【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 輸?shù)?安全性，就成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全問題需要全面考慮的內(nèi)容。為了保證任務(wù)的機(jī)密布置和任務(wù)執(zhí)行結(jié)果的安全傳遞和融合，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要實(shí) 現(xiàn)一些基本安全機(jī)制:機(jī)密性、點(diǎn)到點(diǎn)消息認(rèn)證、完整性鑒別、新鮮性、認(rèn)證廣播和安全 管理。除此之外，為了確保數(shù)據(jù)融合后數(shù)據(jù)源信息的保留，水印技術(shù)也成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全的研究?jī)?nèi)容。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)受到的安全威脅和移動(dòng) Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)所受到的安全威脅不同，所以現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)安全機(jī)制不適合此領(lǐng)域，需要開發(fā)針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的專門協(xié)議。典型的安全問題可以總結(jié)為； (1)信息被非法利用和截獲；(2) 一個(gè)節(jié)點(diǎn)遭破壞；(3) 識(shí)別偽節(jié)點(diǎn)；(4) 如何向已有傳感器網(wǎng)絡(luò)添加合法節(jié)點(diǎn)。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最早來源于軍事應(yīng)用，隨著相關(guān)技術(shù)的飛速發(fā)展以及研究的深入，該類網(wǎng)絡(luò)己越來越多地面向軍事應(yīng)用之外的其他民用領(lǐng)域，從傳統(tǒng)的監(jiān)控、環(huán)境、應(yīng)急應(yīng)用 等到新興的家用、保健、交通及企業(yè)管理等等。2. 5. 1 軍事領(lǐng)域無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自身存在的特點(diǎn)，例如可快速部署、可自組織、隱蔽性高和高容錯(cuò)性，使其成為軍事監(jiān)控、戰(zhàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)視、目標(biāo)定位、戰(zhàn)場(chǎng)評(píng)估等等的首選網(wǎng)絡(luò)模式。通過飛機(jī)和炮彈直接將傳感節(jié)點(diǎn)播撒到敵方區(qū)域或者公共隔離帶形成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，就可以在非常隱蔽的情況下近距離準(zhǔn)確收集敵方信息，獲取高效的作戰(zhàn)信息以便作出最佳的戰(zhàn)略部署。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為美國(guó)海軍 21 世紀(jì)指揮控制通信計(jì)算機(jī)情報(bào)監(jiān)視偵察目標(biāo)捕獲綜合功能系統(tǒng)( C4ISRT: Comrnand，Control，Comrnunication，Computing，Intelligence， Surveillance，Reconnaissance and Targeting) 不可或缺的一部分，且受到軍事發(fā)達(dá)國(guó) 家的普遍重視，各國(guó)均投入大量的人力和財(cái)力進(jìn)行研究。 民用領(lǐng)域 (1)環(huán)境觀測(cè)和預(yù)報(bào)系統(tǒng) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境研究方面可用于監(jiān)視農(nóng)作物灌溉情況、土壤空氣情況、牲畜和家禽環(huán)境狀況和大面積地表檢測(cè)等，可用于行星探測(cè)、氣象和地理研究、洪水檢測(cè)等。 ALERT(17)系統(tǒng)中就有數(shù)種傳感器來檢測(cè)降雨量、河水水位和土壤成分，并以此來預(yù)測(cè)山洪的可能性[飛還可以通過跟蹤鳥類、小型動(dòng)物和昆蟲進(jìn)行種群復(fù)雜度的研究。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)還有一個(gè)重要應(yīng)用就是生態(tài)多樣性的描述，能夠進(jìn)行動(dòng)物棲息地生態(tài)檢測(cè)。美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校 Intel 實(shí)驗(yàn)室和大西洋學(xué)院聯(lián)合在大鴨島 (Great Duck Island)上部署了一個(gè)多層次的傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，用來監(jiān)測(cè)島上海燕的生活習(xí)性。(2)建筑物狀態(tài)監(jiān)控由于建筑物年長(zhǎng)日久，不斷的修修補(bǔ)補(bǔ)，有可能中間會(huì)存在些安全上的隱患和問題，比如說某一次小的地震就有可能會(huì)帶來損害，但是損害有可能是看不見的，也許會(huì)在某一個(gè)承重墻承重柱上產(chǎn)生潛在的裂縫，再也不能承受下次的地震。如果每次大樓監(jiān)測(cè)都使用 人工方法檢查，不僅程序復(fù)雜，而且會(huì)對(duì)樓里的用戶帶來很大的損失。如果采用傳感器網(wǎng) 絡(luò)，讓大樓、橋梁等建筑能夠自身檢查自身的狀況，使得管理部門能及時(shí)的了解建筑的狀態(tài)信息，這樣就能減少很多危害的發(fā)生。(3)醫(yī)療護(hù)理 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在醫(yī)療系統(tǒng)和健康護(hù)理方面的應(yīng)用包括監(jiān)測(cè)人體各種生理數(shù)據(jù)，跟蹤和監(jiān)控院內(nèi)醫(yī)生和患者的行動(dòng)，醫(yī)院的藥物管理等等。如果在住院病人身上安裝特殊用途 的傳感器節(jié)點(diǎn)，如心率和血壓監(jiān)測(cè)設(shè)備，醫(yī)生利用傳感器網(wǎng)絡(luò)就可以隨時(shí)了解監(jiān)護(hù)病人的病情，發(fā)現(xiàn)異常以便及時(shí)搶救。人工視網(wǎng)膜是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在醫(yī)療護(hù)理方面的典型應(yīng)用。在小型傳感器和微集成系統(tǒng) (SSIM: Smart Sensors and Integrated Microsystems) 計(jì)劃中，替代視網(wǎng)膜的芯片由100個(gè)微型的傳感器節(jié)點(diǎn)組成，并植入人眼，目的是使得失明者或者視力極差者能夠恢復(fù)到一個(gè)可以接收的視力水平。傳感器的無線通信滿足反饋控制的需要，有利于圖像的識(shí)別和確認(rèn)。(4)智能家居 智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是將住宅各種家居設(shè)備聯(lián)系起來，使得它們能夠自動(dòng)運(yùn)行，相互協(xié)作，為居住者提供盡可能多的便利和舒適。在家電和家具中嵌入傳感器節(jié)點(diǎn)，通過無線網(wǎng)絡(luò)和 Internet 連接在一起，將會(huì)為人們提供更加舒適、方便和更具人性化的智能 家居環(huán)境。利用遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，可完成對(duì)家電的遠(yuǎn)程遙控，利用官可以在回家半小時(shí)前打開空調(diào)，這樣無論在炎熱夏天還是寒冷冬天，都能在回家的時(shí)候直接享受合適的室溫，也可以遙控電飯鍋、微波爐、電冰箱、電話機(jī)和電視機(jī)等家電，按照自己的意愿完成相應(yīng)的 煮飯、燒菜、電話留言等工作，達(dá)到隨時(shí)隨地與家庭內(nèi)部建立聯(lián)系的目的。(5) 其他應(yīng)用 除了上述的幾大應(yīng)用之外，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在以下的領(lǐng)域內(nèi)也大放異彩：A、工業(yè)自動(dòng)化控制生產(chǎn)線上的品管控制，利用傳感器去監(jiān)測(cè)不良產(chǎn)品。 B、傳統(tǒng)辦公室的空調(diào)中央控制，各地冷熱不均，使用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，各角落的傳感器 可以知道當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境狀況，進(jìn)而要求控制氣溫或空氣的流動(dòng)。隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用范圍將越來越廣，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)我們社會(huì)生活的介入也將越來越深。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能源策略問題無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由無數(shù)微小的傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)布設(shè)在特定探測(cè)區(qū)域內(nèi)構(gòu)成的自組 織網(wǎng)絡(luò)。這些微小的傳感器節(jié)點(diǎn)由電池供電，且處于難以接近的區(qū)域不易更換電池，為盡量延長(zhǎng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生存周期，一切能源利用低效的現(xiàn)象必須消除。因此，設(shè)計(jì)有效的策略以延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的核心問題，這種有效策略必須體現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的每一個(gè)層次。 能量消耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能源消耗主要分布在通信和計(jì)算兩個(gè)方面。通信耗能相關(guān)部分包括發(fā)送器、轉(zhuǎn)發(fā)器和接收器。發(fā)送器主要用來發(fā)送控制信號(hào)、路由請(qǐng)求和響應(yīng)以及由節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生和中轉(zhuǎn)的數(shù)據(jù)包，接收器用來接收數(shù)據(jù)和控制包，這些控制包可能把該節(jié)點(diǎn)作為終點(diǎn)也可能經(jīng)由該節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)到其他節(jié)點(diǎn)。清楚了解這些無線移動(dòng)設(shè)備的能量特性對(duì)于設(shè)計(jì)有效的 無線通信協(xié)議有著十分重要的意義。一個(gè)典型的移動(dòng)無線通信設(shè)備可能處于以下三種模式:發(fā)送模式、接收模式和監(jiān)聽模式。節(jié)點(diǎn)處于發(fā)送模式的時(shí)候耗能最多，而監(jiān)聽模式下耗能最少。計(jì)算耗能主要涉及協(xié)議的處理。它主要包括對(duì) CPU、主要存儲(chǔ)器、一個(gè)很小的外設(shè)、磁盤和其他一些組成部分的使用。同時(shí)，數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)在減少數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度的同時(shí)也由于計(jì)算量增加在另一方面增加了能耗。 在計(jì)算相關(guān)能耗和通信相關(guān)能耗之間進(jìn)行一個(gè)平衡使系統(tǒng)處于最佳能耗狀態(tài)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗策略設(shè)計(jì)的宗旨。 幾種主要的節(jié)能策略傳感器節(jié)點(diǎn)由處理模塊、通信模塊、傳感器模塊和能量供應(yīng)模塊組成，其中前三個(gè)模塊是主要的能量消耗模塊。下面依模塊介紹幾種主要的節(jié)能策略。由于傳感器模塊的能起很低，因此在此不作討論。處理模塊包括微處理器和存儲(chǔ)器，可以通過動(dòng)態(tài)能量管理和動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)兩種策略降低空閑狀況下的處理模塊的能耗，節(jié)約能量。通信模塊主要指無線收發(fā)器，通信模塊的操作和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的設(shè)計(jì)密不可分，在介紹通信模塊的節(jié)能時(shí)，還要從能量管理角度分析傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。(1)處理模塊節(jié)能策略。低能耗電路和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的改進(jìn)導(dǎo)致一些超低能耗微處理器和微控制器的開發(fā)。在應(yīng)用低能耗組件的同時(shí)，在操作系統(tǒng)中使用能量感知方式管理系統(tǒng)資源，進(jìn)一步減少能耗，增加電池壽命。這里介紹兩種節(jié)能策略，分別是動(dòng)態(tài)能量管理( DPM : Dynamic Power Management)【19】和動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié) (DVS: Dynamic Voltage Scaling)【20】。DPM 的工作原理是，當(dāng)節(jié)點(diǎn)周圍沒有感興趣的事件發(fā)生時(shí)，部分模塊處于空閑狀態(tài)，把這些組件關(guān)掉或者調(diào)到能耗更低的狀態(tài)下，這種事件驅(qū)動(dòng)能量管理對(duì)于 提高傳感器節(jié)點(diǎn)的生存周期非常重要。狀態(tài)轉(zhuǎn)換需要一定的能量，且?guī)в袝r(shí)延，因此轉(zhuǎn)換策略對(duì)于DPM 非常重要。如狀態(tài)轉(zhuǎn)換策略采用不當(dāng)，不僅無法達(dá)到節(jié)能的效果，反而進(jìn)一步增加能量消耗。DVS 的工作原理是，當(dāng)計(jì)算負(fù)載較低時(shí)，通過降低微處理器的工作電壓和頻率從而降低處理能力，可以節(jié)約微處理器的能耗。傳感器節(jié)點(diǎn)大部分時(shí)間計(jì)算負(fù)載較低，在低負(fù)載 時(shí)調(diào)低微處理器的電壓頻率可有效節(jié)約能量。很多處理器都支持電壓頻率的調(diào)節(jié)。在操作系統(tǒng)中使用上面的節(jié)能策略，可有效節(jié)約能量，如果同時(shí)使用 DPM 和 DVS，比 如在計(jì)算負(fù)載下降時(shí)使用 DVS 降低微處理器處理能力，在節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)時(shí)間處于空閑狀態(tài)時(shí)，使用DPM將微處理器調(diào)到體眠狀態(tài)，將會(huì)大大降低微處理器的能耗，延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)的生存周期。(2) 通信模塊的節(jié)能策略對(duì)于傳感器節(jié)點(diǎn)，傳輸數(shù)據(jù)比執(zhí)行計(jì)算時(shí)更加耗能，傳輸1 比特信息 100m距離需要的能量大約相當(dāng)于執(zhí)行 3000 條指令消耗的總能量，因此，通信模塊的節(jié)能策略研究是重中之重。通信模塊的節(jié)能策略包括減少通信量，增加休眠時(shí)間，使用多跳短距離無線通信 方式和選擇最佳的調(diào)制機(jī)制等方面。減少通信量直接減少了通信模塊發(fā)送和接收的比特?cái)?shù)，降低了通信模塊的能耗。數(shù)據(jù)融合，通過本地的計(jì)算對(duì)大量的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行匯集和壓縮，取出了大量的冗余信息，有效減少了通信量。另外，減少?zèng)_突、增加錯(cuò)誤檢測(cè)和校正機(jī)制、減少控制包的開銷和包頭長(zhǎng)度等也是減少通信數(shù)據(jù)量的措施。無線收發(fā)器有四種操作模式，分別是發(fā)送、接收、空閑和休眠。圖 所示是Deborah Estin 在 Mobicon2002 會(huì)議上的特邀報(bào)告 (Wireless Sensor Networks，Part IV: Sensor network Protocols) 中所述傳感器節(jié)點(diǎn)各部分能量消耗的情況，從圖中可知，除了休眠之外，其他三種狀態(tài)的耗能很大，空閑狀態(tài)的耗能接近于接收狀態(tài)。為了達(dá)到節(jié)能目的，必須根據(jù)實(shí)際情況動(dòng)態(tài)改變無線收發(fā)器的狀態(tài)，減少不必要的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和接收。良好的睡眠喚醒調(diào)度機(jī)制將極大地降低節(jié)點(diǎn)能耗、延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命。2015105。圖 傳感器節(jié)點(diǎn)各狀態(tài)下能耗情況無線通信的能耗與通信距離的關(guān)系如式 E=kdn (2. 1)其中，k 是消息長(zhǎng)度， d 是源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)之間的距離，2 ≤ n≤ 4 。 在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，發(fā)送端和接收端都貼近地面，干擾較大，障礙物較多，接收天線的性能不好，該情況下式 中的 n 接近于 4，即通信能耗與距離的四次方成正比，隨著通信距離的增加，耗能急劇增大。因此必須在滿足連通度的前提下，盡可能減少單跳通信的 距離。傳感器節(jié)點(diǎn)通信半徑的確定應(yīng)該兼顧網(wǎng)絡(luò)連通性和能量有效性。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)區(qū)別于其他傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)很大特點(diǎn)就是能量問題，節(jié)能成了網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)考慮問題。通信模塊節(jié)能策略設(shè)計(jì)須與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的節(jié)能設(shè)計(jì)結(jié)合起來進(jìn)行。高能效的 MAC 協(xié)議和路由協(xié)議可以有效地降低網(wǎng)絡(luò)的整體能耗，同時(shí)也可以均衡網(wǎng)絡(luò)能耗，最 大限度地延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生存周期。2. 7 本章小結(jié)本章主要是綜述一些關(guān)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)知識(shí)，包括無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)、體系結(jié)構(gòu)和分層結(jié)構(gòu)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究中的關(guān)鍵技術(shù)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在軍事、工業(yè)、醫(yī)學(xué)、家庭智能化等方面的應(yīng)用。特別地，基于能耗問題在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的重要程度，本章在最后部分重點(diǎn)闡述了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能源消耗 以及節(jié)能策略。第三章 典型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步算法分析 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步機(jī)制的性能指標(biāo)在分布式系統(tǒng)中，不同節(jié)點(diǎn)都有自己的本地時(shí)鐘。由于不同節(jié)點(diǎn)的晶體振蕩器頻率存在偏差，以及溫度變化和電磁波干擾，即使在某個(gè)時(shí)刻所有的節(jié)點(diǎn)都達(dá)到時(shí)間同步，它們的時(shí)間也逐漸會(huì)出現(xiàn)偏差。在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中提出了多種網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步機(jī)制，C/S 模式是其中 一種常用的時(shí)間同步模式。時(shí)間服務(wù)器周期性地向客戶端發(fā)送時(shí)間同步消息，同步消息中包含服務(wù)器的當(dāng)前時(shí)間。如果服務(wù)器到客戶端的典型延遲相對(duì)期望精度小，只需要一個(gè)時(shí)間同步消息就能實(shí)現(xiàn)客戶端和服務(wù)器之間的時(shí)間同步。通常的擴(kuò)展是客戶端產(chǎn)生時(shí)間同步請(qǐng)求消息，服務(wù)器回應(yīng)時(shí)間同步應(yīng)答消息，通過測(cè)量這兩個(gè)分組總的往返時(shí)間來估計(jì)單程的延遲，從而計(jì)算從服務(wù)器給分組打上時(shí)標(biāo)到客戶端接收到分組打上時(shí)標(biāo)之間的時(shí)間間隔，獲得相對(duì)精確的時(shí)間同步。采用這種設(shè)計(jì)思想的一個(gè)典型例子是用于 Internet網(wǎng)絡(luò) 時(shí)間同步協(xié)議的 NTP 協(xié)議。這些協(xié)議較少考慮計(jì)算和通信的開銷，沒有考慮計(jì)算機(jī)消耗的能量，相應(yīng)的計(jì)算機(jī)性能也很高，能源可以得到不斷供給。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中存在著數(shù)量龐大(成千上萬)的傳感節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)造價(jià)不能太高，節(jié)點(diǎn)的微小體積不能安裝除本地振蕩器和無線通信模塊外更多的用于同步的器件，因此，價(jià)格和體積成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步的重要約束。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中大多數(shù)節(jié) 點(diǎn)都是部署在無人值守的偏遠(yuǎn)地區(qū)或危險(xiǎn)地區(qū)，所以僅能攜帶少量的有限的能量，即使是 進(jìn)行偵聽通信也會(huì)消耗能量，時(shí)間同步機(jī)制的設(shè)計(jì)必須考慮到能量的問題。通常不同的應(yīng) 用場(chǎng)合需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的時(shí)間同步機(jī)制，不可能使用一種時(shí)間同步機(jī)制滿足所有的應(yīng)用場(chǎng)合。一個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步算法的性能一般包括網(wǎng)絡(luò)精確度、可擴(kuò)展性、穩(wěn)定性、 效率、健壯性、同步期限、同步有效范圍、成本和體積等指標(biāo)【21】。(1) 精確度：同步精確度的高低也就是同步誤差的大小，也就是一組傳感器節(jié)點(diǎn)之間 的最大時(shí)間差量，或相對(duì)外部標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的最大時(shí)間差量。精確度的需求依賴于特殊的應(yīng)用和時(shí)間同步的目的，對(duì)于某些應(yīng)用，知道時(shí)間和消息的先后順序就夠了，然而還有一些應(yīng) 用則要求同步精確到微秒。(2) 可擴(kuò)展性：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要部署大量的傳感器節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)部署的地理范圍大小不同，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)密度不同，所以時(shí)間同步機(jī)制應(yīng)該要能夠適應(yīng)這種網(wǎng)絡(luò)范圍或節(jié)點(diǎn)密度的變化。18(3) 穩(wěn)定性:無線傳感器網(wǎng)絡(luò)因環(huán)境影響以及節(jié)點(diǎn)本身的變化，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將動(dòng)態(tài)變化，時(shí)間同步機(jī)制要能夠在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化中保持時(shí)間同步的連續(xù)性和精度的穩(wěn)定。(4) 效率：達(dá)到時(shí)間同步精度所經(jīng)歷的時(shí)間和消耗的能量。需要交換的同步消息越多，經(jīng)歷的時(shí)間越長(zhǎng)，消耗的網(wǎng)絡(luò)能量也就越大，同步的效率也就相對(duì)越低。(5) 健壯性：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可能在敵對(duì)區(qū)域長(zhǎng)時(shí)間無人管理，一旦某些節(jié)點(diǎn)失