第一篇：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實驗報告

桂林電子科技大學(xué)

實驗報告

2015 5--2016 6 學(xué)年第 一 學(xué)期

開 課 單 位

海洋信息工程學(xué)院

適用年級、專業(yè)

課 程 名 稱

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

主 講 教 師

王曉瑩

課 程 序 號

1510344

課 程 代 碼

BS1620009X0

實 驗 名 稱

ns2 實驗環(huán)境配置及應(yīng)用

實 驗 學(xué) 時學(xué)時

學(xué)

號

姓

名

一、

實驗?zāi)康?)掌握虛擬機(jī)的安裝方法。

2)熟悉 Ubuntu 系統(tǒng)的基本操作方法。

3)掌握 ns2 環(huán)境配置。

4)掌握 tcl 語言的基本語句及編程規(guī)則。

5)了解使用 ns2 進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)仿真的過程。

二、

實驗環(huán)境

1)系統(tǒng)：Windows 10 專業(yè)版 64 位 2)內(nèi)存：8G 3)軟件：VMware Workstation 12 Pro 三、實驗內(nèi)容

((一 一))安裝虛擬機(jī)（簡述安裝步驟）

a)在 VMware 官網(wǎng)（https://#allinone 復(fù)制到根目錄，解壓到當(dāng)前位置 tar xvfz ns-allinone-2.35.tar.gz

在根目錄下打開 ns-allinone-2.35 文件夾，在里面找到 ns-2.35 打開找 linkstate文 件 夾，打 開 里 面 的 ls.h 文 件，將 第 137 行 的 void eraseAll(){ erase(baseMap::begin(), baseMap::end());} 改成 void eraseAll(){ this->erase(baseMap::begin(), baseMap::end());}

運(yùn)行 cd./ns-allinone-2.35 運(yùn)行./install #進(jìn)行安裝

d)設(shè)置環(huán) 境變量：

終端中輸入 cd，返回根目錄，然后

sudo gedit.bashrc 在文件末尾加入：

export PATH=“$PATH:/home/kevin/ns-allinone-2.35/bin:/home/kevin/ns-allinone-2.35/tcl8.5.10/unix:/home/kevin/ns-allinone-2.35/tk8.5.10/unix” export LD_LIBRARY_PATH=“$LD_LIBRARY_PATH:/home/kevin/ns-allinone-2.35ns-allinone-2.35/otcl-1.14:/home/kevin/ns-allinone-2.35/lib” export TCL_LIBRARY=“$TCL_LIBRARY:/home/kevin/ns-allinone-2.35/tcl8.5.10/library” 保存退出

e)驗證 完成后在新終端窗口 輸入 ns 出現(xiàn)%

測試：

ns./ns-allinone-2.35/ns-2.35/tcl/ex/simple.tcl

輸入 exit 退出 ns2

((四 四))l tcl 語言基本使用（舉例說明）

a)創(chuàng)建 test01.tcl 文件，編輯 test01.tcl 文件,在終端輸入 touch test01.tcl #創(chuàng)建文件 gedit test01.tcl #編輯文件 b)在 test01.tcl 中輸入“九九乘法表”TCL 語言

c)運(yùn)行 test01.tcl，結(jié)果如圖：

((五 五))網(wǎng)絡(luò)仿真（可以選示例，也可以自己參考資料設(shè)計仿真）

((六 六))遇到的問題及解決方法

1.Ns2 驗證：安裝完成后在新終端窗口 輸入 ns 不出現(xiàn) %

使用 sudo apt-get install ns2 安裝后新窗口輸入 ns 出現(xiàn) %

2.TCL 語言測試：找不到 tk.tcl

ns./ns-allinone-2.35/ns-2.35/tcl/ex/simple.tcl 提示找不到 tk.tcl，因為沒安裝 nam，輸入命令 sudo apt-get install nam 安裝成功，再驗證就可以了。

四、

實驗總結(jié)

通過本次實驗，熟悉掌握了虛擬機(jī) VMware Workstation Pro 的安裝與系統(tǒng)創(chuàng)建安裝使用，熟悉掌握 Ubuntu 系統(tǒng)的基本命令操作，掌握 ns2 環(huán)境配置，掌握 tcl 語言的基本語句及編程規(guī)則，了解但還尚未能掌握使用 ns2進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)仿真的操作。相信之后通過理論與實踐更深的了解熟悉網(wǎng)絡(luò)仿真的知識與操作。

第二篇：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實驗感想

無線傳感實驗感想

本次實驗我們進(jìn)行的是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合實驗。在實驗中，我們小組成員學(xué)習(xí)了無線傳輸?shù)幕驹?，合作完成實驗系統(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)自動化以及智能家居等。無線傳感的使用使傳感器和自動化技術(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。

我們平時的實驗課更多注重對理論的驗證，但是沒有創(chuàng)新性和自主研發(fā)性，雖然這次的實驗我們大部分也是照著實驗說明書進(jìn)行連接、燒錄程序、演示等，但是此次的實驗增加了我對電子設(shè)計的濃厚興趣。只要有興趣，我相信化興趣為動力，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)然實驗中還有注重團(tuán)隊的協(xié)作，我們分工明確，合作愉快，因此更快、更好地完成了實驗?，F(xiàn)在的項目工程，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)隊意識，我們想要進(jìn)入好的企業(yè)，對這塊不能等閑視之，必須加以重視。

最后，通過這次的傳感器技術(shù)實驗我不但對理論知識有了更加深的理解，對于實際的操作和也有了質(zhì)的飛躍。經(jīng)過這次的實驗，我們整體對各個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)更多類似的實驗，能夠讓我們得到更好的鍛煉。

第三篇：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、處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)感知對象的監(jiān)測信息,并報告給用戶。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)的終端探測結(jié)點由哪些部分組成?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）、計算模塊、通信模塊、存儲模塊電源模塊和嵌入式軟件系統(tǒng)

(2)傳感模塊負(fù)責(zé)探測目標(biāo)的物理特征和現(xiàn)象，計算模塊負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)和系統(tǒng)管理，存儲模塊負(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)點供電，結(jié)點由嵌入式軟件系統(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：主要是對傳感器結(jié)點自身的管理和用戶對傳感器網(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、移動管理、網(wǎng)絡(luò)管理等。

(3)應(yīng)用支撐平臺：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。

（1）根據(jù)結(jié)點數(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)比較簡單，所有結(jié)點的地位平等，所以又可以稱為對等式結(jié)構(gòu)。優(yōu)點：源結(jié)點和目的結(jié)點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：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整個系統(tǒng)宏觀上會損耗巨大能量。③可擴(kuò)充性差，需要大量控制消息。分級結(jié)構(gòu)：

特征：傳感器網(wǎng)絡(luò)被劃分為多個簇，每個簇由一個簇頭和多個簇成員組成。這些簇頭形成了高一級的網(wǎng)絡(luò)。簇頭結(jié)點負(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：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簇頭可以隨時選舉產(chǎn)生，具有很強(qiáng)的抗毀性。

缺點：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.測量對象與環(huán)境：分析被測量的特點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)信號的特點選擇相應(yīng)的傳感器響應(yīng)頻率，以及延時短的傳感器。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，相對便宜的傳感器。2-17.簡述磁阻傳感器探測運(yùn)動車輛的原理。

磁阻傳感器在探測磁場的通知探測獲得車輪速度、磁跡、車輛出現(xiàn)和運(yùn)動方向等。使用磁性傳感器探測方向、角度或電流值，可以間接測定這些數(shù)值。因為這些屬性變量必須對相應(yīng)的磁場產(chǎn)生變化，一旦磁傳感器檢測出場強(qiáng)變化，則采用一些信號處理辦法，將傳感器信號轉(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，使其隨著基帶信號幅度的變化而變化。

解調(diào)是將基帶信號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的類型?？梢詫⒄{(diào)制分為模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制。

根據(jù)原始信號所控制參量的不同，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? 時分復(fù)用無競爭接入方式、隨機(jī)競爭接入方式、競爭與固定分配相結(jié)合的接入方式。3-7.設(shè)計基于競爭的MAC協(xié)議的基本思想是什么？

當(dāng)結(jié)點需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，通過競爭方式使用無線信道。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)退避時間的計算方法。

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)議的主要特點和實現(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)計目標(biāo)是提供良好的擴(kuò)展性，減少結(jié)點能耗。

（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.簡述路由選擇的主要功能。

（1）尋找源結(jié)點和目的結(jié)點間的優(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。（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)點的精確或大致地理位置的問題中，把結(jié)點的位置信息作為路由選擇的依據(jù)，從而完成結(jié)點的路由選擇功能，并且降低維護(hù)路由協(xié)議的能耗?？煽康穆酚蓞f(xié)議：應(yīng)用在對可靠性和實時性等方面有特別要求的問題中。3-15.如何設(shè)計傳感器網(wǎng)絡(luò)的定向擴(kuò)散路由協(xié)議? 4-2.傳感器網(wǎng)絡(luò)常見的時間同步機(jī)制有哪些? RBS、Ting/Mini-Sync、TPSN 4-3.簡述TPSN時間同步協(xié)議的設(shè)計過程。

TPSN時間同步協(xié)議采用層次結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)整個網(wǎng)絡(luò)結(jié)點的時間同步。所有結(jié)點按照層次結(jié)構(gòu)進(jìn)行邏輯分級。表示結(jié)點到根結(jié)點的距離，通過基于發(fā)送者-接收者的結(jié)點對方式。每個結(jié)點與上一級的一個結(jié)點進(jìn)行同步。從而最終所有結(jié)點都與根結(jié)點實現(xiàn)時間同步。TPSN協(xié)議包括兩個階段: 第一個階段生成層次結(jié)構(gòu)，每個結(jié)點賦予一個級別。根結(jié)點賦予最高級別第0級。第i 級的結(jié)點至少能夠與一個第(i-1)級的結(jié)點通信;第二個階段實現(xiàn)所有樹結(jié)點的時間同步。第1級結(jié)點同步到根結(jié)點。第i級的結(jié)點同步到第(i-1)級的一個結(jié)點，最終所有結(jié)點都同步到根結(jié)點，實現(xiàn)整個網(wǎng)絡(luò)的時間同步。

4-6.簡述以下概念術(shù)語的含義:錨點、測距、連接度、到達(dá)時間差、接收信號強(qiáng)度指示、視線關(guān)系。

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

連接度：包括結(jié)點連接度和網(wǎng)絡(luò)連接度兩種含義。結(jié)點連接度是指結(jié)點可探測發(fā)現(xiàn)的鄰居結(jié)點個數(shù)。網(wǎng)絡(luò)連接度是所有結(jié)點的鄰結(jié)點數(shù)目的平均值，它反映了傳感器配置的密集程度。

到達(dá)時間差：兩種不同傳播速度的信號從一個結(jié)點傳播到另一個結(jié)點所需要的時間之差。接收信號強(qiáng)度指示：結(jié)點接收到無線信號的強(qiáng)度大小。

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

4-10.簡述ToA測距的原理。

4-11.舉例說明TDoA的測距過程。

4-12.舉例說明AoA測角的過程。

4-13.試描述傳感器網(wǎng)絡(luò)多邊定位法的原理。

4-14.簡述Min-max定位方法的原理。

4-15.簡述質(zhì)心定位算法的原理及其特點。

★4-16.舉例說明DV-Hop算法的定位實現(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、完整的估計或判斷。

（2）①節(jié)省整個網(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)融合操作的級別進(jìn)行分類：數(shù)據(jù)級融合、特征級融合、決策級融合 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、貝葉斯估計法、D-S證據(jù)推理法、統(tǒng)計決策理論、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?（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.簡述節(jié)能策略休眠機(jī)制的實現(xiàn)思想。

當(dāng)結(jié)點周圍沒有感興趣的事件發(fā)生時，計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)制對于延長傳感器結(jié)點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)生時延。所以狀態(tài)轉(zhuǎn)換策略對于休眠機(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，反而會導(dǎo)致能耗的增加。

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

傳感器結(jié)點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)?？臻e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.動態(tài)電源管理的工作原理是什么? 當(dāng)結(jié)點周圍沒有感興趣的事件發(fā)生時，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)點的安全保證、被動抵御入侵的能力、主動反擊入侵的能力。4-26.什么是傳感器網(wǎng)絡(luò)的信息安全?

4-27.簡述在傳感器網(wǎng)絡(luò)中實施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兩個安全協(xié)議。SNEP協(xié)議提供點到點通信認(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)議則提供對廣播消息的數(shù)據(jù)認(rèn)證服務(wù)。6-3.低速無線個域網(wǎng)具有哪些特點? 低速無線個域網(wǎng)是一種結(jié)構(gòu)簡單、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)為低速無線個域網(wǎng)制定了物理層和MAC子層協(xié)議。6-7.簡述ZigBee的技術(shù)特點

(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)，均為無需申請的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號電池支持長達(dá)6個月至2年左右的使用時間，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)留專用時隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突。MAC層采用完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制。每個發(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)議簡單。降低了成本，另外使用ZigBee協(xié)議可免專利費。

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

第四篇：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、通信結(jié)構(gòu)及其安全需求,并對其應(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;多跳路由 0

引言

近年來隨著傳感器、計算機(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)作地實時 監(jiān)測、感知和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的不同監(jiān)測對象的信息。它的應(yīng)用極其廣泛, 當(dāng)前主要應(yīng)用于國防軍事、智能建筑、國 家安全、環(huán)境監(jiān)測、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、聚節(jié)點和管理節(jié)點組成。它的結(jié) 構(gòu)圖如圖1。傳感器節(jié)點負(fù)責(zé)將所監(jiān)測的數(shù)據(jù)沿著其他傳感器 節(jié)點逐跳地進(jìn)行傳輸, 經(jīng)過多跳路由, 然后到達(dá)匯聚節(jié)點, 最 后通過衛(wèi)星或者互聯(lián)網(wǎng)到達(dá)管理節(jié)點, 然后, 用戶1通過管理 節(jié)點對傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理, 發(fā)布監(jiān)測任務(wù)及收集監(jiān)測數(shù)據(jù)。通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以實現(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

目前常見的無線網(wǎng)絡(luò)包括移動通信網(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

由于受到價格、硬件體積、功耗等的限制,WSN 節(jié)點的 信號處理能力、計算能力有限,在程序空間和內(nèi)存空間上與 普通的計算機(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)點通常由電池供電, 電池能量有限。同時,無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通常被放置在惡劣 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,所有節(jié)點地位平等,是一個對等式網(wǎng)絡(luò)。每一個節(jié)點僅知道自己鄰近節(jié)點 的位置及相應(yīng)標(biāo)識,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)利用相鄰節(jié)點之間的相 互協(xié)作來進(jìn)行信號處理和通信,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 開機(jī)后就可以快速、自動地組成一個獨立的無線網(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)點進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,則需要 通過中間網(wǎng)絡(luò)節(jié)點進(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)點來完成的,沒有專門的路由設(shè)備。

(6動態(tài)拓?fù)?/p>

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個動態(tài)的網(wǎng)絡(luò),節(jié)點能夠隨處移 動;一個節(jié)點可能會因為電池能量用完或其他故障原因,退 出網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行;一個節(jié)點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)具有動態(tài)拓?fù)浣M織功能。(7節(jié)點數(shù)量多,分布密集

為了對一個區(qū)域執(zhí)行監(jiān)測,往往需要很多的傳感器節(jié)點 被放置到該區(qū)域。傳感器節(jié)點分布非常密集,通常利用節(jié)點 之間高度連接性來保證系統(tǒng)的抗毀性和容錯性。

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)議相對應(yīng),其結(jié)構(gòu)如圖

2。

作者簡介:唐啟濤(1982-,男,南華大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2006級碩士研究生,研究方向:計算機(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,并對收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行 采樣、信號的發(fā)送和接收、信號的調(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)點之間 可靠通信鏈路,為鄰居節(jié)點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)點協(xié)調(diào)使用信道,一旦發(fā)生信道沖突,節(jié)點使用相應(yīng)的 算法來確定重新傳輸數(shù)據(jù)的時機(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)點分布在一個區(qū)域里,消息 可能需要經(jīng)過多個節(jié)點才能到達(dá)目的地,且由于傳感器網(wǎng)絡(luò) 的動態(tài)性,使得每個節(jié)點都需要具有路由的功能。節(jié)點一般 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)點的硬件限制,節(jié)點無法維持端到 端連接的大量信息傳輸,而且節(jié)點發(fā)送應(yīng)答消息也會消耗大量 能量,因而,目前還沒有成熟的關(guān)于傳感器節(jié)點上的傳輸層 協(xié)議的研究。匯聚節(jié)點只是傳感器網(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 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向:環(huán)境檢測方面,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能 夠用來檢測空氣的質(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)用到實際的無線傳感網(wǎng)絡(luò)中。歸納為以下幾個方面: 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)實威脅和當(dāng)前任務(wù)具有不確定性,它需 要設(shè)計具有抵抗節(jié)點故障的機(jī)制。一種常用方法是部署大量 節(jié)點。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議應(yīng)該具有識別發(fā)生故障的相鄰節(jié)點的能力, 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)點會隨著環(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,節(jié)點的 加入或失效也會導(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。

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,必須保證只對授權(quán)用戶公開。同時,也應(yīng)將因 密鑰泄露造成的影響盡可能控制在一個較小范圍,不影響整 個網(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,它不支持延時消息;強(qiáng)更新要求提供完整的次序, 并且允許延時估計。

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)議報文,在更大范圍內(nèi)對無線傳感網(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文,或者截取 并篡改路由報文,把自己偽裝成發(fā)送路由請求的基站節(jié)點, 使全網(wǎng)范圍內(nèi)的報文傳輸被吸引到某一區(qū)域內(nèi),致使各傳感 器節(jié)點之間能效失衡。對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)點后,丟棄需要轉(zhuǎn)發(fā)的報文。為 了避免識破攻擊點,通常情況下,攻擊者只選擇丟棄一部分 應(yīng)轉(zhuǎn)發(fā)的報文,從而迷惑鄰居傳感節(jié)點。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)點發(fā)送路由 或數(shù)據(jù)請求報文,使該鄰居節(jié)點不停的分配資源以維持一個 新的連接。對于這種攻擊方式,可以采用驗證廣播和泛洪予 以抵御。

4.4污水池攻擊

攻擊點在基站和攻擊點之間形成單跳路由或是比其他節(jié) 點更快到達(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)攻擊點偵聽到某個鄰居節(jié)點處于將失效狀態(tài)時,冒充 該鄰居節(jié)點向源節(jié)點反饋一個信息報文, 告知數(shù)據(jù)已被接受。使發(fā)往該鄰居節(jié)點的數(shù)據(jù)報文相當(dāng)于進(jìn)了“黑洞”?？梢哉{(diào)控 全球知識以抵御告知收到欺騙。

4.6

女巫攻擊

攻擊點偽裝成具有多個身份標(biāo)識的節(jié)點。當(dāng)通過該節(jié)點 的一條路由破壞時,網(wǎng)絡(luò)會選擇另一條完全不同的路由,由 于該節(jié)點的多重身份,該路由可能又通過了該攻擊點。它降 低了多經(jīng)選路的效果。針對這種攻擊方式,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安全的異常檢測和節(jié)點廢除

在傳感器網(wǎng)絡(luò)中,由于被盜用節(jié)點對網(wǎng)絡(luò)非常有害,因 而希望能即時檢測和廢除被盜用節(jié)點。Chan 提出使用分布式

投票系統(tǒng)來解決這個問題。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)計來實現(xiàn)。如何設(shè)計一種高 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,對于不同塊進(jìn)行不同的加密操作。Karlof

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

5.4入侵檢測問題

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

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,其安全解決方案不能設(shè)計得過于復(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)點的密鑰數(shù)據(jù)庫

在傳感器網(wǎng)絡(luò)中,每個節(jié)點需要維護(hù)和保持一個密鑰數(shù)據(jù) 庫。在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點存儲能力有限的情況下, 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。本文從無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點、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目前 國內(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。

參考文獻(xiàn)

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第五篇：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)典型路由協(xié)議分類比較

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)典型路由協(xié)議分類比較

常清

摘 要：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是繼因特網(wǎng)之后對人類生活產(chǎn)生重大影響的技術(shù)，它在邏輯上將虛

幻的信息和真實的物理世界聯(lián)系起來。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量無處不在的、具有通信與計 算能力的微小傳感器節(jié)點密集地布設(shè)在無人值守的監(jiān)控區(qū)域而構(gòu)成的能夠根據(jù)環(huán)境自主完 成指定任務(wù)的智能自治測控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。它能為人類生活帶來不可估量的好處，所以，傳感器 網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議的設(shè)計也是對人類的一項挑戰(zhàn)，需要利用節(jié)點有限的能量更好的為人類服 務(wù)。目前已有多種路由協(xié)議，但其分類方式不是很清晰，本文以節(jié)點的傳播方式為出發(fā)點，對幾種典型的路由協(xié)議給予重新分類，并對其進(jìn)行分析，最后選出相對好的類別。

1.引言

隨著微電子技術(shù)、計算技術(shù)和無線通信技術(shù)的進(jìn)步，多功能傳感器快速發(fā)展，進(jìn)而使無 線傳感器網(wǎng)絡(luò)（wireless sensor network, WSN）成為目前研究熱點。WSN 是由部署在檢測區(qū)域內(nèi)的大量廉價微型傳感器節(jié)點組成，形成一個多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，使其在小體積內(nèi)集成信息采集、數(shù)據(jù)處理和無線通信等功能，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對象的信息，并提供給終端用戶。WSN 能夠廣泛應(yīng)用于軍事、環(huán)境檢測和預(yù)報、健康護(hù)理、智能家居、建筑物狀態(tài)監(jiān)控、復(fù)雜機(jī)械監(jiān)控、城市交通、空間探索、大型車間和倉庫管理、以及機(jī)場、大型工業(yè)園區(qū)的安全檢測和其他商業(yè)等領(lǐng)域，且將逐漸深入到人類生活的各個領(lǐng)域。本文首先簡要說明衡量路由協(xié)議的四個標(biāo)準(zhǔn)，然后就WSN 中路由協(xié)議的幾種路由協(xié)議提出新的分類方法并利用標(biāo)準(zhǔn)加以比較。

2.路由協(xié)議的衡量標(biāo)準(zhǔn)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議不同于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議，它具有能量優(yōu)先、基于局部的拓?fù)?信息、以數(shù)據(jù)為中心和應(yīng)用相關(guān)四個特點，因而，根據(jù)具體的應(yīng)用設(shè)計路由機(jī)制時，從四個 方面衡量路由協(xié)議的優(yōu)劣【1】：（1）能量高效

傳統(tǒng)路由協(xié)議在選擇最優(yōu)路徑時，很少考慮節(jié)點的能量問題。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 中節(jié)點的能量有限，傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議不僅要選擇能量消耗小的消息傳輸路徑，更要 能量均衡消耗，實現(xiàn)簡單而且高效的傳輸，盡可能地延長整個網(wǎng)絡(luò)的生存期。（2）可擴(kuò)展性

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用決定了它的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模不是一成不變的，而且很容易造成拓?fù)?結(jié)構(gòu)動態(tài)發(fā)生變化，因而要求路由協(xié)議有可擴(kuò)展性，能夠適應(yīng)結(jié)構(gòu)的變化。具體體現(xiàn)在 傳感器的數(shù)量、網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域、網(wǎng)絡(luò)生命周期、網(wǎng)絡(luò)時間延遲和網(wǎng)絡(luò)感知精度等方面。（3）魯棒性

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，由于環(huán)境和節(jié)點的能量耗盡造成傳感器的失效、通信質(zhì)量的降 低使網(wǎng)絡(luò)變得不可靠，所以在路由協(xié)議的設(shè)計過程中必須考慮軟硬件的高容錯性，保障 網(wǎng)絡(luò)的健壯性。

4）快速收斂性

由于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動態(tài)變化，要求路由協(xié)議能夠快速收斂，以適應(yīng)拓?fù)涞膭討B(tài)變 化，提高帶寬和節(jié)點能量等有限資源的利用率和消息傳輸效率。

3.路由協(xié)議的分類

針對不同傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，研究人員提出了不同的路由協(xié)議，目前已有的分類方式主 要有兩種：按網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以分為平面路由協(xié)議、分級網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議和基于位置路由協(xié)議；按 協(xié)議的應(yīng)用特征可以分為基于多徑路由協(xié)議、基于可靠路由協(xié)議、基于協(xié)商路由協(xié)議、基于 查詢路由協(xié)議、基于位置路由協(xié)議和基于QoS 路由協(xié)議。但這種分類方式太過分散，沒有 整體概念，本文就各個協(xié)議的不同側(cè)重點提出一種新的分類方法，把現(xiàn)有的代表性路由協(xié)議 按節(jié)點的傳播方式劃分為廣播式路由協(xié)議、坐標(biāo)式路由協(xié)議和分簇式路由協(xié)議。下面進(jìn)行詳 細(xì)的介紹和分析。

4.廣播式路由協(xié)議

4.1 擴(kuò)散法（Flooding）

擴(kuò)散法是一種傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信路由協(xié)議。它實現(xiàn)簡單，不需要為保持網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⒑蛯?現(xiàn)復(fù)雜的路由算法消耗計算資源，適用于健壯性要求高的場合。但是，擴(kuò)散發(fā)存在信息爆炸 問題，即能出現(xiàn)一個節(jié)點可能得到數(shù)據(jù)多個副本的情況，而且也會出現(xiàn)部分重疊的現(xiàn)象，此 外，擴(kuò)散法沒有考慮各節(jié)點的能量，無法作出相應(yīng)的自適應(yīng)路由選擇，當(dāng)一個節(jié)點能量耗盡，網(wǎng)絡(luò)就死去。

具體實現(xiàn)：節(jié)點 A 希望發(fā)送數(shù)據(jù)給節(jié)點B，節(jié)點A 首先通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)的副本傳給其 每一個鄰居節(jié)點，每一個鄰居節(jié)點又將其傳給除A 外的其他的鄰居節(jié)點，直到將數(shù)據(jù)傳到B 為止或者為該數(shù)據(jù)設(shè)定的生命期限變?yōu)榱銥橹够蛘咚泄?jié)點擁有此副本為止。

4.2 定向路由擴(kuò)散DD（Directed Diffusion）

C.Intanagonwiwat【2】等人為傳感器網(wǎng)絡(luò)提出一種新的數(shù)據(jù)采集模型，即定向路由擴(kuò)散。它通過泛洪方式廣播興趣消息給所有的傳感器節(jié)點，隨著興趣消息在整個網(wǎng)絡(luò)中傳播，協(xié)議 逐跳地在每個傳感器節(jié)點上建立反向的從數(shù)據(jù)源節(jié)點到基站或者匯聚節(jié)點的傳輸梯度。該協(xié) 議通過將來自不同源節(jié)點的數(shù)據(jù)聚集再重新路由達(dá)到消除冗余和最大程度降低數(shù)據(jù)傳輸量 的目的，因而可以節(jié)約網(wǎng)絡(luò)能量、延長系統(tǒng)生存期。然而，路徑建立時的興趣消息擴(kuò)散要執(zhí) 行一個泛洪廣播操作，時間和能量開銷大。

具體實現(xiàn)：首先是興趣消息擴(kuò)散，每個節(jié)點都在本地保存一個興趣列表，其中專門存在 一個表項用來記錄發(fā)送該興趣消息的鄰居節(jié)點、數(shù)據(jù)發(fā)送速率和時間戳等相關(guān)信息，之后建 立傳輸梯度。數(shù)據(jù)沿著建立好的梯度路徑傳輸。

4.3 謠傳路由（Rumor Routing）

D.Braginsky【3】等人提出的適用于數(shù)據(jù)傳輸量較小的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)高效路由協(xié)議。其 基本思想是時間監(jiān)測區(qū)域的感應(yīng)節(jié)點產(chǎn)生代理消息，代理消息沿著隨機(jī)路徑向鄰居節(jié)點擴(kuò)散 傳播。同時，基站或匯聚節(jié)點發(fā)送的查詢消息也沿著隨機(jī)路徑在網(wǎng)絡(luò)中傳播。當(dāng)查詢消息和 代理消息的傳播路徑交叉在一起時就會形成一條基站或匯聚節(jié)點到時間監(jiān)測區(qū)域的完整路 徑。

具體實現(xiàn)：每個傳感器節(jié)點維護(hù)一個鄰居列表和一個事件列表，當(dāng)傳感器節(jié)點監(jiān)測到一 個事件發(fā)生時，在事件列表中增加一個表項并根據(jù)概率產(chǎn)生一個代理消息，代理消息是一個 包含事件相關(guān)信息的分組，將事件傳給經(jīng)過的節(jié)點，收到代理消息的節(jié)點檢查表項進(jìn)行更新 和增加表項的操作。節(jié)點根據(jù)事件列表到達(dá)事件區(qū)域的路徑，或者節(jié)點隨機(jī)選擇鄰居轉(zhuǎn)發(fā)查 詢消息。

4.4 SPIN（Sensor Protocols for Information via Negotiation）

W.Heinzelman【4】等人提出的一種自適應(yīng)的SPIN 路由協(xié)議。該協(xié)議假定網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié) 點都是Sink 節(jié)點，每一個節(jié)點都有用戶需要的信息，而且相鄰的節(jié)點擁有類似的數(shù)據(jù)，所 以只要發(fā)送其他節(jié)點沒有的數(shù)據(jù)。SPIN 協(xié)議通過協(xié)商完成資源自適應(yīng)算法，即在發(fā)送真正 數(shù)據(jù)之前，通過協(xié)商壓縮重復(fù)的信息，避免了冗余數(shù)據(jù)的發(fā)送；此外，SPIN 協(xié)議有權(quán)訪問

每個節(jié)點的當(dāng)前能量水平，根據(jù)節(jié)點剩余能量水平調(diào)整協(xié)議，所以可以在一定程度上延長網(wǎng) 絡(luò)的生存期。

具體實現(xiàn)：SPIN 采用了3 種數(shù)據(jù)包來通信：ADV 用于新數(shù)據(jù)的廣播，當(dāng)節(jié)點有數(shù)據(jù) 要發(fā)送時，利用該數(shù)據(jù)包向外廣播；REQ 用于請求發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)節(jié)點希望接收數(shù)據(jù)時，發(fā) 送該報文；DATA 包含帶有Meta-data 頭部數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)報文；

當(dāng)一個傳感器節(jié)點在發(fā)送一個 DATA 數(shù)據(jù)包之前，首先向其鄰居節(jié)點廣播式地發(fā)送ADV 數(shù)據(jù)包，如果一個鄰居希望接收該DATA 數(shù)據(jù)包，則像該節(jié)點發(fā)送REQ 數(shù)據(jù)包，接著節(jié)點向其鄰居節(jié)點發(fā)送DATA 數(shù)據(jù)包。

4.5 GEAR（Geographical and Energy Aware Routing）

Y.Yu 等人提出了GEAR 路由協(xié)議，即根據(jù)時間區(qū)域的地址位置，建立基站或者匯聚節(jié) 點到時間區(qū)域的優(yōu)化路徑。把GEAR 劃分為廣播式路由協(xié)議有點牽強(qiáng)，但是由于它是在利 用地理信息的基礎(chǔ)上將數(shù)據(jù)發(fā)送到合適區(qū)域，而且又是基于DD 提出，這里仍然作為廣播式 的一種。具體實現(xiàn)：首先向目標(biāo)區(qū)域傳遞數(shù)據(jù)包，當(dāng)節(jié)點收到數(shù)據(jù)包時，先檢查是否有鄰居比它更接近目標(biāo)區(qū)域。如有就選擇離目標(biāo)區(qū)域最近的節(jié)點作數(shù)據(jù)傳遞的下一跳節(jié)點。如果數(shù)據(jù)包已經(jīng)到達(dá)目標(biāo)區(qū)域，利用遞歸的地理傳遞方式【3】和受限的擴(kuò)散方式發(fā)布該數(shù)據(jù)。

5.坐標(biāo)式路由協(xié)議

5.1 GEM（Graph Embedding）

J.Newsome 和D.Song 提出了建立一個虛擬極坐標(biāo)系統(tǒng)（VPCS, Virtual Polar 的

Coordinate System）GEM 路由協(xié)議，用來代表實際的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。整個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點形成一 個以基站或匯聚節(jié)點為根的帶環(huán)樹（Ringed Tree）。每個節(jié)點用距離樹根的跳數(shù)距離和角度 范圍兩個參數(shù)表示。

具體實現(xiàn)：首先建立虛擬極坐標(biāo)系統(tǒng)，主要有三個階段：由跳數(shù)建立路由并擴(kuò)展到整個 網(wǎng)絡(luò)形成生成樹型結(jié)構(gòu)，再從葉節(jié)點開始反饋子樹的大小，即樹中包含的節(jié)點數(shù)目，最后確 定每個子節(jié)點的虛擬角度范圍。建立好系統(tǒng)之后，利用虛擬極坐標(biāo)算法發(fā)送消息，即節(jié)點收 到消息檢查是否在自己的角度范圍內(nèi)，不在就向父節(jié)點傳遞，直到消息到達(dá)包含目的位置角 度的節(jié)點。另外，當(dāng)實際網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化時，需要及時更新，比如節(jié)點加入和節(jié)點失效

5.2 GRWLI（Geographic Routing Without Location Information）

A.Rao【3】等人提出了建立全局坐標(biāo)系的路由協(xié)議，其前提是需要少數(shù)節(jié)點精確位置信 息。首先確定節(jié)點在坐標(biāo)系中的位置，根據(jù)位置進(jìn)行數(shù)據(jù)路由。關(guān)鍵是利用某些知道自己位 置信息的信標(biāo)節(jié)點確定全局坐標(biāo)系及其他節(jié)點在坐標(biāo)系中的位置。

具體實現(xiàn)：A.Rao 等人提出了3 中策略確定信標(biāo)節(jié)點。一是確定邊界節(jié)點都為信標(biāo)節(jié) 點，則非邊界節(jié)點通過邊界節(jié)點確定自己的位置信息。在平面情況下，節(jié)點通過鄰居節(jié)點位 置的平均值計算。二是使用兩個信標(biāo)節(jié)點，則邊界節(jié)點只知道自己處于網(wǎng)絡(luò)邊界不知道自己 的精確位置消息。引入兩個信標(biāo)節(jié)點，并通過邊界節(jié)點交換信息建立全局坐標(biāo)系。三是使用 一個信標(biāo)節(jié)點，到信標(biāo)節(jié)點最大的節(jié)點標(biāo)記自己為邊界節(jié)點。

6.分簇式路由協(xié)議

6.1 LEACH（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy）

MIT 的Chandrakasan【5】等人為無線傳感器設(shè)計的一種分簇路由算法，其基本思想是以 循環(huán)的方式隨機(jī)選擇簇首節(jié)點，平均分配整個網(wǎng)絡(luò)的能量到每個傳感器節(jié)點，從而可以降低 網(wǎng)絡(luò)能源消耗，延長網(wǎng)絡(luò)生存時間。簇首的產(chǎn)生是簇形成的基礎(chǔ)，簇首的選取一般基于節(jié)點 的剩余能量、簇首到基站或匯聚節(jié)點的距離、簇首的位置和簇內(nèi)的通信代價。簇首的產(chǎn)生算

法可以被分為分布式和集中式兩種【6】，這里不予介紹。

具體實現(xiàn)：LEACH 不斷地循環(huán)執(zhí)行簇的重構(gòu)過程，可以分為兩個階段：一是簇的建立，即包括簇首節(jié)點的選擇、簇首節(jié)點的廣播、簇首節(jié)點的建立和調(diào)度機(jī)制的生成。二是傳輸數(shù) 據(jù)的穩(wěn)定階段。每個節(jié)點隨機(jī)選一個值，小于某閾值的節(jié)點就成為簇首節(jié)點，之后廣播告知 整個網(wǎng)絡(luò)，完成簇的建立。在穩(wěn)定階段中，節(jié)點將采集的數(shù)據(jù)送到簇首節(jié)點，簇首節(jié)點將信 息融合后送給匯聚點。一段時間后，重新建立簇，不斷循環(huán)。

6.2 GAF（Geographic Adaptive Fidelity）

Y.Xu【3】等人提出的一種利用分簇進(jìn)行通信的路由算法。它最初是為移動Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò) 應(yīng)用設(shè)計的，也可以適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。其基本思想是網(wǎng)絡(luò)區(qū)被分成固定區(qū)域，形成虛 擬網(wǎng)格，每個網(wǎng)格里選出一個簇首節(jié)點在某段時間內(nèi)保持清醒，其他節(jié)點都進(jìn)入睡眠狀態(tài)，但是簇首節(jié)點并不做任何數(shù)據(jù)匯聚或融合工作。GAF 算法即關(guān)掉網(wǎng)絡(luò)中不必要的節(jié)點節(jié)省 能量，同樣可以達(dá)到延長網(wǎng)絡(luò)生存期的目的。

具體實現(xiàn)：當(dāng)劃分好固定的虛擬網(wǎng)格之后，網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點利用 GPS 接受卡指示的位 置信息將節(jié)點本身與虛擬網(wǎng)格中某個點關(guān)聯(lián)映射起來。網(wǎng)格上同一個點關(guān)聯(lián)的節(jié)點對分組路 由的代價是等價的，因而可以使某個特定網(wǎng)格區(qū)域的一些節(jié)點睡眠，且隨著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)目的 增加可以極大地提高網(wǎng)絡(luò)的壽命，在可擴(kuò)展性上有很好的表現(xiàn)。

7.比較與分析

經(jīng)過上面的簡單介紹，每個協(xié)議在其設(shè)計的時候都有各自的側(cè)重點和最優(yōu)的方面，按照 衡量標(biāo)準(zhǔn)可以把以上協(xié)議做簡略的比較并找出相對較好的一類協(xié)議。其中，如何提供有效的 節(jié)能，即能量有效性是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議最首要注重的方面，可擴(kuò)展性和魯棒性是路 由協(xié)議應(yīng)該滿足的基本要求，而快速收斂性和網(wǎng)絡(luò)存在的時間有緊密的聯(lián)系。依據(jù)上述四個 標(biāo)準(zhǔn)，對本文所列舉的路由協(xié)議的比較見表1。

由上表可見，廣播式總是存在一種矛盾，當(dāng)具有好的擴(kuò)展性時勢必以差的魯棒性和能量 高效為代價，即以犧牲魯棒性換取擴(kuò)展性和高能量，這同時也嚴(yán)重影響了節(jié)點的快速收斂性。而坐標(biāo)式彌補(bǔ)了廣播式的不足，可以同時達(dá)到四個衡量標(biāo)準(zhǔn)。分簇式相對于前兩種方式來說，具備了較好的性能，可以滿足人們對傳感器網(wǎng)絡(luò)的一般要求。所以，以能量高效、可擴(kuò)展性、魯棒性和快速收斂性四個基本標(biāo)準(zhǔn)來衡量路由協(xié)議，分簇式是最佳的選擇。

8.總結(jié)

本文首先確定了四個衡量路由協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)，并按一種新的方法把現(xiàn)有一些協(xié)議分成三 類，之后進(jìn)行比較，最后得出分簇式是相對來講最優(yōu)的路由協(xié)議類。但是，分簇式只是相對 較好的協(xié)議類別，由于分簇式總是依附簇首節(jié)點的能量，即使簇首在不斷的更替選出，仍有 最后某個簇首節(jié)點能量耗盡的情況，因此勢必影響整體網(wǎng)絡(luò)的生存時間。再者，由于衡量標(biāo) 準(zhǔn)的局限性，本文未能考慮安全性等方面的要求，因此得出的結(jié)論僅僅是一定的范圍內(nèi)比較 結(jié)果。由此，一種盡可能考慮多方面要求的路由協(xié)議仍是被期望的。參考文獻(xiàn)

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