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無線傳感器網(wǎng)�(luò)
閱讀�19101�(shí)間:2010-12-08 10:06:04

  無線傳感��(wǎng)�(luò)作為�(jì)算、通信和傳感器三項(xiàng)技�(shù)相結(jié)合的�(chǎn)�,是一種全新的信息獲取和處理技�(shù)。由于近來微型制造的技�(shù)、通訊技�(shù)�電池技�(shù)的改�(jìn),促使微小的傳感器可具有感�(yīng)、無線通訊及處理信息的能力。此類傳感器不但能夠感應(yīng)及偵�(cè)�(huán)境的目標(biāo)物及改變,并且可處理收集到的數(shù)�(jù),并將處理過后的資料以無線傳輸?shù)姆绞剿偷�?shù)�(jù)收集中心或基地臺(tái)。這些微型傳感�通常由傳感部�、數(shù)�(jù)處理部件和通信部件組成,隨機(jī)分布的集成有傳感�、數(shù)�(jù)處理單元和通信模塊的微小節(jié)�(diǎn)通過自組織的方式�(gòu)成網(wǎng)�(luò)。借助于節(jié)�(diǎn)中內(nèi)置的形式多樣的傳感器�(cè)量所在周邊環(huán)境中的熱、紅�、聲�、雷�(dá)和地震波信號(hào),從而探�(cè)包括溫度、濕度、噪�、光�(qiáng)度、壓�、土壤成分、移�(dòng)物體的大�、速度和方向等眾多我們感興趣的物�(zhì)�(xiàn)�。在通信方式�,雖然可以采用有線、無�、紅外和光等多種形式,但一般認(rèn)為短距離的無線低功率通信技�(shù)最適合傳感器網(wǎng)�(luò)使用,一般稱作無線傳感器�(wǎng)�(luò)�

�(jié)�(gòu)

  傳感器網(wǎng)�(luò)系統(tǒng)通常包括傳感器節(jié)�(diǎn)、匯聚節(jié)�(diǎn)和管理節(jié)�(diǎn)�

  大量傳感器節(jié)�(diǎn)隨機(jī)部署在監(jiān)�(cè)區(qū)域內(nèi)部或附近,能夠通過自組織方式構(gòu)成網(wǎng)�(luò)。傳感器節(jié)�(diǎn)�(jiān)�(cè)的數(shù)�(jù)沿著其他傳感器節(jié)�(diǎn)逐跳地�(jìn)行傳輸,在傳輸過程中�(jiān)�(cè)�(shù)�(jù)可能被多�(gè)節(jié)�(diǎn)處理,經(jīng)過多跳后路由到匯聚節(jié)�(diǎn),通過互聯(lián)�(wǎng)或衛(wèi)星到�(dá)管理節(jié)�(diǎn)。用戶通過管理節(jié)�(diǎn)�(duì)傳感器網(wǎng)�(luò)�(jìn)行配置和管理,發(fā)布監(jiān)�(cè)任務(wù)以及收集�(jiān)�(cè)�(shù)�(jù)�

  傳感器節(jié)�(diǎn)

  通常是一�(gè)微型的嵌入式系統(tǒng),它的處理能�、存�(chǔ)能力和通信能力相對(duì)較弱,通過攜帶能量有限的電池供��

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

  從網(wǎng)�(luò)功能上看,每�(gè)傳感器節(jié)�(diǎn)兼顧傳統(tǒng)�(wǎng)�(luò)節(jié)�(diǎn)的終端和路由器雙重功能,除了�(jìn)行本地信息收集和�(shù)�(jù)處理�,還要對(duì)其他節(jié)�(diǎn)�(zhuǎn)�(fā)來的�(shù)�(jù)�(jìn)行存�(chǔ)、管理和融合等處�,同�(shí)與其他節(jié)�(diǎn)�(xié)作完成一些特定任�(wù)�

  匯聚節(jié)�(diǎn)

  匯聚節(jié)�(diǎn)的處理能�、存�(chǔ)能力和通信能力相對(duì)比較�(qiáng),它連接傳感器網(wǎng)�(luò)與Internet 等外部網(wǎng)�(luò),實(shí)�(xiàn)兩種�(xié)議棧之間的通信�(xié)議轉(zhuǎn)換,同時(shí)�(fā)布管理節(jié)�(diǎn)的監(jiān)�(cè)任務(wù),并把收集的�(shù)�(jù)�(zhuǎn)�(fā)到外部網(wǎng)�(luò)上�

  匯聚節(jié)�(diǎn)既可以是一�(gè)具有增強(qiáng)功能的傳感器節(jié)�(diǎn),有足夠的能量供給和更多的內(nèi)存與�(jì)算資源,也可以是沒有�(jiān)�(cè)功能僅帶有無線通信接口的特殊網(wǎng)�(guān)�(shè)��

節(jié)�

  自動(dòng)配置的無線傳感器�(wǎng)�(luò)在民用和軍用方面具有極高的價(jià)值,可以在大范圍�(nèi)用于收集、處理和�(fā)布復(fù)雜的�(huán)境數(shù)�(jù)。無線傳感器�(wǎng)�(luò)中的節(jié)�(diǎn)一般采用電池供�,可以使用的電量非常有限,而且�(duì)于有成千上萬節(jié)�(diǎn)的無線傳感器�(wǎng)�(luò)來說,對(duì)電池的更換是非常困難的甚至是不可能的。但是無線傳感器�(wǎng)�(luò)的生存時(shí)間卻要求�(zhǎng)�(dá)�(shù)月甚至數(shù)年,因此,如何在不影響功能的前提�,盡可能節(jié)約無線傳感器�(wǎng)�(luò)的電池能量成為無線傳感器�(wǎng)�(luò)軟硬件設(shè)�(jì)中的核心問題,也是當(dāng)前國�(nèi)外研究機(jī)�(gòu)�(guān)注的焦點(diǎn)�

  節(jié)�(diǎn)組成及能耗分�

  �(guī)范的無線傳感器節(jié)�(diǎn)�(jié)�(gòu)如圖1所�。節(jié)�(diǎn)由四部分組成:(1)由微處理器或微控制器構(gòu)成的�(jì)算子系統(tǒng);(2)用于無線通信的短距離無線收發(fā)電路,即通信子系�(tǒng);(3)將節(jié)�(diǎn)與物理世界聯(lián)系起來,由一組傳感器和激�(lì)裝置�(gòu)成的傳感子系�(tǒng);(4)能量供�(yīng)子系�(tǒng),包括電池和AC-DC�(zhuǎn)換器�

無線傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

  �1 無線傳感器節(jié)�(diǎn)�(jié)�(gòu)

  1)  �(jì)算子系統(tǒng)

  微處理器(MicroController Unit, MCU)�(fù)�(zé)控制傳感器、執(zhí)行通信�(xié)議和處理傳感�(shù)�(jù)的算�。MCU的選擇會(huì)�(duì)節(jié)�(diǎn)的電池消耗帶來很大的影響,比�,Intel的StrongARM常用于高端領(lǐng)�,在�(zhí)行指令時(shí)功耗達(dá)�400mW,而ATmega103L AVR的功耗就只有16.5 mW,不過提供的性能也要弱的�。出于電源管理的目的,MCU通常有活�、空閑和睡眠等多種操作模�,每種模式有不同的電源消�。比如,StrongARM在空閑模式功耗為50 mW,而在睡眠模式�(shí)只有0.16 mW。在不同操作模式之間切換也有電源和延遲開�,因此,不同的操作模�、模式之間的切換和MCU在每種模式的�(shí)�(zhǎng)�(duì)整�(gè)節(jié)�(diǎn)的能量消耗有很大的影��

  2)通信子系�(tǒng)

  影響無線收發(fā)電路功耗的因素很多,包括節(jié)�(diǎn)采用的調(diào)制模�、數(shù)�(jù)�、發(fā)射功率和操作周期�。通常,無線收�(fā)電路可以工作在四種狀�(tài),即�(fā)�、接�、空閑和睡眠狀�(tài)??臻e狀�(tài)也具有很高的功耗,幾乎與接收模式不相上�,所以在無線收發(fā)電路處于空閑狀�(tài)�(shí),應(yīng)該盡可能將其�(guān)閉(即置于睡眠狀�(tài))�

  3)傳感子系�(tǒng)

  包括一組傳感和激�(lì)裝置,將周圍�(huán)境的物理�(xiàn)象轉(zhuǎn)換成電信�(hào),根�(jù)輸出可以分為模擬和數(shù)字兩�。在無線傳感器中,能量消耗來自多�(gè)部分,包�(1)信號(hào)采樣以及物理信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換(2)信�(hào)�(diào)制(3)信�(hào)的模-�(shù)�(zhuǎn)��

  4) 無線傳感器網(wǎng)�(luò)節(jié)�(diǎn)能耗分�

  �(xiàn)在分析無線傳感器節(jié)�(diǎn)的能�。表1是Rockwell的WINS�(xiàng)目中無線傳感器節(jié)�(diǎn)的能耗數(shù)�(jù),表2是MEDUSA-II�(xiàng)目中節(jié)�(diǎn)的能耗數(shù)�(jù),從中可以看出:

  采用低功耗模�、在性能與耗電量之間�(jìn)行折中對(duì)系統(tǒng)整體功耗影響巨��

  節(jié)�(diǎn)的能耗在很大程度上取決于各�(gè)組成部分的工作狀�(tài)�

  由于傳輸距離很短,接收時(shí)的能耗可能比�(fā)送時(shí)還大�

  無線收發(fā)電路在空閑狀�(tài)和接收狀�(tài)�(shí)的耗電量相差無��

WINS項(xiàng)目中無線傳感器節(jié)點(diǎn)的能耗數(shù)據(jù)

  �1 WINS�(xiàng)目中無線傳感器節(jié)�(diǎn)的能耗數(shù)�(jù)

MEDUSA-II項(xiàng)目中無線傳感器節(jié)點(diǎn)的能耗數(shù)據(jù)

  �2 MEDUSA-II�(xiàng)目中無線傳感器節(jié)�(diǎn)的能耗數(shù)�(jù)

  單�(gè)節(jié)�(diǎn)的節(jié)能優(yōu)�

  在分析了無線傳感器節(jié)�(diǎn)的組成和能耗特�(diǎn)之后,讓我們看看在單�(gè)節(jié)�(diǎn)上可以采取哪些措施來節(jié)約能��

  1) 節(jié)能計(jì)�

  除了在節(jié)�(diǎn)�(shè)�(jì)中采用低功耗硬件之�,通過�(dòng)�(tài)電源管理(Dynamic Power Management, DPM)等技�(shù)使系�(tǒng)各�(gè)部分都運(yùn)行在節(jié)能模式下也可以節(jié)約大量的能量。最常用的電源管理策略是�(guān)閉空閑模�,在這種狀�(tài)�,無線傳感器節(jié)�(diǎn)或其一部分將被�(guān)閉或者處于低功耗狀�(tài),直到有感興趣的事件�(fā)�。DPM技�(shù)的核心問題是狀�(tài)�(diào)度策�,因?yàn)椴煌臓顟B(tài)有不同的功耗特征,而且狀�(tài)切換也有能量和時(shí)間開��

  在活躍狀�(tài)下,則可以采取動(dòng)�(tài)電壓�(diào)�(Dynamic Voltage Scaling, DVS)技�(shù)來節(jié)約能�。在大多�(shù)無線傳感器節(jié)�(diǎn)上,�(jì)算負(fù)載是隨時(shí)間變化的,因此并不需要微處理器所有時(shí)刻都保持峰值性能。DVS技�(shù)就是利用了這一�(diǎn),動(dòng)�(tài)改變微處理器的工作電壓和頻率使其剛好滿足�(dāng)�(shí)的運(yùn)行需求,從而在性能和能耗之間取得平��

  2) 節(jié)能軟�

  如果操作系統(tǒng)、應(yīng)用層和網(wǎng)�(luò)�(xié)議等系統(tǒng)軟件針對(duì)能耗�(jìn)行了專門的優(yōu)�,那么無線傳感器�(wǎng)�(luò)的生存時(shí)間也能得到有效的延長(zhǎng)�

  在操作系�(tǒng)中�(jìn)行動(dòng)�(tài)電源管理和動(dòng)�(tài)電壓�(diào)整是最合適�,因?yàn)椴僮飨到y(tǒng)可以獲取所有應(yīng)用程序的性能需求并能直接控制底層硬件資�,從而在性能和能耗控制之間�(jìn)行必要的折衷。操作系�(tǒng)的核心是任務(wù)�(diào)度器,負(fù)�(zé)�(diào)度給定的任務(wù)集合使其滿足各自的時(shí)間和性能需�,通過在任�(wù)�(diào)度中考慮節(jié)能問題可,系�(tǒng)生存�(shí)間可得到明顯的延�(zhǎng)�

  鑒于傳輸中不可避免的�(shù)�(jù)丟失,無線傳感器�(wǎng)�(luò)�(yīng)能根�(jù)�(dāng)�(shí)的網(wǎng)�(luò)�(huán)境提供不同精度的�(shù)�(jù),從而獲得一定的彈�。另一方面,監(jiān)�(cè)�(duì)象的屬性是隨時(shí)間變化的,從而導(dǎo)致網(wǎng)�(luò)中的�(jì)算和通信需求也隨之改變。這樣,我們就可以在實(shí)�(shí)�(diào)度算法中�(jìn)行某種程度的�(yù)�(cè),對(duì)能耗�(jìn)行主�(dòng)式的管理。另外,�(yīng)用層可以�(shè)�(jì)成將主要的計(jì)算任�(wù)及早�(zhí)�,然后在算法正常�(jié)束前提前中止,這樣就能在對(duì)�(shù)�(jù)精度影響不大的情況下節(jié)約能�� {{分頁}}

  3) 無線收發(fā)電路能耗管�

  雖然嵌入式處理器的電源管理已�(jīng)得到深入研究,但無線收發(fā)系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)�(jì)卻研究得不夠。由于無線通信占了整�(gè)無線傳感器網(wǎng)�(luò)能耗主要部分,因此�(duì)無線收發(fā)系統(tǒng)的能耗管理非常重��

  無線收發(fā)系統(tǒng)電源消耗主要來自兩部分,取決于傳輸距離和調(diào)制參�(shù)的射頻部分以及�(jìn)行頻率合�、濾波等操作的基帶電路部�。無線收�(fā)系統(tǒng)節(jié)能設(shè)�(jì)很復(fù)雜,�?yàn)樯漕l部分和基帶電路部分的電源開銷是相�(dāng)?shù)?,降低射頻部分的速率反而會(huì)�(dǎo)致能耗的增加。另外要考慮的問題是,無線收�(fā)系統(tǒng)的初始化開銷很大,這一切都加大了無線收�(fā)系統(tǒng)節(jié)能設(shè)�(jì)的難�。關(guān)于無線通信方面的能耗優(yōu)化將在下一節(jié)詳細(xì)討論�

  4) 節(jié)能報(bào)文轉(zhuǎn)�(fā)

  除了�(fā)送自身感知的�(shù)�(jù)之外,每�(gè)無線傳感器節(jié)�(diǎn)又都是路由器,需要為其它節(jié)�(diǎn)�(zhuǎn)�(fā)�(bào)�。在典型的無線傳感器�(wǎng)�(luò)�(huán)境下,無線傳感器節(jié)�(diǎn)接收的大部分�(bào)文(大概�65%)需要轉(zhuǎn)�(fā)給其它節(jié)�(diǎn)。通常情況�,無線傳感器節(jié)�(diǎn)將絕大部分協(xié)議處理功能交由MCU�(zhí)行。這樣,不管其最終目的地是哪里,每�(gè)接收到的�(bào)文都�(huì)�(jīng)過相同的處理步驟到達(dá)�(jì)算子系統(tǒng)并得到處�,導(dǎo)致不必要的能耗開銷。利用智能無線收�(fā)系統(tǒng),需要轉(zhuǎn)�(fā)的報(bào)文可以直接在通信子系�(tǒng)�(biāo)�(shí)和轉(zhuǎn)�(fā),甚至在�(jì)算子系統(tǒng)處于睡眠狀�(tài)�(shí)也能正常工作�

  3 無線通信的節(jié)能優(yōu)�

  與單�(gè)節(jié)�(diǎn)能耗管理類似,在節(jié)�(diǎn)間通信過程中考慮節(jié)能措施同樣對(duì)提高整�(gè)系統(tǒng)的電源使用效率有重要作用,而且,使通信過程�(duì)能耗敏感可以將節(jié)能優(yōu)化的范圍從單�(gè)節(jié)�(diǎn)�(kuò)展到參與通信的多�(gè)節(jié)�(diǎn)�

  1) �(diào)制模�

  在無線傳感器節(jié)�(diǎn)間的無線鏈路上使用的射頻技�(shù)�(duì)無線通信的能量消耗也有重要影�。調(diào)制模式的選擇決定了無線鏈路在總體能耗與靈敏度、延遲等方面的平��

  �(diào)制級(jí)別直接影響功率放大器的能耗,與DVS類似,根�(jù)�(shí)際需求動(dòng)�(tài)改變�(diào)制級(jí)別是節(jié)約能耗的有效手段。由于無線收�(fā)電路的啟�(dòng)開銷較大,因而每次發(fā)送報(bào)文的�(zhǎng)度越大越�,這樣可以將啟�(dòng)開銷平攤到更多的�(shù)�(jù)上,但將�(shù)�(jù)積累到一定長(zhǎng)度再�(fā)送對(duì)信息交換的延遲有影響,需要在兩者之間�(jìn)行平��

  2) 鏈路層優(yōu)�

  �(fù)�(zé)�(cuò)誤檢�(cè)和糾正的鏈路層影響報(bào)文的�(fā)送次�(shù),從而影響系�(tǒng)功�,特別是�(duì)于與�(wǎng)�(guān)節(jié)�(diǎn)等遠(yuǎn)距離通信而言。對(duì)給定的誤碼率(Bit Error Rate, BER),錯(cuò)誤控制機(jī)制可以減少發(fā)送報(bào)文消耗的能量,但相應(yīng)的增加了�(fā)送者和接收者的處理能�??偟膩碚f,鏈路層技�(shù)在降低能耗中所起的作用是間接的,好的錯(cuò)誤控制模式可以降低報(bào)文重傳次�(shù),從而節(jié)約收�(fā)兩端的能耗�

  4 整�(gè)�(wǎng)�(luò)的節(jié)能優(yōu)�

  ,讓我們看看從整�(gè)�(wǎng)�(luò)的角�,可以采取哪些措施�(jìn)行能耗優(yōu)��

  1) 流量分發(fā)

  �(duì)整�(gè)無線傳感器網(wǎng)�(luò)而言,需要從全局上考慮如何將流量從�(shù)�(jù)源傳遞到目的�,這里的重要問題是如何在源和目的地之間找到一條節(jié)能的多跳路由。節(jié)能路由是在普通的路由�(xié)議基�(chǔ)�,考慮相關(guān)的能耗因素,引入新的與電源消耗有�(guān)的衡量指�(biāo),實(shí)�(xiàn)能耗的節(jié)�,這方面已�(jīng)有很多研究成��

  比如,最�(jiǎn)單的節(jié)能路由協(xié)議是最少能量路�,即尋找一條能耗的路由,通過它傳送數(shù)�(jù)。但這樣未必能延�(zhǎng)�(wǎng)�(luò)的生存時(shí)�,因?yàn)槟承┨幱陉P(guān)鍵位置的節(jié)�(diǎn)可能被過度使用而導(dǎo)致電源過早耗盡。為避免這種情況,最小路由使得節(jié)�(diǎn)的剩余電量盡可能�,即化節(jié)�(diǎn)的最小剩余電量。最小路由更多的考慮了電池的剩余電量,而最少能量路由考慮的是某次通信需要消耗的電量,一�(gè)很自然的改�(jìn)思路是可以將兩種方法�(jié)合起來,定義一�(gè)電源開銷函數(shù),綜合考慮兩種策略�

  2) �?fù)涔芾?/FONT>

  在典型的無線傳感器網(wǎng)�(luò)部署�,節(jié)�(diǎn)密度都比較高,因?yàn)樘岣�?jié)�(diǎn)密度可以提高�(jié)果的精確�,但如果系統(tǒng)生存�(shí)間更重要的話,就可以�(duì)�(wǎng)�(luò)�?fù)溥M(jìn)行管理,利用相對(duì)較少的節(jié)�(diǎn)�(jìn)行跟�。這樣,除了減少計(jì)算復(fù)雜度之外,也降低了通信開銷,因?yàn)闆]有參與跟蹤的節(jié)�(diǎn)不會(huì)�(fā)送數(shù)�(jù)。如果硬件支持可變發(fā)射功率的話,采用低的�(fā)射功率也能夠降低�(wǎng)�(luò)電源開銷,同�(shí)緩解共享空間信道的競(jìng)�(zhēng),提高網(wǎng)�(luò)容量。拓?fù)淇刂朴袑iT的討�,這里就不多說了�

  3) �(jì)算和通信的折�

  除了智能的路由和�?fù)涔芾韰f(xié)�,縮減數(shù)�(jù)流長(zhǎng)度也是有效的節(jié)能手�。在無線傳感器網(wǎng)�(luò)�,由于節(jié)�(diǎn)的高密度,使得同一�(shí)間被多�(gè)微傳感節(jié)�(diǎn)同時(shí)感知并捕獲處�,導(dǎo)致了�(shù)�(jù)采集的冗余性。在選定節(jié)�(diǎn)將一定區(qū)域內(nèi)節(jié)�(diǎn)的數(shù)�(jù)�(jìn)行匯聚或者融�,然后再將結(jié)果傳送出�,不但可以提高事�/�(shù)�(jù)�(jiān)�(cè)的可靠�,也可有效降低通信流量,從而節(jié)約能耗�

  5  �(jié)束語

  作為極具潛力的一種技�(shù),無線傳感器�(wǎng)�(luò)在未來幾年必將得到廣泛的�(yīng)�,而由于節(jié)能在無線傳感器網(wǎng)�(luò)�(shè)�(jì)中所處的核心地位,節(jié)能技�(shù)水平將伴隨著無線傳感器網(wǎng)�(luò)的發(fā)展而不斷提�。未來,節(jié)能技�(shù)的研究將�(jìn)一步與無線傳感器網(wǎng)�(luò)的特定應(yīng)用聯(lián)系起�,針�(duì)不同�(yīng)用�(jìn)行專門的優(yōu)�。同�(shí),軟硬件整合�(shè)�(jì)、跨層網(wǎng)�(luò)�(xié)議設(shè)�(jì)等一體化節(jié)能設(shè)�(jì)思路將得到廣泛應(yīng)��

技�(shù)中的�(guān)鍵性問�

  一、引言

  無線傳感器網(wǎng)�(luò)是一種獨(dú)立出�(xiàn)的計(jì)算機(jī)�(wǎng)�(luò),它的基本組成單位是節(jié)�(diǎn),這些節(jié)�(diǎn)集成了傳感器、微處理器、無線接口和電源四�(gè)模塊。傳�(tǒng)的計(jì)算機(jī)�(wǎng)�(luò)技�(shù)中業(yè)已成熟的解決方案可以借鑒到無線傳感器�(wǎng)�(luò)中來。但是基于無線傳感器�(wǎng)�(luò)自身的用途和�(yōu)�(diǎn),開�(fā)專用的通信�(xié)議和路由算法已經(jīng)成為了當(dāng)前無線傳感器�(wǎng)�(luò)�(lǐng)域內(nèi)急待研究的課��

  �、無線傳感器�(wǎng)�(luò)的特�(diǎn)

  1� 無線傳感器網(wǎng)�(luò)包括了大面積的空間分�

  比如在軍事應(yīng)用方�,可以將無線傳感器網(wǎng)�(luò)部署在戰(zhàn)�(chǎng)上跟蹤敵人的軍事行動(dòng),智能化的終端可以被大量地裝在宣傳品、子彈或炮彈殼中,在目標(biāo)地點(diǎn)撒落下去,形成大面積的監(jiān)視網(wǎng)�(luò)�

  2� 能源受限�

  �(wǎng)�(luò)中每�(gè)節(jié)�(diǎn)的電源是有限�,網(wǎng)�(luò)大多工作在無人區(qū)或者對(duì)人體有傷害的惡劣�(huán)境中,更換電源幾乎是不可能的事,這勢(shì)必要求網(wǎng)�(luò)功耗要小以延長(zhǎng)�(wǎng)�(luò)的壽�,而且要盡可能的節(jié)省電源消��

  3� �(wǎng)�(luò)自動(dòng)配置,自�(dòng)�(shí)別節(jié)�(diǎn)

  這包括自�(dòng)組網(wǎng)、對(duì)入網(wǎng)的終端�(jìn)行身份驗(yàn)證、防止非法用戶入�。相�(duì)于那些布置在�(yù)先指定地�(diǎn)的傳感器�(wǎng)�(luò)而言,無線傳感器�(wǎng)�(luò)可以借鑒ad hoc方式來配�,當(dāng)然前提是要有一套合適的通信�(xié)議保證網(wǎng)�(luò)在無人干�(yù)情況下自�(dòng)�(yùn)行�

  4� �(wǎng)�(luò)的自�(dòng)管理和高度協(xié)作�

  在無線傳感器�(wǎng)�(luò)中,�(shù)�(jù)處理由節(jié)�(diǎn)自身完成,這樣做的目的是減少無線鏈路中傳送的�(shù)�(jù)量,只有與其他節(jié)�(diǎn)相關(guān)的信息才在鏈路中傳�。以�(shù)�(jù)為中心的特性是無線傳感器網(wǎng)�(luò)的又一�(gè)特點(diǎn),由于節(jié)�(diǎn)不是�(yù)先計(jì)劃的,而且節(jié)�(diǎn)位置也不是預(yù)先確定的,這樣就有一些節(jié)�(diǎn)由于�(fā)生較多錯(cuò)誤或者不能執(zhí)行指定任�(wù)而被中止�(yùn)�。為了在�(wǎng)�(luò)中監(jiān)視目�(biāo)�(duì)�,配置冗余節(jié)�(diǎn)是必要的,節(jié)�(diǎn)之間可以通信和協(xié)�,共享數(shù)�(jù),這樣可以保證獲得被監(jiān)視對(duì)象比較全面的�(shù)�(jù)�

  �(duì)用戶來說,向所有位于觀�(cè)區(qū)�(nèi)的傳感器�(fā)送一�(gè)�(shù)�(jù)�(qǐng)求,然后將采集的�(shù)�(jù)送到指定節(jié)�(diǎn)處理,可以用一�(gè)多播路由�(xié)議把消息送到相關(guān)節(jié)�(diǎn),這需要一�(gè)的地址�,對(duì)于用戶而言,不需要知道每�(gè)傳感器的具體身份�(hào),所以可以用以數(shù)�(jù)為中心的組網(wǎng)方式�

  5、與移動(dòng)ad hoc�(wǎng)�(luò)的區(qū)�

  無線傳感器網(wǎng)�(luò)作為一種分布式傳感器網(wǎng)�(luò),和移動(dòng)ad hoc�(wǎng)�(luò)有相似點(diǎn),但又有很多不同。移�(dòng)ad hoc�(wǎng)�(luò)可以用于沒有無線基礎(chǔ)�(shè)施存在或出于�(fèi)用和安全方面的考慮不方便設(shè)置無線基�(chǔ)�(shè)施的�(chǎng)�,而傳感器很多�(shí)候被布置在近地環(huán)境中,地波吸收現(xiàn)象不能被忽視,并且高密度布置的傳感器�(wǎng)�(luò)中的多用戶接口也造成了很高的誤比特率。作為移�(dòng)通信的兩種基本組�(wǎng)模式之一,移�(dòng)ad hoc�(wǎng)�(luò)中的傳輸模型是典型的多對(duì)多式,而傳感器�(wǎng)中的傳輸模型更偏向于分層次模型(多對(duì)一傳輸�。一般來說,無線傳感器網(wǎng)�(luò)的節(jié)�(diǎn)比典型的移動(dòng)終端或手持設(shè)備有更多的資源受限要�,但�(duì)于計(jì)算的要求則是可有可無�,當(dāng)需要執(zhí)行計(jì)算任�(wù)�(shí),如果通信成本比計(jì)算成本低,計(jì)算任�(wù)就被送到中心節(jié)�(diǎn)去執(zhí)��

  三、無線傳感器�(wǎng)�(luò)中的�(guān)鍵性問�

  1� �(wǎng)�(luò)安全�(xié)議問�

  傳感器網(wǎng)�(luò)受到的安全威脅和移動(dòng)ad hoc�(wǎng)�(luò)所受到的安全威脅不�,所以現(xiàn)有的�(wǎng)�(luò)安全�(jī)制不適合此領(lǐng)�,需要開�(fā)針對(duì)無線傳感器網(wǎng)�(luò)的專門�(xié)��

  一種思想是從維護(hù)路由安全的角度出�(fā),尋找盡可能安全的路由以保證�(wǎng)�(luò)的安�。文�(xiàn)[1]指出,如果路由協(xié)議被破壞�(dǎo)致傳送的消息被篡�,那么對(duì)于應(yīng)用層上的�(shù)�(jù)包來說沒有任何的安全性可言。文中介紹了一種方法叫“有安全意識(shí)的路由”(SAR),其思想是找出真�(shí)值和節(jié)�(diǎn)之間的關(guān)�,然后利用這些真實(shí)值去生成安全的路由。該方法解決了兩�(gè)問題,即如何保證�(shù)�(jù)在安全路徑中傳送和路由�(xié)議中的信息安全�。文中假�(shè)兩�(gè)軍官利用按需距離矢量路由(Ad Hoc On Demand Distance Vector Routing,AODV)�(xié)議通過ad hoc�(wǎng)�(luò)來通信,他們的通信基于Bell-La安全模型(PadulaBell-La Padula Confidentiality Model� [2],這種模型�,當(dāng)節(jié)�(diǎn)的安全等�(jí)�(dá)不到要求�(shí),其就會(huì)自動(dòng)的從路由選擇中退出以保證整�(gè)�(wǎng)�(luò)的路由安�。文�(xiàn)[3]指出,可以通過多徑路由算法改善系統(tǒng)的穩(wěn)健性(robustness),�(shù)�(jù)包通過路由選擇算法在多徑路徑中向前傳�,在接收端內(nèi)通過前向糾錯(cuò)技�(shù)得到重建。無線傳感器�(wǎng)�(luò)中傳感器的數(shù)量眾多并且功能有�,移�(dòng)ad hoc�(wǎng)�(luò)中的路由方案不能直接�(yīng)用到無線傳感器網(wǎng)�(luò)中,所以該文給出了一種網(wǎng)狀多徑路由�(xié)�。此�(xié)議中�(yīng)用了選擇性向前傳送數(shù)�(jù)包和端到端的前向糾錯(cuò)解碼技�(shù),配合適合傳感器�(wǎng)�(luò)的網(wǎng)狀多徑搜索�(jī)�,能減少信號(hào)開支(signaling overhead�,簡(jiǎn)化節(jié)�(diǎn)�(shù)�(jù)庫,增大系統(tǒng)的吞吐量,相�(duì)�(shù)�(jù)包復(fù)制或者有限泛洪法來說,這種方法消耗更少的系統(tǒng)資源(比如信道帶寬和電�)�

  另一種思想是把著重�(diǎn)放在安全�(xié)議方�,在此領(lǐng)域也出現(xiàn)了大量的研究成果。在文獻(xiàn)[4]�,作者假定傳感器�(wǎng)�(luò)的任�(wù)是為政要人員提供安全保護(hù)�,提供一�(gè)安全解決方案將為解決這類安全問題帶來一�(gè)普適的模�。在具體的技�(shù)�(shí)�(xiàn)�,先假定基站總是正常工作�,并且總是安全的,滿足必要的�(jì)算速度、存�(chǔ)器容�,基站功率滿足加密和路由的要求;通信模式是點(diǎn)到點(diǎn),通過端到端的加密保證了數(shù)�(jù)傳輸?shù)陌踩裕簧漕l層總是正常工�?;谝陨锨疤?,典型的安全問題可以總結(jié)為:

 ?�?)信息被非法用戶截獲�

 ?�?)一�(gè)節(jié)�(diǎn)遭破��

  �3)識(shí)別偽節(jié)�(diǎn)�

 ?�?)如何向已有傳感器網(wǎng)�(luò)添加合法的節(jié)�(diǎn)�

  作者提出的方案不采用任何的路由�(jī)制。在此方案中,每�(gè)節(jié)�(diǎn)和基站分享一�(gè)�64位密匙Keyj和一�(gè)公共的密匙KeyBS,當(dāng)節(jié)�(diǎn)和基站距離超出了�(yù)定距離時(shí),網(wǎng)�(luò)�(huì)在節(jié)�(diǎn)和基站之間選擇一�(gè)節(jié)�(diǎn)作為媒介節(jié)�(diǎn)�(jìn)行接�;發(fā)送端�(huì)�(duì)�(shù)�(jù)�(jìn)行加密,接收端接收到�(shù)�(jù)后根�(jù)�(shù)�(jù)中的地址選擇相應(yīng)的密匙對(duì)�(shù)�(jù)�(jìn)行解�。這種雙加密方式可以防止暴露節(jié)�(diǎn)�(shù)目和地址,也可以防止�(shù)�(jù)被非法截獲,即使�(gè)別節(jié)�(diǎn)被破�,也只有它自己的密匙泄漏,整�(gè)�(wǎng)�(luò)仍然可以正常工作。文�(xiàn)[5]中介紹了無線傳感器網(wǎng)�(luò)中的兩種專用安全�(xié)議:SNEP(Sensor Network Encryption Protocol)�?;TESLA。SNEP的功能是提供節(jié)�(diǎn)到接收機(jī)之間�(shù)�(jù)的鑒�(quán)、加�、刷��?;TESLA的功能是�(duì)廣播�(shù)�(jù)的鑒�(quán)�

  2� 大規(guī)模傳感器�(wǎng)�(luò)中的節(jié)�(diǎn)移動(dòng)性管�

  這�(gè)問題�(shí)�(zhì)上就是沒有無線基�(chǔ)�(shè)施的無線傳感器網(wǎng)�(luò)中的節(jié)�(diǎn)查詢問題。最�(jiǎn)單的資源查詢方式是全局泛洪法,但是�(duì)于資源有限的無線傳感器網(wǎng)�(luò)不適�,因此在�(shè)�(jì)工作中應(yīng)該盡量避免使用全局泛洪�。擴(kuò)展環(huán)搜索法(expanding ring search)用增加生存�(shí)間(Time-To-Live� TTL)的方式重復(fù)泛洪,這種方式和由此派生出來的方式也不適合無線傳感器網(wǎng)�(luò)。在改善泛洪法的效率方面,文�(xiàn)[6]中提出的方案是通過減少查詢每�(gè)節(jié)�(diǎn)�(shí)出現(xiàn)的多余消息去減少泛洪法固有的冗余,在沒有出現(xiàn)明顯的冗余情況下,這種方案�(duì)提高效率沒有太多貢獻(xiàn)。在ad hoc�(wǎng)�(luò)�,查詢節(jié)�(diǎn)是通過基于簇(clusters)和界標(biāo)(landmarks)的層次表來�(shí)�(xiàn)的,這種方式需要在節(jié)�(diǎn)之間�(shè)置復(fù)雜的�(xié)�(diào)�(jī)�,當(dāng)節(jié)�(diǎn)移動(dòng)�(shí)或者簇頭(cluster-head)或界標(biāo)失敗�(shí),層次表需要重新配�。而且,通常簇頭�(huì)成為一�(gè)瓶頸,所以我們通常避免這種分層次的�(xié)�(diào)�,也避免使用簇頭�

  GLS[7]中提出的技�(shù)是基于一種所有節(jié)�(diǎn)都已知的�(wǎng)�(luò)�(wǎng)格圖。節(jié)�(diǎn)使用位置服務(wù)器保存它們的位置,并用一種基于ID�(hào)的算法去更新它們的位置,當(dāng)節(jié)�(diǎn)尋找指定ID�(hào)的節(jié)�(diǎn)位置�(shí),也用這種算法去服�(wù)器尋找目�(biāo)節(jié)�(diǎn)的位置。對(duì)于知道網(wǎng)�(luò)的網(wǎng)格圖和它們自己的位置并且知道目標(biāo)節(jié)�(diǎn)的ID�(hào)的節(jié)�(diǎn),這種方法是一�(gè)好方��

  文獻(xiàn)[8]中介紹了一種針�(duì)大規(guī)模移�(dòng)傳感器網(wǎng)�(luò)的查詢方�,這種方法借用了小世界(small worlds)的概念,利用節(jié)�(diǎn)的移�(dòng)性去提高查詢效率,并引入了關(guān)�(lián)(contacts)的概念。其工作原理是首先在相鄰節(jié)�(diǎn)間建立關(guān)�(lián),當(dāng)它們移�(dòng)�(shí),再�(guān)�(lián)新的相鄰節(jié)�(diǎn),這樣提高了查詢的效率。與傳統(tǒng)的路由查詢方式不�,這種�(shè)�(jì)基本目標(biāo)不是去優(yōu)化路由或者響�(yīng)延時(shí),而是去減少通信的系�(tǒng)開銷,這一�(diǎn)在能量受限的�(huán)境中非常重要,特別是�(duì)于傳感器�(shù)量眾多的�(wǎng)�(luò)中的一次性查�(通信的生存時(shí)間很�)。文中給出的�(xié)議是可升�(jí)的(scalable�、自�(dòng)配置�,非常適�(yīng)節(jié)�(diǎn)的移�(dòng)性要�。仿真結(jié)果顯示它比邊緣泛洪法提高效率60-70�,比泛洪法提高效�80-90�,比�(kuò)展環(huán)搜索法則有更大的改善�

  針對(duì)無線傳感器網(wǎng)�(luò)中的分布式定�,文�(xiàn)[9]比較了三種定位算法:ad hoc、魯棒定�、N跳多向法(N-hop multilateration�。具體選擇哪種算法要取決于某些網(wǎng)�(luò)參數(shù),比如差�(cuò)分布和連通性等�

  3� �(wǎng)�(luò)的自�(dòng)配置和自�(dòng)康復(fù)和維持系�(tǒng)能量有效�

  無線傳感器網(wǎng)�(luò)被布置在無人值守的環(huán)境中�(shí),更換能源幾乎不可能,為了節(jié)約能源,�(fā)射功率要盡可能小,傳輸距離要短,節(jié)�(diǎn)間通信需要中間節(jié)�(diǎn)作為中繼。在地震救災(zāi)或者是無人飛行器中,網(wǎng)�(luò)的自�(dòng)配置和自�(dòng)康復(fù)功能顯得異常重要,而大�(guī)模的多跳無線傳感器網(wǎng)�(luò)系統(tǒng)的可�(cè)量性(scalability)也是一�(gè)�(guān)鍵問�。實(shí)�(xiàn)可測(cè)量性的一種方法是“分而治之(divide and conquer)�,或者說是分層控制(hierarchical),即用某種簇標(biāo)�(zhǔn)將網(wǎng)�(luò)節(jié)�(diǎn)分成簇組(clusters�,在每�(gè)簇中選出一�(gè)作為簇頭(leader),它在比較高的層次上代表本�;同樣的�(jī)制也�(yīng)用到簇頭�,使之形成一�(gè)層次,這�(gè)層次中,每�(gè)�(jí)別應(yīng)用當(dāng)?shù)乜刂疲╨ocal control)去�(shí)�(xiàn)某�(gè)全局目標(biāo)。大多數(shù)無線�(wǎng)�(luò)中的分類思想�(rèn)為網(wǎng)�(luò)與地理位置無�(guān),分類的�(biāo)�(zhǔn)是簇里的節(jié)�(diǎn)�(shù)量和簇間的邏輯直徑(相對(duì)于地理直徑而言�。但�,當(dāng)簇頭(cluster leader)和簇內(nèi)其它節(jié)�(diǎn)間的鏈路很長(zhǎng),相鄰簇間地理位置交迭很�,且不同的簇間路由消息載荷(routing traffic load)不平衡�(shí),一�(gè)非簇頭(non-leader)節(jié)�(diǎn)和它的簇頭節(jié)�(diǎn)之間通過它們之間僅有的�(zhǎng)鏈路通信將要消耗更多的能量,并且相鄰簇間的并行通信沖突頻發(fā),簇間能量消耗不平衡,由此帶來的�(jié)果是�(wǎng)�(luò)的壽命和通信�(zhì)量與有效性都大幅減小。因�,為了節(jié)約能量和改善通信�(zhì)量和有效�,在�(shè)�(jì)簇算法時(shí),簇的地理半徑應(yīng)該考慮。文�(xiàn)[10]提出,在傳感器節(jié)�(diǎn)�(nèi)用一種簡(jiǎn)單的�(xì)胞聚類結(jié)�(gòu)去構(gòu)成路由協(xié)�,這樣可以維持一種可�(cè)量的能量有效的系�(tǒng),其�(guān)鍵的問題是使這種�(xì)胞簇�(jié)�(gòu)具有自動(dòng)康復(fù)�。作者針�(duì)大規(guī)模多跳傳感器�(wǎng)�(luò)的自�(dòng)配置和自�(dòng)康復(fù)提出了一種分布式算法,這種算法可以保證�(wǎng)�(luò)節(jié)�(diǎn)在二維空間里自動(dòng)配置成細(xì)胞簇�(jié)�(gòu),其�(xì)胞單元有緊湊的地理半�,細(xì)胞單元之間的交疊也很�。這種�(jié)�(gòu)在各種擾�(dòng)下是自動(dòng)康復(fù)�,比如節(jié)�(diǎn)加入、離�、死�、移�(dòng)、被敵方捕獲�。文�(xiàn)[11]給出了一種針�(duì)簇的分布式算法LEACH,它是通過全局上重�(fù)簇操作來處理擾動(dòng)的,但這種算法既不能保證系�(tǒng)中簇的定位也不能保證簇的�(shù)�。文�(xiàn)[12]給出了另外一種簇算法,它僅考慮了簇的邏輯半�,而不考慮地理半徑,當(dāng)簇間存在比較大的交迭�(shí),這種方法�(huì)降低無線傳輸?shù)挠行�?。另外,它的�?fù)不在本地處理,而是依賴于消息在整�(gè)系統(tǒng)中的多次循環(huán)。文�(xiàn)[13]中給

  出了一種基于訪問的簇算法,這種算法注重簇的�(wěn)定�,不考慮簇的大小,要求每�(gè)節(jié)�(diǎn)都有全球定位系統(tǒng)(GPS)的支持�

  4� 系統(tǒng)功耗問�

  無線傳感器網(wǎng)�(luò)�(yīng)用于特殊�(chǎng)合時(shí),電源不可更�,因此功耗問題顯得至�(guān)重要�

  在系�(tǒng)的功耗模型中,我們最�(guān)心的是:

 ?�?� 微控制器的操作模式(休眠模式、操作模�、,潛在的減慢時(shí)鐘速率等),無線前端的工作模式(休眠、空�、接收、發(fā)射等��

 ?�?)在每種模式中,每�(gè)功能塊的功耗量,及它與哪些參數(shù)有關(guān)�

 ?�?)在�(fā)射功率受限的情況�,發(fā)射功率和系統(tǒng)功耗的映射�(guān)系;

 ?�?)從一種操作模式轉(zhuǎn)換到另外一種操作模�(假設(shè)可以直接�(zhuǎn)�)的轉(zhuǎn)換時(shí)間及其功耗;

 ?�?)無線調(diào)制解�(diào)器的接收靈敏度和輸出功率�

 ?�?)附加的品質(zhì)因數(shù)(如�(fā)射前端的溫漂和頻�(wěn)�、接收信�(hào)�(chǎng)�(qiáng)指示(RSSI)信號(hào)的標(biāo)�(zhǔn)等)�

  基于以上考慮,文�(xiàn)[14]提出了一種自組織低功耗網(wǎng)�(luò)的協(xié)議i-Beans,并具體說明了此�(wǎng)�(luò)的功�。比如,用一�(gè)220mAh的小紐扣電池供電,網(wǎng)�(luò)的平均消耗電流是100?;A,取樣率是每�1�,則電池可以持續(xù)80天;如果抽樣率是�?jī)煞昼娨淮?,平均消耗電流降?.92?;A,則電池壽命可以延長(zhǎng)�13.1年�

  為了克服�(yuǎn)程無線傳感器�(wǎng)�(luò)面臨的電池工作時(shí)間短的問�,美國Millennial Net公司已經(jīng)將其i-Bean無線技�(shù)與來自新興公司Ferro Solutions的“能量獲得(energy harvesting)”技�(shù)�(jié)合在一�,雙方最近展示了一�(gè)靠感�(yīng)振蕩能量�(zhuǎn)換器工作的i-Bean無線�(fā)射機(jī)。這種�(zhuǎn)換器能由�50mg�100mg力作用下�28Hz�30Hz振蕩�(chǎn)�1.2mV�3.6mV的電�,并允許�30m距離上以115Kb/s速率�(fā)送數(shù)�(jù)(無電池�。該公司還與其他公司合作開發(fā)太陽能電池板來給無線傳感器供��

  在能�?jī)?yōu)化研究方�,西安交通大�(xué)的黃�(jìn)宏等在文�(xiàn)[15]中提出了一種基于能�?jī)?yōu)化的無線傳感�(wǎng)�(luò)自適�(yīng)組織�(jié)�(gòu)和協(xié)議ALEP。與傳統(tǒng)的無線微傳感器網(wǎng)�(luò)�(xié)議相�,ALEP更加充分地考慮到實(shí)際應(yīng)�。它將一種高效能量控制算法引入組�(wǎng)�(xié)�,提高了�(wǎng)�(luò)的能量利用率,顯著延�(zhǎng)了無線網(wǎng)�(luò)的生命周�,增�(qiáng)了網(wǎng)�(luò)的健壯�。通過�(duì)ALEP�(xié)議�(jìn)行OPNET仿真,結(jié)果顯示該�(xié)議與傳統(tǒng)模式的無線微傳感器網(wǎng)�(luò)�(xié)議相比,在傳送相同的�(shù)�(jù)量的條件下有更高效的能量特性和信息傳輸特��

  �、結(jié)束語

  雖然無線傳感器網(wǎng)�(luò)的應(yīng)用前景十分美好,但由于當(dāng)前若干技�(shù)難題,還不能走向廣泛�(yīng)�。研究者�?cè)趯EMS與其它電子器件集成到單一芯片的過程中遇到了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。文中提到的各種算法還有待于在工程實(shí)�(xiàn)中去檢驗(yàn)它的�(shí)用性�

安全問題及對(duì)�

  1.引言

  無線傳感器網(wǎng)�(luò)WSN(WirelessSensorNetwork)是一種自組織�(wǎng)�(luò),通過大量低成�、資源受限的傳感節(jié)�(diǎn)�(shè)備協(xié)同工作實(shí)�(xiàn)某一特定任務(wù)�

  它是信息感知和采集技�(shù)的一�(chǎng)革命,是21世紀(jì)最重要的技�(shù)之一。它在氣候監(jiān)�(cè),周邊環(huán)境中的溫�、燈�、濕度等情況的探�(cè),大氣污染程度的�(jiān)�(cè),建筑的�(jié)�(gòu)完整性監(jiān)控,家庭�(huán)境的異常情況,機(jī)�(chǎng)或體育館的化�(xué)、生物威脅的檢測(cè)與預(yù)�(bào)等方面,WSN將會(huì)是一�(gè)�(jīng)�(jì)的替代方�,有著廣泛的�(yīng)用前��

  傳感器網(wǎng)�(luò)為在�(fù)雜的�(huán)境中部署大規(guī)模的�(wǎng)�(luò),�(jìn)行實(shí)�(shí)�(shù)�(jù)采集與處理帶來了希望。但同時(shí)WSN通常部署在無人維�(hù)、不可控制的�(huán)境中,除了具有一般無線網(wǎng)�(luò)所面臨的信息泄露、信息篡�、重放攻�、拒絕服�(wù)等多種威脅外,WSN還面臨傳感節(jié)�(diǎn)容易被攻擊者物理操�,并獲取存儲(chǔ)在傳感節(jié)�(diǎn)中的所有信�,從而控制部分網(wǎng)�(luò)的威脅。用戶不可能接受并部署一�(gè)沒有解決好安全和隱私問題的傳感網(wǎng)�(luò),因此在�(jìn)行WSN�(xié)議和軟件�(shè)�(jì)�(shí),必須充分考慮WSN可能面臨的安全問題,并把安全�(jī)制集成到系統(tǒng)�(shè)�(jì)中去。只有這樣,才能促�(jìn)傳感�(wǎng)�(luò)的廣泛應(yīng)�,否�,傳感網(wǎng)�(luò)只能部署在有�、受控的�(huán)境中,這和傳感�(wǎng)�(luò)的最終目�(biāo)——實(shí)�(xiàn)普遍性計(jì)算并成為人們生活中的一種重要方式是相違背的�

  一種好的安全機(jī)制設(shè)�(jì)是建立在�(duì)其所面臨的威�、網(wǎng)�(luò)特點(diǎn)等的深刻分析基礎(chǔ)之上的,傳感�(wǎng)�(luò)也不例外,本文將深入分析無線傳感器網(wǎng)�(luò)特點(diǎn)以及其所可能面臨的安全威�,并�(duì)其相�(yīng)的安全對(duì)策�(jìn)行了研究和探��

  2.傳感器網(wǎng)�(luò)特點(diǎn)分析

  WSN是一種大�(guī)模的分布式網(wǎng)�(luò),常部署于無人維�(hù)、條件惡劣的�(huán)境當(dāng)中,且大多數(shù)情況下傳感節(jié)�(diǎn)都是一次性使�,從而決定了傳感節(jié)�(diǎn)是價(jià)格低�、資源極度受限的無線通信�(shè)備[2],它的特�(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾�(gè)方面:�1)能量有�:能量是限制傳感節(jié)�(diǎn)能力、壽命的最主要的約束性條�,現(xiàn)有的傳感節(jié)�(diǎn)都是通過�(biāo)�(zhǔn)的AAA或AA電池�(jìn)行供�,并且不能重新充�。(2)計(jì)算能力有�:傳感節(jié)�(diǎn)CPU一般只具有8bit�4MHz�8MHz的處理能�。(3)存�(chǔ)能力有限:傳感節(jié)�(diǎn)一般包括三種形式的存儲(chǔ)器即RAM、程序存�(chǔ)器、工作存�(chǔ)�。RAM用于存放工作�(shí)的臨�(shí)�(shù)�(jù),一般不超過2k字節(jié);程序存儲(chǔ)器用于存�(chǔ)操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序以及安全函�(shù)等,工作存儲(chǔ)器用于存放獲取的傳感信息,這兩種存�(chǔ)器一般也只有幾十k字節(jié)。(4)通信范圍有限:為了節(jié)約信�(hào)傳輸�(shí)的能量消�,傳感節(jié)�(diǎn)的RF模塊的傳輸能量一般為10mW�100mW之間,傳�?shù)姆秶簿窒抻?00米到1公里之內(nèi)。(5)防篡改�:傳感節(jié)�(diǎn)是一種價(jià)格低�、結(jié)�(gòu)松散、開放的�(wǎng)�(luò)�(shè)�,攻擊者一旦獲取傳感節(jié)�(diǎn)就很容易獲得和修改存�(chǔ)在傳感節(jié)�(diǎn)中的密鑰信息以及程序代碼��

  另外,大多數(shù)傳感器網(wǎng)�(luò)在�(jìn)行部署前,其�(wǎng)�(luò)�?fù)涫菬o法預(yù)知的,同�(shí)部署�,整�(gè)�(wǎng)�(luò)�?fù)洹鞲泄?jié)�(diǎn)在網(wǎng)�(luò)中的角色也是�(jīng)常變化的,因而不像有線網(wǎng)、大部分無線�(wǎng)�(luò)那樣�(duì)�(wǎng)�(luò)�(shè)備�(jìn)行完全配�,對(duì)傳感節(jié)�(diǎn)�(jìn)行預(yù)配置的范圍是有限�,很多網(wǎng)�(luò)參數(shù)、密鑰等都是傳感節(jié)�(diǎn)在部署后�(jìn)行協(xié)商后形成的�

  根據(jù)以上無線傳感器特�(diǎn)分析可知,無線傳感器�(wǎng)�(luò)易于遭受傳感節(jié)�(diǎn)的物理操縱、傳感信息的竊聽、拒絕服�(wù)攻擊、私有信息的泄露等多種威脅和攻擊。下面將根據(jù)WSN的特�(diǎn),對(duì)WSN所面臨的潛在安全威脅�(jìn)行分類描述與�(duì)策探討�

  3.威脅分析與對(duì)�

  3.1傳感節(jié)�(diǎn)的物理操�

  未來的傳感器�(wǎng)�(luò)一般有成百上千�(gè)傳感節(jié)�(diǎn),很難對(duì)每�(gè)節(jié)�(diǎn)�(jìn)行監(jiān)控和保護(hù),因而每�(gè)節(jié)�(diǎn)都是一�(gè)潛在的攻擊點(diǎn),都能被攻擊者�(jìn)行物理和邏輯攻擊。另�,傳感器通常部署在無人維�(hù)的環(huán)境當(dāng)中,這更加方便了攻擊者捕獲傳感節(jié)�(diǎn)。當(dāng)捕獲了傳感節(jié)�(diǎn)后,攻擊者就可以通過編程接口(JTAG接口�,修改或獲取傳感節(jié)�(diǎn)中的信息或代碼,根據(jù)文獻(xiàn)[3]分析,攻擊者可利用�(jiǎn)單的工具(計(jì)算機(jī)、UISP自由軟件)在不到一分鐘的時(shí)間內(nèi)就可以把EEPROM、Flash和SRAM中的所有信息傳�?shù)�?jì)算機(jī)�,通過匯編軟件,可很方便地把獲取的信息�(zhuǎn)換成匯編文件格式,從而分析出傳感節(jié)�(diǎn)所存儲(chǔ)的程序代�、路由協(xié)議及密鑰等機(jī)密信�,同�(shí)還可以修改程序代�,并加載到傳感節(jié)�(diǎn)��

  很顯�,目前通用的傳感節(jié)�(diǎn)具有很大的安全漏洞,攻擊者通過此漏�,可方便地獲取傳感節(jié)�(diǎn)中的�(jī)密信�、修改傳感節(jié)�(diǎn)中的程序代碼,如使得傳感節(jié)�(diǎn)具有多�(gè)身份ID,從而以多�(gè)身份在傳感器�(wǎng)�(luò)中�(jìn)行通信,另外,攻擊還可以通過獲取存儲(chǔ)在傳感節(jié)�(diǎn)中的密鑰、代碼等信息�(jìn)�,從而偽造或偽裝成合法節(jié)�(diǎn)加入到傳感網(wǎng)�(luò)�。一旦控制了傳感器網(wǎng)�(luò)中的一部分節(jié)�(diǎn)�,攻擊者就可以�(fā)�(dòng)很多種攻擊,如監(jiān)聽傳感器�(wǎng)�(luò)中傳�?shù)男畔?,向傳感器網(wǎng)�(luò)中發(fā)布假的路由信息或傳送假的傳感信�、�(jìn)行拒絕服�(wù)攻擊��

  �(duì)�:由于傳感節(jié)�(diǎn)容易被物理操縱是傳感器網(wǎng)�(luò)不可回避的安全問�,必須通過其它的技�(shù)方案來提高傳感器�(wǎng)�(luò)的安全性能。如在通信前�(jìn)行節(jié)�(diǎn)與節(jié)�(diǎn)的身份認(rèn)�;�(shè)�(jì)新的密鑰�(xié)商方�,使得即使有一小部分節(jié)�(diǎn)被操縱后,攻擊者也不能或很難從獲取的節(jié)�(diǎn)信息推導(dǎo)出其它節(jié)�(diǎn)的密鑰信息等。另外,還可以通過�(duì)傳感節(jié)�(diǎn)軟件的合法性�(jìn)行認(rèn)證等措施來提高節(jié)�(diǎn)本身的安全性能�

  3.2信息竊聽

  根據(jù)無線傳播和網(wǎng)�(luò)部署特點(diǎn),攻擊者很容易通過節(jié)�(diǎn)間的傳輸而獲得敏感或者私有的信息,如:在通過無線傳感器網(wǎng)�(luò)�(jiān)控室�(nèi)溫度和燈光的�(chǎng)景中,部署在室外的無線接收器可以獲取室內(nèi)傳感器發(fā)送過來的溫度和燈光信�;同樣攻擊者通過�(jiān)聽室�(nèi)和室外節(jié)�(diǎn)間信息的傳輸,也可以獲知室內(nèi)信息,從而揭露出房屋主人的生活習(xí)性�

  �(duì)�:�(duì)傳輸信息加密可以解決竊聽問題,但需要一�(gè)靈活、強(qiáng)健的密鑰交換和管理方�,密鑰管理方案必須容易部署而且適合傳感節(jié)�(diǎn)資源有限的特�(diǎn),另�,密鑰管理方案還必須保證�(dāng)部分節(jié)�(diǎn)被操縱后(這樣,攻擊者就可以獲取存儲(chǔ)在這�(gè)節(jié)�(diǎn)中的生成�(huì)話密鑰的信息�,不�(huì)破壞整�(gè)�(wǎng)�(luò)的安全性。由于傳感節(jié)�(diǎn)的內(nèi)存資源有�,使得在傳感器網(wǎng)�(luò)中實(shí)�(xiàn)大多�(shù)節(jié)�(diǎn)間端到端安全不切�(shí)�。然而在傳感器網(wǎng)�(luò)中可以實(shí)�(xiàn)�-跳之間的信息的加�,這樣傳感節(jié)�(diǎn)只要與鄰居節(jié)�(diǎn)共享密鑰就可以了。在這種情況�,即使攻擊者捕獲了一�(gè)通信節(jié)�(diǎn),也只是影響相鄰節(jié)�(diǎn)間的安全。但�(dāng)攻擊者通過操縱節(jié)�(diǎn)�(fā)送虛假路由消�,就�(huì)影響整�(gè)�(wǎng)�(luò)的路由拓?fù)?。解決這種問題的辦法是具有魯棒性的路由�(xié)議,另外一種方法是多路徑路�,通過多�(gè)路徑傳輸部分信息,并在目的地�(jìn)行重��

  3.3私有性問�

  傳感器網(wǎng)�(luò)是用于收集信息作為主要目的的,攻擊者可以通過竊聽、加入偽造的非法節(jié)�(diǎn)等方式獲取這些敏感信息,如果攻擊者知道怎樣從多路信息中獲取有限信息的相�(guān)算法,那么攻擊者就可以通過大量獲取的信息導(dǎo)出有效信�。一般傳感器中的私有性問題,并不是通過傳感器網(wǎng)�(luò)去獲取不大可能收集到的信�,而是攻擊者通過�(yuǎn)程監(jiān)聽WSN,從而獲得大量的信息,并根據(jù)特定算法分析出其中的私有性問題。因此攻擊者并不需要物理接觸傳感節(jié)�(diǎn),是一種低�(fēng)�(xiǎn)、匿名的獲得私有信息方式。遠(yuǎn)程監(jiān)聽還可以使單�(gè)攻擊者同�(shí)獲取多�(gè)節(jié)�(diǎn)的傳�?shù)男畔�?/FONT>

  �(duì)�:保證�(wǎng)�(luò)中的傳感信息只有可信�(shí)體才可以訪問是保證私有性問題的方法,這可通過�(shù)�(jù)加密和訪問控制來�(shí)�(xiàn);另外一種方法是限制�(wǎng)�(luò)所�(fā)送信息的粒度,因?yàn)樾畔⒃皆�?xì),越有可能泄露私有�,比�,一�(gè)簇節(jié)�(diǎn)可以通過�(duì)從相鄰節(jié)�(diǎn)接收到的大量信息�(jìn)行匯集處�,并只傳送處理結(jié)果,從而達(dá)到數(shù)�(jù)匿名��

  3.4拒絕服務(wù)攻擊(DOS�

  DOS攻擊主要用于破壞�(wǎng)�(luò)的可用�,減�、降低執(zhí)行網(wǎng)�(luò)或系�(tǒng)�(zhí)行某一期望功能能力的任何事件。如試圖中斷、顛覆或毀壞傳感網(wǎng)�(luò),另外還包括硬件失敗、軟件bug、資源耗盡、環(huán)境條件等[4]。這里我們主要考慮�(xié)議和�(shè)�(jì)層面的漏�。確定一�(gè)�(cuò)誤或一系列�(cuò)誤是否是有意DOS攻擊造成�,是很困難的,特別是在大�(guī)模的�(wǎng)�(luò)�,因?yàn)榇藭r(shí)傳感�(wǎng)�(luò)本身就具有比較高的單�(gè)節(jié)�(diǎn)失效��

  DOS攻擊可以�(fā)生在物理�,如信道阻塞,這可能包括在�(wǎng)�(luò)中惡意干擾網(wǎng)�(luò)中協(xié)議的傳送或者物理損害傳感節(jié)�(diǎn)。攻擊者還可以�(fā)起快速消耗傳感節(jié)�(diǎn)能量的攻�,比�,向目標(biāo)節(jié)�(diǎn)連續(xù)�(fā)送大量無用信�,目�(biāo)節(jié)�(diǎn)就會(huì)消耗能量處理這些信息,并把這些信息傳送給其它節(jié)�(diǎn)。如果攻擊者捕獲了傳感節(jié)�(diǎn),那么他還可以偽造或偽裝成合法節(jié)�(diǎn)�(fā)起這些DOS攻擊,比如,它可以產(chǎn)生循�(huán)路由,從而耗盡這�(gè)循環(huán)中節(jié)�(diǎn)的能�。防御DOS攻擊的方法沒有一�(gè)固定的方�,它隨著攻擊者攻擊方法的不同而不�。一些跳頻和�(kuò)頻技�(shù)可以用來減輕�(wǎng)�(luò)堵塞問題。恰�(dāng)?shù)恼J(rèn)證可以防止在�(wǎng)�(luò)中插入無用信息,然�,這些�(xié)議必須十分有效,否則它也�(huì)被用來當(dāng)作DOS攻擊的手�。比�,使用基于非�(duì)稱密碼機(jī)制的�(shù)字簽名可以用來�(jìn)行信息認(rèn)證,但是�(chuàng)建和�(yàn)證簽名是一�(gè)�(jì)算速度�、能量消耗大的計(jì)�,攻擊者可以在�(wǎng)�(luò)中引入大量的這種信息,就�(huì)有效地實(shí)施DOS攻擊�

  4.總結(jié)

  安全是一�(gè)好的傳感�(wǎng)�(luò)�(shè)�(jì)中的�(guān)鍵問�,沒有足夠的保護(hù)�(jī)密性、私有�、完整性以及防御DOS和其它攻擊的措施,傳感網(wǎng)�(luò)就不能得到廣泛的�(yīng)�,它只能在有限的、受控的�(huán)境中得到�(shí)�,這會(huì)�(yán)重影響傳感網(wǎng)�(luò)的應(yīng)用前景。另�,在考慮傳感�(wǎng)�(luò)安全問題和選擇對(duì)�(yīng)安全�(jī)制的�(shí)候,必須在協(xié)議和軟件的設(shè)�(jì)階段就根�(jù)�(wǎng)�(luò)特點(diǎn)、應(yīng)用場(chǎng)合等綜合�(jìn)行設(shè)�(jì),試圖在事后增加系統(tǒng)的安全功能通常被證明為不成功或功能較弱��