第一篇：無線傳感器網絡綜述(網安).

2008.2 80 網絡安全技術與應用 無線傳感器網絡綜述 唐啟濤

陶滔

南華大學計算機科學與技術學院

湖南

421001 摘要:本文介紹了無線傳感器網絡的概念、特點、通信結構及其安全需求,并對其應用過程中可能遇到的攻擊方式和相 應的抵御方法做了簡單介紹。指出了無線傳感器網絡今后的研究方向及最新研究動態。

關鍵詞:無線傳感器網絡;網絡協議棧;傳感器節點;多跳路由 0

引言

近年來隨著傳感器、計算機、無線通信及微機電等技術 的發展和相互融合,產生了無線傳感器網絡(WSN, wireless sensor networks。無線傳感器網絡技術與當今主流無線網絡 技術使用同一個標準——802.15.14, 它是一種新型的信息獲 取和處理技術。無線傳感網絡綜合了嵌入式計算技術、傳感 器技術、分布式信息處理技術以及通信技術,能夠協作地實時 監測、感知和采集網絡分布區域內的不同監測對象的信息。它的應用極其廣泛, 當前主要應用于國防軍事、智能建筑、國 家安全、環境監測、醫療衛生、家庭等方面。

無線傳感器網絡系統(WSNS, wireless sensor networks system通常由傳感器節點、聚節點和管理節點組成。它的結 構圖如圖1。傳感器節點負責將所監測的數據沿著其他傳感器 節點逐跳地進行傳輸, 經過多跳路由, 然后到達匯聚節點, 最 后通過衛星或者互聯網到達管理節點, 然后, 用戶1通過管理 節點對傳感器網絡進行管理, 發布監測任務及收集監測數據。通過無線傳感器網絡可以實現數據采集、數據融合、任務的 協同控制等。

圖

1無線傳感網絡系統結構圖 1

無線傳感器網絡特點

目前常見的無線網絡包括移動通信網、Ad Hoc 網絡、無 線局域網、藍牙網絡等,與這些網絡相比,無線傳感器網絡 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 節點的 信號處理能力、計算能力有限,在程序空間和內存空間上與 普通的計算機相比較,其功能更弱。

(2電源容量有限

由于受到硬件條件的限制,網絡節點通常由電池供電, 電池能量有限。同時,無線傳感網絡節點通常被放置在惡劣 環境或者無人區域,使用過程中,不能及時給電池充電或更 換電池。

(3無中心

無線傳感器網絡中沒有嚴格的中心節點,所有節點地位平等,是一個對等式網絡。每一個節點僅知道自己鄰近節點 的位置及相應標識,無線傳感器網絡利用相鄰節點之間的相 互協作來進行信號處理和通信,它具有很強的協作性。

(4自組織

網絡的布設和展開不需要依賴于任何預設的網絡設備, 節點通過分層協議和分布式算法協調各自的監控行為,節點 開機后就可以快速、自動地組成一個獨立的無線網絡。

(5多跳路由

在無線傳感器網絡中,節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點進行數據通信,則需要 通過中間網絡節點進行路由。無線傳感器網絡中的多跳路由 是由普通網絡節點來完成的,沒有專門的路由設備。

(6動態拓撲

無線傳感器網絡是一個動態的網絡,節點能夠隨處移 動;一個節點可能會因為電池能量用完或其他故障原因,退 出網絡運行;一個節點也可能由于某種需要而被添加到當前 網絡中。這些都會使網絡的拓撲結構發生變化,因此無線傳

感器網絡具有動態拓撲組織功能。(7節點數量多,分布密集

為了對一個區域執行監測,往往需要很多的傳感器節點 被放置到該區域。傳感器節點分布非常密集,通常利用節點 之間高度連接性來保證系統的抗毀性和容錯性。

2無線傳感器網絡協議棧

無線傳感器網絡協議棧由以下五部分組成:物理層、數 據鏈路層、網絡層、傳輸層、應用層,與互聯網協議棧的五 層協議相對應,其結構如圖

2。

作者簡介:唐啟濤(1982-,男,南華大學計算機科學與技術學院 2006級碩士研究生,研究方向:計算機網

絡與信安全。陶滔(1969-,男,網絡教研室主任、副教授,碩士生導師,研究方向:計算機網絡安全。2008.2

網絡安全技術與應用 圖

2無線傳感器網絡協議棧 2.1物理層

物理層主要負責感知數據的收集,并對收集的數據進行 采樣、信號的發送和接收、信號的調制解調等任務。在物理 層中的主要安全問題是建立有效的數據加密機制。由于對稱 加密算法的局限性,它不能在 WSN 中很好的發揮作用,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.數據鏈路層

數據鏈路層主要負責媒體接入控制和建立網絡節點之間 可靠通信鏈路,為鄰居節點提供可靠的通信通道,主要由介 質訪問控制層組成。介質訪問控制層使用載波監聽方式來與 鄰節點協調使用信道,一旦發生信道沖突,節點使用相應的 算法來確定重新傳輸數據的時機。無線傳感器網絡的介質訪 問控制協議通常采用基于預先規劃的機制來保護節點的能量。

2.3網絡層

網絡層的主要任務是發現和維護路由。正常情況下,無 線傳感器網絡中的大量傳感器節點分布在一個區域里,消息 可能需要經過多個節點才能到達目的地,且由于傳感器網絡 的動態性,使得每個節點都需要具有路由的功能。節點一般 采用多跳路由連接信源和信宿。

2.4傳輸層

由于無線傳感器網絡節點的硬件限制,節點無法維持端到 端連接的大量信息傳輸,而且節點發送應答消息也會消耗大量 能量,因而,目前還沒有成熟的關于傳感器節點上的傳輸層 協議的研究。匯聚節點只是傳感器網絡與外部網絡的接口。

2.5應用層

應用層主要負責為無線傳感器網絡提供安全支持,即實 現密鑰管理和安全組播。無線傳感器網絡的應用十分廣泛, 其中一些重要的應用領域有:軍事方面,無線傳感器網絡可 以布置在敵方的陣地上,用來收集敵方一些重要目標信息, 并跟蹤敵方的軍事動向:環境檢測方面,無線傳感器網絡能 夠用來檢測空氣的質量,并跟蹤污染源;民用方面,無線傳 感器網絡也可用來構建智能家居和個人健康等系統。

3安全性需求

基于無線傳感器網絡的特殊性,形成了與其他網絡系統不 同的網絡安全特性, 并能直接應用到實際的無線傳感網絡中。歸納為以下幾個方面: 3.1魯棒性

傳感器網絡一般被放置在惡劣環境、無人區域或敵方陣 地中,環境條件、現實威脅和當前任務具有不確定性,它需 要設計具有抵抗節點故障的機制。一種常用方法是部署大量 節點。網絡協議應該具有識別發生故障的相鄰節點的能力, 并根據更新的拓撲進行相應的調節。

3.2擴展性

WSN 節點會隨著環境條件的變化或惡意攻擊或任務的變 化而發生變化,從而影響傳感器網絡的結構。同時,節點的 加入或失效也會導致網絡的拓撲結構不斷變化,路由組網協 議和 W S N S 必須適應 W S N 拓撲結構變化的特點。

3.3機密性

傳感器網絡在數據傳輸過程中,應該保證不泄露任何敏 感信息。應用中,通過密鑰管理協議建立的秘密密鑰和其他 的機密信息,必須保證只對授權用戶公開。同時,也應將因 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 個網絡的安全。解決數據機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數據認證

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

3.5數據完整性

在網絡通信中,數據的完整性用來確保數據在傳輸過程 中不被敵方所修改,可以檢查接收數據是否被篡改。根據不 同的數據種類,數據完整性可分為三類:選域完整性、無連 接完整性和連接完整性業務。

3.6

數據更新

表示數據是最新的,是沒有被敵手侵入過的舊信息。網絡 中有弱更新和強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 能夠按預先設定的工作方式向合法的系統用 戶提供信息訪問服務,然而,攻擊者可以通過信號干擾、偽 造或者復制等方式使傳感器網絡處于部分或全部癱瘓狀態, 從而破壞系統的可用性。

3.8

訪問控制

W S N 不能通過設置防火墻進行訪問過濾;由于硬件受 限, 也不能采用非對稱加密體制的數字簽名和公鑰證書機制。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制。

4攻擊方式及采取的相應措施

無線傳感網絡可能遭遇多種攻擊。攻擊者可以直接從物

2008.2 82 網絡安全技術與應用 理上將其破壞。另一方面,攻擊者可以通過操縱數據或路由 協議報文,在更大范圍內對無線傳感網絡進行破壞。具體的 攻擊類別如下: 4.1欺騙、篡改或重發路由信息

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,把自己偽裝成發送路由請求的基站節點, 使全網范圍內的報文傳輸被吸引到某一區域內,致使各傳感 器節點之間能效失衡。對于這種攻擊方式的攻擊,通常采用 數據加密技術抵御。

4.2選擇轉發攻擊

攻擊者在俘獲傳感器節點后,丟棄需要轉發的報文。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 應轉發的報文,從而迷惑鄰居傳感節點。通常采用多路徑路 由選擇方法抵御選擇性轉發攻擊。

4.3DoS拒絕服務攻擊

攻擊者通過以不同的身份連續向某一鄰居節點發送路由 或數據請求報文,使該鄰居節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 點更快到達基站的路由,以此吸引附近的傳感器以其為父節 點向基站轉發數據。污水池攻擊“調度”了網絡數據報文的 傳輸流向,破壞了網絡負載平衡。可以采用基于地理位置的 路由選擇協議抵御污水池攻擊。

4.5告知收到欺騙攻擊

當攻擊點偵聽到某個鄰居節點處于將失效狀態時,冒充 該鄰居節點向源節點反饋一個信息報文, 告知數據已被接受。使發往該鄰居節點的數據報文相當于進了“黑洞”。可以調控 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識的節點。當通過該節點 的一條路由破壞時,網絡會選擇另一條完全不同的路由,由 于該節點的多重身份,該路由可能又通過了該攻擊點。它降 低了多經選路的效果。針對這種攻擊方式,可以采用鑒別技 術抵御。

5今后的研究方向

目前,有關傳感器網絡的研究還處于初步階段,由于無 線傳感網絡的體系結構和模型沒有形成最后的標準,無線傳 感器網絡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一步研究的問題。

5.1安全的異常檢測和節點廢除

在傳感器網絡中,由于被盜用節點對網絡非常有害,因 而希望能即時檢測和廢除被盜用節點。Chan 提出使用分布式

投票系統來解決這個問題。5.2

安全路由

安全的路由協議應允許在有不利活動的情況下,繼續保 持網絡的正常通信。傳感器網絡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計來實現。如何設計一種高 效、安全的路由有待進一步的研究。

5.有效的加密原語

Perrig 提出了 SPINS 協議族, 通過該協議, 使用有效的 塊加密,對于不同塊進行不同的加密操作。Karlof

設計了 TinySec,在效率與安全性之間折中。在密鑰建立和數字簽名 時,如何使用有效的非對稱加密機制,是一個值得進一步研 究的方向。

5.4入侵檢測問題

在數據認證和源認證之前,有必要設計相應的方案來確 認通信方是不是惡意節點。目前有些無線傳感網絡都是假設 網絡節點具有全網惟一標識,這其實是不符合現實的。

5.5傳感器安全方案和技術方案的有機結合

根據 W S N 的特點,其安全解決方案不能設計得過于復 雜,并盡可能的避免使用公鑰算法。如何在不明顯增加網絡 開銷的情況下,使性能和效率達到最佳,并設計出相應的協 議和算法有待于進一步的研究。

5.6

管理和維護節點的密鑰數據庫

在傳感器網絡中,每個節點需要維護和保持一個密鑰數據 庫。在網絡節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地維護和管理數據庫需要進一步的研究。

6總結

無線傳感器網絡在軍事和民用領域都有著廣泛的潛在用 途,是當前技術研究的熱點。本文從無線傳感器網絡的特點、無線傳感網絡的協議棧、安全需求、可能受到的安全攻擊及 相應的防御方法及今后有待進一步研究的問題等方面對目前 國內外開展的研究進行了較為系統的總結,有助于了解當前無 線傳感器網絡研究進展及現狀。

參考文獻

[1]Prtra JC,PalR N.A functional link artificial neural network foradaptive c hannel e qualization[J].Signal P rocessing.1995.[2]PasqualeArpaia,Pasquale Daponte,DomcaicoGrmi ald,i et a.l ANN-Based Error Reduction for Expermi entally Modeled Sensors [J].IEEE Trans.on Instrumentation andMeasurement.2002.[3]徐麗娜.神經網絡控制[M].哈爾濱:哈爾濱

工業大學出版社.1999.[4]遺傳算法結合FANN實現加速度傳感器動態特性補償[J].計 量學報.2005.[5]郎為民,楊宗凱,吳世忠,譚運猛.無線傳感器網絡安全研究.計 算機科學.2005.

第二篇：無線傳感器網絡實驗報告

桂林電子科技大學

實驗報告

2015 5--2016 6 學年第 一 學期

開 課 單 位

海洋信息工程學院

適用年級、專業

課 程 名 稱

無線傳感器網絡

主 講 教 師

王曉瑩

課 程 序 號

1510344

課 程 代 碼

BS1620009X0

實 驗 名 稱

ns2 實驗環境配置及應用

實 驗 學 時學時

學

號

姓

名

一、

實驗目的1)掌握虛擬機的安裝方法。

2)熟悉 Ubuntu 系統的基本操作方法。

3)掌握 ns2 環境配置。

4)掌握 tcl 語言的基本語句及編程規則。

5)了解使用 ns2 進行網絡仿真的過程。

二、

實驗環境

1)系統：Windows 10 專業版 64 位 2)內存：8G 3)軟件：VMware Workstation 12 Pro 三、實驗內容

((一 一))安裝虛擬機（簡述安裝步驟）

a)在 VMware 官網（https://#allinone 復制到根目錄，解壓到當前位置 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());}

運行 cd./ns-allinone-2.35 運行./install #進行安裝

d)設置環 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%

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

c)運行 test01.tcl，結果如圖：

((五 五))網絡仿真（可以選示例，也可以自己參考資料設計仿真）

((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 %

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

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

通過本次實驗，熟悉掌握了虛擬機 VMware Workstation Pro 的安裝與系統創建安裝使用，熟悉掌握 Ubuntu 系統的基本命令操作，掌握 ns2 環境配置，掌握 tcl 語言的基本語句及編程規則，了解但還尚未能掌握使用 ns2進行網絡仿真的操作。相信之后通過理論與實踐更深的了解熟悉網絡仿真的知識與操作。

第三篇：無線傳感器網絡實驗感想

無線傳感實驗感想

本次實驗我們進行的是無線傳感器網絡綜合實驗。在實驗中，我們小組成員學習了無線傳輸的基本原理，合作完成實驗系統的安裝、調試與數據分析，在這一過程中我受益良多。

無線傳感器網絡系統是基于ZigBee技術。ZigBee技術是一種近距離、低復雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術。主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設備之間進行數據傳輸以及典型的有周期性數據、間歇性數據和低反應時間數據傳輸的應用。

現在無線傳感網絡技術廣泛用于很多方面，如農業物聯網、工業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得到了空前的發展，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，但是沒有創新性和自主研發性，雖然這次的實驗我們大部分也是照著實驗說明書進行連接、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電子專業的學習，努力提高專業素養。

當然實驗中還有注重團隊的協作，我們分工明確，合作愉快，因此更快、更好地完成了實驗。現在的項目工程，憑一己之力幾乎不可能完成，所以企業也十分注重員工的團隊意識，我們想要進入好的企業，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的飛躍。經過這次的實驗，我們整體對各個方面都得到了不少的提高，希望以后學校和系里能夠開設更多類似的實驗，能夠讓我們得到更好的鍛煉。

第四篇：無線傳感器網絡課后習題答案

1-2.什么是無線傳感器網絡? 無線傳感器網絡是大量的靜止或移動的傳感器以自組織和多跳的方式構成的無線網絡。目的是協作地探測、處理和傳輸網絡覆蓋區域內感知對象的監測信息,并報告給用戶。1-4.圖示說明無線傳感器網絡的系統架構。

1-5.傳感器網絡的終端探測結點由哪些部分組成?這些組成模塊的功能分別是什么?(1)傳感模塊（傳感器、數模轉換）、計算模塊、通信模塊、存儲模塊電源模塊和嵌入式軟件系統

(2)傳感模塊負責探測目標的物理特征和現象，計算模塊負責處理數據和系統管理，存儲模塊負責存放程序和數據，通信模塊負責網絡管理信息和探測數據兩種信息的發送和接收。另外，電源模塊負責結點供電，結點由嵌入式軟件系統支撐，運行網絡的五層協議。

1-8.傳感器網絡的體系結構包括哪些部分?各部分的功能分別是什么?

(1)網絡通信協議：類似于傳統Internet網絡中的TCP/IP協議體系。它由物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層和應用層組成。

(2)網絡管理平臺：主要是對傳感器結點自身的管理和用戶對傳感器網絡的管理。包括拓撲控制、服務質量管理、能量管理、安全管理、移動管理、網絡管理等。

(3)應用支撐平臺：建立在網絡通信協議和網絡管理技術的基礎之上。包括一系列基于監測任務的應用層軟件，通過應用服務接口和網絡管理接口來為終端用戶提供各種具體應用的支持。

1-9.傳感器網絡的結構有哪些類型?分別說明各種網絡結構的特征及優缺點。

（1）根據結點數目的多少，傳感器網絡的結構可以分為平面結構和分級結構。如果網絡的規模較小，一般采用平面結構；如果網絡規模很大，則必須采用分級網絡結構。（2）平面結構：

特征：平面結構的網絡比較簡單，所有結點的地位平等，所以又可以稱為對等式結構。優點：源結點和目的結點之間一般存在多條路徑，網絡負荷由這些路徑共同承擔。一般情況下不存在瓶頸，網絡比較健壯。

缺點：①影響網絡數據的傳輸速率，甚至造成網絡崩潰。②整個系統宏觀上會損耗巨大能量。③可擴充性差，需要大量控制消息。分級結構：

特征：傳感器網絡被劃分為多個簇，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絡。簇頭結點負責簇間數據的轉發，簇成員只負責數據的采集。

優點：①大大減少了網絡中路由控制信息的數量，具有很好的可擴充性。②簇頭可以隨時選舉產生，具有很強的抗毀性。

缺點：簇頭的能量消耗較大，很難進人休眠狀態。

1-13.討論無線傳感器網絡在實際生活中有哪些潛在的應用。

(1)用在智能家具系統中，將傳感器嵌入家具和家電中，使其與執行單元組成無線網絡，與因特網連接在一起。(2)用在智能醫療中，將傳感器嵌入醫療設備中，使其能接入因特網，將患者數據傳送至醫生終端。(3)用在只能交通中，運用無線傳感器監測路面、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、性能好。2-7.傳感器的一般特性包括哪些指標? 靈敏度、響應特性、線性范圍、穩定性、重復性、漂移、精度、分辨（力）、遲滯。2-15.如何進行傳感器的正確選型？

1.測量對象與環境：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.頻率響應特性:根據信號的特點選擇相應的傳感器響應頻率，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.穩定性：根據使用環境選擇何時的傳感器或采用適當的措施減小環境影響，盡量選擇穩定性好的傳感器。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、車輛出現和運動方向等。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值。因為這些屬性變量必須對相應的磁場產生變化，一旦磁傳感器檢測出場強變化，則采用一些信號處理辦法，將傳感器信號轉換成需要的參數值。3-2.無線網絡通信系統為什么要進行調制和解調?調制有哪些方法?（1）調制和解調技術是無線通信系統的關鍵技術之一。調制對通信系統的有效性和可靠性有很大的影響。采用什么方法調制和解調往往在很大程度上決定著通信系統的質量。

調制技術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。

解調是將基帶信號從載波中提取出來以便預定的接收者(信宿)處理和理解的過程。（2）根據調制中采用的基帶信號的類型。可以將調制分為模擬調制和數字調制。

根據原始信號所控制參量的不同，調制分為幅度調制、頻率調制和相位調制。3-4.試描述無線傳感器網絡的物理層幀結構。

3-6.根據信道使用方式的不同。傳感器網絡的MAC協議可以分為哪幾種類型? 時分復用無競爭接入方式、隨機競爭接入方式、競爭與固定分配相結合的接入方式。3-7.設計基于競爭的MAC協議的基本思想是什么？

當結點需要發送數據時，通過競爭方式使用無線信道。如果發送的數據產生了碰撞，就按照某種策略重發數據，直到數據發送成功或放棄發送。

3-8.試寫(畫）出CSMA/CA的基木訪問機制。并說明隨機退避時間的計算方法。

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

3-10.通常有哪些原因導致傳感器網絡產生無效能耗? 空閑偵聽、數據沖突、串擾、控制開銷 3-11.敘述無線傳感器網絡S-MAC協議的主要特點和實現機制。

（1）S-MAC協議的適用條件是傳感器網絡的數據傳輸量不大，網絡內部能夠進

行數據的處理和融合以減少數據通信量，網絡能容忍一定程度的通信延遲。它的設計目標是提供良好的擴展性，減少結點能耗。

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

（1）尋找源結點和目的結點間的優化路徑。（2）將數據分析沿著優化路徑正確轉發。

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

（2）能量感知路由協議：從數據傳輸的能量消耗出發，討論最少能量消耗和最長網絡生存期等問題。

基于查詢的路由協議：主要用于需要不斷查詢傳感器結點采集的數據，通過減少通信流量來節省能量，即數據融合技術與路由協議的設計相結合。

地理位置協議：主要應用于需要知道目的結點的精確或大致地理位置的問題中，把結點的位置信息作為路由選擇的依據，從而完成結點的路由選擇功能，并且降低維護路由協議的能耗。可靠的路由協議：應用在對可靠性和實時性等方面有特別要求的問題中。3-15.如何設計傳感器網絡的定向擴散路由協議? 4-2.傳感器網絡常見的時間同步機制有哪些? RBS、Ting/Mini-Sync、TPSN 4-3.簡述TPSN時間同步協議的設計過程。

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

4-6.簡述以下概念術語的含義:錨點、測距、連接度、到達時間差、接收信號強度指示、視線關系。

錨點：指通過其他方式預先獲得位置坐標的結點，有時也稱作信標結點。網絡中相應的其余結點稱為非錨點。測距：指兩個相互通信的結點通過測量方式來估計出彼此之間的距離或角度。

連接度：包括結點連接度和網絡連接度兩種含義。結點連接度是指結點可探測發現的鄰居結點個數。網絡連接度是所有結點的鄰結點數目的平均值，它反映了傳感器配置的密集程度。

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

視線關系：如果傳感器網絡的兩個結點之間沒有障礙物，能夠實現直接通信，則稱這兩個結點問存在視線關系。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.試描述傳感器網絡多邊定位法的原理。

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算法的定位實現過程。

4-17.什么是數據融合技術?它在傳感器網絡中的主要作用是什么?（1）數據融合也被稱作信息融，是一種多源信息處理技術。它通過對來自同一目標的多源數據進行優化合成，獲得比單一信息源更精確、完整的估計或判斷。

（2）①節省整個網絡的能量②增強所收集數據的準確性③提高收集數據的效率 4-18.簡述數據融合技術的不同分類方法及其類型。

(1)依據融合前后數據的信息含量進行分類：無損失融合、有損失融合

(2)依據數據融合與應用層數據語義的關系進行分類：依賴于應用的數據融合、獨立于應用的數據融合、結合以上兩種技術的數據融合

(3)依據融合操作的級別進行分類：數據級融合、特征級融合、決策級融合 4-19.什么是數據融合的綜合平均法?

4-20.常見的數據融合方法有哪些? 綜合平均法、卡爾曼濾波法、貝葉斯估計法、D-S證據推理法、統計決策理論、模糊邏輯法、產生式規則法、神經網絡方法。

4-21.無線通信的能量消耗與距離的關系是什么?它反映出傳感器網絡數據傳輸的什么特點?（1）通常隨著通信距離的曾加，能耗急劇增加。

（2）在傳感器網絡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.簡述節能策略休眠機制的實現思想。

當結點周圍沒有感興趣的事件發生時，計算與通信單元處十空閑狀態，把這些組件關鐘或調到更低能耗的狀態，即休眠狀態。該機制對于延長傳感器結點的生存周期非常重要。但休眠狀態與工作狀態的轉換需要消耗一定的能量。并且產生時延。所以狀態轉換策略對于休眠機制比較重要。如果狀態轉換策略不合適，不僅無法節能，反而會導致能耗的增加。

4-23.簡述傳感器網絡結點各單元能量消耗的特點

傳感器結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送、接收、空閑或睡眠狀態。空閑狀態就是偵聽無線信道上的信息，但不發送或接收。睡眠狀態就是無線通信模塊處于不工作狀態。4-24.動態電源管理的工作原理是什么? 當結點周圍沒有感興趣的事件發生時，部分模塊處于空閑狀態。應該把這些組件關掉或調到更低能耗的狀態(即休眠狀態)。從而節省能量。

4-25.傳感器網絡的安全性需求包括哪些內容? 結點的安全保證、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絡的信息安全?

4-27.簡述在傳感器網絡中實施Wormhole攻擊的原理過程

4-28.SPINS安全協議簇能提供哪些功能? SPINS安個協議簇是最早的無線傳感器網絡的安全框架之一。包含了 SNEP和μTESLA兩個安全協議。SNEP協議提供點到點通信認證、數據機密性、完整性和新鮮性等安全服務；μTESLA協議則提供對廣播消息的數據認證服務。6-3.低速無線個域網具有哪些特點? 低速無線個域網是一種結構簡單、成本低廉的無線通信網絡，它使得在低電能和低吞吐量的應用環境中使用無線連接成為可能。與無線局域網相比。低速無線個域網網絡只需很少的基礎設施。甚至不需要基礎設施。IEEE 802.15.4標準為低速無線個域網制定了物理層和MAC子層協議。6-7.簡述ZigBee的技術特點

(1)數據傳輸速率低。數據率只有lokb/s~250kb/s，專注十低速傳輸應用。

(2)有效范圍小。有效似蓋范圍10~75m之間，具體依據實際發射功率的大小和各種不同的應用模式而定。(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。收發信息功耗較低，以及采用了休眠模式，ZigBee可確保兩節5號電池支持長達6個月至2年左右的使用時間，當然不同應用的功耗有所不同。

(5)可靠。采用碰撞避免機制。并為需要固定帶寬的通信業務預留專用時隙，避免了發送數據時的競爭和沖突。MAC層采用完全確認的數據傳輸機制。每個發送的數據包都必須等待接收方的確認信息。

(6)成本低。由于數據傳輸速率低，并且協議簡單。降低了成本，另外使用ZigBee協議可免專利費。

(7)時延短。針對時延敏感的應用做了優化。通信時延和從休眠狀態激活的時延都非常短。設備搜索時延的典型值為30ms.休眠激活時廷的典型值是15ms。活動設備信道接入時延為15ms。(8)網絡容量大。一個ZigBee網絡可容納多達254個從設備和一個主設備，一個區域內可同時布置多達100個ZigBee網絡。

(9)安全。ZigBee提供了數據完整性檢查和認證功能。加密算法采用AES-128，應用層安全屬性可根據需求來配置。

第五篇：無線傳感器網絡典型路由協議分類比較

無線傳感器網絡典型路由協議分類比較

常清

摘 要：無線傳感器網絡是繼因特網之后對人類生活產生重大影響的技術，它在邏輯上將虛

幻的信息和真實的物理世界聯系起來。無線傳感器網絡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點密集地布設在無人值守的監控區域而構成的能夠根據環境自主完 成指定任務的智能自治測控網絡系統。它能為人類生活帶來不可估量的好處，所以，傳感器 網絡的路由協議的設計也是對人類的一項挑戰，需要利用節點有限的能量更好的為人類服 務。目前已有多種路由協議，但其分類方式不是很清晰，本文以節點的傳播方式為出發點，對幾種典型的路由協議給予重新分類，并對其進行分析，最后選出相對好的類別。

1.引言

隨著微電子技術、計算技術和無線通信技術的進步，多功能傳感器快速發展，進而使無 線傳感器網絡（wireless sensor network, WSN）成為目前研究熱點。WSN 是由部署在檢測區域內的大量廉價微型傳感器節點組成，形成一個多跳的自組織網絡系統，使其在小體積內集成信息采集、數據處理和無線通信等功能，其目的是協作地感知、采集和處理網絡覆蓋區域中感知對象的信息，并提供給終端用戶。WSN 能夠廣泛應用于軍事、環境檢測和預報、健康護理、智能家居、建筑物狀態監控、復雜機械監控、城市交通、空間探索、大型車間和倉庫管理、以及機場、大型工業園區的安全檢測和其他商業等領域，且將逐漸深入到人類生活的各個領域。本文首先簡要說明衡量路由協議的四個標準，然后就WSN 中路由協議的幾種路由協議提出新的分類方法并利用標準加以比較。

2.路由協議的衡量標準

無線傳感器網絡的路由協議不同于傳統網絡的協議，它具有能量優先、基于局部的拓撲 信息、以數據為中心和應用相關四個特點，因而，根據具體的應用設計路由機制時，從四個 方面衡量路由協議的優劣【1】：（1）能量高效

傳統路由協議在選擇最優路徑時，很少考慮節點的能量問題。由于無線傳感器網絡 中節點的能量有限，傳感器網絡路由協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，實現簡單而且高效的傳輸，盡可能地延長整個網絡的生存期。（2）可擴展性

無線傳感器網絡的應用決定了它的網絡規模不是一成不變的，而且很容易造成拓撲 結構動態發生變化，因而要求路由協議有可擴展性，能夠適應結構的變化。具體體現在 傳感器的數量、網絡覆蓋區域、網絡生命周期、網絡時間延遲和網絡感知精度等方面。（3）魯棒性

無線傳感器網絡中，由于環境和節點的能量耗盡造成傳感器的失效、通信質量的降 低使網絡變得不可靠，所以在路由協議的設計過程中必須考慮軟硬件的高容錯性，保障 網絡的健壯性。

4）快速收斂性

由于網絡拓撲結構的動態變化，要求路由協議能夠快速收斂，以適應拓撲的動態變 化，提高帶寬和節點能量等有限資源的利用率和消息傳輸效率。

3.路由協議的分類

針對不同傳感器網絡的應用，研究人員提出了不同的路由協議，目前已有的分類方式主 要有兩種：按網絡結構可以分為平面路由協議、分級網絡路由協議和基于位置路由協議；按 協議的應用特征可以分為基于多徑路由協議、基于可靠路由協議、基于協商路由協議、基于 查詢路由協議、基于位置路由協議和基于QoS 路由協議。但這種分類方式太過分散，沒有 整體概念，本文就各個協議的不同側重點提出一種新的分類方法，把現有的代表性路由協議 按節點的傳播方式劃分為廣播式路由協議、坐標式路由協議和分簇式路由協議。下面進行詳 細的介紹和分析。

4.廣播式路由協議

4.1 擴散法（Flooding）

擴散法是一種傳統的網絡通信路由協議。它實現簡單，不需要為保持網絡拓撲信息和實 現復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，擴散發存在信息爆炸 問題，即能出現一個節點可能得到數據多個副本的情況，而且也會出現部分重疊的現象，此 外，擴散法沒有考慮各節點的能量，無法作出相應的自適應路由選擇，當一個節點能量耗盡，網絡就死去。

具體實現：節點 A 希望發送數據給節點B，節點A 首先通過網絡將數據的副本傳給其 每一個鄰居節點，每一個鄰居節點又將其傳給除A 外的其他的鄰居節點，直到將數據傳到B 為止或者為該數據設定的生命期限變為零為止或者所有節點擁有此副本為止。

4.2 定向路由擴散DD（Directed Diffusion）

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

具體實現：首先是興趣消息擴散，每個節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送該興趣消息的鄰居節點、數據發送速率和時間戳等相關信息，之后建 立傳輸梯度。數據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據傳輸量較小的無線傳感器網絡高效路由協議。其 基本思想是時間監測區域的感應節點產生代理消息，代理消息沿著隨機路徑向鄰居節點擴散 傳播。同時，基站或匯聚節點發送的查詢消息也沿著隨機路徑在網絡中傳播。當查詢消息和 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點到時間監測區域的完整路 徑。

具體實現：每個傳感器節點維護一個鄰居列表和一個事件列表，當傳感器節點監測到一 個事件發生時，在事件列表中增加一個表項并根據概率產生一個代理消息，代理消息是一個 包含事件相關信息的分組，將事件傳給經過的節點，收到代理消息的節點檢查表項進行更新 和增加表項的操作。節點根據事件列表到達事件區域的路徑，或者節點隨機選擇鄰居轉發查 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的SPIN 路由協議。該協議假定網絡中所有節 點都是Sink 節點，每一個節點都有用戶需要的信息，而且相鄰的節點擁有類似的數據，所 以只要發送其他節點沒有的數據。SPIN 協議通過協商完成資源自適應算法，即在發送真正 數據之前，通過協商壓縮重復的信息，避免了冗余數據的發送；此外，SPIN 協議有權訪問

每個節點的當前能量水平，根據節點剩余能量水平調整協議，所以可以在一定程度上延長網 絡的生存期。

具體實現：SPIN 采用了3 種數據包來通信：ADV 用于新數據的廣播，當節點有數據 要發送時，利用該數據包向外廣播；REQ 用于請求發送數據，當節點希望接收數據時，發 送該報文；DATA 包含帶有Meta-data 頭部數據的數據報文；

當一個傳感器節點在發送一個 DATA 數據包之前，首先向其鄰居節點廣播式地發送ADV 數據包，如果一個鄰居希望接收該DATA 數據包，則像該節點發送REQ 數據包，接著節點向其鄰居節點發送DATA 數據包。

4.5 GEAR（Geographical and Energy Aware Routing）

Y.Yu 等人提出了GEAR 路由協議，即根據時間區域的地址位置，建立基站或者匯聚節 點到時間區域的優化路徑。把GEAR 劃分為廣播式路由協議有點牽強，但是由于它是在利 用地理信息的基礎上將數據發送到合適區域，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：首先向目標區域傳遞數據包，當節點收到數據包時，先檢查是否有鄰居比它更接近目標區域。如有就選擇離目標區域最近的節點作數據傳遞的下一跳節點。如果數據包已經到達目標區域，利用遞歸的地理傳遞方式【3】和受限的擴散方式發布該數據。

5.坐標式路由協議

5.1 GEM（Graph Embedding）

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

Coordinate System）GEM 路由協議，用來代表實際的網絡拓撲結構。整個網絡節點形成一 個以基站或匯聚節點為根的帶環樹（Ringed Tree）。每個節點用距離樹根的跳數距離和角度 范圍兩個參數表示。

具體實現：首先建立虛擬極坐標系統，主要有三個階段：由跳數建立路由并擴展到整個 網絡形成生成樹型結構，再從葉節點開始反饋子樹的大小，即樹中包含的節點數目，最后確 定每個子節點的虛擬角度范圍。建立好系統之后，利用虛擬極坐標算法發送消息，即節點收 到消息檢查是否在自己的角度范圍內，不在就向父節點傳遞，直到消息到達包含目的位置角 度的節點。另外，當實際網絡拓撲結構發生變化時，需要及時更新，比如節點加入和節點失效

5.2 GRWLI（Geographic Routing Without Location Information）

A.Rao【3】等人提出了建立全局坐標系的路由協議，其前提是需要少數節點精確位置信 息。首先確定節點在坐標系中的位置，根據位置進行數據路由。關鍵是利用某些知道自己位 置信息的信標節點確定全局坐標系及其他節點在坐標系中的位置。

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

6.分簇式路由協議

6.1 LEACH（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy）

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

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：LEACH 不斷地循環執行簇的重構過程，可以分為兩個階段：一是簇的建立，即包括簇首節點的選擇、簇首節點的廣播、簇首節點的建立和調度機制的生成。二是傳輸數 據的穩定階段。每個節點隨機選一個值，小于某閾值的節點就成為簇首節點，之后廣播告知 整個網絡，完成簇的建立。在穩定階段中，節點將采集的數據送到簇首節點，簇首節點將信 息融合后送給匯聚點。一段時間后，重新建立簇，不斷循環。

6.2 GAF（Geographic Adaptive Fidelity）

Y.Xu【3】等人提出的一種利用分簇進行通信的路由算法。它最初是為移動Ad Hoc 網絡 應用設計的，也可以適用于無線傳感器網絡。其基本思想是網絡區被分成固定區域，形成虛 擬網格，每個網格里選出一個簇首節點在某段時間內保持清醒，其他節點都進入睡眠狀態，但是簇首節點并不做任何數據匯聚或融合工作。GAF 算法即關掉網絡中不必要的節點節省 能量，同樣可以達到延長網絡生存期的目的。

具體實現：當劃分好固定的虛擬網格之后，網絡中每個節點利用 GPS 接受卡指示的位 置信息將節點本身與虛擬網格中某個點關聯映射起來。網格上同一個點關聯的節點對分組路 由的代價是等價的，因而可以使某個特定網格區域的一些節點睡眠，且隨著網絡節點數目的 增加可以極大地提高網絡的壽命，在可擴展性上有很好的表現。

7.比較與分析

經過上面的簡單介紹，每個協議在其設計的時候都有各自的側重點和最優的方面，按照 衡量標準可以把以上協議做簡略的比較并找出相對較好的一類協議。其中，如何提供有效的 節能，即能量有效性是無線傳感器網絡路由協議最首要注重的方面，可擴展性和魯棒性是路 由協議應該滿足的基本要求，而快速收斂性和網絡存在的時間有緊密的聯系。依據上述四個 標準，對本文所列舉的路由協議的比較見表1。

由上表可見，廣播式總是存在一種矛盾，當具有好的擴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展性和高能量，這同時也嚴重影響了節點的快速收斂性。而坐標式彌補了廣播式的不足，可以同時達到四個衡量標準。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絡的一般要求。所以，以能量高效、可擴展性、魯棒性和快速收斂性四個基本標準來衡量路由協議，分簇式是最佳的選擇。

8.總結

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

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