無線感測器網路密鑰

❶ 無線感測器網路面臨的挑戰有哪些

無線通信和低功耗嵌入式技術的飛速發展，孕育出無線感測器網路(Wireless Sensor Networks, WSN)，並以其低功耗、低成本、分布式和自組織的特點帶來了信息感知的一場變革，無線感測器網路是由部署在監測區域內大量的廉價微型感測器節點，通過無線通信方式形成的一個多跳自組織網路。

信息安全
很顯然，現有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。
根據無線傳播和網路部署特點，攻擊者很容易通過節點間的傳輸而獲得敏感或者私有的信息，如：在使用WSN監控室內溫度和燈光的場景中，部署在室外的無線接收器可以獲取室內感測器發送過來的溫度和燈光信息;同樣攻擊者通過監聽室內和室外節點間信息的傳輸，也可以獲知室內信息，從而非法獲取出房屋主人的生活習慣等私密信息。[6]
對策：對傳輸信息加密可以解決竊聽問題，但需要一個靈活、強健的密鑰交換和管理方案，密鑰管理方案必須容易部署而且適合感測節點資源有限的特點，另外，密鑰管理方案還必須保證當部分節點被操縱後（這樣，攻擊者就可以獲取存儲在這個節點中的生成會話密鑰的信息），不會破壞整個網路的安全性。由於感測節點的內存資源有限，使得在感測器網路中實現大多數節點間端到端安全不切實際。然而在感測器網路中可以實現跳-跳之間的信息的加密，這樣感測節點只要與鄰居節點共享密鑰就可以了。在這種情況下，即使攻擊者捕獲了一個通信節點，也只是影響相鄰節點間的安全。但當攻擊者通過操縱節點發送虛假路由消息，就會影響整個網路的路由拓撲。解決這種問題的辦法是具有魯棒性的路由協議，另外一種方法是多路徑路由，通過多個路徑傳輸部分信息，並在目的地進行重組。
感測器網路是用於收集信息作為主要目的的，攻擊者可以通過竊聽、加入偽造的非法節點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關演算法，那麼攻擊者就可以通過大量獲取的信息導出有效信息。一般感測器中的私有性問題，並不是通過感測器網路去獲取不大可能收集到的信息，而是攻擊者通過遠程監聽WSN，從而獲得大量的信息，並根據特定演算法分析出其中的私有性問題。因此攻擊者並不需要物理接觸感測節點，是一種低風險、匿名的獲得私有信息方式。遠程監聽還可以使單個攻擊者同時獲取多個節點的傳輸的信息。
對策：保證網路中的感測信息只有可信實體才可以訪問是保證私有性問題的最好方法，這可通過數據加密和訪問控制來實現;另外一種方法是限制網路所發送信息的粒度，因為信息越詳細，越有可能泄露私有性，比如，一個簇節點可以通過對從相鄰節點接收到的大量信息進行匯集處理，並只傳送處理結果，從而達到數據匿名化。
拒絕服務攻擊（DoS）
專門的拓撲維護技術研究還比較少，但相關研究結果表明優化的拓撲維護能有效地節省能量並延長網路生命周期，同時保持網路的基本屬性覆蓋或連通。本節中，根據拓撲維護決策器所選維護策略

在無線感測器網路的研究中，能效問題一直是熱點問題。當前的處理器以及無線傳輸裝置依然存在向微型化發展的空間，但在無線網路中需要數量更多的感測器，種類也要求多樣化，將它們進行鏈接，這樣會導致耗電量的加大。如何提高網路性能，延長其使用壽命，將不準確性誤差控制在最小將是下一步研究的問題。
採集與管理數據

在今後，無線感測器網路接收的數據量將會越來越大，但是當前的使用模式對於數量龐大的數據的管理和使用能力有限。如何進一步加快其時空數據處理和管理的能力，開發出新的模式將是非常有必要的。
無線通訊的標准問題

標準的不統一會給無線感測器網路的發展帶來障礙，在接下來的發展中，要開發出無線通訊標准。

❷ 無線感測器網路的理論及應用的目錄

第1篇總論
第1章無線感測器網路概述
1.1無線感測器網路介紹1
1.1.1無線感測器網路的概念1
1.1.2無線感測器網路的特徵2
1.1.3無線感測器網路的應用4
1.2無線感測器網路的體系結構7
1.2.1無線感測器網路的系統架構7
1.2.2感測器節點的結構7
1.2.3無線感測器網路的體系結構概述8
1.3無線感測器網路的研究進展10
1.3.1無線感測器網路的發展歷程10
1.3.2無線感測器網路的關鍵技術14
1.3.3無線感測器網路所面臨的挑戰14
參考文獻16
第2篇無線感測器網路的通信協議
第2章無線感測器網路的物理層
2.1無線感測器網路物理層概述19
2.1.1無線感測器網路物理層的研究內容19
2.1.2無線感測器網路物理層的研究現狀20
2.1.3無線感測器網路物理層的主要技術挑戰22
2.2無線感測器網路的調制與編碼方法22
2.2.1Mary調制機制22
2.2.2差分脈沖位置調制機制23
2.2.3自適應編碼位置調制機制24
2.3超寬頻技術在無線感測器網路中的應用25
2.3.1超寬頻技術概述25
2.3.2超寬頻技術的基本原理26
2.3.3超寬頻技術的研究現狀29
2.3.4基於超寬頻技術的無線感測器網路31
參考文獻35
第3章無線感測器網路的數據鏈路層
3.1無線感測器網路數據鏈路層概述37
3.1.1無線感測器網路數據鏈路層的研究內容37
3.1.2無線感測器網路數據鏈路層的研究現狀38
3.1.3無線感測器網路數據鏈路層的主要技術挑戰39
3.2無線感測器網路的MAC協議40
3.2.1基於競爭機制的MAC協議40
3.2.2基於時分復用的MAC協議47
3.2.3其他類型的MAC協議54
參考文獻58
第4章IEEE802.15.4標准
4.1IEEE802.15.4標准概述60
4.2IEEE802.15.4的物理層60
4.2.1物理層概述60
4.2.2物理層服務規范61
4.2.3物理層幀結構65
4.3IEEE802.15.4的MAC子層65
4.3.1MAC層概述65
4.3.2MAC層的服務規范66
4.3.3MAC幀結構69
4.3.4MAC層的功能描述70
4.4基於IEEE802.15.4標準的無線感測器網路70
4.4.1組網類型70
4.4.2數據傳輸機制71
參考文獻72
第5章無線感測器網路的網路層
5.1無線感測器網路網路層概述73
5.1.1網路層的研究內容73
5.1.2網路層的研究現狀74
5.1.3網路層的主要技術挑戰75
5.2無線感測器網路的路由協議75
5.2.1以數據為中心的平面路由75
5.2.2網路分層路由77
5.2.3基於查詢的路由79
5.2.4地理位置路由81
5.2.5能量感知路由84
5.2.6基於QoS的路由87
5.2.7路由協議的優化88
5.3無線感測器網路中的數據包轉發策略90
5.3.1包轉發策略的研究背景90
5.3.2基於價格機制的包轉發博弈模型91
5.3.3自發合作的包轉發博弈模型93
參考文獻94
第6章無線感測器網路的傳輸層
6.1無線感測器網路傳輸層概述97
6.1.1無線感測器網路傳輸層的研究內容97
6.1.2無線感測器網路傳輸層的研究現狀98
6.1.3無線感測器網路傳輸層的主要技術挑戰99
6.2無線感測器網路的傳輸協議99
6.2.1PSFQ傳輸協議99
6.2.2ESRT傳輸協議101
6.3無線感測器網路與其他網路的互聯103
6.3.1無線感測器網路與Internet互聯103
6.3.2無線感測器網路接入到網格105
參考文獻109
第7章ZigBee協議規范
7.1ZigBee概述111
7.1.1ZigBee與IEEE802.15.4111
7.1.2ZigBee協議框架112
7.1.3ZigBee的技術特點113
7.2網路層規范113
7.2.1網路層概述113
7.2.2服務規范114
7.2.3幀結構與命令幀115
7.2.4功能描述116
7.3應用層規范117
7.3.1應用層概述117
7.3.2ZigBee應用支持子層117
7.3.3ZigBee應用層框架結構118
7.3.4ZigBee設備協定（profile）119
7.3.5ZigBee目標設備（ZDO）119
7.4ZigBee系統的開發119
7.4.1開發條件和注意事項119
7.4.2軟體開發120
7.4.3硬體開發121
7.5基於ZigBee規范的無線感測器網路122
7.5.1無線感測器的構建122
7.5.2無線感測器網路的構建123
7.5.3基於ZigBee的無線感測器網路與RFID技術的融合124
參考文獻124
第3篇無線感測器網路的核心支撐技術
第8章無線感測器網路的拓撲控制
8.1無線感測器網路的拓撲控制技術概述125
8.1.1無線感測器網路拓撲控制的研究內容125
8.1.2無線感測器網路拓撲控制的研究現狀126
8.1.3無線感測器網路拓撲控制的主要技術挑戰126
8.2無線感測器網路的拓撲控制演算法127
8.2.1功率控制演算法127
8.2.2層次拓撲結構控制演算法129
8.3無線感測器網路的密度控制135
8.3.1連通支配集構造演算法135
8.3.2基於概率覆蓋模型的無線感測器網路密度控制演算法138
參考文獻140
第9章無線感測器網路的節點定位
9.1無線感測器網路的節點定位技術概述142
9.1.1無線感測器網路節點定位的研究內容142
9.1.2無線感測器網路節點定位的研究現狀143
9.1.3無線感測器網路節點定位的主要技術挑戰146
9.2無線感測器網路的定位機制147
9.2.1基於測距的定位演算法147
9.2.2非基於測距的定位演算法151
9.3一種基於測距的協作定位策略159
9.3.1剛性圖理論簡介159
9.3.2基於剛性圖的協作定位理論160
9.3.3LCB定位演算法161
9.4節點位置估計更新策略162
9.4.1動態網路問題162
9.4.2更新策略163
參考文獻164
第10章無線感測器網路的時間同步
10.1無線感測器網路的時間同步概述167
10.1.1無線感測器網路時間同步的研究內容167
10.1.2無線感測器網路時間同步的研究現狀168
10.1.3無線感測器網路時間同步的主要技術挑戰169
10.2無線感測器網路的時間同步機制170
參考文獻180
第11章無線感測器網路的網內信息處理
11.1無線感測器網路的網內信息處理概述182
11.1.1無線感測器網路網內信息處理的研究內容182
11.1.2無線感測器網路網內信息處理的研究現狀183
11.1.3無線感測器網路網內信息處理的主要技術挑戰184
11.2無線感測器網路的數據融合技術184
11.2.1與路由相結合的數據融合184
11.2.2基於反向組播樹的數據融合186
11.2.3基於性能的數據融合187
11.2.4基於移動代理的數據融合189
11.3無線感測器網路的數據壓縮技術191
11.3.1基於排序編碼的數據壓縮演算法191
11.3.2分布式數據壓縮演算法192
11.3.3基於數據相關性的壓縮演算法194
11.3.4管道數據壓縮演算法194
11.4無線感測器網路的協作信號信息處理技術195
11.4.1網元層的CSIP技術195
11.4.2網路層的CSIP技術196
11.4.3應用層的CSIP技術196
11.4.4CSIP技術展望197
參考文獻198
第12章無線感測器網路的安全技術
12.1無線感測器網路的安全問題概述201
12.1.1無線感測器網路安全技術的研究內容201
12.1.2無線感測器網路安全技術的研究現狀202
12.1.3無線感測器網路安全技術的主要技術挑戰205
12.2無線感測器網路的安全問題分析205
12.2.1無線感測器網路物理層的安全策略206
12.2.2無線感測器網路鏈路層的安全策略207
12.2.3無線感測器網路網路層的安全策略207
12.2.4無線感測器網路傳輸層和應用層的安全策略209
12.3無線感測器網路的密鑰管理和入侵檢測技術209
12.3.1無線感測器網路的密鑰管理209
12.3.2無線感測器網路的入侵檢測技術211
參考文獻214
第4篇無線感測器網路的自組織管理技術
第13章無線感測器網路的節點管理
13.1無線感測器網路的節點管理概述216
13.1.1無線感測器網路節點管理的研究內容216
13.1.2無線感測器網路節點管理的研究現狀217
13.1.3無線感測器網路節點管理的主要技術挑戰218
13.2無線感測器網路的節點休眠/喚醒機制218
13.2.1PEAS演算法218
13.2.2基於網格的調度演算法219
13.2.3基於局部圓周覆蓋的節點休眠機制220
13.2.4基於隨機休眠調度的節能機制221
13.3無線感測器網路的節點功率管理222
13.3.1動態功率管理和動態電壓調節222
13.3.2基於節點度的演算法224
13.3.3基於鄰近圖的演算法224
13.3.4基於二分法的功率控制224
13.3.5網路負載自適應功率管理演算法226
參考文獻227
第14章無線感測器網路的資源與任務管理
14.1無線感測器網路的資源與任務管理概述229
14.1.1無線感測器網路資源與任務管理的研究內容229
14.1.2無線感測器網路資源與任務管理的研究現狀230
14.1.3無線感測器網路資源與任務管理的主要技術挑戰230
14.2無線感測器網路的資源管理技術231
14.2.1自組織資源分配方式231
14.2.2計算資源分配232
14.2.3帶寬資源分配235
14.3無線感測器網路的任務管理技術237
14.3.1任務分配237
14.3.2任務調度239
14.3.3負載均衡243
參考文獻245
第15章無線感測器網路的數據管理
15.1無線感測器網路的數據管理概述248
15.1.1無線感測器網路數據管理的研究內容248
15.1.2無線感測器網路數據管理的研究現狀249
15.1.3無線感測器網路數據管理的主要技術挑戰249
15.2無線感測器網路的數據管理系統250
15.2.1TinyDB系統250
15.2.2Cougar系統251
15.2.3Dimensions系統252
15.3無線感測器網路數據管理的基本方法253
15.3.1數據模式253
15.3.2數據存儲254
15.3.3數據索引255
15.3.4數據查詢257
參考文獻260
第16章無線感測器網路的部署、初始化和維護管理
16.1無線感測器網路的部署、初始化和維護管理概述261
16.1.1無線感測器網路部署、初始化和維護管理的研究內容261
16.1.2無線感測器網路部署、初始化和維護管理的研究現狀262
16.1.3無線感測器網路部署、初始化和維護管理的主要技術挑戰263
16.2無線感測器網路的部署技術264
16.2.1採用確定放置的部署技術264
16.2.2採用隨機拋撒且節點不具移動能力的部署技術265
16.2.3採用隨機拋撒且節點具有移動能力的部署技術265
16.3無線感測器網路的初始化技術266
16.3.1UDG模型266
16.3.2基於MIS的初始化演算法266
16.3.3基於MDS的初始化演算法268
16.4無線感測器網路的維護管理技術270
16.4.1覆蓋與連接維護技術270
16.4.2性能監測技術271
參考文獻272
第5篇無線感測器網路的開發與應用
第17章無線感測器網路的模擬技術
17.1無線感測器網路的模擬技術概述275
17.1.1網路模擬概述275
17.1.2無線感測器網路模擬研究概述275
17.2常用網路模擬軟體276
17.2.1OPNET簡介276
17.2.2NS279
17.2.3TOSSIM280
17.3OMNeT++模擬軟體281
17.3.1OMNeT++概述281
17.3.2NED語言282
17.3.3簡單模塊/復合模塊287
17.3.4消息290
17.3.5類庫291
17.4模擬示例296
參考文獻303
第18章無線感測器網路的硬體開發
18.1無線感測器網路的硬體開發概述304
18.1.1硬體系統的設計特點與要求304
18.1.2硬體系統的設計內容304
18.1.3硬體系統設計的主要挑戰305
18.2感測器節點的開發305
18.2.1數據處理模塊設計305
18.2.2換能器模塊設計307
18.2.3無線通信模塊設計307
18.2.4電源模塊設計309
18.2.5外圍模塊設計309
18.3感測器節點原型的開發實例Mica310
18.3.1Mica系列節點簡介310
18.3.2Mica系列處理器/射頻板設計分析313
18.3.3Mica系列感測板設計分析315
18.3.4編程調試介面板介紹317
參考文獻318
第19章無線感測器網路的操作系統
19.1無線感測器網路操作系統概述320
19.1.1無線感測器網路操作系統的設計要求320
19.1.2幾種典型的無線感測器網路操作系統介紹321
19.1.3無線感測器網路操作系統設計的主要技術挑戰321
19.2TinyOS操作系統322
19.2.1TinyOS的設計思路322
19.2.2TinyOS的組件模型322
19.2.3TinyOS的通信模型324
19.3基於TinyOS的應用程序運行過程解析324
19.3.1Blink程序的配件分析325
19.3.2BlinkM模塊分析327
19.3.3ncc編譯nesC程序的過程329
19.3.4Blink程序的運行跟蹤解析329
19.3.5TinyOS的任務調度機制的實現338
19.3.6TinyOS的事件驅動機制的實現342
19.4TinyOS的使用346
19.4.1TinyOS的安裝346
19.4.2創建應用程序348
19.4.3使用TOSSIM模擬調試應用程序348
19.4.4使用TinyViz進行可視化調試349
19.4.5將應用程序導入節點運行350
參考文獻351
第20章無線感測器網路的軟體開發
20.1無線感測器網路軟體開發概述353
20.1.1無線感測器網路軟體開發的特點與設計要求353
20.1.2無線感測器網路軟體開發的內容354
20.1.3無線感測器網路軟體開發的主要技術挑戰355
20.2nesC編程語言355
20.2.1nesC語言介紹355
20.2.2nesC的語法規范356
20.2.3nesC應用程序開發364
20.3無線感測器網路的應用軟體開發367
20.3.1無線感測器網路的編程模式367
20.3.2無線感測器網路的中間件設計370
20.3.3無線感測器網路的服務發現372
參考文獻373
第21章無線感測器網路應用於環境監測
21.1環境監測應用概述375
21.1.1環境監測應用的場景描述375
21.1.2環境監測應用中無線感測器網路的體系架構375
21.2關鍵技術377
21.2.1節點部署377
21.2.2能量管理377
21.2.3通信機制378
21.2.4任務的分配與控制379
21.2.5數據采樣與收集379
21.3無線感測器網路用於環境監測的實例380
21.3.1公路交通監測380
21.3.2建築物健康狀況監測384
21.3.3「狼群計劃」385
參考文獻387
第22章無線感測器網路應用於目標追蹤
22.1目標追蹤應用概述388
22.1.1目標追蹤應用的場景描述388
22.1.2目標追蹤應用的特點與技術挑戰388
22.1.3目標追蹤應用中的無線感測器網路系統架構389
22.2無線感測器網路用於目標追蹤的關鍵技術390
22.2.1追蹤步驟390
22.2.2追蹤演算法392
22.2.3面向目標追蹤的網路布局優化400
22.3基於無線感測器網路的車輛追蹤系統實例402
22.3.1系統架構402
22.3.2關鍵問題403
22.3.3關鍵技術404
參考文獻407
附錄英漢縮略語對照表410