传感器网络综述

摘要: 传感器网络是基于无线通信,数字电子学,微机电系统等的综合技术.本文首先介绍传感网络的概念,特点和技术要求,讨论某些关键技术,包括硬件,通信结构等,此后对其进行分类,最后列出应用和系统.

关键词：传感器网络

1 引言

现代的技术进展已经创造出低价格,低功率,多功能微型传感设备,可以组成分布于广大区域,包括上千个传感器的网络.经过对数据的收集,处理,分析,传感器网络可以在任何时间,任何地点获取信息,从而成为智能化环境的一部分.在广泛的应用领域,传感器网络革新了传感功能.这是因为其可靠性,精确性,灵活性,性价比,以及便于使用. 智能传感器检测和收集的数据,可能涉及机器故障,地震,洪水,以及恐怖袭击的征兆.传感器网络的功能有:收集信息,处理信息,监控环境,可以用于军事或民用.

构成传感器网络的传感器节点的硬件结构包括5部分:传感器,处理器,存储器,电源,和收发器.它们感觉,计算,影响现实环境,工作过程无需人工干预,可以自组织形成具有自治功能的网络,适应各类应用.

下面介绍一些术语.：

(1.) 传感器(sensor):传感器网络中的一个节点.它是实现对于环境现象的物理传感,并经过无线通信报告测量值的装置.它一般包括5部分:传感器件,存储器,电池,嵌入式处理器,收发器.

(2.) 观察器(observer):即终端用户.它经过传感器网络传播得到环境现象信息,对网络提出查询,接受对查询的回答.网络中可能存在多观察器.

(3.) 现象(phenomenon):被观察的对象,传感器网络对其物理参数进行测量,传输,并可能对产生的信号进行分析或滤波.

2 传感器网络的特点和设计要求

2.1 传感器网络的特点

传感器网络由大量分布的传感器节点组成.节点装有嵌入式传感器,彼此间互相合作,其位置不必预先确定,协议和算法支持自组织.传感器网络与一般移动网络的区别如下.

1. 传感器网络节点数比一般移动网络大几个数量级.如此巨大的数量,使传感器网络可以比单个传感器更详尽,精确地报告运动物体的速度,方向,大小等属性.

2. 传感器网络节点通常密集分布.密集的基础设施使传感器网络更加有效,可以提供更高的精度,具有更大的可用能量.但是如果组织不当,密集的传感器网络可能导致大量冲突和网络拥塞,这会增加延迟,降低能量效率,造成数据过度采集.

3. 传感器网络易出故障.需要安排冗余节点提高可靠性,或者随时加入新节点代替故障节点,保证传感器网络持续精确地工作.

4. 传感器网络在能量,计算量和存储量方面比一般移动网络所受限制要大得多,很多节点的电源不能更换或充电,于是电源寿命就决定节点寿命.

5. 传感器网络拓扑经常变化.有故障和断电的节点失效,加入新节点,节点的移动,都会改变网络拓扑.由于许多节点无法更换和修理,网络就必须能够自组织和自节构,以保持持续工作以及动态响应变化的网络环境.

6. 传感器网络通信的主要方式是广播而不是点对点通信.

7. 为了减少开销,传感器网络没有全局标识码ID.

8. 节点往往是移动的.这与一般移动网络相同.

9. 传感器网络经常需要决定采用局部处理还是综合处理,以减少数据的冗余传输;还要使某些传感器节点,具有簇领导的功能,可以通过某些计算(如均值,求和,求极值等)进行数据融合,然后广播综合的新信息,以减少网络拥塞.

10. 传感器网络具有查询能力.传感器网络中有数据中心的和地址中心两类编址.数据中心编址,查询送到网络的特定区域,地址中心编址,查询送到单个节点.

2.2 传感器网络的设计要求.

1. 容错(Fault tolerance)

传感器网络的节点难免出故障或电池耗尽,然而单个节点的问题不能影响全局,即要有容错能力.网络的可靠性或容错能力,在战场环境下,容错能力尤为重要,因为传感器容易被破坏,而获取数据的能力又要求非常可靠.

2. 可扩展性(Scalability)

传感器网络的节点数量多,密度大.密度为.其中N是区域A的节点数,R是发射半径.例如,机器诊断中密度约5×5平方米300个节点;车辆跟踪中每个区域10个节点;住宅监测中每个区域25到100个节点;人体监测用几百个节点.

3. 延迟(Latence)

观察器应该在给定延迟内得到现象信息.延迟的精确含义与应用有关.

4. 精度(Accuracy)

得到精确的信息是观察器的基本目标,精度要求是由应用确定的.实际应用中必须在精度,延迟,能量效率之间做出折衷.网络结构应该具有自适应能力,使得应用可以最小能量消耗得到要求的精度和延迟.

5. 成本(Production costs)

单个传感器的价格必须很低，还要考虑定位,移动,电源等部件.

6. 硬件限制(Hardware constraints)

传感器节点有4部分:传感器(感应器件和模数转换器),处理器(处理器和存储器),收发器,电源.还可能有定位和移动部件. 硬件要求:体积小于1立方厘米,重量轻,耗能少,密度高,价格低,自动操作,适应环境,最好能从环境得到能量,如太阳能.已有的产品,

7. 网络拓扑(Sensor network topology)

传感器网络包含大量节点,节点密度可达每立方米20个.多数节点无法维修,这就对网络的拓扑维护提出了挑战.拓扑维护有三个阶段. 布署阶段.传感节点可以成批投入或一一投入.可以由飞机,火箭,弹射器投放(战场,危险环境);在工厂安放(在产品上)及由人工安放(在现场).初始应用的方式应该做到:尽量降低安装代价;不需预先组合和规划;充分考虑布局灵活性满足能自组织和容错的要求. 运行阶段.投入运行后,传感器网络的拓扑会适应节点的位置,可达性(因阻塞,噪声,障碍),能源,故障,任务细节变化而变化. 重用阶段.当相当数量的节点失效时,可增加新节点替代故障节点,重组网络.对于有大量节点和严格能量限制的传感器网络,为了拓扑变化,需要特殊的路由协议.

8. 环境(Environment)

传感节点密集分布,彼此接近,有时部署在观察对象内部.工作场合可以为:路口(噪声),发动器内部(极热),北极(极冷),海底(高压),龙卷风场内部,生成龙卷风的海面,生物或化学污染区,敌方战区(危险),家庭或建筑内,大仓库内,动物身上,车辆上,水流中等.

9. 传输介质(Transmission media)

无线传输的介质有无线电,红外和光.传感网络的使用条件使得介质选择很困难.如:海洋应

用需要信号在水中传输,而只有长波无线电可以穿透水面;在战场应用环境下通常有很大的电磁干扰,而为了隐蔽天线高度和发射功率都受到很大限制,因此误码率会增加.如此等等,不一而足.

10. 能量消耗(Power consumption )

如果传感器节点是由电池供电的,网络协议必须是节能导向的,以尽可能延长系统寿命.系统寿命既可以用普通参数,如节点死亡时间之半衡量,也可以用面向应用的准则,例如在网络停止工作时提供的信息衡量. 传感节点的电源有限,通常小于0.5 安培小时(Ah),而且很多情况下不能充电或更换电池,因此节点寿命往往取决于电池寿命.节点是数据源,也是路由器.几个节点的故障就可能改变网络拓扑,要求重新路由和进行网络重组,所以网络协议和路由算法必须充分考虑电源的保持和管理.而在其它移动网络中,由于电源可更换,电源效率不那么关键,网络协议更侧重服务质量. 节点的功耗分三部分:传感,计算,通信.传感功率与应用要求有关,零星传感比固定监测省电,复杂的任务会加大能耗;通信能耗则会因噪声而增加.在三部分中通信能耗往往远远大于其余两部分.

3 传感器网络的关键技术

传感器网络的关键技术首先是功能部件,包括处理单元,电源,通信单元.其次是重要问题的解决方案,包括能源及其管理,定位,仿真技术等

3.1 处理单元

处理单元技术可以有三种选择:微控制器,微处理器,FPGA.FPGA有一定的缺点:功耗较大;此外FPGA没有C编译. 微控制器不仅有存储和处理,还有永久存储和接口,

3.2 电源

传感器节点可能从环境取得能量,如光,震动,电磁波.

电池分为可充电的和不可充电的.按电化材料分,有NiCd(镍铬),NiZn(镍锌),AgZn(银锌), NiMh(镍氢),Lithium-Ion(锂离子).不可充电电池的能量密度大.可充电电池中,锂电池好,

但价格高.脉冲充电时,锂电池差,镍铬电池好.镍氢电池对环境最好,能量密度仅次于锂电池, 且可任意充电无记忆效果,但需要过充过放保护.

3.3 通信单元

常用的有三种信道:

1. 光通信

优点:花费能量少,安全,无需天线.缺点:节点间必须满足视线无遮挡,对空气条件敏感,通信必须定向.智能微尘(Smart Dust)即采用光作为通信介质,

2. 红外通信

红外通信优点是:无需天线,无须申请频谱,不受电器设备干扰.红外收发器简单,便宜.PDA

和无线电话提供红外通信接口.缺点是要求发射器和接收器间视线无遮挡,传输必须定向,传输距离短.

3. 无线电通信

无线电传输可以用ISM(工业,科学,医学)频带,其中某些部分已经用于无绳电话和无限局域网(WLAN).由于传感网络对尺寸,价格,功耗的限制,以及天线效率和功耗的折衷,使得

频率只能选择在超高频(UHF)频段.在欧洲推荐用433 MHz ISM频带,在北美推荐用915 MHz ISM频带.ISM频带使用自由,频带宽,便于实现节能.很多传感网络硬件基于RF(无线电频率)电路.无线电通信的优点为,市场成熟,使用方便.影响能耗的因素有调制制式,应用方式,数据速率,发射功率.为有效管理能源,无线通信一般设置四种工作模式:发射,接收,空闲,休眠.

无线通信的技术关键有:

调制

有三种调制方式:OOK,ASK,FSK.OOK是ASK的特例,常用于传输控制信号,具有简单,便宜,节能(发0时空闲)的优点.FSK在存在干扰时性能好,但更复杂更昂贵.ASK抗干扰好于OOK,比FSK简单便宜.OOK和ASK需要有自调整阈值或自动增益控制(AGC),FSK则不需要. 唤醒

传感器网络通信的一个难点是设计唤醒.低功率无线电可以接收简单的通信,特别是判定信号是否是所要求的.若是就开通主通道,接收实际消息.传感网络不能完全切断无线电信道,那样就无法检测外部事件,所以需要设计极低功耗通道唤醒.

3.4 能量消耗

传感器网络节点能源有限,所以能耗管理是最重要的.为延长网络寿命,在设计和运行中要从节点的四个子系统充分考虑:

1. 微处理器(微控制器单元,MCU)子系统,功能是控制传感,执行通信协议,有几种工作模式.

处理的功耗小于通信.尽量采用局部处理.由于价格和尺寸限制,节点一般采用CMOS技术.CMOS晶体管对在开关时消耗功率正比于开关频率,器件开关电容和电压幅度的平方.减小电源电压可以有效减少功耗.操作电压和频率可以针对当时要求调节.

2. 通信子系统,由短程无线电与邻点和外界通信.工作有发射,接收,空闲,睡眠四种模式. 通信的能耗最大,涉及发射和接收.对低无线功率(~0 dbm)的短程传输,发射和接收的能耗接近.在数据包减小时,启动能耗比重成了大头.频繁开关也会增加耗能.

3. 传感子系统,应尽量采用低能耗元件.

4. 能源子系统,即电池.减小电流或经常断电,可增加寿命.应该检查电池发出的能量.长时间流出大电流会使得电池暂时失效,即使过后会恢复工作..

3.5 定位

传感网络中节点位置并非事先设定,定位就是获取节点的空间位置坐标信息.一个途径是利用GPS,但是仅适于室外,接收器昂贵,不适于小型便宜的节点,不适于有障碍物遮挡的环境.

当前多采用递归的三边测量和多边测量.在一个途径中,网络将节点组织成层次结构体系,上层是已知位置的(由GPS或其他方法定位)节点,周期发出位置信息作为标杆.未定位的节点利用标杆发出的位置信息和信号强度,相位等参数计算自己的位置.并非所有节点都需要访问标杆,可以用上述方法定位的非上层节点为标杆,完成递归的多边测量,然而这可能导致误差积累. 多数定位算法利用三角测量.在平面上,已知到三个点的距离,就能通过三个圆的交点,确定自己的位置.在三维空间则需要求四个球面的交点.利用标杆定位时,重要的是初始标杆的数目,标杆太少,递归层次就多.定位的两个关键环节是:

1. 定位技术

定位技术可分为细粒度的(基于计时/信号强度)和粗粒度的(基于接近参考点).细粒度的例子是:计时(节点到参考点的距离是由信号传输时间确定),信号强度(衰减正比于距离),信号模式匹配(在工作区预先扫描信号,发射的信号匹配预先构造的数据库中的信号),方向性(用参考点相对移动点的角度确定位置).

2. 标杆/节点安放技术

标杆安放技术可以分为:均匀标杆安放和很密集标杆安放.但是均匀安放不能保证视线

无遮挡,密集安放则会使成本和耗能大幅增加,所以需要对安放进行优化.

一种做法是基于试验调整的逐步安放.通过逐渐增加标杆来调整而不是完全重做;由局

部测量结果决定如何增加而不是离线全面分析.有三个方法选择位置:一,随机选择;二,最大法:将网络覆盖区域分成小方块,对每个方块的角计算定位误差,把标杆加于定位误差最大的点.这个方法的效果受到传播效果和随机噪声影响;三,网格法:计算每个网格的累积定位误差,把

标杆加到累积定位误差最大的网格的中心

自主应用算法中,节点在未知环境中实现自主应用,目标是使得网络覆盖面最大,节点保持与其它点的通信线.算法假设所有节点相同,环境静态,节点位置已知.算法有四个阶段:初始化,选择,分配,执行.选择阶段,根据已用节点占有网格确定合适的应用位置.每个网格可以有空闲,占用,未知三种状态,由贝叶斯技术确定占用的概率,用可达网格确定是否一个网格可达,由自由和未知空间的边界确定下一个应用位置.节点应覆盖未知空间最大区域.分配阶段,分配目标给等待的节点.当已用节点阻挡路径,就用等待节点替代这个位置,移动阻挡节点到新位置.执行阶段,激活的节点直接用于目标位置.

3.6 仿真

仿真技术对于传感器网络的设计和部署有极大帮助.下面介绍几个传感网络仿真器:

1. NS-2是面向对象的,离散事件驱动的网络环境模拟器.编程用C++和OTCL10 .因为提供了面向对象的环境,增加新模块十分容易,还可以支持能量模型.

2. GloMoSim是全局移动信息系统仿真器,适用于无线和有线网络系统,编程用C和Parsec,可进行并行离散事件仿真,支持无线网络的协议.

3. SensorSim是传感网络的仿真框架,是NS的扩展.它提供:传感通道,传感模型,电池模型,无线传感器的轻便协议,场景生成,混合仿真.

4 传感器网络通信结构

传感器节点通常散布在传感区域中.节点收集数据,路由数据到汇聚点(sink),再到最终用户.汇聚点经过因特网或卫星与任务管理节点通信.

协议层次包括:应用层,传输层,网络层,数据链接层,物理层.应用层是根据任务构建的应

用软件.传输层维护数据流.网络层关注数据路由.链接层的MAC协议应了解能量消耗,这是为了减小与邻点广播的冲突.物理层需要简单可靠的调制,发射,接收技术.

传感器网络的通信系统可以按照功能划分为三个平面:能量管理平面,移动管理平面,任务管理平面.能量管理平面管理节点如何利用能源.移动管理平面监测和注册节点的移动,维持到用户的路由.节点可能跟踪它的邻节点.任务管理平面平衡和调度在给定区域的传感任务,根据能量水平决定哪些节点执行传感任务.

4.1 物理层

物理层的功能是频率选择,载频生成,信号检测,调制,数据加密,并且比较延迟,散布,遮挡,反射,绕射,多路径和衰减等信道参数,为路由及重构提供依据,物理层设计中减小能耗最重要.

4.2 数据链层

数据链层的功能:数据流选通,数据帧检测,介质访问,错误控制以确保可靠的点到点,或点到多点连接.

在传感器网络中链路层非常重要的部分就是MAC,通过它要实现两个目标:产生网络基础结构和节点间有效地均匀共享通信资源.传感器网络不能直接采用现有MAC协议,如蓝牙和MANET,因为现有MAC协议是QoS和带宽效率导向,而传感器网络有其特殊性和独特要求:节点数目众多,发射功率和发射范围小,网络拓扑多变.

4.3 网络层

传感器网络的特点是节点密集分散,彼此接近或在观测对象内部,能源供给受到很大限制. 因此传感器网络的网络层设计原则应注意以下方面:能量效率是重要因素;传感器网络多数是以数据中心的;只有当不妨害节点间协同时数据融合才有用;理想的传感器网络应该采用基于属性的编址和基于位置信息的控制.

能量效率导向的路由方法有如下几种:最大可用能量(PA)路由,最小消耗能量(ME)路由,

最小跳步(MH)路由和最大最小可用能量(PA)路由.

数据中心路由中,通过传播关注点给传感节点分配传感任务.传播关注点有两个途径:其一是汇聚点广播,其二是传感节点广播可提供数据的公告,并等待需求节点的申请.数据中心路由要求基于属性的命名,查询现象的属性,不是查询单个节点

为了节约数据传输,传感器网络普遍采用了数据融合.数据融合,是在数据中心路由过程中, 克服数据爆炸和重叠的技术.数据爆炸就是反复把复制的消息送到同一节点,使得数据过载;数据重叠就是如果两个以上节点在共同观察区,会同时传感同一激励,造成相同信息的冗余传输.这二者都会造成网络能源的大量无谓消耗.

网络层另一个功能是与外部网络,如其它传感网络,命令和控制系统,因特网等互联.有些情

形下,汇聚点可以用作到其他网络的网关;另一些情形下,汇聚点可以连接在一起,形成骨架.这个骨架经网关访问其他网络.

4.4 传输层

当系统需要访问因特网或其他外部网时传输层特别重要.TCP20协议及其现有的传输窗机制十分适合于传感器网络极为严酷的环境.像TCP分隔这样的方法在传感网与其他网络(例如互联网)交互时可能会十分有用.在这种方法里,TCP链接终止于汇聚点,汇聚点和其他节点的通信则用一个专门的传输层协议处理.

4.5 应用层

这方面的工作方兴未艾,这里只介绍三个有希望的应用层协议:传感器管理协议(SMP21);任

务分配和数据公告协议(TADAP22);传感器查询和数据传播协议(SQDDP23).

1. 传感器管理协议(SMP) 主要目的是使底层软硬件对于传感器网络管理透明.它提供软件操作,实现下列管理任务:引进数据融合,基于属性命名和节点分簇有关的规则;交换有关定位的数据;节点的时间同步;移动节点;节点接通和切断;查询网络配置和节点状态,重构网络;数据通信中的身份鉴别,密钥分配,安全保障.

2. 任务分配和数据公告协议(TADAP)为用户软件提供高效界面,以进行消息传播,从而为路由之类的底层运行提供方便.

传感器查询和数据传播协议(SQDDP) 为用户应用程序提供界面,以支持查询,对查询的响应,收集回答.

5 传感器网络的分类

5.1 传感器网络结构

传感器网络是测量和传递观察信息的工具,网络的组织如下.

1. 基础结构包括传感器及其部署状况.基础结构取决于传感器属性

2. 网络协议功能是产生路径,实现传感器和观察器的通信.

3 应用/观察器是向网络发出查询的主体,这些查询可能是静态的或动态的.网络可能合成询5.2 通信模型

传感器网络有很多方式实现精度和延迟要求,设计良好的网络可以在满足这些要求的同时优化能量利用并实现容错.经过系统研究通信模式,网络设计者能够选择基础结构和通信协议,提供性能,鲁邦性,效率,和应用价格的最好组合.

在传感器网络中有应用和基础结构两类通信.网络协议必须同时支持两类通信.

应用通信关系到传感数据的传输,目的是把观察数据通知观察器.应用通信中有合作和非合作两个模型.在合作的传感模型中,传感器和其他传感器通信,获得观察器的消息.这个通信超出路由的中继功能.非合作传感器没有信息传播的协作.

基础结构通信涉及到需要布局,维护,优化的通信.这类基础结构通信,受到应用关注点的影响,.重要的是通信最小化,且确保网络支持有效通信.

在传感器网络中,基础结构通信的初始阶段是建立网络.此外,如果传感器是能量约束的,就会有附加的通信用于重构.类似,如果传感器是移动的或观察器的要求是关注点动态的,则会有附加的通信用于路径发现或重构.例如在分簇协议中,基础结构通信需要形成分簇和选择簇首领.在移动或故障条件下,通信必须重复.

应用通信的优化借助于最小速率测量.在给定传感器能力和传感器与观察器间路径质量后,这个速率应满足精度和延迟要求.基础结构通信由网络协议产生,响应应用需求或事件.基础结构通信可以减少应用传输,优化网络操作.

5.3 数据提交模型

观察器的关注点是根据现象确定的,允许观察器不关注传感网络的基础结构和协议.查询是作为一个或多个特定的底层的关注点传感器网络可以根据应用(观察器)关注点要求的数据提交分类如下:连续的,事件驱动的,观察器启动的,混合的.这些模型管理应用传输的生成.在连续模型中,传感器以预定的速率连续传输数据.对连续传输数据的静态网络,分簇是最有效的.对动态传感网络,根据移动程度,分簇也可能有用.在事件驱动数据模型中,仅当发生关注点的事件时,传感器才报告信息.这时,观察器仅关心特定现象或一组现象的发生.在观察器启动(或要求-回答)模型中,传感器仅报告观察器要求的结果(直接要求或经过其他传感器间接要求).在混合模型中,三个途径共存在一个模型中.

至此仅从应用观点讨论了数据提交.不是传感器和观察器间的数据包流,这是服从网络协议的路由问题.对于任何上述模型,路由协议可以分类为:洪泛的(基于广播的),单射的,多射的/其他.用洪泛的途径,传感器广播信息到其邻点,邻点再广播,直到达到观察器.这个途径承担很高的额外负担,但是能应付网络拓扑的动态变化.可以用数据融合技术减少广播的额外负担.传感器也可以直接通信到观察器(经过多跳路由协议),或到簇首领(由一到一单射).在多发射途径,传感器形成针对应用的组,利用多发射在组成员间通信.观察器可以和组的任何成员通信,得到要求的数据.洪泛或广播的主要优点是,缺乏复杂的网络层协议,用于路由,地址,位置管理.现有的传感网络多数依靠这类途径.

来自应用的数据提交模型和网络协议用的路由模型之间的交互,显著影响网络的性能.考虑传感网络用于入侵检测.这时,数据提交模型是事件驱动的,事件是入侵者进入该区域.如果网络层路由模型是基于洪泛的,则物理位置相同的传感器同时作为入侵者,并试图向观察器发数据.在邻居中的这些共存通信彼此竞争利用通信介质,从而引起:①可能丢失关键信息;②延迟报告事件.

5.4 网络动态模型

传感器网络形成现象和观察器间的路径.传感器网络协议的目标是在动态条件下产生和维护这个路径(或多个路径),同时满足低能量,低延迟,高精度,容错的应用要求.多观察器可以作为一个观察器的多个实例.也可能给多观察器提供更复杂的协议,联合有关的关注点,并优化通信.

建立信息传播路径的问题,类似于特定网络中的路由问题.但是也存在某些区别.①传感器一般不是单独编址,关注点是在一组传感器中,这些传感器在对主动观察器的关注点有贡献的位置.传感器可以由传感器属性编址(如它的能力),或由现象编址.观察器的关注点和一组传感器之间的映射,受到网络动态和应用的影响.②沿着路径的节点,在信息传播和处理中可以起主动作用.

由此考虑,传感器网络类似于主动网络,特定网络是传统的被动网络. 存在几个途径构造和维护观察器和现象间的路径.根据网络动态分类为:静态传感网络和移动传感网络.将关注移动的,因为它是动态条件的通常来源,其他来源有传感器故障和观察器关注点的变化.

1. 静态传感网络

静态传感网络中,互相通信的传感器,观察器和现象不运动.例如分散的温度传感器.于是可

以有效地利用定位算法,节点传送局部观察数据到观察器,可能经过多个层次.算法扩大了网络寿命,因为它折衷了计算和通信.这类网络中,传感节点需要建立基础结构通信,产生观察

器和传感器间的路径,保持唯一的应用通信.

2. 动态传感网络

动态传感网络中,传感器,观察器和现象是移动的.当传感器从观察器向现象运动时,原有路径可能失效.观察器或传感器必须重建新路径.在观察器初始化时,观察器可以建立多条从自己到现象的路径,并选择最好的作为当前的路径.如果这个路径失效,可以用另一个.如果所

有路径失效,观察器必须重建路径.

重建观察器到现象新路径的另一个模型是传感器初始化.在传感器初始化路径发现过程中,路径发现从传感器开始,这是观察器和现象间的逻辑路径,计划移动出范围.传感器可能实现某种局部修补过程,邀请参加一个局部逻辑流的请求广播给所有邻节点,由此构造新路径.任何一个邻节点可以发出参加回答消息,到给定的初始传感器,指出希望参加为要求路径的一部分.如果没有邻点响应,传感器可能发出路径无效要求给观察器,观察器开始构造路径.

动态传感网络可以根据部件运动分类.运动是重要的,因为通信的程度和类型依赖网络动态.所以要求不同的基础结构,数据提交模型和协议.

移动观察器

观察器相对传感器和现象运动.如在恶劣地区的环境监测.飞机定期飞过,收集传感器网络的数据.飞机上的观察器,相对地面的传感器和现象运动.

移动传感器

传感器相对其他传感器和观察器运动.如用安在出租车的传感器监测交通.如果传感器是合作的,通信方式就要接受附加约束,如监测邻点的链接层地址,并构造定位和信息传播结构.以IP 地址方式维持传感器全局ID,是昂贵的,不必要的.这些节点仅和邻节点通信,用链接层MAC 地址.可以用上述的先行算法局部修补路径,使得观察器总可以得到现象,即使传感器运动.

移动现象

现象运动.如用传感器跟踪动物.通信应该是事件驱动的.根据现象的密度,所有传感器同时工作不是有效的.只需要现象附近的传感器工作.工作的传感器数目,可以由应用目标确定,如精度,延迟,和能量效率.

应该注意到,传感网络中移动的影响,是与传统无线网络的不同.传感器本身不注意观察器.传感网络必须调整工作,在移动条件下连续响应观察器的关注点.传感节点的移动应该以不同的方式处理.例如离开现象的节点要断开,由接近的节点负责.

6 传感器网络的应用和系统

6.1 传感器网络的应用

传感器网络有下列应用领域.

1. 军事应用

用于军事的命令,控制,通信,计算,智能,监督,侦察,确定目标(C4ISRT).监督友军,武器,弹药等.战场监视.侦察敌军和地形.确定目标.

2. 环境应用

森林防火.生物多样性.洪水监测.精确农业.

3. 健康应用

远程监测人体生理数据.医院内跟踪医生和病人.药物管理.

4. 家庭应用

家庭自动化.智能环境.

5. 其他商业应用

建筑环境控制.交互式博物馆.汽车防窃.货物监管.车辆跟踪监测.

6.2 传感器网络的典型系统

Smart Dust(智能尘粒)课题是在美国加州大学伯克利分校,研究毫米尺寸的节点.第一步是Mote系列.WeC Mote是第一个节点.此后是Mica Mote和Mica2 Mote.最后的Mote更鲁邦,不需协处理器.Mote用TinyOS,紧凑简单的基于事件的操作系统.

PicoRadio也在伯克利.研究低价格低功耗的节点,集中在硬件,链接,网络层.

Medusa Mk2和iBadge是在UCLA.采用多处理器,包括蓝牙.提供好的网关.

PushPin是MIT便携机课题的部分,也满足无线网络要求.用红外通信.Bertha操作系统嵌入8051,用于分布系统.

EYES是在欧洲的研究组.处理器是TI公司的MSP-430F149.有8M辅助的EEPROM存储器.也开发了传感网络的操作系统.

μA MPS和WINS是在Rockwell科学中心.用低功耗的StrongARM(SA-1100)微处理器计算,用DVS作主能源管理.μA MPS可以编程,动态改变钟频为74到206MHz,电压为0.85到1.44V.

7 结论

本文介绍传感器网络,它基于无线通信,数字电子学,微机电系统等技术.首先介绍传感网络的概念,特点和要求.然后讨论某些关键技术,包括硬件,通信结构等.此后给出分类.最后列出应用和系统.

灵活,容错,精确,低价,快速应用等特性,为传感器网络找到很多新应用.传感网络需要满足很多条件:容错,可扩展,价格,硬件,拓扑变化,环境,能耗等.为此需要新的硬件技术和无线网技术.

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Automation(ETFA03), September 2003

无线传感器网络技术试题

1. 传感器网络的三个基本要素：传感器、感知对象、用户(观察者) 2. 传感器网络的基本功能：协作式的感知、数据采集、数据处理、发布感知信息 3. 无线传感器节点的基本功能：采集数据、数据处理、控制、通信 4. 传感节点中处理部件用于协调节点各个部分的工作的部件。 5. 基站节点不属于传感器节点的组成部分 6. 定向扩散路由机制可以分为三个阶段：兴趣扩展阶段、梯度建立阶段、路径加强阶段 7. 无线传感器网络特点：大规模网络、自组织网络、可靠的网络、以数据为中心的网络、应用相关的网络 8. NTP时间同步协议不是传感器网络的的时间同步机制。 9. IEEE 802.15.4标准主要包括：物理层。介质访问控制层 10. 从用户的角度看，汇聚节点被称为网关节点。 11. 数据融合的内容主要包括：多传感器的目标探测、数据关联、跟踪与识别、情况评估和预测 13. 传感器网络的电源节能方法：_休眠（技术）机制、__数据融合 14. 分布式系统协同工作的基础是时间同步机制 15. 无线网络可以被分为有基础设施的网络与没有基础设施的网络，在无线传感器网络，Internet 网络，WLan 网络，拨号网络中，无线传感器网络属于没有基础设施的网络。 16. 传感器网络中，MAC层与物理层采用的是IEEE制定的IEEE 802.15协议 17. 分级结构的传感器网络可以解决平面结构的拥塞问题 18. 以数据为中心特点是传感器网络的组网特点，但不是Ad-Hoc的组网特点 19. 为了确保目标节点在发送ACK过程中不与其它节点发生冲突，目标节点使用了SIFS帧间间隔 20. 典型的基于竞争的MAC协议为CSMA

无线传感器网络面临的安全隐患及安全定位机制

无线传感器网络面临的安全隐患及安全定位机制随着通信技术的发展，安全问题显得越来越重要。在现实生活中，有线网络已经深入到千家万户：互联网、有线电视网络、有线电话网络等与人们生活的联系越来越紧密，已经成为必不可少的一部分，有线网络的安全问题已经能够得到有效的解决。在日常生活中，人们可以放心的使用这些网络，利用它来更好的生活和学习。然而随着无线通信技术的不断发展，无线网络在日常生活中已占据重要的地位，如无线LAN技术、3G技术、4G技术等，同时也有许多新兴的无线网络技术如无线传感器网络，Ad-hoc等有待进一步发展。随着人们对无线通信的依赖越来越强烈，无线通信的安全问题也面临着重要的考验。本章首先介绍普通网络安全定位研究方法，随后介绍无线传感器网络存在的安全隐患以及常见的网络攻击模型，分析比较这些攻击模型对定位的影响，最后介绍已有的一些安全定位算法，为后续章节的相关研究工作打下基础。 3.1 安全定位研究方法不同的定位算法会面临着不同的安全方面的问题，安全定位的研究方法可以采用图3-1所示的流程来进行。图3-1安全定位方法研究流程图

Figure 3-1 Flowchart of security positioning research method 在研究中首先要找出针对不同定位算法的攻击模型，分析这些攻击对定位精度所造成的影响，然后从两方面入手来解决这个安全问题或隐患：一方面改进定位算法使得该定位算法不易受到来自外界的攻击，另一方面可以设计进行攻击检测判断及剔除掉受到攻击的节点的安全定位算法或者把已有的安全算法进行改进使之能够应用于无线传感器网络定位，还可以从理论上建立安全定位算法的数学模型，分析各种参数对系统性能的影响，最后根据这个数学模型对算法进行仿真，并把仿真结果作为反馈信息，对安全定位算法进一步优化和改进，直到达到最优为止。 3.2 安全隐患由于无线传感器网络随机部署、网络拓扑易变、自组织成网络和无线链路等特点，使其面临着更为严峻的安全隐患。在传感器网络不同的定位算法中具有不同的定位思想，所面临的安全问题也不尽相同。攻击者会利用定位技术的弱点设计不同的攻击手段，因此了解各定位系统自身存在的安全隐患和常见的攻击模型对安全定位至关重要。影响无线传感器网络定位的原因大致可以分为两类：其一，节点失效（如节点被破坏、电量耗尽）、环境毁坏（通信干扰）等引起的定位误差；其二，恶意攻击[30]，攻击者主要是通过内部攻击和外部攻击两种方式来增大无线传感器网络的定位误差或使节点定位失效。采用不同的定位算法，系统存在不同的安全隐患。按照定位算法的分类将安全隐患大致分为：基于测距的定位的安全隐患和基于无需测距定位的安全隐患。 3.2.1 基于测距定位的安全隐患基于测距的定位技术需要测量未知节点和参考节点之间的距离或方位信息。攻击者主要针对定位系统位置关系的测量阶段和距离估计阶段进行攻击。在测距阶段，攻击者通过改变测距所需要的参数或者产生干扰和欺骗以增大误差，达到攻击的目的。基于测距定位的攻击手段主要有以下几种：（1）通过移动、隔离信标节点来

无线传感器网络安全技术综述

无线传感器网络安全技术综述摘要：本文总结了无线传感器网络面临的安全问题，并从安全协议、安全算法、密钥管理、认证技术、入侵检测等方面分析了近年来无线传感器网络所用的安全技术。最后分析总结了无线传感器网络未来安全技术研究应该注意的地方。关键词：安全问题协议算法认证技术入侵检测 1 引言无线传感器网络在近些年来发展迅速，被认为是新一代的传感器网络，由于其体积小，成本低，功耗低，具有自组织网络，现已经广泛应用于军事、环境监测、交通管制、森林防火、目标定位、医疗保健、工业控制等场景[1]。大多无线传感器网络节点被部署在无人值守或地方区域，传感器网络受到的安全威胁就变得更为突出，且由于传感器节点体积小，其储存开销、能量开销、通信开销都受到限制，所以传统无线网络的安全机制并不能完全的应用于无线传感器网络中。缺乏有效的安全机制已经成为传感器网络应用的主要障碍. 近些年来，随着无线传感器网络的发展，其安全技术也有了很大的进步。虽然传感器网络安全技术研究与传统网络有着很大的区别，但他们的出发点有相同的敌方，均需要解决信息机密性、完整性、消息认证、信息新鲜性、入侵检测等问题[2]，无线传感器网络的安全协议跟传统网络的安全协议有着其独特性也有其同性。国内外研究人员针对无线传感器网络安全协议、算法、密钥管理、认证技术、体系结构等方面都进行了大量的研究，取得了很多成果。本文将对这些已有的研究成果进行总结分析。 2 无线传感器网络安全概述无线传感器网路安全要求是基于在传感器节点和网络本身条件限制而言的，如而节点的电池能量、睡眠模式、内存大小、传输半径、时间同步等。部署的环境也是网络安全问题的一个重要因素。 2.1网络受到的威胁和攻击攻击是一种非法获取服务、信息，改变信息完整性，机密性的行为。无线传感

【2015-12】水下传感器网络综述

1水声通信由于声音（Acoustic）在水中的衰减低，声波通信成为在水下环境中最通用和应用最广泛的技术，尤其是在热稳定的深水区域。声波通信的主要限制因素是浅水区域中的温度梯度差异、海面噪声和反射折射引起的多径传播；次要的限制因素是水中声速（约为1500米/秒）慢，也限制了其通信效率。所以，水声通信受到严重的带宽限制和干扰限制，难以实现短距离、高带宽通信。综观整个水声通信的发展历程，就是不断地与这些干扰相抗争的过程。例如：根据不同的干扰特点，选择抗干扰能力强的编（解）码方法和调制方式；采用各种抑制干扰的技术；采用分集的办法来抵抗衰落；采用均衡技术抵消信道缺陷引起的畸变；采用自适应技术来适应信道特性的变化以及增加功率等。水声通信在几KHz到几十KHz的带宽下，可以实现1-2000公里距离的通信，在小于1公里范围的短距离通信中，水声通信在几十KHz带宽下，数据传输速率可达100kbps，带宽效率可达几个bits/sec/Hz。 2水下无线通信网络安全关键技术研究研制低成本、高能效、高可靠性、高安全性的水下无线通信网络对于海洋环境监控、海洋资源开发等研究领域具有重要的理论意义和经济价值。由于受自身特性限制和水声通信环境制约，水下无线通信网络面临各种威胁和攻击，然而现有的水下通信研究多以节省能耗、延长网络寿命为出发点，忽视了潜在的安全问题。因此，研究现有水下无线通信技术存在的安全隐患，针对其面临的安全威胁和安全需求，设计适用于水下无线通信网络的安全技术和安全体系，具有重要的意义。本文对水下无线通信网络的若干安全关键技术进行了研究，并提出了一种适用于水下无线通信网络的安全体系。无线传感器网络(Wireless Sensor Networks, WSN)最早可以追溯到20 世纪末，它以其低成本、低能耗、自组织和分布式的特点为网络带来了一场信息感知的变革。无线传感器网络在城市管理、环境监测、军事国防、生物医疗等领域都表现出了很好的应用前景。在国际上它被认为是继互联网之后的第二大网络，被评为对人类未来生活产生深远影响的十大新兴技术之首。无线传感器网络具有规模大、自组织、动态性、鲁棒性、应用相关、以数据为中心等特性，能更真实有效的获取客观的物理信息，并将其与现代传输网络紧密结合在一起，因此不断受到越来越多国家学术界和工业界的高度重视和密切关注。海洋以其70%的地球覆盖率逐渐受到世界各国的重视，海洋的开发与发展被认为是人类生存和不断发展的必经之路。随着无线传感器网络的发展成熟以及各国对海洋权益的日益重视，水下传感器网络以其低成本、高可靠特征逐渐受到世界各国学术界的关注，成为21 世纪一个新的研究热点。水下传感器网络通过部署在指定海域的具有自组织能力的传感器节点获取所需的各种海洋监测信息，然后对其进行一定的处理之后传输给基站，最后经由卫星送达用户。水下传感器网络的应用涵盖多个领域，包括水下开发、灾难预警、水下环境监测、数据收集、辅助导航、海底军事等。水下传感器网络部署在极为复杂的水下环境中，而无线电波在海水中的衰减十分严重，因此以声波作为信息载体的水声通信成为水下传感器网络的主要通信方式。这也使得水下传感器网络具备许多不同于陆上传感器网络的特性。首先，大多数陆上传感器节点都是静止不动的，而水下传感器节点则随着海水的运动不断移动，通常一个传感器节点每秒随水流移动2-3米；其次，水下传感器节点与陆上传感器节点的能耗不同，一些重要的水下应用需要大量数据，这使得水下传感器节点的体积偏大，对于水下传感器来说电池的更换工作是很困难的，从海底取回节点耗时耗力；第三，水下信道带宽低、数据传输率低，尽管水声通信根据带宽和通信范围分为多个类别，但在短期内，其数据传输率在1km距离内很难超过40kb/s。这些都为水下传感器网络的研究和发展带来了新的挑战。

无线传感器网络综述

无线传感器网络综述近年来，随着现代传感器技术、嵌入式技术和通信技术的飞速发展，无线传感器网络成为目前网络技术的研究热点。在深入研究无线传感器网络的过程中，发现其在军事、农业、医疗、交通和家庭应用等方面有极大的应用价值。文章首先对无线传感器网络的定义和特点进行介绍，其次列举了无线传感器网络的应用方向，然后简要说明了其关键技术，最后分析了目前无线传感器网络的发展现状及亟需解决的问题。标签：无线传感器网络；应用；关键技术 Abstract：In recent years，with the rapid development of modern sensor technology，embedded technology and communication technology，wireless sensor network has become the research hotspot of network technology. In the process of in-depth study of wireless sensor networks，it is found to have great application value in military，agriculture，medical，transportation and family applications. This paper first introduces the definition and characteristics of wireless sensor networks，then enumerates the application direction of wireless sensor networks，and briefly describes its key technologies. Finally，the current development of wireless sensor networks and the problems that need to be solved are analyzed. Keywords：wireless sensor network；application；key technology 引言無线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是由大量传感器节点组成的一种自组织网络，这些传感器节点不仅能感知网络内的环境信息，还具有简单的计算能力，同时可以将感知和计算后的相关信息在网络中进行传输，具有一定的通信能力。传感器节点是WSN中最重要的节点，它是整个WSN的基础，具有感知数据、处理数据、存储数据和传输数据的功能。传感器节点负责感知网络内的环境信息，收集监测数据并通过汇聚节点上报给用户节点。与其他无线通信网络相比，WSN有其自身显著的特点。大规模性：传感器网络的大规模性分为两种含义，一种是在某些很大面积的监测区域内部署传感器节点，如森林、山地等区域为了监控火灾或进行其他环境监测活动；另一种是在面积有限的区域内部署大密度的传感器节点。自组织性：WSN是一种分布式自组织的无线网络，它没有中心控制管理，是由对等节点构成的网络。这种分布式结构可以更好的适应网络的变化，在网络发生变化时可以自动进行配置和管理，灵活性和实用性较强。路由多跳性：由于WSN的监测范围很大，传感器节点间数据传输距离会很

无线传感器网络概述

无线传感器网络概述 1科技发展的脚步越来越快，人类已经置身于信息时代，作为信息获取最重要和最基本的技术——传感器技术，得到了极大的发展。 2目前无线网络可分为两种:一种是有基础设施的网络,需要固定基站,例如我们使用的手机，属于无线蜂窝网，它就需要高大的天线和大功率基站来支持，基站就是最重要的基础设施；另外，使用无线网卡上网的无线局域网，由于采用了接入点这种固定设备，也属于有基础设施网。另一类是无基础设施网，又称为无线Ad hoc网络,节点是分布式的，没有专门的固定基站。无线Ad hoc网络又可分为两类: 一类是移动Ad hoc网络(Mobile Ad hoc Network,简称MANET)，它的终端是快速移动的。一个典型的例子是美军101空降师装备的Ad hoc网络通信设备，保证在远程空投到一个陌生地点之后，在高度机动的装备车辆上仍然能够实现各种通信业务，而无需借助外部设施的支援。另一类就是我们讲的无线传感器网络,它的节点是静止的或者移动很慢。 3传感器网络的标准定义是这样的：传感器网络是大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，其目的是协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内感知对象的监测信息，并报告给用户。它的英文是Wireless Sensor Network, 简称WSN。如图所示，大量的传感器节点将探测数据，通过汇聚节点经其它网络发送给了用户。在这个定义中，传感器网络实现了数据采集、处理和传输的三种功能，而这正对应着现代信息技术的三大基础技术，即传感器技术、计算机技术和通信技术。 4它们分别构成了信息系统的“感官”、“大脑”和“神经”三个部分。因此说，无线传感器网络正是这三种技术的结合，可以构成一个独立的现代信息系统。 5第一阶段：最早可以追溯二十世纪70年代越战时期使用的传统的传感器系统。当年美越双方在密林覆盖的“胡志明小道”进行了一场血腥较量，这条道路是胡志明部队向南方游击队源源不断输送物资的秘密通道，美军曾经绞尽脑汁动用航空兵狂轰滥炸,但效果不大。后来，美军投放了2万多个“热带树”传感器。所谓“热带树”实际上是由震动和声响传感器组成的系统，它由飞机投放，落地后插入泥土中，只露出伪装成树枝的无线电天线，因而被称为“热带树”。只要对方车队经过，传感器探测出目标产生的震动和声响信息，自动发送到指挥中心，美机立即展开追杀，总共炸毁或炸坏4.6万辆卡车。这种早期使用的传感器系统的特征在于传感器节点只产生探测数据流，没有计算能力，并且相互之间不能通信。 6第二阶段是二十世纪80年代至90年代之间。主要是美军研制的分布式传感器网络系统、海军协同交战能力系统、远程战场传感器系统等。这种现代微型化的传感器具备感知能力、计算能力和通信能力。因此在1999年，商业周刊将传感器网络列为21世纪最具影响的21项技术之一。 7第三阶段：21世纪开始至今。也就是本课开始介绍的911事件发生之后。这个阶段的传感器网络技术特点在于网络传输自组织、节点设计低功耗。除了应用于情报部门反恐活动以外，在其它领域更是获得了很好的应用，所以2002年美国国家重点实验室－－橡树岭实验室提出了“网络就是传感器”的论断。由于无线传感网在国际上被认为是继互联网之后的第二大网络，2003年美国《技术评论》杂志评出对人类未来生活产生深远影响的十大新兴技术，传感器网络被列为第一。在现代意义上的无线传感网研究及其应用方面，我国与发达国家几乎同步启动，它已经成为我国信息领域位居世界前列的少数方向之一。在2006年我国发布的《国家中长期科学

无线传感器网络技术试题及答案

无线传感器网络技术试题及答案一、填空题 1.传感器网络的三个基本要素：传感器、感知对象、用户(观察者) 2.传感器网络的基本功能：协作式的感知、数据采集、数据处理、发布感知信息 3.无线传感器节点的基本功能：采集数据、数据处理、控制、通信 4.传感节点中处理部件用于协调节点各个部分的工作的部件。 5.基站节点不属于传感器节点的组成部分 6.定向扩散路由机制可以分为三个阶段：兴趣扩展阶段、梯度建立阶段、路径加强阶段 7.无线传感器网络特点：大规模网络、自组织网络、可靠的网络、以数据为中心的网络、应用相关的网络 8.NTP时间同步协议不是传感器网络的的时间同步机制。 9.IEEE标准主要包括：物理层。介质访问控制层 10.从用户的角度看，汇聚节点被称为网关节点。 11.数据融合的内容主要包括：多传感器的目标探测、数据关联、跟踪与识别、情况评估和预测 13.传感器网络的电源节能方法：_休眠（技术）机制、__数据融合 14.分布式系统协同工作的基础是时间同步机制

15.无线网络可以被分为有基础设施的网络与没有基础设施的网络，在无线传感器网络，Internet网络，WLan网络，拨号网络中，无线传感器网络属于没有基础设施的网络。 16.传感器网络中，MAC层与物理层采用的是IEEE制定的IEEE 协议 17.分级结构的传感器网络可以解决平面结构的拥塞问题 18.以数据为中心特点是传感器网络的组网特点，但不是Ad-Hoc的组网特点 19.为了确保目标节点在发送ACK过程中不与其它节点发生冲突，目标节点使用了SIFS帧间间隔 20.典型的基于竞争的MAC协议为CSMA 二、选择题 1.无线传感器网络的组成模块分为：通信模块、（）、计算模块、存储模块和电源模块。A A．传感模块模块C网络模块D 实验模块 2..在开阔空间无线信号的发散形状成（）。A A．球状B网络C直线D射线 3.当前传感器网络应用最广的两种通信协议是（）D A. B. C. D.

无线传感器网络安全技术

无线传感网络设计报告题目无线传感器网络安全设计报告人指导老师二○一六年十二月无线传感器网络安全技术摘要：针对目前库在未来的几十年里，传感器网络作为首要的技术的出现给许多研究拘束人员带来了很多挑战。这些传感器网络由大量的同质节点，这些节点可以用来限制计算机的资源。现实生活中的很多应用在传感器网络的研究文献中被提出来。当传感器网络部署在一个意想不到的或敌对的环境中，安全问题成为一个重要的关注点，因为这些安全问题都来自不同类型的恶意攻击。在本文中，我们目前的关于无线传感器网络安全问题的调查、网络受到的攻击还有相应的对策以及对未来工作范围的都有了很好结论和概述。关键字：无线传感器网络；安全；威胁；危险 1 引言传感器网络监控物理或环境条件如温度、声音、压力、湿度等。传感器网络由大量的低功率、低成本的智能设备与极端的资源约束。每个设备是称为传感器节点,每个节点连接到一个有时几个传感器节点。它具有无线通信的能力和一些情报信号处理和数据网络。这些传感器节点通常是在各种随机方向地区收集数据、过程数据并将其传递给中央节点进行进一步处理。每个传感器节点由三个子系统组成:传感器子系统、处理子系统和通信子系统。传感器子系统用于传感环境。处理子系统用于执行当前计算数据感知和负责通信子系统与邻近的传感器节点的信息交换。

传感器网络在许多应用程序中使用。这些应用程序包括： 1)军事应用,如监测出对方是否是友好的和设备、军事影院或战场监测、核、生物和化学攻击检测。 2)环境应用程序等小气候、森林火灾探测、精确农业和洪水检测。 3)应用程序,如跟踪和健康监控，医生对在医院的病人进行药物生理数据的管理、远程监控。 4)家庭应用,如食品自动化的环境,自动抄表等。 5)环境等商业应用控制在工业办公楼和车辆跟踪和检测、库存控制、交通流监测[1]。 2 传感器节点的体系结构传感器节点是无线传感器的重要组成部分。通过网络可以收集传感器和执行一些计算的信息和其他结果网络中连接节点沟通。图1:传感器节点的体系结构传感器节点由以下部分组成: a:控制器它是传感器节点的大脑。它的功能是控制其它部分的传感器节点。它能够处理数据执行任务。由于其低成本,灵活地连接到其他设备,方便编程和低功耗主要在传感器微控制器作为控制器比通用微控制器节点(数字信号桌面处理器,处理器)。 b .收发器无线传输介质可以像无线电频率(RF),光学(激光)和红外通信以不同的方式。激光有优势它只需要更少的能量,但主要缺点是它大气状况更为敏感。红外是也是一个不错的选择,但它广播有限能力。所以大部分的基础是基于射频通信。收发器的主要功能能够作为发射机和接收机。 c .外部存储器由于成本和存储容量,使用闪存。 d .电源电源是最重要的一个单位例如单电池可能是有限的。有些支持清除设备(如太

无线传感器网络综述.

无线传感器网络综述李烨张旗黄晓霞摘要随着“感知中国”、“智慧地球”等战略性的课题提出,无线传感网络的核心技术与标准将成为各国争相研究的热点。在无线传感网络中,低功耗是最核心的问题。本文以降低节点的通信能耗和延长网络寿命为出发点,阐明了通信OSI模型中物理层、数据链路层、网络层以及传输层的低功耗策略与方法。 1 引言无线自组织传感器网络被认为是新世纪最重要的技术之一。无线传感器网络应用前景非常广阔,能够广泛应用于军事、环境监测和预报、健康护理、智能家居、建筑物状态监控、城市交通、大型车间和仓库管理,以及机场、大型工业园区的安全监测等领域。随着“感知中国”、“智慧地球”等国家战略性的课题提出,传感器网络技术的发展对整个国家的社会与经济,甚至人类未来的生活方式都将产生重大意义。最近二十年间,以互联网为代表的计算机网络技术给世界带来了深刻变化,然而,网络功能再强大,网络世界再丰富,终究是虚拟的,与现实世界还是相隔的。互联网必须与传感网络相结合,才能与现实世界相联系。集成了传感器、微机电系统和网络三大技术的新型传感网络(又称物联网,是一种全新的信息获取和处理技术,其目的是让物品与网络连接,使之能被感知、方便识别和管理。物联网用途广泛,遍及智能交通、环境保护、政府工作、公共安全、平安家居、智能消防、工业监测、老人护理、个人健康等多个领域。物联网被称为继计算机、互联网之后,世界信息产业的第三次浪潮。业内专家认为,物联网一方面可以提高经济效益,大大节约成本;另一方面可以为全球经济的复苏提供技术动力。目前,美国、欧盟、中国等都在投入巨资深入研究探索物联网。我国高度关注与重视物联网的研究,工业和信息化部会同有

无线传感器网络攻击与防范_刘勇

本栏目责任编辑：冯蕾无线传感器网络攻击与防范刘勇，侯荣旭（沈阳工程学院计算中心，辽宁沈阳110136）摘要：无线传感器网络安全机制的研究一直是传感器网络的研究热点，该文主要介绍了无线传感器网络各层的攻击方式以及各个攻击方式的防范措施。关键词：无线传感器网络；安全；攻击；防范中图分类号：TP393文献标识码：A 文章编号：1009-3044(2013)35-7927-02 Wireless Sensor Network Attack and Prevention LIU Yong,HOU Rong-xu (Computer Center,Shenyang Institute of Engineering,Shenyang 110136,China) Abstract:The security mechanism research of wireless sensor network has been a hot research topic of sensor networks,this pa?per mainly introduces the wireless sensor network attack means of each layer and the preventive measures against various attacks. Key words:Wireless Sensor Networks;security;attack;prevention 无线传感器网络(wireless sensor networks)是结合传感器技术、计算和通信的产物，并作为一种全新的信息获取和处理技术在国际上备受关注。由于现代科学的通讯技术和微型制造技术的不断提高，致使传感器不但具有感应外界环境的能力，而且还有独立处理信息和无线通讯的能力，外观上也变得越来越小。无线传感器网络属于自组织多跳式的网络，它可以在一定范围内自行组建网络，一个终端节点可以通过多条路径把信息传送到另一个节点。无线传感器网络通常适用于通讯距离较短和功率较低的通信技术上，但由于传感器网络自身的一些特性，致使其更容易遭受到各种形式的攻击。因此，无线传感器网络的安全面临着巨大挑战。 1无线传感器网络攻击与防范无线传感器网络要想进入实际应用，安全因素是必须要考虑的，这样就需要可行的安全机制。作为一种特殊的Ad-hoc 网络，无线传感器网络又具有自组网络的多跳性、无中心性和自组织性等独特的特征，所以现有的网络安全机制没有办法用到本领域上。鉴于无线传感器网络面临的诸多威胁，并针对网络安全性能要求，下面我们将对无线传感器网络进行分层分析。 1.1物理层的攻击与防范物理层的攻击包括物理破坏、信息泄露和拥塞攻击。由于无线传感器网络所处的环境比较恶劣，通常使用者没有办法进行现场监控，所以攻击者就可以利用这一特点轻易对该节点进行破坏或者进一步对节点进行内存重写以甚至替代该节点的攻击。又由于攻击者可以轻易监听暴露在物理空间上的无线信号，这样就造成信息的泄露。再者，攻击者还可以通过在无线传感器网络工作的频段上不断发射无用信号，致使该节点不能正常工作，如果这种攻击节点的密度达到一定程度时，就可以使得整个网络处于拥塞状态而无法进行正常工作。物理层防范的关键之处在于建立有效的数据加密机制，因为传感器节点在计算能力和存储空间上有一定的局限性限，所以，轻量级的对称加密算法可以有效地被采用，同时非对称密钥加密系统也在探索之中，例如基于椭圆曲线的密钥系统。再者，扩频或者跳频技术也可以有效抵抗电波干扰。 1.2链路层的攻击和防范数据链路层的攻击包括耗尽攻击、碰撞攻击和链路层DOS 攻击：攻击者可以利用无线传感器网络协议存在的漏洞，持续向一个节点发送数据包，最后使其忙于处理这些无意义的数据包而耗尽资源，从而令合法用户无法访问，这种攻击叫做耗尽攻击。而防止耗尽攻击的方法有限制节点的发送次数和在协议上设置重发次数的上限值等等。攻击者还可以利用数据链路层的媒体接入机制的漏洞进行传输数据包，从而进行碰撞攻击，这会使正常的数据无法传输，最终耗尽节点的能量资源，而防止碰撞攻击可以采用纠错编码、信道监听等手段来完善链路层的协议，具体为，先采用信道监听和重传机制来防止恶意节点数据包的碰撞攻击，再进行控制MAC 层的接入，使网络自动把过多的请求进行忽略，这样就可以不必对每个请求都应答，节省了通信的开销。攻击者还可以利用恶意节点或者被俘节点来不断在网络上发送高优先级的数据包来占据信道，导致其他节点无法传送正常的数据，这种DOS 攻击不但可以存在于数据链路层，还可以存在于物理层、网络层和传输层，对于DOS 攻击，可以采用短包策略或者弱化优先级之间的差异的方法来防止恶意节点发送的高优先级的数据包。 1.3网络层的攻击和防范在无线传感器网络中，传感器节点大都密集分布在一个区域中，信息需要若干节点的传送才能到达目的地，又因为传感器网收稿日期：2013-09-20 作者简介：刘勇（1973-），男，辽宁沈阳人，高级实验师，硕士，主要研究方向为网络研究。 7927

无线多媒体传感器网络综述

多媒体传感器网络综述摘要：随着监测环境的日趋复杂多变，无线多媒体传感器网络应运而生，作为一种全新的信息获取和处理技术，多媒体传感器网络较之传统传感器网络更多地关注于音频、视频、图像等大数据量、大信息量媒体的采集与处理,在军事、民用及商业领域中具有广阔的应用前景。关键词：多媒体传感器网络体系结构特点关键技术 0.引言随着监测环境的日趋复杂多变，传统无线传感器网络所获取的简单数据愈加不能满足人们对环境监测的全面需求，迫切需要将信息量丰富的图像、音频、视频等媒体引入到以传感器网络为基础的环境监测活动中来，实现细粒度、精准信息的环境监测。由此，无线多媒体传感器网络(wireless multimedia sensor networks，WMSNs)应运而生[1]。多媒体传感器网络是由一组具有计算、存储和通信能力的多媒体传感器节点组成的分布式感知网络，它借助于节点上多媒体传感器感知所在周边环境的多种媒体信息(音频、视频、图像、数值等)，通过多跳中继方式将数据传到信息汇聚中心，汇聚中心对监测数据进行分析，实现全面而有效的环境监测[2]。 1.多媒体传感器网络体系结构一个典型的多媒体传感器网络通常由多媒体传感器节点(multimedia sensor)、汇聚节点(sink node)、控制中心(control center)等。多媒体传感器节点散布在指定的感知区域内。其采集的数据沿着其他多媒体传感器节点逐跳进行传输，经过“多跳”路由传送节点，最后通过Internet网络或通信卫星到达控制中心。用户通过控制中心对传感器网络进行配置和管理。发布监测任务以监测数据，如图l所示[2, 3]。

无线传感器网络综述

无线传感器网络综述李烨　张旗　黄晓霞摘?要?随着“感知中国”、“智慧地球”等战略性的课题提出，无线传感网络的核心技术与标准将成为各国争相研究的热点。在无线传感网络中，低功耗是最核心的问题。本文以降低节点的通信能耗和延长网络寿命为出发点，阐明了通信OSI模型中物理层、数据链路层、网络层以及传输层的低功耗策略与方法。 ? 1?引言无线自组织传感器网络被认为是新世纪最重要的技术之一。无线传感器网络应用前景非常广阔，能够广泛应用于军事、环境监测和预报、健康护理、智能家居、建筑物状态监控、城市交通、大型车间和仓库管理，以及机场、大型工业园区的安全监测等领域。随着“感知中国”、“智慧地球”等国家战略性的课题提出，传感器网络技术的发展对整个国家的社会与经济，甚至人类未来的生活方式都将产生重大意义。最近二十年间，以互联网为代表的计算机网络技术给世界带来了深刻变化，然而，网络功能再强大，网络世界再丰富，终究是虚拟的，与现实世界还是相隔的。互联网必须与传感网络相结合，才能与现实世界相联系。集成了传感器、微机电系统和网络三大技术的新型传感网络(又称物联网)，是一种全新的信息获取和处理技术，其目的是让物品与网络连接，使之能被感知、方便识别和管理。物联网用途广泛，遍及智能交通、环境保护、政府工作、公共安全、平安家居、智能消防、工业监测、老人护理、个人健康等多个领域。物联网被称为继计算机、互联网之后，世界信息产业的第三次浪潮。业内专家认为，物联网一方面可以提高经济效益，大大节约成本；另一方面可以为全球经济的复苏提供技术动力。目前，美国、欧盟、中国等都在投入巨资深入研究探索物联网。我国高度关注与重视物联网的研究，工业和信息化部会同有关部门，在新一代信息技术方面正在开展研究，以形成支持新一代信息技术发展的政策措施。2009年8月7日，温家宝总理在江苏无锡调研时，对微纳传感器研发中心予以高度关注。温家宝总理指出“在传感网发展中，要早一点谋划未来，早一点攻破核心技术”，“在国家重大科技专项中，加快推进传感网发展”，“尽快建立中国的传感信息中心，或者叫‘感知中国’中心”。随着美国“智慧地球”计划的提出，物联网已成为各国综合国力较量的重要因素。美国将新型传感网技术列为“在经济繁荣和国防安全两方面至关重要的技术”。加拿大、英国、德国、芬兰、意大利、日本和韩国等加入传感网的研究，欧盟将传感网技术作为优先发展的重点领域之一。据Forrester等权威机构预测，下一个万亿级的通信业务将是传感网产业，到2020年，物物互联业务与现有人人互联业务之比将达到30:1。图1?物联网示例图在物联网这个全新产业中，我国的技术研发水平处于世界前列，具有重大的影响力。“与计算机、互联网产业不同，中国在‘物联网’领域享有国际话语权！”早在1999年，中科院就启动了传感网研究，由其提出的传感网络体系架构、标准体系、演进路线、协同架构等代表传感网络发展方向的顶层设计已被ISO/IEC国际标准认可。目前，我国传感网络研究已形成以应用为驱动的特色发展路线，在技术、标准、产业、规模和应用与服务等方面进入了世界领先

传感器网络综述

内部刊物信息技术快报Information Technology Letter 2005年第3卷第12期(总第31期) 出版日期: 2005年12月6日一基于关系数据流模型的网络入侵检测系统 (1) 二网络安全—可生存性研究及网络建模 (11) 三传感器网络综述 (24) 四《知识网格》书评 (37) 中国计算机学会赠阅会员刊物

基于关系数据流模型的网络入侵检测系统谭建龙沈星星王映摘要数据流管理系统（data stream management system DSMS）是处理动态数据集合的一种数据管理技术，采用数据流模型对网络入侵检测系统(Network Intrusion Detection System-NIDS)进行设计，可以利用数据流中多持续查询优化的技术，提高网络入侵检测系统的性能。同时使用关系数据流模型可以让入侵检测系统结构更加清晰，扩展性更好。文章描述网络数据的关系结构化，入侵检测特征的关系查询表示以及过滤型多持续查询优化技术。这个系统可以认为是数据流管理系统的一个应用系统，体现了一些数据流管理的概念和核心技术，对设计和实现通用的数据流管理系统具有一定借鉴意义。本文将重点围绕数据流查询（continue query）的编译优化、数据流管理技术和网络安全应用的关系进行分析。 1 数据流管理系统的功能数据流管理技术是处理相对固定不变的大量查询和源源不断的流动数据的技术。而网络信息安全是解决对网络信息的分发、通讯、管理的问题。由于网络信息是典型的源源不断的数据流，同时有很多网络信息安全应用系统是采用大量查询方式，对这些网络数据流进行处理。所以网络信息安全是数据流管理研究的一个很好的典型应用。这个安全应用必须不间断无延迟地处理在线、持续的高速网络数据流，且网络数据不可能全都保存在外部存储器中。我们的研究就是基于持续查询概念，采用数据流管理系统作为流数据处理平台，将其应用到网络安全监控系统中去。我们实现了一个基于数据流处理模型的网络安全事件监控系统IceNetwork。在这个系统中，数据流管理平台通过优化执行注册于系统中的大量持续查询，对连续网络流进行过滤等操作，完成各种安全事件的监测与报警，从而有效地支持了监控系统的实时性，准确性与灵活性要求。本文以建立一个网络入侵检测技术系统为案例，采用基于数据流管理技术的思想，来开展数据流核心技术的研究。希望能把工程中的核心问题，转换为数据流管理研究领域的通用问题。 1.1 数据流管理系统的功能数据流管理系统[1]是为流动数据管理建立的统一平台。在数据库管理中，数据是相对静态的，查询是动态的；而在数据流管理中，查询是相对静态的，数据是动态的。也就是说数据库技术主要研究对数据在外存（磁盘）上的存储索引和一次查询的执行技术，而数据流管理技术主要研究数据在内存中的存储索引和多个执行查询（continue query）[2]的执行技术。数据库管理的一个核心问题是为了高效的查询，如何建立数据对象的索引，而数据流管理技术的核心问题是如何管理这些检索条件和操纵程序，研究如何为实现高效的大量查询进行编译的技术。 1.2 网络入侵检测系统为了防范计算机被入侵，入侵检测系统应运而生。所谓入侵检测，就是通过从计算机网络或计算机系统中的若干关键点收集信息并对其进行分析，发现网络或系统中是否有违反安全策略的行为和遭到袭击的迹象，并对此做出适当反应的过程。根据入侵检测系统部署的位置以及网络数据的来源，入侵检测系统可以分为两类：主机入侵检测系统(HIDS1)和网络入侵检测系统(NIDS)。其中HIDS 部署于单个主机，收集所有进入本主机的数据，加以分析检测。而NIDS部署于一个子网的出入口，以进出子网的网络包做为分析数据源。通常利用一个工作在混杂模式下的网卡来实时监视并分析通过网络的数据流。其分析模块通常使用模式匹配、统计分析等技术来识别攻击行为。一旦检测到了攻击行为，NIDS的响应模块就作出适当的响应，比如报警、切断相关用户的网络连接等。由于NIDS采用在关键节点集中监测的方式，能够监控整个子网，并且对于子网内单个主机来说是透明的，因此部署起来比HIDS方便得多。随着越来越多的单位和企业采用以太网的局域网组网方式，NIDS得到了广泛的应用。NIDS的主要检测手段是模式匹配，这里说的“模式”是指，网络数据包的头部信息或者载荷中的数据满足的特定条件，网络安全领域把能够判定一个入侵的一组特征条件叫做“特征(Signature)”。 Snort[3]是一个成熟的、被广泛使用的、开放源代码网络入侵检测系统，它的有效性已经得到时间的验证。它具有一个可配置的特征库(因为它的每一个特征对应于一条规则，我们也把它的特征库称为规则库)，最新版本的Snort规则库包含了约2300条常见网络入侵的检测规则。图1为Snort2.0中检测引擎的工作流程图。 1 Host Intrusion Detection System

无线传感网络概述

无线传感网络概述学号031241119姓名魏巧班级0312411 一、无线传感器网络（WSN）的定义：无线传感器网络（WSN）是指将大量的具有通信与计算能力的微小传感器节点，通过人工布设、空投、火炮投射等方法设置在预定的监控区域，构成的“智能”自治监控网络系统，能够检测、感知和采集各种环境信息或检测对象的信息。二、传感器的节点分布及通信方式：由于传感器节点数量众多，布设时智能采用随机投放的方式，传感器节点的位置不能预先确定。节点之间可以通过无线信道连接，并具有很强的协同能力，通过局部的数据采集、预处理以及节点间的数据交互来完成全局任务，同时节点之间采用自组织网络拓扑结构。由于传感器节点是密集布设的，因此节点之间的距离很短，在传输信息方面多跳（multi—hop）、对等（peer to peer）通信方式比传统的单跳、主从通信方式更适合在无线传感器网络中使用，例如：使用多跳的通信方式可以有效地避免在长距离无线信号传播过程中遇到的信号衰落和干扰等各种问题。三、WSN运行的环境： 1、WSN可以在独立封闭的环境下（如局域网中）运行。 2、WSN也可以通过网关连接到网络基础设施上（如Internet）。在这种情况中，远程用户可以通过Internet 浏览无线传感器网络采集的信息。四、无线数据网络的定义及无线自组网络的特点：主流的无线网络技术，如IEEE 802.11、Bluetooth都是为了数据传输而设计的，我们称之为无线数据网络。目前，无线数据网络研究的热点问题就是无线自组网络技术，这项技术可以实现不依赖于任何基础设施的移动节点在短时间内的互联。特点有如下几点：（1）无中心和自组性（优点）：无线自组网络没有绝对的控制中心，网络中节点通知分布式的算法来协调彼此的行为，这种算法无需人工干预和其他预置网络设施就可以在任何时刻任何地方快速展开并自动组网。（2）动态变化的网络拓扑（缺点）：移动终端能够以任意速度和方式在网中移动，在通过无线信道形成的网络拓扑随时可能发生变化。（3）受限的无线传输带宽（缺点）：无线自组网络采用无线传输技术作为底层通信手段，由于无线信道本身的物理特性，它所能提供的网络带宽相对有线信道要低得多。（4）移动终端的能力有限（缺点）：虽然无线自组网络中移动终端携带方便，轻便灵巧，但是也存在固有缺陷，例如：能源受限，内存较小，CPU性能较低等（5）多跳路由（优点）：由于节点发射功率限制，节点覆盖范围有限。因此当它要与其覆盖范围之外的节点进行通信时，需要中间节点的转发。其中转发是由普通节点协作完成的，并不是由专用的路由设备完成的。（6）安全性较差（缺点）：无线自组网络由于采用无线信道、有限电源、分布式控制等技术，使它更容易受到被动窃听、主动入侵、拒绝服务，剥夺“睡眠”等网络攻击。

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