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：針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)課程知識點講解難、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，包括課前知識探究、比較講解、仿真演示和創(chuàng)新案例設(shè)計等方法。

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：1672-5913（2017）05-0066-03

中圖分類號：G642

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)是繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)和移動通信之后的又一次信息產(chǎn)業(yè)的革命性發(fā)展，目前被正式列為國家重點發(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)在全國很多高校開設(shè)，但是作為一個新興專業(yè)，有其獨有的特征，如知識范圍涵蓋廣等。對于其專業(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)是一門理論性和實用性都較強的課程，多學(xué)科高度交叉，知識點涵蓋范圍廣，在課堂教學(xué)上對教師的要求較高，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）知識點講解難，知識點涵蓋了傳感器、嵌入式計算、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)生對于不熟悉的知識點往往覺得晦澀難懂，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)用實驗，但學(xué)生往往難以找到突破口，不能很好的將所學(xué)知識應(yīng)用在實際需要中，一方面是不善于尋找需求，另一方面是對所學(xué)知識不能夠融會貫通，舉一反三。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)教學(xué)方法探討

3.1 課前知識探究

物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)學(xué)生需要有較廣的知識面和較深的專業(yè)技能，課上所學(xué)內(nèi)容是有限的，需要學(xué)生對知識進(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。“課前知識探究”是建立教師引導(dǎo)性的知識學(xué)習(xí)過程，在這個過程中，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、生活經(jīng)驗和學(xué)習(xí)方法自主探索，從而激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，增強學(xué)好課程的信心。最后以多種形式進(jìn)行總結(jié)匯報，如寫成科技綜述、PPT課堂匯報等。這種預(yù)習(xí)不再是單純?yōu)檎莆罩R和技能的學(xué)習(xí)活動，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)已有知識進(jìn)行獨立思考；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)行更全面的信息獲取；形成匯報文件，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。課前知識探求充分調(diào)動學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力，同時也鍛煉了分析、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普遍適用的方法，但對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)課堂教學(xué)有著獨特的良好效果，主要原因是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與計算機網(wǎng)絡(luò)在層次結(jié)構(gòu)、知識框架以及應(yīng)用特征上都具有參照性，而計算機網(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的特征、難點和重點。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)模型的對比圖。在協(xié)議、安全以及應(yīng)用等各個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)會發(fā)現(xiàn)很多知識有相同點和不同點，若不去比較，可能會把相關(guān)知識的概念、原理、現(xiàn)象等混為一談，這不利于對知識進(jìn)行深刻理解和準(zhǔn)確應(yīng)用；善于比較則可以抓住知識的本質(zhì)特征和知識間的內(nèi)在聯(lián)系，從而達(dá)到準(zhǔn)確理解、記憶和應(yīng)用知識的目的。

3.3 仿真演示法

WSN是一門實用型課程，在課堂上需要形象、立體地向?qū)W生展示所學(xué)知識，比如數(shù)據(jù)是如何在網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)模酚煞绞绞窃鯓拥摹Ｔ谡n堂上只是講解路由協(xié)議或者算法，學(xué)生對知識的理解不深刻。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。

它是一款功能強大、配置簡便的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)，可實現(xiàn)不同參數(shù)條件下的算法自動運行、運行過程顯示、實驗結(jié)果統(tǒng)計和實驗結(jié)果圖自動生成。

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)生也可以驗證自己所寫的路由算法，并對結(jié)果自動分析，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

創(chuàng)新案例設(shè)計教學(xué)法是讓學(xué)生主動觀察生活中的細(xì)節(jié)，提煉業(yè)務(wù)需求，自主設(shè)計基于WSN的解決方案。在課堂中每講解一個知識點，就讓學(xué)生將所學(xué)知識應(yīng)用在自己設(shè)計的案例中，具體的設(shè)計實施在實驗課中完成，整個過程教師給予指導(dǎo)和重要知識講解。

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

比如設(shè)計“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)計方法后，學(xué)生基本能給出他所要設(shè)計的家居系統(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。每次課會抽取1～2個學(xué)生對自己的設(shè)計方案進(jìn)行講解。

通過創(chuàng)新案例設(shè)計法，建立學(xué)生獨立解決問題的能力和知識運用能力。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。重要的是通過這個過程，學(xué)生能充分理解一個系統(tǒng)的產(chǎn)生流程，從需求分析、框架設(shè)計、軟硬件選擇到子部件的設(shè)計、集成、測試等讓學(xué)生深入了解每個環(huán)節(jié)的工作以及差異，也為將來走上工作崗位打下堅實的基礎(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)的一門重點課程，更要提高課堂教學(xué)效率。我們提出的包含課前知識探究、比較講解、仿真演示和創(chuàng)新案例設(shè)計等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)+實驗課實踐后的成果參加多項國家級、省部級物聯(lián)網(wǎng)競賽并取得優(yōu)異成績。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王靖淇，沈海，常狀.智能物聯(lián)，芯系未來―英特爾助力物聯(lián)網(wǎng)教育創(chuàng)新[J].計算機教育，2015（13）：109-110.[2] 傅騫.從優(yōu)化管理到促進(jìn)創(chuàng)新―物聯(lián)網(wǎng)教育應(yīng)用目標(biāo)發(fā)展概述[J].中國電化教育，2014（11）：69-73.[3] 張務(wù)農(nóng).物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展圖景中的教育變革與挑戰(zhàn)[J].教育發(fā)展研究，2015（17）：21-26.[4] 黃旭，蔣云良，顧永跟.物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)建設(shè)中多學(xué)科融合的探索與實踐[J].高等工程教育研究，2016（2）：86-90.（編輯：郭田珍）

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恚献魍瓿蓪嶒炏到y(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。現(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：機械 無線傳感器實驗小結(jié)

實驗小結(jié)

一個下午的實驗，或許比我這大學(xué)三年多所學(xué)的理論知識更加具有實用性。開頭，老師用一個混凝土傳送車的測量項目，從經(jīng)濟成本和技術(shù)手段等方面詳細(xì)介紹了有線測量的缺點與無線測量的有缺點。印象最深刻的一點是：有線測量的線路布置相當(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。接下來便是動手操作，其中有兩點感觸頗深：

第一、從基礎(chǔ)做起很重要。

整個實驗從學(xué)習(xí)測量軟件開始，實驗的相關(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量，使得實驗數(shù)據(jù)牛頭不對馬嘴，直接導(dǎo)致測量失敗。學(xué)習(xí)好測量軟件，接下來便是看懂實驗原理圖，選擇正確的傳感器進(jìn)行實驗。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，在軟件上采集時卻使用1通道，一直采集不到

實驗數(shù)據(jù)，或者本該接在同一個傳感器的不同通道上的，卻找兩個傳感器來測量。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。

記得千分表加載測應(yīng)變的實驗中，要求輸入信號全橋

接入，共4根接入線，其中一對是電源與地線，一對

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

經(jīng)過一下午的努力，終于完成了實驗，整理好實驗儀器，提交實驗數(shù)據(jù)，走出實驗室，頓時感覺成長了好多。

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)淇刂啤⒎?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，具有很好的可擴充性。②簇頭可以隨時選舉產(chǎn)生，具有很強的抗毀性。

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、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。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的基木訪問機制。并說明隨機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)是提供良好的擴展性，減少結(jié)點能耗。

（2）周期性偵聽和睡眠機制、流量自適應(yīng)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(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，并且降低維護路由協(xié)議的能耗。可靠的路由協(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)的定向擴散路由協(xié)議? 4-2.傳感器網(wǎng)絡(luò)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(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。接收信號強度指示：結(jié)點接收到無線信號的強度大小。

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)。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。活動設(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)計算機科學(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、無線通信及微機電等技術(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)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2006級碩士研究生,研究方向:計算機網(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。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)劃的機制來保護節(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(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(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”。可以調(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。

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