（控制理论与控制工程专业论文）无线传感器网络中的病毒传播控制策略研究.pdf

， t 作 题无线传感器网络中的病毒传播控制策略研究 英文题目：s t u d yo nc o n t r o ls t r a t e g i e so ne p i d e m i cs p r e a d i n gi nw i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k s 主题词：无线传感器网络病毒传播控制策略 k e y w o r d s ： w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s e p i d e m i cs p r e a d i n g c o n t r o ls t r a t e g i e s 0 南京邮电大学硕士研究生学位论文摘要 摘要 无线传感器网络是计算机、通信和传感器等多领域技术结合的产物，也是将信息获取、 信息传输与信息处理三个过程进行融合的产物。无线传感器网络由大量密集分布的传感器 网络节点组成，每个节点以自组织的方式构成网络，具有有限的计算处理、存储和无线通 信能力，能够近距离感知周围的环境。 随着无线传感器网络的广泛应用，无线传感器网络中的安全问题成为一个重要的研究 课题。无线传感器网络一般处于无人的工作环境，一旦感染病毒，将会导致整个网络的瘫 痪。因此，研究无线传感器网络中的病毒传播及相应的免疫策略，具有十分重要的意义。 目前专门针对于无线传感器网络的免疫机制并不是很多，现有的复杂网络的免疫机制也并 不十分适用于无线传感器网络。因此，研究一种专门针对无线传感器网络的免疫策略显得 十分必要。 本文首先介绍相关研究的概况、无线传感器网络的结构与特点以及无线传感器网络中 免疫策略，指出现有的免疫策略并不适用于无线传感器网络。本文根据无线传感器网络的 特点，提出专门针对于无线传感网络的动点免疫策略，通过在无线传感器网络中增加一个 移动节点来检测网络中节点的状态，当动点发现病毒区域后，可按照一定算法对病毒区域 进行免疫控制。最后，根据无线传感器网络拓扑结构，分别介绍动点免疫在均匀型无线传 感器网络和分层型无线传感器网络中的应用，并与传统的复杂网络的免疫措施进行对比。 研究结果表明，动点免疫能有效地控制病毒在无线传感器网络中的传播。 关键词：无线传感器网络；病毒传播：动点免疫 南京邮电大学硕士研究生学位论文 a b s t r a c t w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k si sap r o d u c t 、i 也ac o m b i n a t i o no fm a n yt e c h n o l o g i e sf i e l d s ， s u c ha sc o m p u t e r , c o m m u n i c a t i o n sa n ds e n s o rt e c h n o l o g i e s ，b u ta l s oap r o d u c tw i 也t h e c o m b i n a t i o no ft h r e e p m c e s s i n g s t h et h r e 圮p r o c e s s i n g si n c l u d ei n f o r m a t i o na c q u i s i t i o n , ， i n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o na n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n g w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k si sm a d eu po fa l a r g en u m b e ro fd e n s e l yd i s t r i b u t e ds e n s o rn e t w o r kn o d e s e a c hn o d ec o n s t i t u t e san e t w o r kb y t h em a n n e ro fs e l f - o r g a n i z e d e a c hn o d eh a st h ec a p a b i l i t i e so fl i m i t e dc o m p u t i n g ，s t o r a g e ， w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s w i t ht h ee x t e n s i v ea p p l i c a t i o no fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，n e t w o r ks e c u r i t yi s s u e sh a v e b e c o m ea ni m p o r t a n tr e s e a r c ht o p i c i ft h ev i r u sb r e a k so u ti nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，t h e v i r u sw i l ll e a dt op a r a l y s i so ft h ee n t i r en e t w o r k t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c h so nt h et r a n s m i s s i o no f t h ev i r u sa n dt h ec o r r e s p o n d i n gi m m u n i z a t i o ns t r a t e g i e si nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，a r eo f g r e a ts i g n i f i c a n c e a tp r e s e n t ，t h e r ea r en o tm a n yi m m u n em e c h a n i s m sa b o u tw i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k s ，a n dt r a d i t i o n a li m m u n em e a s u r e si nc o m p l e xn e t w o r k sa r en o ts u i t a b l ef o rw i r e l e s s s e n s o rn e t w o r k s t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r yt os t u d yan e wi m m u n em e a s u r ea b o u tw i r e l e s s s e n s o rn e t w o r k s i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，s o m er e l e v a n tr e s e a r c h e s ，t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n da r c h i t e c t u r e so f w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sa r ei n t r o d u c e df i r s t l y , a n dan e wm o b i l e n o d ei m m u n i z a t i o ns t r a t e g y a b o u tw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k si s p r o p o s e d s e c o n d l y , t h i sd i s s e r t a t i o n i n t r o d u c e st h e a p p l i c a t i o n so fm o b i l e - n o d ei m m u n i z a t i o ni nh o m o g e n e o u sw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sa n d h i e r a r c h i c a lw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，a n dc o m p a r e sm o b i l e - n o d ei m m u n i z a t i o nw i t ht r a d i t i o n a l i n l l n u n em e a s u r e si nc o m p l e xn e t w o r k s s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h em o b i l e - n o d e 一 i m m u n i z a t i o ns t r a t e g yc a nm o r ee f f e c t i v e l yc o n t r o lt h es p r e a do ft h ev i r u si nw i r e l e s ss e n s o r 。 n e t w o r k s k e yw o r d s ：w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ；v i r u sp r o p a g a t i o n ；m o b i l e - n o d ei m m u n i z a t i o h 2 2 1 无线传感器网络结构7 2 2 2 无线传感器网络的特点及其关键技术1 2 2 3 无线传感器网络中的免疫策略研究概况15 2 3 1 传统复杂网络免疫策略简介一1 6 2 3 2 环状免疫策略简介1 7 2 3 3 局域免疫策略简介l7 2 3 总结1 7 第三章均匀型无线传感器网络动点免疫策略研究1 8 3 1 引言18 3 2 动点免疫模型与算法介绍一1 9 3 3 仿真2 2 3 3 1 动点免疫仿真。2 3 3 3 2 随机免疫与动点免疫仿真对比2 4 3 4 总结2 5 第四章分层型无线传感器网络动点免疫策略研究。2 6 4 1 引言2 6 4 2 模型与算法介绍2 7 4 3 仿真2 9 4 3 。1 无免疫仿真2 9 4 3 2 目标免疫仿真3 0 4 3 3 动点免疫仿真3 1 4 4 总结3 3 第五章总结与展望。3 5 5 1 本文工作总结3 5 5 2 展望3 5 i i l i v 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 1 1 研究意义与目的 第一章绪论 无线通信网络是通过电磁波在空间传播来传递信息的通信方式，分为有基础设施网和 无基础设施网。无基础设施网又叫无线自组网，网络的组织是临时的、按需的、自动的， 一般采用分布式的控制方式【l 】。 无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，w s n ) 是由多个节点组成的面向任务的无线 自组织网络。它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式 信息处理技术等多种技术领域，通过各类微型传感器对目标信息进行实时检测，由嵌入式 计算元件对信息进行处理，并通过无线通信网络将信息传送至远程用户。无线传感器网络 具有十分广阔的应用前景，在军事国防、工农业、城市管理生物医疗、环境监测、抢险救 灾、危险区域远程控制等许多重要领域都有潜在的实用价值，已经引起了许多国家学术界 和工业界的高度重视，从而使得无线传感器网络研究发展取得了很大的进步【2 】。 无线传感器网络是一种大规模的分布式网络，常部署于无人维护、条件恶劣和位置重 要的环境当中。无线传感器网络中没有中心管理节点，网络拓扑结构在分布完成前是未知 的。网络节点由电池供电，能量有限，并且节点计算能力与通信距离也都有限制。根据无 线传感器的这些特点可知，无线传感器网络的安全研究不同于传统网络安全的研究。无线 传感器网络易受传感器节点的物理操纵、传感信息的窃听、拒绝服务、私有信息的泄露等 多种威胁和攻击。假若网络没有相应的防御措施，则网络本身的安全机制就显得非常重要。 在实际应用中，特别是在军事国防等领域无线传感器网络的安全问题更应受到重视。 无线传感器网络节点的资源有限性特征决定了现有的通信安全成熟的解决方案不能 直接使用。针对无线传感器网络中的传感器节点物理安全、消息截取、流量分析、拒绝服 务、s y b i l 攻击、恶意路由和假冒节点等问题【3 ，研究人员提出了相应的应对措施，如节 点自毁、对称密码加密、随机转发技术、密钥管理、安全路由和数据融合安全等措施。这 些措施大都是从保护网络中采集的信息安全角度来考虑问题，很少考虑病毒在无线传感器 网络中的传播问题。随着网络中各类病毒的发展，以及无线网络节点智能化的发展，人们 意识到病毒也是可以在无线网络中传播的。尤其是移动通信网络，随着手机智能化的发展， 出现了越来越多的手机病毒。蓝牙技术的发展及移动网络与i n t e r n e t 网络的链接，使各种 手机病毒迅速在移动通信网络爆发。随着无线传感器网络节点功能的加大，无线传感器网 1 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 络也将面i 临病毒的威胁。很多学者正在对无线传感器网络建立病毒传播模型，以便去研究 病毒在无线传感器网络中的传播行为，了解病毒在无线传感器网络中的传播过程，制定相 应的应对策略，从而进一步加强无线传感器网络的安全性，使之能够在各个领域得到更广 泛的应用。 1 2 相关研究概况 1 2 1 无线传感器网络安全研究概况 无线传感器网络最早研究于美国，主要应用于军事国防领域。进入本世纪以来，无线 传感器网络已经从传统的点对点传输、链接传感控制器而构成的网络变成了集传感器技 术、微机电技术、现代网络与无线通信技术为一体的综合智能信息处理平台，具有广阔的 应用前景，是计算机信息领域最活跃的研究特点之一，也是改变未来生活的重大技术之一。 无线传感器的节点通常被部署在人力不能到达或者需要监控的区域，特别在军事国防 等重要领域，其可以作为采集信息的重要手段。因此，作为链接真实物理环境与信息采集 系统的接口，无线传感器网络极易受到攻击。因此，同其他网络一样，安全问题是无线传 感器网络的一个重要问题。由于无线传感器网络的有限能量和有限处理、存储能力两个特 点，使无线传感器网络的安全问题与传统网络有很大的不同，主要表现在以下几个方面【8 】： ( 1 ) 有限的计算能力和存储空间，对于密钥过长，时间和空间复杂度较大的安全算法 不太适合于无线传感器网络的应用。 ( 2 ) 缺乏后期节点部署的预备知识，网络部署之前节点之间的连接性是未知的，因而 无法使用公共密钥的安全体系，这种网络要实现点对点的动态安全连接是非常困难的。 ( 3 ) 部署区域物理安全无法保证，对于敌占区部署的无线传感器网络本身就存在物理 上的不安全因素，如何及时撤出或销毁被发现节点是一个必须考虑的问题。 ( 4 ) 有限的带宽和能量。 ( 5 ) 整个网络的安全问题，而不仅仅是点到点的安全问题。 ( 6 ) 无线传感器网络的安全应用相关性，不同的应用，对安全的要求不同。 由于以上无线传感器网络安全问题的特性，需要开发针对无线传感器网络的专门的安 全协议。目前针对无线传感器网络中的信息被非法用户截获、节点遭到破坏、拒绝服务、 假冒节点、s y b i l 攻击和恶意路由等安全问题，出现了大量的安全协议。文献【9 】介绍了无 线传感器网络中的两种专用安全协议，一种是传感器网络保密协议，对节点设立不同的安 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一苹绪论 全等级，并在通信节点间采用数据鉴权、加密技术等，防止了数据被截获后造成的信息泄 露。另一种安全协议是对广播数据的鉴权。文献【1 0 】中s a s i k a n t h a v a n c h a 等做出了一系列 的假定，并没有采取任何路由安全机制，其中每个节点和基站分享一个唯一的6 4 位密钥 和一个公共的密钥。这种双加密方式可以防止暴露节点数目和地址，也可以防止数据被非 法截获。s y i 等f 】提出了一种安全感知的路由算法，其思想是找出真实值和节点之间的 关系，然后利用这些真实值去生成安全的路由。s w a d e sd e 等【1 2 】提出了一种网状多径路 由协议，可以通过多径路由算法改善系统的稳定性，数据包通过路由选择算法在多条路径 中向前传送，在接收端通过前向纠错技术得到重建。网络安全管理最核心的问题是安全密 钥的建立过程，目前提出的密钥管理机制有很多，如基于随机密钥预分配的密钥管理、基 于位置的密钥管理、多密钥空间随机密钥预分配方案和对称多项式随机密钥预分配方案 1 3 - 1 6 o 总之，无线传感器网络的安全机制是其中的关键技术之一，解决了安全问题对于无线 传感器网络大规模走向应用具有重要的理论和现实意义。 1 2 2 无线传感器网络与移动a g e n t 控制研究概况 移动a g e n t 是分布式计算技术和人工智能技术相结合的产物，本质上是一个程序实 体，拥有一定的智能和判断能力。它可以在自己的控制下，按照一定的规程在网络节点间 迁移，寻找并处理合适的资源，代表用户完成特定的任务。移动a g e n t 主要是指移动智能机 器人。结合无线传感器网络和移动机器人系统各自优势的系统【1 8 1 ，如图1 1 ，在灾难救援， 战场支持等场合具有明显的优势和广阔的应用前景，这是一种新型的分布式传感与控制网 络系统。在这种组合模式下，移动机器人可以和传感器网络进行信息的交互，在传感器网 络的引导下完成导航和任务执行等工作。 随着m e m s 、大规模集成电路和嵌入式技术的快速发展，传感器网络节点的功能也越 来越大，而各种微小型机器人也纷纷推出并得到广泛应用。微小型机器人既有驱动装置和 驱动模块，同时，它又像传感器网络节点一样集成了无线通信和片上传感器，具有数据采 集、处理和存储能力。所以说微小型机器人同时具备了传感器网络节点和移动机器人的特 征。而对于多个移动机器人组成的无线网络系统与无线传感器网络也有许多相似之处，主 要表现在以下几个方面： ( 1 ) 二者都是分布式传感与控制系统，具有典型的分布式特征。 ( 2 ) 二者都具有无线网络连接和通信能力。 3 南京邮 图1 - 1 基于移动a g e n t 应用的无线传感器网络结构图 ( 3 ) 无线传感器网络的节点和移动机器人一样，具有良好的传感能力，能将检测到的信 息进行处理。 ( 4 ) 无线传感器网络的节点和移动机器人一样，具有独立的操作系统和电池供电方式。 ( 5 ) 二者都是群体工作的系统，每一个节点和移动机器人都是群体中的自治个体。 正是基于以上研究和无线传感器网络与移动机器人系统各自的优势和特点，移动机器 人在无线传感器网络中的应用越来越受到大家的重视。移动机器人的可移动性和传感器网 络强大的感知能力也受到各国学者的青睐。在2 0 0 3 年1 0 月波兰举行的“g e o s e n s o r n e t w o r kw o r k s h o p ”研讨会上，有关专家指出移动机器人和无线传感器网络结合，以低廉 的价格得到性能卓越的混合系统，将在无线传感器网络的撒布与维护、环境监控、救援与 反恐等领域广泛应用。2 0 0 5 年国际智能机器人与系统学术年会( i r o s 2 0 0 5 ) 的主题是网络 化传感器和机器人在生活质量改善中的应用。英特尔公司和南加州大学的机器人与嵌入式 系统研究中心合作，尝试将移动机器人作为传感器网络的网关，参与传感器网络构建与维 护，并研究机器人的开放平台和标准化问题。文献 1 9 】研究了将移动机器人和传感器网络 结合，完成传感器网络的撒布与维护问题，并研究了传感器网络的覆盖面和基于有向图的 概率导航。文献 2 0 1 介绍了一种用于和传感器网络通信的导航设备f l a s h l i g h t ，用户( 人、 机器人等) 通过该设备控制网络传感状态获取感兴趣的数据，实现导航。文献【2 1 】给出了 一个以传感器网络构成的智能空间中移动机器人的定位与控制。 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一苹绪论 在传感器网络环境下，移动机器人的控制需求呈现新的特征。 ( 1 ) 移动机器人可以通过无线传感器网络来感知环境的空间分布信息，因而有可能 全面感知环境信息，便于分层描述环境模型。 ( 2 ) 以无线传感器网络为基础的传感资源具有结构变化、信息暂失和资源冲突等特 征。这是因为，网络上无线传感器节点的性能分散，动态布局，而且与环境有关；传感器 网络信息具有空间特征，且受到通信参数影响。 ( 3 ) 无线传感器网络信息资源丰富，但是信息分布在各节点上，且节点信息重叠， 冗余度大。这对信息的同步性、数据的筛选和处理等提出了挑战。 ( 4 ) 移动机器人进入无线传感器网络后，不仅参与网络通信，也会是信息的提供者， 可能对网络信息产生耦合性干扰。 ( 5 ) 机器人可以通过无线传感器网络感知自身信息。 ( 6 ) 移动机器人需要与无线传感器网络通信，接口的标准化、通用性和稳定性直接 影响机器人的信息采集与处理， 因此，机器人在无线传感器网络中的运用，提高了机器人的信息获取能力和智能水平， 同时也大大增加了机器人的动态不确定性。如何有效的调度和利用资源，提高机器人系统 的通信与控制鲁棒性和适应能力，是开发移动机器人的控制体系结构的一个重要方向。针 对无线传感器网络的特点，该控制框架还需要满足以下四点要求。 ( 1 ) 网络通信接口可以有效封装网络设备，能透明地以数据或事件驱动方式提取特 定的网络传感信息。 ( 2 ) 网络通信协议标准化，具有开放性。 ( 3 ) 具有良好的鲁棒性，对应于传感信息资源的动态变化、资源冲突和失效，可以 快速进行资源重构。 ( 4 ) 控制框架应具有网络技术特征，在最大限度利用移动机器人强大的信息处理能 力和控制能力的基础上，既要满足网络上传感器节点信息处理与传输的灵活性、紧凑型和 节能性等要求，又要充分利用传感器节点的信息和处理能力。 文献 2 2 给出了一个无线传感器网络环境下移动机器人导航控制的体系结构。该体系 结构以机器人为主体，将传感器网络作为传感资源，通过网络接口加到机器人系统中，系 统满足了上述( 1 ) 、( 2 ) 的要求，但是没有考虑( 3 ) 、( 4 ) 的需要。文献 2 3 提出了一种 传感器网络环境下移动机器人导航控制的体系结构，并运用了z i g b e e 和t i n y o s 开发了 相应的传感器网络节点。 5 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 3 研究内容与论文结构 由于无线传感器网络的应用越来越广其安全问题也越来越受到大家的重视。尤其是无 线传感器网络中的病毒传播问题。传统的复杂网络中病毒传播的研究给无线传感器网络病 毒传播的研究打下了基础，复杂网络各种传播动力学模型也适用于无线传感器网络【2 4 1 。 但是，目前传统复杂网络网络中病毒传播的免疫策略并不适用于无线传感器网络，许 多学者提出的针对无线传感器网络的免疫策略没有提出具体实施的方法。随着无线传感器 网络与移动机器人的深入研究，本文提出在无线传感器网络中加一个由移动机器人组成的 无线传感器节点，用来监控无线传感器网络的状态，并且在病毒侵袭无线传感器网络的时 候能够对病毒节点进行免疫杀毒，本文称之为动点免疫策略。本文分别将动点免疫策略应 用于均匀型传感器网络与分层型无线传感器网络，并分别给与了仿真分析。 全文结构安排如下： 第一章：介绍了课题的研究意义与目的，相关研究概况，论文的结构安排。 第二章：无线传感器网络及其免疫策略概述，首先介绍了无线传感器网络的结构与特 点，其次介绍无线传感器网络中病毒传播的免疫策略。 第三章：均匀型无线传感器网络动点免疫策略研究。在这一章里，首先在引言里提出 动点免疫策略，并将动点免疫思想应用于均匀型无线传感器网络，并提出了相应的仿真模 型和算法，最后进行了仿真，并且与传统免疫策略随机免疫进行对比。 第四章：分层型无线传感器网络动点免疫策略研究。本章在上章基础上，提出在分层 型无线传感器网络中的簇首应用动点免疫策略，并提出了相应的模型与算法，最后得出仿 真结果，并与传统目标免疫进行比较，得出结论。 第五章：总结与展望。对本文所做工作进行总结，并对未来工作进行展望。 6 了现代无线传感器网络的产生和发展。无线传感器网络扩展了人们信息获取能力，将客观 世界的物理信息同传输网络连接在一起，在下一代网络中将为人们提供最直接、最有效、 最真实的信息。无线传感器网络能够获取客观物理信息，具有十分广阔的应用前景，能应 用于军事国防、工农业控制、城市管理、生物医疗、环境检测、抢险救灾、危险区域远程 控制等领域。已经引起了许多国家学术界和工业界的高度重视，被认为是对2 1 世纪产生 巨大影响力的技术之一。 随着无线传感器网络的发展病毒对网络安全的威胁越来越大，如何对无线传感器网络 进行相应的免疫策略的研究越来越引起了大家的注意。 本章首先对无线传感器网络的结构体系、拓扑结构和特点进行了介绍，其次介绍了无 线传感器网络中的病毒传播免疫策略的研究现状。 2 2 无线传感器网络简介 2 2 1 无线传感器网络结构 无线传感器网络的系统架构图如图2 1 所示，通常包括传感器节点( s e n s o rn o d e ) 、汇 聚节点( s i n k ) 和管理节点( m a n a g e rn o d e ) t 2 5 1 。 在图2 1 中，大量的传感器节点随机密布于整个观测的区域中，通过自组织的方式构 成网络。传感器节点在对所探测到的信息进行初步处理后，以多跳中继的方式将其传送给 汇聚的节点，然后经卫星、互联网或是移动通信网络等途径到达最终用户所在的管理节点。 终端用户也可以通过管理节点对无线传感器网络进行管理和配置、发布监测任务或是收集 回传数据。 传感器节点通常是一个嵌入式系统，由于受到体积、价格、电源供给等因素的影响， 它的处理能力、存储能力相对较弱，通信距离也很有限，通常只于自身通信范围内的邻居 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章无线传感器网络及其免疫策略概述 传感器节点 图2 - 1 无线传感器网络的系统结构 节点交换数据。要访问通信范围以外的节点，必须使用多跳路由。为了保证采集到的数据 信息能够通过多跳送到汇聚节点，节点的分布要相当密集。从网络功能上看，每个传感器 的节点都具有信息采集和路由的双重功能，除了进行本地信息收集和数据的处理外，还要 存储、管理和融合其他节点发过来的数据，同时与其他节点协作完成特点的任务。 汇聚节点通常具有较强的处理能力、存储能力和通信能力，它既可以是一个具有足够 能量供给和更多内存资源与计算能力的增强型传感器节点，也可以是一个带有无线通信接 口的特殊网关设施。汇聚节点连接传感器网络与外部网络，通过协议的转换实现管理节点 与传感器网络之间的通信，把收集到的数据信息转发到外部网络上，同时发布管理节点提 交的任务。 传感器节点由传感单元、处理单元、无线收发单元和电源单元等几部分组成，如图 2 2 所示。传感单元用于感知获取监测区域内的信息，并将其转换为数字信号，它由传感 器和数模转换模块组成；处理单元负责控制和协调节点各部分的工作，存储和处理自身 采集的数据以及其他节点发过来的数据，它由嵌入式系统组成，包括处理器、存储器等； 无线收发单元负责与其他传感器节点进行通信，交换控制信息和收发采集数据，它由无线 通信模块组成；电源单元能够为传感器节点提供正常工作所必须的能源，通常采用微型电 池。 此外，传感器节点还可以包括其他辅助单元，如移动系统、定位系统和自动供电系统 等。由于需要进行比较复杂的任务调度与管理，处理单元还需要包含一个功能较为完善的 微型化嵌入式操作系统，如美国u cb e r k e l e y 大学开发的t i n y o s 。目前已有多种成熟的 传感器节点设计，如b e r k e l e y 的m o t e s ，i n t e l 的i m o t e 等，它们在实现原理上是相似的， r 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章无线传感器网络及其免疫策略概述 只是采用了不同的微型处理器、不同的协议和通信方式。 图2 2 传感器节点的基本结构 由于传感器节点采用电池供电，一旦电池耗尽，节点就失去了工作能力。为了最大限 度的节约电能，在硬件设计方面，要尽量采用低功耗器件，在没有通信任务的时候，切断 射频部分的电源；在软件设计方面，各层通信协议都应该以节能为中心，必要时可以牺牲 其他的一些网络性能指标，以获得更高的电源效率。 与其他网络一样，无线传感器网络的分层网络通信协议包括物理层、数据链路层、网 络层、传输层和应用层【2 6 】。如图2 3 所示： ( 1 ) 物理层 无线传输网络的物理层负责信号的调制和数据的收发，采用的传输传输介质主要有无 线电、红外光、光波等。 ( 2 ) 数据链路层 无线传感器网络的数据链路层负责数据成帧、帧监测、媒体访问和差错控制。其中， 媒体访问协议保证可靠的点对点，点对多点通信；差错控制则保证源节点发出的信息可以 完整无误的到达目标节点。 ( 3 ) 网络层 无线传感器网络的网络层负责路由发现和维护，通常，大多数的节点无法直接与网关 通信，需要通过中间节点以多跳路由的方式将数据传送至汇聚节点。 ( 4 ) 传输层 无线传感器网络的传输层负责数据流的传输控制，主要通过汇聚节点采集传感器网络 9 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章无线传感器网络及其免疫策略概述 应用支撑平台 亟圃 夏至互 时间同步定位 应用层安 全 传输控制 i 传输层 服 移 网 路由 拓 务 动 络 网络层4 - t质 管 于 旦 能 理控 里 m a c 制 里 数据链路层 声、光、电、磁 物理层 网络通信协议网络管理平台 图2 - 3 无线传感器网络的协议体系结构图 内的数据，并使用卫星、移动通信网络、i n t e m e t 或者其他的链路与外部网络通信，是保 证通信服务质量的重要组成部分。 无线传感器网络的拓扑结构按照其组网的形态和方式来分，有集中式、分布式和混合 式【6 】。集中式结构类似移动通信的蜂窝结构，对节点进行集中管理，网络中的所有节点直 接与汇聚节点节点进行通信；分布式结构类似a dh o c 网络结构，可自组织网络接入连接， 分布管理，网络中节点采用多跳通信方式【2 7 】；混合式结构是集中式和分布式结构的组合。 按照节点功能及结构层次来分，无线传感器网络通常可分为均匀型网络结构和分层型网络 结构。下面对均匀型网络结构和分层型网络结构分别进行介绍。 ( 1 ) 均匀型网络结构 均匀型网络结构是无线传感器网络中最简单的一种拓扑结构，如图2 4 所示，网络采 用分布式组网技术，网络中无中心管理节点，所有节点都是对等的，节点可与处于其通信 范围内的邻居节点通信。当汇聚节点处于其通信范围之外时，节点间采用多跳路由的方式， 将采集到的信息传给汇聚节点。由于在均匀型网络结构中，每个节点都存在多条路径与其 它节点进行通信，所以这类结构具有减少拥塞、消除瓶颈现象的优点。 ( 2 ) 分层型网络结构 分层型网络结构，是无线传感器网络中平面网络结构的一种扩展拓扑结构。在这种拓 扑结构下，网络中的传感器节点可以划分为两类：骨干节点和普通节点。网络分为上、下 1 0 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章无线传感器网络及其免疫策略概述 ，一，o ? - - ，、 ，o 、0 乏、广一一 、 o 传感器节点 ，图2 4 无线传感器网络均匀型结构 层两个部分：上层为骨干节点；下层为普通节点。这种分层网络通常以簇的形式存在，按 功能分为簇首( 具有汇聚功能的骨干节点：c l u s t e r h e a d ) 和成员节点( 普通节点：m e m b e r s ) ， 簇首节点可以根据一定的算法进行选择。分层型网络拓扑结构具有很多的优点，如：有效 的利用簇内节点的能量，簇头节点对数据进行融合，减少了网络中的数据通信量；分簇结 构有利于分布式算法的应用，适合部署大规模的网络。 分层型网络结构又可分为两类：一类是骨干节点之间采用均匀型网络结构，骨干节点 之间可以互相通信，普通节点间的通信则需要通过骨干节点进行转发，如图2 - 5 ( a ) 所示； 另一类是骨干节点之间和普通节点之间均采用均匀型网络结构，骨干节点和普通节点之间 均可以直接通信，普通节点之间进行通信不需要通过骨干节点进行转发，如图2 5 ( b ) 所示。 骨干节点。一般传感器节点 ( a ) 第一类分层型结构 南京邮 骨干节点9 一般传感器节点 ( b ) 第二类分层型结构 图2 5 无线传感器网络分层型结构 2 2 2 无线传感器网络的特点及其关键技术 无线通信网络在过去几十年间取得了飞速的发展。作为i n t e m e t 在无线和移动范畴的 扩展和延伸，无线自组网络( a d - h o c n e t w o r k ) 由若干采用无线通信的节点动态地形成一 个多跳的移动性对等网络，从而不依赖于任何基础设施【2 8 】。无线传感器网络与无线自组 网络有很多相似之处，总的来说，它们都具有以下这些特点【8 】【2 5 】： ( 1 ) 分布式自组织 网络中没有严格的控制中心，所有节点地位平衡，节点之间通过分布式的算法来协 调彼此的行为，是一个对等式网络。节点可以随时加入或离开网络，任何节点的故障不会 影响整个网络的运行，具有很强的抗毁性。 通常网络所处物理环境及网络自身有很多不可预测因素。比如：节点的位置不能预先 精确设定；节点之间的相邻关系预先也不知道；部分节点由于能量耗尽或其他原因而死亡， 新的节点加入到网络中；无线通信质量受环境影响不可猜测；网络环境中的突发事件不可 控。这样就要求节点具有自组织地方能力，无需人工干涉和其他预置的网络设施，可以在 任何时刻，任何地方快速展开并自动组网，自动进行配置和管理，通过适当的网络协议和 算法自动转发检测数据。 1 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章无线传感器网络及其免疫策略概述 ( 2 ) 拓扑变化与多跳路由 节点在工作和睡眠状态之间切换以及传感器节点随时可能由于各种原因发生故障而 失效，或者有新的传感器节点补充进来以提高网络的质量；加之无线信道间的互相干扰、 地形和天气等综合因素的影响，这些会使网络系统能够适应拓扑变化，具有动态可重构的 性能。 由于节点发射功率的限制，节点的覆盖范围有限，通常只能与其它的邻居节点通信， 如果要与其覆盖范围以外的节点进行通信，则需要通过中间节点的转发。此外，多跳路由 是由普通网络节点写作完成的，没有专门的路由设备。这样每个节点既可以是信息的发起 者，也可以是信息的转发者。 ( 3 ) 可靠性 通过随机撒播传感器节点，无线传感器网络可以大规模部署于指定的恶劣环境或无人 区域，由于传感器节点往往在无人值守的状态下工作，这使得网络的维护变得十分困难， 甚至不太可能，因而要求传感器节点非常坚固、不易损坏，在环境因素变化不可预知的情 况下能够很好地适应各种极端的环境。此外，为防止监测数据被盗取和获取伪造的监测信 息，无线传感器网络的通信保密和安全也十分重要，这要求无线传感器网络的设计必须具 有很好的鲁棒性和容错性。 ( 4 ) 规模大、密度高 为获取尽可能精确、完整的信息，无线传感器网络通常密集部署在大片的监测区域中， 其节点的数量和密度较大无线自组网络成数量级地提高。它并非依靠单个设备能力的提 升，而是通过大量冗余节点的协同工作来提高系统的工作质量。 ( 5 ) 动态性强 无线传感器网络工作在一定的物理环境中。不断变化的外界环境往往会严重影响系统 的功能，这就要求传感器节点能够随着环境的变化而的适时的调整自身的工作状态。此外， 网络拓扑结构的变化也要求系统能够很好适应自身动态多变的“内在环境”。 ( 6 ) 应用相关 无线传感器网络通过感知客观世界的物理量来获取外界的信息。由于不同应用关系不 同的物理量，因而对网络系统的要求也不同，其硬件平台、软件系统和通信协议平台，只 有针对每一个具体的应用来开展设计工作，才能实现高效、可靠的系统目标，这也是无线 传感器设计不同于传感器网络的显著特征。 ( 7 ) 以数据为中心 在无线传感器网络中，人们通常只关心某个区域内某个观测指标的数值，而不会去具 1 3 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章无线传感器网络及其免覆策略概述 体关心单个节点的观测数据。例如：人们可能希望知道“监测区域东北角上的温度是多少”， 而不会关心刈声点8 所测到的温度值是多少”。这就是无线传感器以数据为中心的特点， 它不同于传感器网络的寻址过程，能够快速、有效地组织起各个节点的信息并融合提取出 有用信息直接传送给用户。这种以数据本身作为查询或传输线索的思想更接近于自然语言 交流的习惯。用户使用传感器网络查询事件时，直接将所关心的事件通告给网络，而不是 通告给某个确定编号的节点。网络在获得指定事件的信息后汇报给用户。 ( 8 ) 节点能力受限 传感器节点具有的能量、处理能力和通信能力等都十分有限，因而在实现各种网络协 议和应用系统时，传感器节点的能力受到以下一些限n - 电源能量受限 由于传感器节点的微型化，节点的电池能量有限，而且由于物理限制难以给节点更换 电池，所以传感器节点的电池能量限制是整个无线传感器网络设计最关键的约束之一，它 直接决定了网络的工作寿命。传感器节点消耗能量的模块包括传感器模块、处理器模块和 无线通信模块，其中绝大部分的能量消耗在无线通信模块上，通常1 比特信息传输l o o m 距离距离所需要的能量大约相当于执行3 0 0 0 条计算指令所消耗的能量。 计算和存储能力有限 廉价微型的传感器节点带来了处理器能力弱、存储器容量小的特点，使得其不能进行 复杂的计算，而传统i n t e m e t 网络上成熟的协议和算法对于无线传感器网络而言开销太大， 难以使用，因此必须重新设计简单、有效的协议及算法。如何利用有限的计算和存储资源 完成诸多协同任务成为对无线传感器网络设计的挑战。 通信能力有限 通常，无线通信的能耗e 与通信距离d 的关系为： e = k d n 其中，2 n 4 。参数1 1 的取值与很多因素有关：由于传感器节点体积小，发送端和接受端 都贴近地面，障碍物多，干扰大，n 的取值要偏大；另外天线质量对信号发射质量的影响 也很大。综合考虑这些因素，通常取n 为3 ，即通信能耗与通信距离的3 次方成正比，随 着通信距离的增加，能耗会急剧增加。为节能起见，无线传感器网络应采用多跳路由的通 信传输机制，尽量减少单跳通信的距离。 由于无线信道自身的物理特性，通常使得它所能提供的网络带宽相对有线信道要小得 多。此外，节点能量的变化，甚至通信有可能时断时续。因此，如何设计可靠的通信机制 已满足网络的通信需求是无线传感器网络所面临的一个重要挑战。 1 4 ( 2 ) 核心支撑技术 无线传感器网络里的核心支撑技术使用网络通信协议提供的服务，并通过应用服务接 口来屏蔽底层网络的细节，使终端用户可以方便地对无线传感器网络进行操作。无线传感 器网络依靠这些丰富的核心支撑技术构成了一个具体的面向特定应用的网络系统。 无线传感器网络的核心支撑技术包括拓扑结构、节点定位、时间同步、网内信息处理、 网络安全等。 ( 3 ) 自组织管理 多变的网络状况及外在环境要求无线传感器网络具有自组织的能力，能够自动组网 运行、自行配置维护、实时转发监测数据。自组织管理技术使用网络通信协议提供的服务， 通过网络管理接口来屏蔽底层网络的细节，使终端用户可以方便地管理配置无线传感器网 络。 无线传感器网络的自组织管理技术包括节点管理、资源与任务管理、数据管理、初 始化与系统维护管理等。 ( 4 ) 开发与应用 作为一种源于应用而又服务于应用的现实可行的网络技术，无线传感器网络还要有一 套完整的软硬件设计原则、高效的开发平台以及一系列别具特色的应用实例。 2 3 无线传感器网络中的免疫策略研究概况 随着无线传感器网络的广泛使用，病毒也逐渐威胁到这类网络的安全。但是目前，对 无线传感器网络中病毒传播模型的研究还处在初级阶段。很多学者根据无线传感器网络本 身特点进行建模研究【3 ”4 】。p r a d i pd e 等在文献 3 5 中，采用传播学理论对无线传感器网 1 5 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二苹无线传感器网络及其免疫策略概述 络中的病毒传播进行分析。在该篇文章中，采用随机图来构建无线传感器网络的拓扑。假 设网络中一个节点被感染病毒，这个节点可以通过与它的邻居相通信的方式将病毒传播到 网络中的其它节点甚至是