)完全不管不顧就立即開始測(cè)量，使得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)牛頭不對(duì)馬嘴，直接導(dǎo)致測(cè)量失敗。學(xué)習(xí)好測(cè)量軟件，接下來便是看懂實(shí)驗(yàn)原理圖，選擇正確的傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。一開始，我們無從下手，原因在于：無線傳感器本身的結(jié)構(gòu)不了解，無法有效的使用起來，輸入接入了3

通道，在軟件上采集時(shí)卻使用1通道，一直采集不到

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，或者本該接在同一個(gè)傳感器的不同通道上的，卻找兩個(gè)傳感器來測(cè)量。好在，經(jīng)過摸索和同學(xué)

間的討論，終于弄明白了這些問題，希望以后的同學(xué)

們能吸取教訓(xùn)。

第二、細(xì)節(jié)很重要。

記得千分表加載測(cè)應(yīng)變的實(shí)驗(yàn)中，要求輸入信號(hào)全橋

接入，共4根接入線，其中一對(duì)是電源與地線，一對(duì)

是中間節(jié)點(diǎn)線。剛開始，我們兩個(gè)接線員一看電路圖，想當(dāng)然認(rèn)為4個(gè)電阻一樣大，4根線應(yīng)該是一樣的，變隨機(jī)接線，導(dǎo)致最后無論怎么調(diào)試都沒有輸入信號(hào)，明顯是將鄰臂接入了電路，使得輸入信號(hào)互相抵消了，正確的接法應(yīng)該是采用對(duì)臂相加原則，將R1R3或者R2R4 接入，也就說電源線與地線必須正確對(duì)于。

經(jīng)過一下午的努力，終于完成了實(shí)驗(yàn)，整理好實(shí)驗(yàn)儀器，提交實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，走出實(shí)驗(yàn)室，頓時(shí)感覺成長(zhǎng)了好多。

第四篇：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)課后習(xí)題答案

1-2.什么是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)? 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是大量的靜止或移動(dòng)的傳感器以自組織和多跳的方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)。目的是協(xié)作地探測(cè)、處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)感知對(duì)象的監(jiān)測(cè)信息,并報(bào)告給用戶。1-4.圖示說明無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)架構(gòu)。

1-5.傳感器網(wǎng)絡(luò)的終端探測(cè)結(jié)點(diǎn)由哪些部分組成?這些組成模塊的功能分別是什么?(1)傳感模塊（傳感器、數(shù)模轉(zhuǎn)換）、計(jì)算模塊、通信模塊、存儲(chǔ)模塊電源模塊和嵌入式軟件系統(tǒng)

(2)傳感模塊負(fù)責(zé)探測(cè)目標(biāo)的物理特征和現(xiàn)象，計(jì)算模塊負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)和系統(tǒng)管理，存儲(chǔ)模塊負(fù)責(zé)存放程序和數(shù)據(jù)，通信模塊負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)管理信息和探測(cè)數(shù)據(jù)兩種信息的發(fā)送和接收。另外，電源模塊負(fù)責(zé)結(jié)點(diǎn)供電，結(jié)點(diǎn)由嵌入式軟件系統(tǒng)支撐，運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)的五層協(xié)議。

1-8.傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)包括哪些部分?各部分的功能分別是什么?

(1)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議：類似于傳統(tǒng)Internet網(wǎng)絡(luò)中的TCP/IP協(xié)議體系。它由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層組成。

(2)網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)：主要是對(duì)傳感器結(jié)點(diǎn)自身的管理和用戶對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的管理。包括拓?fù)淇刂?、服?wù)質(zhì)量管理、能量管理、安全管理、移動(dòng)管理、網(wǎng)絡(luò)管理等。

(3)應(yīng)用支撐平臺(tái)：建立在網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)的基礎(chǔ)之上。包括一系列基于監(jiān)測(cè)任務(wù)的應(yīng)用層軟件，通過應(yīng)用服務(wù)接口和網(wǎng)絡(luò)管理接口來為終端用戶提供各種具體應(yīng)用的支持。

1-9.傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)有哪些類型?分別說明各種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的特征及優(yōu)缺點(diǎn)。

（1）根據(jù)結(jié)點(diǎn)數(shù)目的多少，傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)可以分為平面結(jié)構(gòu)和分級(jí)結(jié)構(gòu)。如果網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模較小，一般采用平面結(jié)構(gòu)；如果網(wǎng)絡(luò)規(guī)模很大，則必須采用分級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。（2）平面結(jié)構(gòu)：

特征：平面結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)比較簡(jiǎn)單，所有結(jié)點(diǎn)的地位平等，所以又可以稱為對(duì)等式結(jié)構(gòu)。優(yōu)點(diǎn)：源結(jié)點(diǎn)和目的結(jié)點(diǎn)之間一般存在多條路徑，網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷由這些路徑共同承擔(dān)。一般情況下不存在瓶頸，網(wǎng)絡(luò)比較健壯。

缺點(diǎn)：①影響網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸速率，甚至造成網(wǎng)絡(luò)崩潰。②整個(gè)系統(tǒng)宏觀上會(huì)損耗巨大能量。③可擴(kuò)充性差，需要大量控制消息。分級(jí)結(jié)構(gòu)：

特征：傳感器網(wǎng)絡(luò)被劃分為多個(gè)簇，每個(gè)簇由一個(gè)簇頭和多個(gè)簇成員組成。這些簇頭形成了高一級(jí)的網(wǎng)絡(luò)。簇頭結(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)簇間數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，簇成員只負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集。

優(yōu)點(diǎn)：①大大減少了網(wǎng)絡(luò)中路由控制信息的數(shù)量，具有很好的可擴(kuò)充性。②簇頭可以隨時(shí)選舉產(chǎn)生，具有很強(qiáng)的抗毀性。

缺點(diǎn)：簇頭的能量消耗較大，很難進(jìn)人休眠狀態(tài)。

1-13.討論無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在實(shí)際生活中有哪些潛在的應(yīng)用。

(1)用在智能家具系統(tǒng)中，將傳感器嵌入家具和家電中，使其與執(zhí)行單元組成無線網(wǎng)絡(luò)，與因特網(wǎng)連接在一起。(2)用在智能醫(yī)療中，將傳感器嵌入醫(yī)療設(shè)備中，使其能接入因特網(wǎng)，將患者數(shù)據(jù)傳送至醫(yī)生終端。(3)用在只能交通中，運(yùn)用無線傳感器監(jiān)測(cè)路面、車流等情況。2-2.傳感器由哪些部分組成?各部分的功能是什么?

2-5.集成傳感器的特點(diǎn)是什么? 體積小、重量輕、功能強(qiáng)、性能好。2-7.傳感器的一般特性包括哪些指標(biāo)? 靈敏度、響應(yīng)特性、線性范圍、穩(wěn)定性、重復(fù)性、漂移、精度、分辨（力）、遲滯。2-15.如何進(jìn)行傳感器的正確選型？

1.測(cè)量對(duì)象與環(huán)境：分析被測(cè)量的特點(diǎn)和傳感器的使用條件選擇何種原理的傳感器。2.靈敏度：選擇較高信噪比的傳感器，并選擇適合的靈敏度方向。

3.頻率響應(yīng)特性:根據(jù)信號(hào)的特點(diǎn)選擇相應(yīng)的傳感器響應(yīng)頻率，以及延時(shí)短的傳感器。4.線性范圍：傳感器種類確定后觀察其量程是否滿足要求，并且選擇誤差小的傳感器。

5.穩(wěn)定性：根據(jù)使用環(huán)境選擇何時(shí)的傳感器或采用適當(dāng)?shù)拇胧p小環(huán)境影響，盡量選擇穩(wěn)定性好的傳感器。6.精度：選擇滿足要求的，相對(duì)便宜的傳感器。2-17.簡(jiǎn)述磁阻傳感器探測(cè)運(yùn)動(dòng)車輛的原理。

磁阻傳感器在探測(cè)磁場(chǎng)的通知探測(cè)獲得車輪速度、磁跡、車輛出現(xiàn)和運(yùn)動(dòng)方向等。使用磁性傳感器探測(cè)方向、角度或電流值，可以間接測(cè)定這些數(shù)值。因?yàn)檫@些屬性變量必須對(duì)相應(yīng)的磁場(chǎng)產(chǎn)生變化，一旦磁傳感器檢測(cè)出場(chǎng)強(qiáng)變化，則采用一些信號(hào)處理辦法，將傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換成需要的參數(shù)值。3-2.無線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)為什么要進(jìn)行調(diào)制和解調(diào)?調(diào)制有哪些方法?（1）調(diào)制和解調(diào)技術(shù)是無線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。調(diào)制對(duì)通信系統(tǒng)的有效性和可靠性有很大的影響。采用什么方法調(diào)制和解調(diào)往往在很大程度上決定著通信系統(tǒng)的質(zhì)量。

調(diào)制技術(shù)通過改變高頻載波的幅度、相位或頻率，使其隨著基帶信號(hào)幅度的變化而變化。

解調(diào)是將基帶信號(hào)從載波中提取出來以便預(yù)定的接收者(信宿)處理和理解的過程。（2）根據(jù)調(diào)制中采用的基帶信號(hào)的類型。可以將調(diào)制分為模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制。

根據(jù)原始信號(hào)所控制參量的不同，調(diào)制分為幅度調(diào)制、頻率調(diào)制和相位調(diào)制。3-4.試描述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的物理層幀結(jié)構(gòu)。

3-6.根據(jù)信道使用方式的不同。傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議可以分為哪幾種類型? 時(shí)分復(fù)用無競(jìng)爭(zhēng)接入方式、隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)接入方式、競(jìng)爭(zhēng)與固定分配相結(jié)合的接入方式。3-7.設(shè)計(jì)基于競(jìng)爭(zhēng)的MAC協(xié)議的基本思想是什么？

當(dāng)結(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，通過競(jìng)爭(zhēng)方式使用無線信道。如果發(fā)送的數(shù)據(jù)產(chǎn)生了碰撞，就按照某種策略重發(fā)數(shù)據(jù)，直到數(shù)據(jù)發(fā)送成功或放棄發(fā)送。

3-8.試寫(畫）出CSMA/CA的基木訪問機(jī)制。并說明隨機(jī)退避時(shí)間的計(jì)算方法。

3-9.IEEE802.11MAC協(xié)議有哪兩種訪問控制方式?每種方式是如何工作的?（1）分布式協(xié)調(diào)功能（DCF）、點(diǎn)協(xié)調(diào)功能（PCF），期中DCF是基本訪問控制方式。

3-10.通常有哪些原因?qū)е聜鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生無效能耗? 空閑偵聽、數(shù)據(jù)沖突、串?dāng)_、控制開銷 3-11.敘述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)S-MAC協(xié)議的主要特點(diǎn)和實(shí)現(xiàn)機(jī)制。

（1）S-MAC協(xié)議的適用條件是傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸量不大，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部能夠進(jìn)

行數(shù)據(jù)的處理和融合以減少數(shù)據(jù)通信量，網(wǎng)絡(luò)能容忍一定程度的通信延遲。它的設(shè)計(jì)目標(biāo)是提供良好的擴(kuò)展性，減少結(jié)點(diǎn)能耗。

（2）周期性偵聽和睡眠機(jī)制、流量自適應(yīng)機(jī)制、沖突和串音避免機(jī)制、消息傳遞機(jī)制。3-12.簡(jiǎn)述路由選擇的主要功能。

（1）尋找源結(jié)點(diǎn)和目的結(jié)點(diǎn)間的優(yōu)化路徑。（2）將數(shù)據(jù)分析沿著優(yōu)化路徑正確轉(zhuǎn)發(fā)。

3-14.常見的傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議有哪些類型?并說明各種類型路由協(xié)議的主要特點(diǎn)。（1）能量感知路由協(xié)議、基于查詢的路由協(xié)議、地理位置協(xié)議、可靠的路由協(xié)議。

（2）能量感知路由協(xié)議：從數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰肯某霭l(fā)，討論最少能量消耗和最長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存期等問題。

基于查詢的路由協(xié)議：主要用于需要不斷查詢傳感器結(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)，通過減少通信流量來節(jié)省能量，即數(shù)據(jù)融合技術(shù)與路由協(xié)議的設(shè)計(jì)相結(jié)合。

地理位置協(xié)議：主要應(yīng)用于需要知道目的結(jié)點(diǎn)的精確或大致地理位置的問題中，把結(jié)點(diǎn)的位置信息作為路由選擇的依據(jù)，從而完成結(jié)點(diǎn)的路由選擇功能，并且降低維護(hù)路由協(xié)議的能耗。可靠的路由協(xié)議：應(yīng)用在對(duì)可靠性和實(shí)時(shí)性等方面有特別要求的問題中。3-15.如何設(shè)計(jì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的定向擴(kuò)散路由協(xié)議? 4-2.傳感器網(wǎng)絡(luò)常見的時(shí)間同步機(jī)制有哪些? RBS、Ting/Mini-Sync、TPSN 4-3.簡(jiǎn)述TPSN時(shí)間同步協(xié)議的設(shè)計(jì)過程。

TPSN時(shí)間同步協(xié)議采用層次結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)的時(shí)間同步。所有結(jié)點(diǎn)按照層次結(jié)構(gòu)進(jìn)行邏輯分級(jí)。表示結(jié)點(diǎn)到根結(jié)點(diǎn)的距離，通過基于發(fā)送者-接收者的結(jié)點(diǎn)對(duì)方式。每個(gè)結(jié)點(diǎn)與上一級(jí)的一個(gè)結(jié)點(diǎn)進(jìn)行同步。從而最終所有結(jié)點(diǎn)都與根結(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步。TPSN協(xié)議包括兩個(gè)階段: 第一個(gè)階段生成層次結(jié)構(gòu)，每個(gè)結(jié)點(diǎn)賦予一個(gè)級(jí)別。根結(jié)點(diǎn)賦予最高級(jí)別第0級(jí)。第i 級(jí)的結(jié)點(diǎn)至少能夠與一個(gè)第(i-1)級(jí)的結(jié)點(diǎn)通信;第二個(gè)階段實(shí)現(xiàn)所有樹結(jié)點(diǎn)的時(shí)間同步。第1級(jí)結(jié)點(diǎn)同步到根結(jié)點(diǎn)。第i級(jí)的結(jié)點(diǎn)同步到第(i-1)級(jí)的一個(gè)結(jié)點(diǎn)，最終所有結(jié)點(diǎn)都同步到根結(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步。

4-6.簡(jiǎn)述以下概念術(shù)語的含義:錨點(diǎn)、測(cè)距、連接度、到達(dá)時(shí)間差、接收信號(hào)強(qiáng)度指示、視線關(guān)系。

錨點(diǎn)：指通過其他方式預(yù)先獲得位置坐標(biāo)的結(jié)點(diǎn)，有時(shí)也稱作信標(biāo)結(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)中相應(yīng)的其余結(jié)點(diǎn)稱為非錨點(diǎn)。測(cè)距：指兩個(gè)相互通信的結(jié)點(diǎn)通過測(cè)量方式來估計(jì)出彼此之間的距離或角度。

連接度：包括結(jié)點(diǎn)連接度和網(wǎng)絡(luò)連接度兩種含義。結(jié)點(diǎn)連接度是指結(jié)點(diǎn)可探測(cè)發(fā)現(xiàn)的鄰居結(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)。網(wǎng)絡(luò)連接度是所有結(jié)點(diǎn)的鄰結(jié)點(diǎn)數(shù)目的平均值，它反映了傳感器配置的密集程度。

到達(dá)時(shí)間差：兩種不同傳播速度的信號(hào)從一個(gè)結(jié)點(diǎn)傳播到另一個(gè)結(jié)點(diǎn)所需要的時(shí)間之差。接收信號(hào)強(qiáng)度指示：結(jié)點(diǎn)接收到無線信號(hào)的強(qiáng)度大小。

視線關(guān)系：如果傳感器網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)結(jié)點(diǎn)之間沒有障礙物，能夠?qū)崿F(xiàn)直接通信，則稱這兩個(gè)結(jié)點(diǎn)問存在視線關(guān)系。4-9.RSSI測(cè)距的原理是什么?

4-10.簡(jiǎn)述ToA測(cè)距的原理。

4-11.舉例說明TDoA的測(cè)距過程。

4-12.舉例說明AoA測(cè)角的過程。

4-13.試描述傳感器網(wǎng)絡(luò)多邊定位法的原理。

4-14.簡(jiǎn)述Min-max定位方法的原理。

4-15.簡(jiǎn)述質(zhì)心定位算法的原理及其特點(diǎn)。

★4-16.舉例說明DV-Hop算法的定位實(shí)現(xiàn)過程。

4-17.什么是數(shù)據(jù)融合技術(shù)?它在傳感器網(wǎng)絡(luò)中的主要作用是什么?（1）數(shù)據(jù)融合也被稱作信息融，是一種多源信息處理技術(shù)。它通過對(duì)來自同一目標(biāo)的多源數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化合成，獲得比單一信息源更精確、完整的估計(jì)或判斷。

（2）①節(jié)省整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量②增強(qiáng)所收集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性③提高收集數(shù)據(jù)的效率 4-18.簡(jiǎn)述數(shù)據(jù)融合技術(shù)的不同分類方法及其類型。

(1)依據(jù)融合前后數(shù)據(jù)的信息含量進(jìn)行分類：無損失融合、有損失融合

(2)依據(jù)數(shù)據(jù)融合與應(yīng)用層數(shù)據(jù)語義的關(guān)系進(jìn)行分類：依賴于應(yīng)用的數(shù)據(jù)融合、獨(dú)立于應(yīng)用的數(shù)據(jù)融合、結(jié)合以上兩種技術(shù)的數(shù)據(jù)融合

(3)依據(jù)融合操作的級(jí)別進(jìn)行分類：數(shù)據(jù)級(jí)融合、特征級(jí)融合、決策級(jí)融合 4-19.什么是數(shù)據(jù)融合的綜合平均法?

4-20.常見的數(shù)據(jù)融合方法有哪些? 綜合平均法、卡爾曼濾波法、貝葉斯估計(jì)法、D-S證據(jù)推理法、統(tǒng)計(jì)決策理論、模糊邏輯法、產(chǎn)生式規(guī)則法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法。

4-21.無線通信的能量消耗與距離的關(guān)系是什么?它反映出傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖裁刺攸c(diǎn)?（1）通常隨著通信距離的曾加，能耗急劇增加。

（2）在傳感器網(wǎng)絡(luò)中要減少單跳通信距離，盡量使用多跳短距離的無線通信方式。4-22.簡(jiǎn)述節(jié)能策略休眠機(jī)制的實(shí)現(xiàn)思想。

當(dāng)結(jié)點(diǎn)周圍沒有感興趣的事件發(fā)生時(shí)，計(jì)算與通信單元處十空閑狀態(tài)，把這些組件關(guān)鐘或調(diào)到更低能耗的狀態(tài)，即休眠狀態(tài)。該機(jī)制對(duì)于延長(zhǎng)傳感器結(jié)點(diǎn)的生存周期非常重要。但休眠狀態(tài)與工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換需要消耗一定的能量。并且產(chǎn)生時(shí)延。所以狀態(tài)轉(zhuǎn)換策略對(duì)于休眠機(jī)制比較重要。如果狀態(tài)轉(zhuǎn)換策略不合適，不僅無法節(jié)能，反而會(huì)導(dǎo)致能耗的增加。

4-23.簡(jiǎn)述傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)各單元能量消耗的特點(diǎn)

傳感器結(jié)點(diǎn)中消耗能量的模塊有傳感器模塊、處理器模塊和通信模塊。隨著集成電路工藝的進(jìn)步。處理器和傳感器模塊的功耗都很低。無線通信模塊可以處于發(fā)送、接收、空閑或睡眠狀態(tài)。空閑狀態(tài)就是偵聽無線信道上的信息，但不發(fā)送或接收。睡眠狀態(tài)就是無線通信模塊處于不工作狀態(tài)。4-24.動(dòng)態(tài)電源管理的工作原理是什么? 當(dāng)結(jié)點(diǎn)周圍沒有感興趣的事件發(fā)生時(shí)，部分模塊處于空閑狀態(tài)。應(yīng)該把這些組件關(guān)掉或調(diào)到更低能耗的狀態(tài)(即休眠狀態(tài))。從而節(jié)省能量。

4-25.傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全性需求包括哪些內(nèi)容? 結(jié)點(diǎn)的安全保證、被動(dòng)抵御入侵的能力、主動(dòng)反擊入侵的能力。4-26.什么是傳感器網(wǎng)絡(luò)的信息安全?

4-27.簡(jiǎn)述在傳感器網(wǎng)絡(luò)中實(shí)施Wormhole攻擊的原理過程

4-28.SPINS安全協(xié)議簇能提供哪些功能? SPINS安個(gè)協(xié)議簇是最早的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全框架之一。包含了 SNEP和μTESLA兩個(gè)安全協(xié)議。SNEP協(xié)議提供點(diǎn)到點(diǎn)通信認(rèn)證、數(shù)據(jù)機(jī)密性、完整性和新鮮性等安全服務(wù)；μTESLA協(xié)議則提供對(duì)廣播消息的數(shù)據(jù)認(rèn)證服務(wù)。6-3.低速無線個(gè)域網(wǎng)具有哪些特點(diǎn)? 低速無線個(gè)域網(wǎng)是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉的無線通信網(wǎng)絡(luò)，它使得在低電能和低吞吐量的應(yīng)用環(huán)境中使用無線連接成為可能。與無線局域網(wǎng)相比。低速無線個(gè)域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)只需很少的基礎(chǔ)設(shè)施。甚至不需要基礎(chǔ)設(shè)施。IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)為低速無線個(gè)域網(wǎng)制定了物理層和MAC子層協(xié)議。6-7.簡(jiǎn)述ZigBee的技術(shù)特點(diǎn)

(1)數(shù)據(jù)傳輸速率低。數(shù)據(jù)率只有l(wèi)okb/s~250kb/s，專注十低速傳輸應(yīng)用。

(2)有效范圍小。有效似蓋范圍10~75m之間，具體依據(jù)實(shí)際發(fā)射功率的大小和各種不同的應(yīng)用模式而定。(3)工作頻段靈活。使用的頻段分別為2.4GHz,868MHz(歐洲)及915MHz(美國(guó))，均為無需申請(qǐng)的ISM頻段。

(4)省電。由于工作周期很短。收發(fā)信息功耗較低，以及采用了休眠模式，ZigBee可確保兩節(jié)5號(hào)電池支持長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月至2年左右的使用時(shí)間，當(dāng)然不同應(yīng)用的功耗有所不同。

(5)可靠。采用碰撞避免機(jī)制。并為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留專用時(shí)隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突。MAC層采用完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制。每個(gè)發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息。

(6)成本低。由于數(shù)據(jù)傳輸速率低，并且協(xié)議簡(jiǎn)單。降低了成本，另外使用ZigBee協(xié)議可免專利費(fèi)。

(7)時(shí)延短。針對(duì)時(shí)延敏感的應(yīng)用做了優(yōu)化。通信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短。設(shè)備搜索時(shí)延的典型值為30ms.休眠激活時(shí)廷的典型值是15ms?；顒?dòng)設(shè)備信道接入時(shí)延為15ms。(8)網(wǎng)絡(luò)容量大。一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)可容納多達(dá)254個(gè)從設(shè)備和一個(gè)主設(shè)備，一個(gè)區(qū)域內(nèi)可同時(shí)布置多達(dá)100個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)。

(9)安全。ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和認(rèn)證功能。加密算法采用AES-128，應(yīng)用層安全屬性可根據(jù)需求來配置。

第五篇：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜述(網(wǎng)安).

2008.2 80 網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)與應(yīng)用 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜述 唐啟濤

陶滔

南華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院

湖南

421001 摘要:本文介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念、特點(diǎn)、通信結(jié)構(gòu)及其安全需求,并對(duì)其應(yīng)用過程中可能遇到的攻擊方式和相 應(yīng)的抵御方法做了簡(jiǎn)單介紹。指出了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)今后的研究方向及最新研究動(dòng)態(tài)。

關(guān)鍵詞:無線傳感器網(wǎng)絡(luò);網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧;傳感器節(jié)點(diǎn);多跳路由 0

引言

近年來隨著傳感器、計(jì)算機(jī)、無線通信及微機(jī)電等技術(shù) 的發(fā)展和相互融合,產(chǎn)生了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN, wireless sensor networks。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與當(dāng)今主流無線網(wǎng)絡(luò) 技術(shù)使用同一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)——802.15.14, 它是一種新型的信息獲 取和處理技術(shù)。無線傳感網(wǎng)絡(luò)綜合了嵌入式計(jì)算技術(shù)、傳感 器技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)以及通信技術(shù),能夠協(xié)作地實(shí)時(shí) 監(jiān)測(cè)、感知和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的不同監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息。它的應(yīng)用極其廣泛, 當(dāng)前主要應(yīng)用于國(guó)防軍事、智能建筑、國(guó) 家安全、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療衛(wèi)生、家庭等方面。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)(WSNS, wireless sensor networks system通常由傳感器節(jié)點(diǎn)、聚節(jié)點(diǎn)和管理節(jié)點(diǎn)組成。它的結(jié) 構(gòu)圖如圖1。傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)將所監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)沿著其他傳感器 節(jié)點(diǎn)逐跳地進(jìn)行傳輸, 經(jīng)過多跳路由, 然后到達(dá)匯聚節(jié)點(diǎn), 最 后通過衛(wèi)星或者互聯(lián)網(wǎng)到達(dá)管理節(jié)點(diǎn), 然后, 用戶1通過管理 節(jié)點(diǎn)對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理, 發(fā)布監(jiān)測(cè)任務(wù)及收集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)融合、任務(wù)的 協(xié)同控制等。

圖

1無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 1

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)

目前常見的無線網(wǎng)絡(luò)包括移動(dòng)通信網(wǎng)、Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)、無 線局域網(wǎng)、藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)等,與這些網(wǎng)絡(luò)相比,無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 具有以下特征:(1硬件資源有限

由于受到價(jià)格、硬件體積、功耗等的限制,WSN 節(jié)點(diǎn)的 信號(hào)處理能力、計(jì)算能力有限,在程序空間和內(nèi)存空間上與 普通的計(jì)算機(jī)相比較,其功能更弱。

(2電源容量有限

由于受到硬件條件的限制,網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通常由電池供電, 電池能量有限。同時(shí),無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通常被放置在惡劣 環(huán)境或者無人區(qū)域,使用過程中,不能及時(shí)給電池充電或更 換電池。

(3無中心

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中沒有嚴(yán)格的中心節(jié)點(diǎn),所有節(jié)點(diǎn)地位平等,是一個(gè)對(duì)等式網(wǎng)絡(luò)。每一個(gè)節(jié)點(diǎn)僅知道自己鄰近節(jié)點(diǎn) 的位置及相應(yīng)標(biāo)識(shí),無線傳感器網(wǎng)絡(luò)利用相鄰節(jié)點(diǎn)之間的相 互協(xié)作來進(jìn)行信號(hào)處理和通信,它具有很強(qiáng)的協(xié)作性。

(4自組織

網(wǎng)絡(luò)的布設(shè)和展開不需要依賴于任何預(yù)設(shè)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備, 節(jié)點(diǎn)通過分層協(xié)議和分布式算法協(xié)調(diào)各自的監(jiān)控行為,節(jié)點(diǎn) 開機(jī)后就可以快速、自動(dòng)地組成一個(gè)獨(dú)立的無線網(wǎng)絡(luò)。

(5多跳路由

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中,節(jié)點(diǎn)只能同它的鄰居直接通信。如果想與其射頻覆蓋范圍之外的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,則需要 通過中間網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行路由。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的多跳路由 是由普通網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)來完成的,沒有專門的路由設(shè)備。

(6動(dòng)態(tài)拓?fù)?/p>

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò),節(jié)點(diǎn)能夠隨處移 動(dòng);一個(gè)節(jié)點(diǎn)可能會(huì)因?yàn)殡姵啬芰坑猛昊蚱渌收显?退 出網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行;一個(gè)節(jié)點(diǎn)也可能由于某種需要而被添加到當(dāng)前 網(wǎng)絡(luò)中。這些都會(huì)使網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化,因此無線傳

感器網(wǎng)絡(luò)具有動(dòng)態(tài)拓?fù)浣M織功能。(7節(jié)點(diǎn)數(shù)量多,分布密集

為了對(duì)一個(gè)區(qū)域執(zhí)行監(jiān)測(cè),往往需要很多的傳感器節(jié)點(diǎn) 被放置到該區(qū)域。傳感器節(jié)點(diǎn)分布非常密集,通常利用節(jié)點(diǎn) 之間高度連接性來保證系統(tǒng)的抗毀性和容錯(cuò)性。

2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧由以下五部分組成:物理層、數(shù) 據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、應(yīng)用層,與互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議棧的五 層協(xié)議相對(duì)應(yīng),其結(jié)構(gòu)如圖

2。

作者簡(jiǎn)介:唐啟濤(1982-,男,南華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2006級(jí)碩士研究生,研究方向:計(jì)算機(jī)網(wǎng)

絡(luò)與信安全。陶滔(1969-,男,網(wǎng)絡(luò)教研室主任、副教授,碩士生導(dǎo)師,研究方向:計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全。2008.2

網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)與應(yīng)用 圖

2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧 2.1物理層

物理層主要負(fù)責(zé)感知數(shù)據(jù)的收集,并對(duì)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行 采樣、信號(hào)的發(fā)送和接收、信號(hào)的調(diào)制解調(diào)等任務(wù)。在物理 層中的主要安全問題是建立有效的數(shù)據(jù)加密機(jī)制。由于對(duì)稱 加密算法的局限性,它不能在 WSN 中很好的發(fā)揮作用,因而 如何使用高效的公鑰算法是 W S N 有待解決的問題。

2.數(shù)據(jù)鏈路層

數(shù)據(jù)鏈路層主要負(fù)責(zé)媒體接入控制和建立網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間 可靠通信鏈路,為鄰居節(jié)點(diǎn)提供可靠的通信通道,主要由介 質(zhì)訪問控制層組成。介質(zhì)訪問控制層使用載波監(jiān)聽方式來與 鄰節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)使用信道,一旦發(fā)生信道沖突,節(jié)點(diǎn)使用相應(yīng)的 算法來確定重新傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)機(jī)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的介質(zhì)訪 問控制協(xié)議通常采用基于預(yù)先規(guī)劃的機(jī)制來保護(hù)節(jié)點(diǎn)的能量。

2.3網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層的主要任務(wù)是發(fā)現(xiàn)和維護(hù)路由。正常情況下,無 線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的大量傳感器節(jié)點(diǎn)分布在一個(gè)區(qū)域里,消息 可能需要經(jīng)過多個(gè)節(jié)點(diǎn)才能到達(dá)目的地,且由于傳感器網(wǎng)絡(luò) 的動(dòng)態(tài)性,使得每個(gè)節(jié)點(diǎn)都需要具有路由的功能。節(jié)點(diǎn)一般 采用多跳路由連接信源和信宿。

2.4傳輸層

由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件限制,節(jié)點(diǎn)無法維持端到 端連接的大量信息傳輸,而且節(jié)點(diǎn)發(fā)送應(yīng)答消息也會(huì)消耗大量 能量,因而,目前還沒有成熟的關(guān)于傳感器節(jié)點(diǎn)上的傳輸層 協(xié)議的研究。匯聚節(jié)點(diǎn)只是傳感器網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)的接口。

2.5應(yīng)用層

應(yīng)用層主要負(fù)責(zé)為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)提供安全支持,即實(shí) 現(xiàn)密鑰管理和安全組播。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用十分廣泛, 其中一些重要的應(yīng)用領(lǐng)域有:軍事方面,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可 以布置在敵方的陣地上,用來收集敵方一些重要目標(biāo)信息, 并跟蹤敵方的軍事動(dòng)向:環(huán)境檢測(cè)方面,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能 夠用來檢測(cè)空氣的質(zhì)量,并跟蹤污染源;民用方面,無線傳 感器網(wǎng)絡(luò)也可用來構(gòu)建智能家居和個(gè)人健康等系統(tǒng)。

3安全性需求

基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特殊性,形成了與其他網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)不 同的網(wǎng)絡(luò)安全特性, 并能直接應(yīng)用到實(shí)際的無線傳感網(wǎng)絡(luò)中。歸納為以下幾個(gè)方面: 3.1魯棒性

傳感器網(wǎng)絡(luò)一般被放置在惡劣環(huán)境、無人區(qū)域或敵方陣 地中,環(huán)境條件、現(xiàn)實(shí)威脅和當(dāng)前任務(wù)具有不確定性,它需 要設(shè)計(jì)具有抵抗節(jié)點(diǎn)故障的機(jī)制。一種常用方法是部署大量 節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議應(yīng)該具有識(shí)別發(fā)生故障的相鄰節(jié)點(diǎn)的能力, 并根據(jù)更新的拓?fù)溥M(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)。

3.2擴(kuò)展性

WSN 節(jié)點(diǎn)會(huì)隨著環(huán)境條件的變化或惡意攻擊或任務(wù)的變 化而發(fā)生變化,從而影響傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)。同時(shí),節(jié)點(diǎn)的 加入或失效也會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不斷變化,路由組網(wǎng)協(xié) 議和 W S N S 必須適應(yīng) W S N 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化的特點(diǎn)。

3.3機(jī)密性

傳感器網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)傳輸過程中,應(yīng)該保證不泄露任何敏 感信息。應(yīng)用中,通過密鑰管理協(xié)議建立的秘密密鑰和其他 的機(jī)密信息,必須保證只對(duì)授權(quán)用戶公開。同時(shí),也應(yīng)將因 密鑰泄露造成的影響盡可能控制在一個(gè)較小范圍,不影響整 個(gè)網(wǎng)絡(luò)的安全。解決數(shù)據(jù)機(jī)密性的常用方法是使用會(huì)話密鑰 來加密待傳遞的消息。

3.4數(shù)據(jù)認(rèn)證

由于敵方能夠很容易侵入信息, 接收方從安全角度考慮, 有必要確定數(shù)據(jù)的正確來源。數(shù)據(jù)認(rèn)證可以分為兩種,即兩 部分單一通信和廣播通信。

3.5數(shù)據(jù)完整性

在網(wǎng)絡(luò)通信中,數(shù)據(jù)的完整性用來確保數(shù)據(jù)在傳輸過程 中不被敵方所修改,可以檢查接收數(shù)據(jù)是否被篡改。根據(jù)不 同的數(shù)據(jù)種類,數(shù)據(jù)完整性可分為三類:選域完整性、無連 接完整性和連接完整性業(yè)務(wù)。

3.6

數(shù)據(jù)更新

表示數(shù)據(jù)是最新的,是沒有被敵手侵入過的舊信息。網(wǎng)絡(luò) 中有弱更新和強(qiáng)更新兩種類型的更新。弱更新用于提供局部 信息排序,它不支持延時(shí)消息;強(qiáng)更新要求提供完整的次序, 并且允許延時(shí)估計(jì)。

3.7

可用性

它要求 WSN 能夠按預(yù)先設(shè)定的工作方式向合法的系統(tǒng)用 戶提供信息訪問服務(wù),然而,攻擊者可以通過信號(hào)干擾、偽 造或者復(fù)制等方式使傳感器網(wǎng)絡(luò)處于部分或全部癱瘓狀態(tài), 從而破壞系統(tǒng)的可用性。

3.8

訪問控制

W S N 不能通過設(shè)置防火墻進(jìn)行訪問過濾;由于硬件受 限, 也不能采用非對(duì)稱加密體制的數(shù)字簽名和公鑰證書機(jī)制。WSN 必須建立一套符合自身特點(diǎn)的、綜合考慮性能、效率和 安全性的訪問控制機(jī)制。

4攻擊方式及采取的相應(yīng)措施

無線傳感網(wǎng)絡(luò)可能遭遇多種攻擊。攻擊者可以直接從物

2008.2 82 網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)與應(yīng)用 理上將其破壞。另一方面,攻擊者可以通過操縱數(shù)據(jù)或路由 協(xié)議報(bào)文,在更大范圍內(nèi)對(duì)無線傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行破壞。具體的 攻擊類別如下: 4.1欺騙、篡改或重發(fā)路由信息

攻擊者通過向 WSN 中注入大量欺騙路由報(bào)文,或者截取 并篡改路由報(bào)文,把自己偽裝成發(fā)送路由請(qǐng)求的基站節(jié)點(diǎn), 使全網(wǎng)范圍內(nèi)的報(bào)文傳輸被吸引到某一區(qū)域內(nèi),致使各傳感 器節(jié)點(diǎn)之間能效失衡。對(duì)于這種攻擊方式的攻擊,通常采用 數(shù)據(jù)加密技術(shù)抵御。

4.2選擇轉(zhuǎn)發(fā)攻擊

攻擊者在俘獲傳感器節(jié)點(diǎn)后,丟棄需要轉(zhuǎn)發(fā)的報(bào)文。為 了避免識(shí)破攻擊點(diǎn),通常情況下,攻擊者只選擇丟棄一部分 應(yīng)轉(zhuǎn)發(fā)的報(bào)文,從而迷惑鄰居傳感節(jié)點(diǎn)。通常采用多路徑路 由選擇方法抵御選擇性轉(zhuǎn)發(fā)攻擊。

4.3DoS拒絕服務(wù)攻擊

攻擊者通過以不同的身份連續(xù)向某一鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送路由 或數(shù)據(jù)請(qǐng)求報(bào)文,使該鄰居節(jié)點(diǎn)不停的分配資源以維持一個(gè) 新的連接。對(duì)于這種攻擊方式,可以采用驗(yàn)證廣播和泛洪予 以抵御。

4.4污水池攻擊

攻擊點(diǎn)在基站和攻擊點(diǎn)之間形成單跳路由或是比其他節(jié) 點(diǎn)更快到達(dá)基站的路由,以此吸引附近的傳感器以其為父節(jié) 點(diǎn)向基站轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。污水池攻擊“調(diào)度”了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)報(bào)文的 傳輸流向,破壞了網(wǎng)絡(luò)負(fù)載平衡。可以采用基于地理位置的 路由選擇協(xié)議抵御污水池攻擊。

4.5告知收到欺騙攻擊

當(dāng)攻擊點(diǎn)偵聽到某個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)處于將失效狀態(tài)時(shí),冒充 該鄰居節(jié)點(diǎn)向源節(jié)點(diǎn)反饋一個(gè)信息報(bào)文, 告知數(shù)據(jù)已被接受。使發(fā)往該鄰居節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)報(bào)文相當(dāng)于進(jìn)了“黑洞”?？梢哉{(diào)控 全球知識(shí)以抵御告知收到欺騙。

4.6

女巫攻擊

攻擊點(diǎn)偽裝成具有多個(gè)身份標(biāo)識(shí)的節(jié)點(diǎn)。當(dāng)通過該節(jié)點(diǎn) 的一條路由破壞時(shí),網(wǎng)絡(luò)會(huì)選擇另一條完全不同的路由,由 于該節(jié)點(diǎn)的多重身份,該路由可能又通過了該攻擊點(diǎn)。它降 低了多經(jīng)選路的效果。針對(duì)這種攻擊方式,可以采用鑒別技 術(shù)抵御。

5今后的研究方向

目前,有關(guān)傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究還處于初步階段,由于無 線傳感網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)和模型沒有形成最后的標(biāo)準(zhǔn),無線傳 感器網(wǎng)絡(luò)安全研究方面還面臨著許多不確定的因素,對(duì)于 W S N 而言,仍然存在著如下有待進(jìn)一步研究的問題。

5.1安全的異常檢測(cè)和節(jié)點(diǎn)廢除

在傳感器網(wǎng)絡(luò)中,由于被盜用節(jié)點(diǎn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)非常有害,因 而希望能即時(shí)檢測(cè)和廢除被盜用節(jié)點(diǎn)。Chan 提出使用分布式

投票系統(tǒng)來解決這個(gè)問題。5.2

安全路由

安全的路由協(xié)議應(yīng)允許在有不利活動(dòng)的情況下,繼續(xù)保 持網(wǎng)絡(luò)的正常通信。傳感器網(wǎng)絡(luò)中的許多類型的攻擊方式的 抵御可以通過提高路由的安全設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)。如何設(shè)計(jì)一種高 效、安全的路由有待進(jìn)一步的研究。

5.有效的加密原語

Perrig 提出了 SPINS 協(xié)議族, 通過該協(xié)議, 使用有效的 塊加密,對(duì)于不同塊進(jìn)行不同的加密操作。Karlof

設(shè)計(jì)了 TinySec,在效率與安全性之間折中。在密鑰建立和數(shù)字簽名 時(shí),如何使用有效的非對(duì)稱加密機(jī)制,是一個(gè)值得進(jìn)一步研 究的方向。

5.4入侵檢測(cè)問題

在數(shù)據(jù)認(rèn)證和源認(rèn)證之前,有必要設(shè)計(jì)相應(yīng)的方案來確 認(rèn)通信方是不是惡意節(jié)點(diǎn)。目前有些無線傳感網(wǎng)絡(luò)都是假設(shè) 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)具有全網(wǎng)惟一標(biāo)識(shí),這其實(shí)是不符合現(xiàn)實(shí)的。

5.5傳感器安全方案和技術(shù)方案的有機(jī)結(jié)合

根據(jù) W S N 的特點(diǎn),其安全解決方案不能設(shè)計(jì)得過于復(fù) 雜,并盡可能的避免使用公鑰算法。如何在不明顯增加網(wǎng)絡(luò) 開銷的情況下,使性能和效率達(dá)到最佳,并設(shè)計(jì)出相應(yīng)的協(xié) 議和算法有待于進(jìn)一步的研究。

5.6

管理和維護(hù)節(jié)點(diǎn)的密鑰數(shù)據(jù)庫

在傳感器網(wǎng)絡(luò)中,每個(gè)節(jié)點(diǎn)需要維護(hù)和保持一個(gè)密鑰數(shù)據(jù) 庫。在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)能力有限的情況下, 如何保證密鑰建立、撤 消和更新等階段動(dòng)態(tài)地維護(hù)和管理數(shù)據(jù)庫需要進(jìn)一步的研究。

6總結(jié)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在軍事和民用領(lǐng)域都有著廣泛的潛在用 途,是當(dāng)前技術(shù)研究的熱點(diǎn)。本文從無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)、無線傳感網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議棧、安全需求、可能受到的安全攻擊及 相應(yīng)的防御方法及今后有待進(jìn)一步研究的問題等方面對(duì)目前 國(guó)內(nèi)外開展的研究進(jìn)行了較為系統(tǒng)的總結(jié),有助于了解當(dāng)前無 線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究進(jìn)展及現(xiàn)狀。

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