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無線感測器網路與安全

發布時間:2023-06-09 13:48:09

Ⅰ 無線感測器網路上的安全問題幾解決方案

無線感測器網路WSN(WirelessSensorNetwork)是一種自組織網路,通過大量低成本、資源受限的感測節點設備協同工作實現某一特定任務。

它是信息感知和採集技術的一場革命,是21世紀最重要的技術之一。它在氣候監測,周邊環境中的溫度、燈光、濕度等情況的探測,大氣污染程度的監測,建築的結構完整性監控,家庭環境的異常情況,機場或體育館的化學、生物威脅的檢測與預報等方面,WSN將會是一個經濟的替代方案,有著廣泛的應用前景。

感測器網路為在復雜的環境中部署大規模的網路,進行實時數據採集與處理帶來了希望。但同時WSN通常部署在無人維護、不可控制的環境中,除了具有一般無線網路所面臨的信息泄露、信息篡改、重放攻擊、拒絕服務等多種威脅外,WSN還面臨感測節點容易被攻擊者物理操縱,並獲取存儲在感測節點中的所有信息,從而控制部分網路的威脅。用戶不可能接受並部署一個沒有解決好安全和隱私問題的感測網路,因此在進行WSN協議和軟體設計時,必須充分考慮WSN可能面臨的安全問題,並把安全機制集成到系統設計中去。只有這樣,才能促進感測網路的廣泛應用,否則,感測網路只能部署在有限、受控的環境中,這和感測網路的最終目標——實現普遍性計算並成為人們生活中的一種重要方式是相違背的。

一種好的安全機制設計是建立在胡空對其所面臨的威脅、網路特點等的深刻分析基礎之上的,感測網路也不例外,本文將深入分析無線感測器網路特點以及其所可能面臨的安全威脅,並對其相應的安全對策進行了研究和探討。

2.感測器網路特點分析

WSN是一種大規模的分布式網路,常部署於無人維護、條件惡劣的環境當中,且大多數情況下感測節點都是一次性使用,從而決定了感測節點是價格低廉、資源極度受限的無線通信設備[2],它的特點主要體現在以下幾個方面:(1)能量有限:能量是限制感測節點能力、壽命的最主要的約束性條件,現有的感測節點都是通過標準的AAA或AA電池進行供電,並且不能重新充電。(2)計算能力有限:感測節點CPU一般只具有8bit、4MHz~8MHz的處理能力。(3)存儲能力有限:感測節點一般包括三種形式的存儲器即RAM、程序存儲器、工作存儲器。RAM用於存放工作時的臨時數據,一般不超過2k位元組;程序存儲器譽滲用於存儲操作系統、應用程序以及安全函數等,工作存儲器用於存放獲取的感測信息,這兩種存儲器一般也只有幾十k位元組。(4)通信范圍有限:為了節約信號傳輸時的能量消耗,感測節點的RF模塊的傳輸能量一般為10mW到100mW之間,傳輸的范圍也局限於100米到1公里之內。(5)防篡改性:感測節點是一種價格低廉、結構鬆散、開放的網路設備,攻擊者一旦獲取感測節點就很容易獲得和修改存儲在感測節點中的密鑰信息以及程序代碼等。

另外,大多數感測器網路在進行部署前,其網路拓撲是無法預知的,同時部署後,整個網路拓撲、感測節點在網路中的角色也是經常變化的,因而不像有線網、大部分無線網路那樣對網路設備進行完全配置,對感測節點進行預配置的范圍是有限的,很多網路參數、密鑰等都是感測節點在部署後進行協商後形成的。

根據以上無線感測器特點分析可知,無線感測器網路易於遭受感測節點的物理操縱、感測信息的竊聽、拒絕服務攻擊、私有信息的泄露等多種威脅和攻擊。下面將根據WSN的特點,對WSN所面臨的潛在安全威脅進行分類描述與對策探討。

3.威脅分析與對策

3.1感測節點的物理操縱

未來的感測器網路一般有成百上千個感測節點,很難對每個節點進行監控和保護,因而每個節點都是一個潛在的攻擊點,都能被攻擊者進行物理和邏輯攻擊。另外,感測器通常部署在無人維護的環境當中,這更加方便了攻擊者捕獲傳褲虛瞎感節點。當捕獲了感測節點後,攻擊者就可以通過編程介面(JTAG介面),修改或獲取感測節點中的信息或代碼,根據文獻[3]分析,攻擊者可利用簡單的工具(計算機、UISP自由軟體)在不到一分鍾的時間內就可以把EEPROM、Flash和SRAM中的所有信息傳輸到計算機中,通過匯編軟體,可很方便地把獲取的信息轉換成匯編文件格式,從而分析出感測節點所存儲的程序代碼、路由協議及密鑰等機密信息,同時還可以修改程序代碼,並載入到感測節點中。

很顯然,目前通用的感測節點具有很大的安全漏洞,攻擊者通過此漏洞,可方便地獲取感測節點中的機密信息、修改感測節點中的程序代碼,如使得感測節點具有多個身份ID,從而以多個身份在感測器網路中進行通信,另外,攻擊還可以通過獲取存儲在感測節點中的密鑰、代碼等信息進行,從而偽造或偽裝成合法節點加入到感測網路中。一旦控制了感測器網路中的一部分節點後,攻擊者就可以發動很多種攻擊,如監聽感測器網路中傳輸的信息,向感測器網路中發布假的路由信息或傳送假的感測信息、進行拒絕服務攻擊等。

對策:由於感測節點容易被物理操縱是感測器網路不可迴避的安全問題,必須通過其它的技術方案來提高感測器網路的安全性能。如在通信前進行節點與節點的身份認證;設計新的密鑰協商方案,使得即使有一小部分節點被操縱後,攻擊者也不能或很難從獲取的節點信息推導出其它節點的密鑰信息等。另外,還可以通過對感測節點軟體的合法性進行認證等措施來提高節點本身的安全性能。

Ⅱ 無線感測器應用,科技讓生活五彩斑斕

現代科技飛速發展,科技更新換代帶來的信息更是強大的,而無線感測器能夠採集設備的數字信號通過無線感測器網路傳輸到監控中心的無線網關,然後直接送入計算機,最後進行分析處理。無線感測器網路是現在常見的,能夠收集到具有感測器節點組成的無線感測器網路的各類信息。無線感測器的應用廣泛且應用實例頗多,下面介紹一下無線網路感測器的應用實例。

橋梁健康檢測及監測

橋梁結構健康監測(SHM)是一種基於感測器的主動防禦型方法,可以彌補目前安全性能十分重要的結構中,把感測器網路安置到橋梁、建築和飛機中,利用感測器進行SHM是一種可靠且不昂貴的做法,可以在第一時間檢測到缺陷的形成。這種網路可以提早向維修人員報告在關鍵結構中出現的缺陷,從而避免災難性事故。

糧倉溫濕度監測

無線感測毀仔器網路技術在糧庫糧倉溫度濕度監測領域應用最為普遍,這是由於糧庫糧倉溫度濕度的測點多,分布廣,使用縱橫交錯的信號線會降低防火安全系數,應用無線感測器網路技術具有低功耗,低成本,布線簡單,安裝方便,易於組網,便於管理維蠢岩護等特點。

混凝土澆灌溫度監測

在混凝土施工過程中,將數字溫度感測器裝入導熱良好的金屬套管內,可保證感測器對混凝土溫度變化作出迅速的反應。每個溫度監測金屬管接入一個無線溫度節點,整個現場的無線溫度節點通過無線網路傳輸到施工監控中心,不需要在施工現場布放長電纜,安裝布放方便,能夠有效解決溫度測量點因為施工人員損壞電纜造成的成活率較低的問題.

地震監測

通過使用由大量互連的微型感測器節點組成的感測器網路,可以對不同環境進行不間斷的高精度數據搜集。採用低功耗的無線通信模塊和無線通信協議可以使感測器網路的生命期延續很長時間。保證了感測器網路的實用性。

無線感測器網路相對於傳統的網路,其最明顯的特色可以用六個字來概括即:「自組織,自癒合」。這些特點使得無線感測器網路能夠適應復雜多變的環境,去監測人力難以到達的惡劣環境地區。BEETECH無線感測器網路節點體積小巧,不需現場拉線供電,非常方便在應急情況下進行靈活部署監測並預測地質災害的發生情況。

建築物振動檢測

建築物懸臂部分不會因為旁邊公路及地鐵交通所引發的振動而超過舒適度的要求;通過現場測量,收集數據以驗證由公路及地鐵交通所引發的振動與主樓懸臂振動之相互關系;帶余御同時,通過模態分析得到主樓結構在小振幅脈動振動工況下前幾階振動模態的阻尼比,為將來進行結構的小振幅動力分析提供關鍵數據

無線感測器的應用實例頗多,而且無線感測器的應用范圍廣泛,在現代的城市建設等重要領域都發揮著至關重要的作用。無線感測器的應用,我們也能看出來現在科技的進步對人們現代化的生活是有深刻的影響的,科技能夠讓人們的生活更加便利,更加能夠了解信息的更新。以上就是小兔介紹的無線網路的應用,希望能夠對您有所幫助。

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Ⅲ 5、無線感測器網路的睡眠調度目的

一 無線感測器網路簡介

短距離無線通信特點:通信距離短,覆蓋距離一般為10~200m。無線發射器的發射功率較低,發射功率一般小於100mW。工作頻率多為免付費、免申請的全球通用的工業、科學、醫療頻段。
短距離無線通信技術的概念:指集信息採集、信息傳輸、信息處理於一體的綜合型智能信息系統,並且其傳輸距離限制在一個較短的范圍內。
低成本、低功耗和對等通信是短距離無線通信技術的三個重要特徵和優勢。
常見的無線通信技術有IrDA技術、藍牙技術、WIFI技術、RFID技術、UWB技術、Zigbee技術。
以數據傳輸為主要功能的無線網路技術稱為無線數據網路。
ALOHA協議是一種使用無線廣播技術的分組交換計算機網路協議,也是最早最基本的無線數據通信協議。
ALOHA協議分為純ALOHA和時隙ALOHA兩種。
ALOHA技術的特點:原理非常簡單,特別便於無線設備實現。
無線區域網是在各工作站和設備之間,不再使用通信電纜,而採用無線的通信方式連接的區域網。
無線區域網的傳輸媒體主要有兩種:無線電波和紅外線。
根據調制的方式不同,無線電波方式可分為擴展頻譜方式和窄帶調制方式。
擴展頻譜方式是指用來傳輸信息的射頻帶寬遠大於信息本身帶寬的一種通信方式,它雖然犧牲了頻帶帶寬,卻提高了通信系統的抗干擾能力和安全性。
窄帶調制方式是指數據基帶信號的頻譜不做任何擴展即被直接搬移到射頻發射出去,與擴展頻譜方式相比,窄帶調制方式佔用頻帶少,頻帶利用率高,但是通信可靠性較差。
紅外線方式最大的有限是不受無線電干擾,且紅外線的使用不受國家無線電管理委員會限制,但是紅外線對非透明物體的透過性較差,傳輸距離受限。
無線個域網是一種與無線廣域網、無線城域網、無線區域網並列但覆蓋范圍較小的無線網路,是為了實現活動半徑小、業務類型豐富、面向特定群體、無線無縫的連接而提出的新興無線通信網路技術。
無線自組織網路是一個由幾十到上百個節點組成的、採用無線通信方式的、動態組的多跳的移動性對等網路。其目的是通過動態路由和移動管理技術傳輸具有服務質量要求的多媒體信息流。
無線感測器網路的主要組成部分是集成有感測器、數據處理單元和通信模塊的節點,各節點通過協議自組成一個分布式網路,再將採集來的數據通過優化後經無線電波傳輸給信息處理中心。
感測器網路的特點:
大規模網路
自組織網路
多跳路由
動態性網路
以數據為中心的網路
兼容性應用的網路
感測器節點的限制
電源能量有限
通信能量有限
計算和存儲能力有限
拓撲控制是無線感測器網路研究的核心技術之一。
感測器網路中的拓撲控制按照研究方向可分為:節點功率控制和層次型拓撲結構組織。
無線感測器網路最基本的安全機制:機密性、點到點的消息認證、完整性鑒別、新鮮性、認證廣播和安全管理。
時間同步是需要協同工作的感測器網路系統的一個關鍵機制。
三個基本的時間同步機制:RBS、TINY/MINI-SYNC和TPSN。
RBS機制是基於接收者-接收者的時鍾同步一個節點廣播時鍾參考分組,廣播域內的兩個節點分別採用本地時鍾記錄參考分組的到達時間,通過交換記錄時間來實現它們之間的時鍾同步。
TINY/MINI-SYNC是簡單的輕量級的同步機制:假設節點的時鍾漂移遵循線性變化,那麼兩個節點之間的時間偏移也是線性的,可通過減緩時標分組來估計兩個節點之間最優匹配偏移量。

Ⅳ 關於無線感測器網路的安全,你認為未來面臨的攻擊主要包 含哪些

根據網路層次的不同,可以將無線感測器網路容易受到的威脅分為四類:

1、物理層:主要的攻擊方法為擁塞攻擊和物理破壞。

2、鏈路層:主要的攻擊方法為碰撞攻擊、耗盡攻擊和非公平競爭。

3、網路層:主要的攻擊方法為丟棄和貪婪破壞、方向誤導攻擊、黑洞攻擊和匯聚節點攻擊。

4、傳輸層:主要的攻擊方法為泛洪攻擊和同步破壞攻擊。


安全需求

由於WSN使用無線通信,其通信鏈路不像有線網路一樣可以做到私密可控。所以在設計感測器網路時,更要充分考慮信息安全問題。

手機SIM卡等智能卡,利用公鑰基礎設施(Public Key Infrastructure,PKI)機制,基本滿足了電信等行業對信息安全的需求。同樣,亦可使用PKI來滿足WSN在信息安全方面的需求。

1、數據機密性

數據機密性是重要的網路安全需求,要求所有敏感信息在存儲和傳輸過程中都要保證其機密性,不得向任何非授權用戶泄露信息的內容。

2、數據完整性

有了機密性保證,攻擊者可能無法獲取信息的真實內容,但接收者並不能保證其收到的數據是正確的,因為惡意的中間節點可以截獲、篡改和干擾信息的傳輸過程。通過數據完整性鑒別,可以確保數據傳輸過程中沒有任何改變。

3、數據新鮮性

數據新鮮性問題是強調每次接收的數據都是發送方最新發送的數據,以此杜絕接收重復的信息。保證數據新鮮性的主要目的是防止重放(Replay)攻擊。

4、可用性

可用性要求感測器網路能夠隨時按預先設定的工作方式向系統的合法用戶提供信息訪問服務,但攻擊者可以通過偽造和信號干擾等方式使感測器網路處於部分或全部癱瘓狀態,破壞系統的可用性,如拒絕服務(Denial of Service,DoS)攻擊。

5、魯棒性

無線感測器網路具有很強的動態性和不確定性,包括網路拓撲的變化、節點的消失或加入、面臨各種威脅等,因此,無線感測器網路對各種安全攻擊應具有較強的適應性,即使某次攻擊行為得逞,該性能也能保障其影響最小化。

6、訪問控制

訪問控制要求能夠對訪問無線感測器網路的用戶身份進行確認,確保其合法性。

Ⅳ 簡述無線感測器網路路由協議的考慮因素

Ⅵ 無線感測器網路的優缺點

一、優點

(1) 數據機密性

數據機密性是重要的網路安全需求,要求所有敏感信息在存儲和傳輸過程中都要保證其機密性,不得向任何非授權用戶泄露信息的內容。

(2)數據完整性

有了機密性保證,攻擊者可能無法獲取信息的真實內容,但接收者並不能保證其收到的數據是正確的,因為惡意的中間節點可以截獲、篡改和干擾信息的傳輸過程。通過數據完整性鑒別,可以確保數據傳輸過程中沒有任何改變。

(3) 數據新鮮性

數據新鮮性問題是強調每次接收的數據都是發送方最新發送的數據,以此杜絕接收重復的信息。保證數據新鮮性的主要目的是防止重放(Replay)攻擊。

二、缺點

根據網路層次的不同,無線感測器網路容易受到的威脅:

(1)物理層:主要的攻擊方法為擁塞攻擊和物理破壞。

(2)鏈路層:主要的攻擊方法為碰撞攻擊、耗盡攻擊和非公平競爭。

(3)網路層:主要的攻擊方法為丟棄和貪婪破壞、方向誤導攻擊、黑洞攻擊和匯聚節點攻擊。

(4)傳輸層:主要的攻擊方法為泛洪攻擊和同步破壞攻擊。

(6)無線感測器網路與安全擴展閱讀:

一、相關特點

(1)組建方式自由。

無線網路感測器的組建不受任何外界條件的限制,組建者無論在何時何地,都可以快速地組建起一個功能完善的無線網路感測器網路,組建成功之後的維護管理工作也完全在網路內部進行。

(2)網路拓撲結構的不確定性。

從網路層次的方向來看,無線感測器的網路拓撲結構是變化不定的,例如構成網路拓撲結構的感測器節點可以隨時增加或者減少,網路拓撲結構圖可以隨時被分開或者合並。

(3)控制方式不集中。

雖然無線感測器網路把基站和感測器的節點集中控制了起來,但是各個感測器節點之間的控制方式還是分散式的,路由和主機的功能由網路的終端實現各個主機獨立運行,互不幹涉,因此無線感測器網路的強度很高,很難被破壞。

(4)安全性不高。

無線感測器網路採用無線方式傳遞信息,因此感測器節點在傳遞信息的過程中很容易被外界入侵,從而導致信息的泄露和無線感測器網路的損壞,大部分無線感測器網路的節點都是暴露在外的,這大大降低了無線感測器網路的安全性。

二、組成結構

無線感測器網路主要由三大部分組成,包括節點、感測網路和用戶這3部分。其中,節點一般是通過一定方式將節點覆蓋在一定的范圍,整個范圍按照一定要求能夠滿足監測的范圍。

感測網路是最主要的部分,它是將所有的節點信息通過固定的渠道進行收集,然後對這些節點信息進行一定的分析計算,將分析後的結果匯總到一個基站,最後通過衛星通信傳輸到指定的用戶端,從而實現無線感測的要求。

Ⅶ 無線感測器應用無線感測器特點


隨著科技發展的腳步越來越快,人類已經置身於信息時代。而作為信息獲取最重要和最基本的技術感測器技術,也得到了極大的發展。感測器信息獲取技術已經從過去的單一化漸漸向集成化、微型化和網路化方向發展,並將會帶來一場信息革命。那麼,接下來小編為大家介紹無線感測器應用及無線感測器特點族攔。
無線感測器應用
1、軍事領域的應用
在軍事領域,由於WSN具有密集型、隨機分布的特點,使其非常適合應用於惡劣的戰場環境。利用WSN能夠實現監測敵軍區域內的兵力和裝備、實時監視戰場狀況、定位目標、監測核攻擊或者生物化學攻擊等。
2、輔助農業生產
WSN特別適用於以下方面的生產和科學研究。例如,大棚種植室內及土壤的溫度、濕度、光照監測、珍貴經濟作物生長規律分析與測量、葡萄優質育種和生產等,可為農村發展與農民增收帶來極大的幫助。採用WSN建設農業環境自動監測系統,用一套網路設備完成風、光、水、電、熱和農葯等的數據採集和環境控制,可有效提高農業集約化生產程度,提高農業生產種植的科學性。
3、生態監測與災害預警
WSN可以廣泛地應用於生態環境監測、生物種群研究、氣象和地理研究、洪水、火災監測。環境監測為環境保護提供科學的決策依據,是生態保護的基礎。在野外地區或者不宜人工監測的區域布置WSN可以進行長期無人值守的不間斷監測,為生態環境的保護和研究提供實時的數據資料。具體的應用包括:通過跟蹤珍稀鳥類等動物的棲息、覓食習慣進行瀕危種群的研究;在河流沿線區域布置感測器節點,隨時監測水位及水資源被污染的情況;在泥石流、滑坡等自然災害容易發生的地區布置節點,可提前發出災害預警,及時採取相應抗災措施;可在重點保護林區布置大量節點隨時監控內部火險情況,一旦發現火情,可立刻發出警報,並給出具體位置及當前火勢的大小;可將節點布置在發生地震、水災等災害的地區、邊遠山區或偏僻野外地區,用於臨時應急通信。
4、基礎設施狀態監測系統
WSN技術對於大型工程的安全施工以及建築物安全狀況的監測有積極的幫助作用。通過布置感測器節點,可以及時准確地觀察大樓、橋梁和其他建築物的狀況,及時發現險情,及時進行維修,避免造成嚴重後果。
5、工業領域的應用
在工業安全方面,感測器網路技術可用於危險的工作環境,例如在煤礦、石油鑽井、核電廠和組裝線布置感測器節點,可以隨時監測工作環境的安全狀況,為工作人員的安全提供保證。另外,感測器節點還可以代替部分工作人員到危險的環境中執行任務,不僅降低了危險程度,還提高了對險情的反應精度和速度。
無線感測器特點
1、電源能力局限性
節點通常由電池供電,每個節點的能源是有限的,一旦電池能量耗盡,節點就會停止正常工作。
2、節點數量多
為了獲取精確信息,在監測區域通常部署大量感測器節點,通過分布式處理大量採集的信息能夠提高監測的精確度,降低對單個節點感測器的精度要求;大量冗餘節點的存在,使得系統具有很強的容錯性能;大量節點能夠增大覆蓋的監測區域,減少洞穴或盲區。
3、動態拓撲
無線感測器網路是一個動態的網路,節點可以隨處移動;某個節點可能會因為電池能量耗盡或其他故障,退出網路運行;也可能由於工作的需要而被添加到網路中。
4、自組織網路
在無線感測器網路應用中,通常情況下感測器節點的位置不能預先精確設定。節點之間的相互鄰居關系也不能預先知道,如通過飛機撒播大量感測器節點到面積廣闊的原始森林中,或隨意放置到人不可到達或危險的區域。這樣就要求感測器節點具有自組織的襲滲能力,能夠自動進行配置和管理。無線感測器網路的自組織性還要求能夠適應網路拓撲結構的動態變化。
5、多跳路由
網路中節點通信距離一般在幾十到幾百米范圍內,節點只能與它的鄰居直接通信。如果希望與其射頻覆蓋范圍之外的節點進行通信,則需要通過中間節點進行路由。無線感測器網路中的多跳路由是由普通網路節點完成的,沒有專門的路由設備。這樣每個節點既可以是信息的發起者,也可以是信息的轉發者。
6、以數據為中心
感測器網路中的節點採用編號標識,節點編號不需要全網唯一。由於感測器節點隨機部署,節點編號與節點位置之間的關系是完全動態的,沒有必然聯系。用戶查詢事件時,直接將所關心的事件通告給網路,而不是通告給某個確定編號的節點。網路在獲得指定事件的信息後匯報給用戶。這是一種以數據本身作為查詢或者傳輸線索的思想。所以通常說感測器網路是一個以數據為中心的網路拍穗脊。

Ⅷ 無線感測器網路的特點及關鍵技術

無線感測器網路的特點及關鍵技術

無線感測器網路被普遍認為是二十一世紀最重要的技術之一,是目前計算機網路、無線通信和微電子技術等領域的研究熱點。下面我為大家搜索整理了關於無線感測器網路的特點及關鍵技術,歡迎參考閱讀!

一、無線感測器網路的特點

與其他類型的無線網路相比,感測器網路有著鮮明的特徵。其主要特點可以歸納如下:

(一)感測器節點能量有限。當前感測器通常由內置的電池提供能量,由於體積受限,因而其攜帶的能量非常有限。如何使感測器節點有限的能量得到高效的利用,延長網路生存周期,這是感測器網路面臨的首要挑戰。

(二)通信能力有限。無線通信消耗的能量與通信距離的關系為E=kdn。其中,參數n的取值為2≤n≤4,n的取值與許多因素有關。但是不管n具體的取值,n的取值范圍一旦確定,就表明,無線通信的能耗是隨著距離的增加而更加急劇地增加的。因此,在滿足網路連通性的要求下,應盡量採用多跳通信,減少單跳通信的距離。通常,感測器節點的通信范圍在100m內。

(三)計算、存儲和有限。一方面為了滿足部署的要求,感測器節點往往體積小;另一方面出於成本控制的目的`,節點的價格低廉。這些因素限制了節點的硬體資源,從而影響到它的計算、存儲和通信能力。

(四)節點數量多,密度高,覆蓋面積廣。為了能夠全面准確的監測目標,往往會將成千上萬的感測器節點部署在地理面積很大的區域內,而且節點密度會比較大,甚至在一些小范圍內採用密集部署的方式。這樣的部署方式,可以讓網路獲得全面的數據,提高信息的可靠性和准確性。

(五)自組織。感測器網路部署的區域往往沒有基礎設施,需要依靠感測器節點協同工作,以自組織的方式進行網路的配置和管理。

(六)拓撲結構動態變化。感測器網路的拓撲結構通常是動態變化的,例如部分節點故障或電量耗盡退出網路,有新的節點被部署並加入網路,為節約能量節點在工作和休眠狀態間進行切換,周圍環境的改變造成了無線通信鏈路的變化,以及感測器節點的移動等都會導致感測器網路拓撲結構發生變化。

(七)感知數據量巨大。感測器網路節點部署范圍大、數量多,且網路中的每個感測器通常都產生較大的流式數據並具有實時性,因此網路中往往存在數量巨大的實時數據流。受感測器節點計算、存儲和帶寬等資源的限制,需要有效的分布式數據流管理、查詢、分析和挖掘方法來對這些數據流進行處理。

(八)以數據為中心。對於感測器網路的用戶而言,他們感興趣的是獲取關於特定監測目標的真實可靠的數據。在使用感測器網路時,用戶直接使用其關注的事件作為任務提交給網路,而不是去訪問具有某個或某些地址標識的節點。感測器網路中的查詢、感知、傳輸都是以數據為中心展開的。

(九)感測器節點容易失效。由於感測器網路應用環境的特殊性以及能量等資源受限的原因,感測器節點失效(如電池能量耗盡等)的概率遠大於傳統無線網路節點。因此,需要研究如何提高數據的生存能力、增強網路的健壯性和容錯性以保證部分感測器節點的損壞不會影響到全局任務的完成。此外,對於部署在事故和自然災害易發區域的無線感測器網路,還需要進一步研究當事故和災害導致大部分感測器節點失效時如何最大限度地將網路中的數據保存下來,以提供給災害救援和事故原因分析等使用。

二、關鍵技術

無線感測器網路作為當今信息領域的研究熱點,設計多學科交叉的研究領域,有非常多的關鍵技術有待研究和發現,下面列舉若干。

(一)網路拓撲控制。通過拓撲控制自動生成良好的拓撲結構,能夠提高路由協議和MAC協議的效率,可為數據融合、時間同步和目標定位等多方面奠定基礎,有利於節省能量,延長網路生存周期。所以拓撲控制是無線感測器網路研究的核心技術之一。目前,拓撲控制主要研究的問題是在滿足網路連通度的前提下,通過功率控制或骨幹網節點的選擇,剔除節點之間不必要的通信鏈路,生成一個高效的數據轉發網路拓撲結構。

(二)介質訪問控制(MAC)協議。在無線感測器網路中,MAC協議決定無線信道的使用方式,在感測器節點之間分配有限的無線通信資源,用來構建感測器網路系統的底層基礎結構。MAC協議處於感測器網路協議的底層部分,對感測器網路的性能有較大影響,是保證無線感測器網路高效通信的關鍵網路協議之一。感測器網路的強大功能是由眾多節點協作實現的。多點通信在局部范圍需要MAC協議協調其間的無線信道分配,在整個網路范圍內需要路由協議選擇通信路徑。

在設計MAC協議時,需要著重考慮以下幾個方面:

(1)節省能量。感測器網路的節點一般是以干電池、紐扣電池等提供能量,能量有限。

(2)可擴展性。無線感測器網路的拓撲結構具有動態性。所以MAC協議也應具有可擴展性,以適應這種動態變化的拓撲結構。

(3)網路效率。網路效率包括網路的公平性、實時性、網路吞吐量以及帶寬利用率等。

(三)路由協議。感測器網路路由協議的主要任務是在感測器節點和Sink節點之間建立路由以可靠地傳遞數據。由於感測器網路與具體應用之間存在較高的相關性,要設計一種通用的、能滿足各種應用需求的路由協議是困難的,因而人們研究並提出了許多路由方案。

(四)定位技術。位置信息是感測器節點採集數據中不可或缺的一部分,沒有位置信息的監測消息可能毫無意義。節點定位是確定感測器的每個節點的相對位置或絕對位置。節點定位分為集中定位方式和分布定位方式。定位機制也必須要滿足自組織性,魯棒性,能量高效和分布式計算等要求。

(五)數據融合。感測器網路為了有效的節省能量,可以在感測器節點收集數據的過程中,利用本地計算和存儲能力將數據進行融合,取出冗餘信息,從而達到節省能量的目的。

(六)安全技術。安全問題是無線感測器網路的重要問題。由於採用的是無線傳輸信道,網路存在偷聽、惡意路由、消息篡改等安全問題。同時,網路的有限能量和有限處理、存儲能力兩個特點使安全問題的解決更加復雜化了。

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