（计算机软件与理论专业论文）无线传感器网络安全中间件技术的研究与实现.pdf

南京邮i u 人学顺i j 研究生学位论义 中文摘要 中文摘要 传感技术和计算机网络的迅速发展促进了分布式传感器网络的发展，随着半导体技 术、微系统技术、通信技术、计算机技术的提高，无线传感器网络无论是在国家安全，还 是国民经济诸多方面均有着广泛的应用前景。 然而，由于无线网络的丌放性和不可信任性，以及无线传感器网络本身特性如资源受 限、超大规模等特征，所面临的种种安全问题已成为无线传感器网络走向广泛应用所迫切 需要解决的问题之一。其中，基于应用层上安全问题研究显得尤为突出，主要是密钥管理 和安全组播。为了解决这个问题，我们在研究中发现，目前很多预配置密钥管理方案都不 具有可扩展性，同时又不能支持对于邻居节点的身份认证，节点捕获容易泄露整个网络密 钥，由此提出一种具有可扩展性的预配置密钥分配方案，而中白j 件技术对于应用而言可以 屏蔽底层操作过程，将陔方案与中间件技术相结合可以很好的解决上述的问题。 本文首先在介绍无线传感器网络及其安全问题的基础上引入了中间件，并分析了它在 提高无线传感器网络应用效率和安全性上的优势。然后，我们提出了一种基于格局的无线 传感器密钥分配方案，并将它们与中间件平台相结合，构造了一种新的安全机制。最后， 通过构建一个应用实例，验证了此方案的可行性及安全性。 关键词：无线传感器网络，中间件，安全，移动a g e n t ，密钥管理 南京邮电人学颂l ：研究生学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t t h eq u i c kd e v e l o p m e n to fs e n s o rt e c h n o l o g ya n dc o m p u t e rn e t w o r ki n c i t e st h ed e v e l o p i n g o fd i s t r i b u t e ds e n s o r n e t w o r k b e s i d e s ，w i t h t h e i m p r o v e m e n ti nt e c h n o l o g ys u c h a s s e m i c o n d u c t o r , m i c r o s y s t e m ，c o m m u n i c a t i n ga n dc o m p u t e r , w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k i s b e c o m i n gm o r ea n dm o r ep o p u l a ri nm a n yf i e l d s ，f o ri n s t a n c e ，n m i o n a ls e c u r i t y , n a t i o n a le c o n o m y , a n ds oo n h o w e v e r ，f o rt h et w op r o p e r t i e so fw i r e l e s sn e t w o r k ，o p e n n e s sa n du n d e p e n d a b i l i t y ，a n dt h e b o r nc h a r a c t e r i s t i co fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，s u c ha sb e i n gl i m i t e db yr e s o u r c ea n do ft o ol a r g e s i z e ，w h e t h e ri ti ss e c u r eh a sb e c o m et h eu r g e n tp r o b l e mp r e v e n t i n gw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k b e i n gp o p u l a r l yu s e d s o ，t h er e s e a r c ho ns e c u r i t yi na p p l i c a t i o nl a y e rh a sb e c o m em o r ea n d m o r ei m p o r t a n t ，f o c u s i n go nm a n a g e m e n to fp r i v a t ek e ya n dg r o u p b r o a d c a s ts e c u r e l y t os o l v e t h ep r o b l e m ，as e r i e so fr e s e a r c h e sh a v eb e e nc a r r i e do u t ，d u r i n gw h i c hi th a sb e e nf o u n dt h a ta t p r e s e n t ，p r e c o n f i g u r a t i o n - p r i v a t ek e y - m a n a g i n gm e t h o d sh a v es e v e r a ls h o r t c o m i n g ss u c ha s ，n o t e x t e n s i b l e ，n o ts u p p o r t i n gt h ei d e n t i f i c a t i o no fn e i g h b o rn o d e sa n de a s i l yg i v i n ga w a yt h ep r i v a t e k e yo ft h ew h o l en e t w o r kd u r i n gn o d e c a p t u r e s o ，a ne x t e n s i b l ep r e - c o n f i g u r a t i o n p r i v a t e k e y - d i s t r i b u t em e t h o di sb r o u g h to u t b e s i d e s ，m i d d l e w a r et e c h n o l o g yc a nh i d eo p e r a t i o nd e t a i l s o fl o w g r a d el a y e r s ，t h u s ，t h ec o m b i n a t i o no ft h en e wm e t h o da n dm i d d l e w a r et e c h n o l o g yc a n w e l ls o l v et h ep r o b l e mr e f e r r e db e f o r e f i r s t l y ，t h i sp a p e rr e f e r st om i d d l e w a r eb a s e do nt h ei n t r o d u c t i o no fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k a n dt h es e c u r ep r o b l e m si ti sf a c i n g ，a n da n a l y s e si t sp r e d o m i n a n c ei ni m p r o v i n gt h ee f f i c i e n c y a n ds e c u r i t yo fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s e c o n d l y ，i tb r i n g so u tan e ws t r u c t u r e b a s e dw i r e l e s s s e n s o rn e t w o r k p r i v a t e k e y d i s t r i b u t em e t h o d ，t h e nc o n s t r u c tan e ws e c u r i t y m e c h a n i s mb y c o m b i n i n gt h em e t h o da n dm i d d l e w a r ep l a t f o r m f i n a l l y ，v i ac o n s t r u c t i n ga na p p l i c a t i o n e x a m p l e ，i tv a l i d a t e st h ef e a s i b i l i t ya n ds e c u r i t yo ft h em e t h o d k e yw o r d s ：w i r e l e s s s e n s o r n e t w o r k ，m i d d l e w a r e ，s e c u r i t y ，m o b i l ea g e n t ，k e y m a n a g e m e n t 南京邮电人学硕l 研究生学位论文 缩略词 缩略词 缩略词 英文全称 译文 w s nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k 无线传感器网络 c ac e r t i f i c a t ea u t h o r i t y 证书认证中心 a p i a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n gi n t e r f a c e应用程序接口 d o sd e n i a lo fs e r v i c e 拒绝服务攻击 m a c m e s s a g ea u t h e n t i c a t i o nc o d e消息认证码 k d c k e yd i s t r i b u t i o nc e n t e r密钥分配中心 o s o p e r a t i o ns y s t e m操作系统 i dl d e n t i f i c a t i o n 身份标识 d md a t a b a s em i d d l e w a r e 数据访问中间件 r p cr e m o t ep r o c e d u r ec a l l 远程过程调用中间件 m m m e s s a g em i d d l e w a r e 消息中间件 t mt r a n s a c t i o nm i d d l e w a r e 交易中间件 o m o b j e c tm i d d l e w a r e对象中间件 c h g a m s gc h a n g ea l g o r i t h mm e s s a g e 算法变更消息 c u r a u t h m s g c u r r e n ta u t h o r i z a t i o nm e s s a g e 当前授权消息 r e q c u r k e y m s g r e q u e s tc u r r e n tk e ym e s s a g e 请求会话密钥消息 a c k r e q c u r k e y m s g a c k r e q u e s tc u r r e n tk e ym e s s a g e 请求会话密钥响应消息 k e y s i z e m s g k e ys i z em e s s a g e密钥长度消息 r e q m s gr e q u e s ta c c e s sm e s s a g e 请求加入消息 o r d e r c u r a u t h m s g o r d e rc u r r e n ta u t h o r i t ym e s s a g e 命令授权消息 7 4 南京邮屯大学硕i ：研究生学位论文 图表清单 图表清单 图2 1 无线传感器网络分布式体系结构3 图2 2 层簇式的传感器网络体系结构4 图2 3 传感器节点的体系结构6 图2 4 支持多跳无线通信的传感器应用程序的组件结构一9 图2 5m a n t i s o s 体系结构1 0 图3 1 基于k d c 的加密认证机制2 2 图3 2 会话密钥的生成2 3 图3 3 非对称加密( 使用两个密钥的加解密) 2 3 图3 - 4 对称加密( 使用一个密钥的加解密) 2 4 图3 5 流密码体制2 5 图4 1 中间件软件结构2 7 图4 ，2o d b c 结构图2 8 图4 3 远程调用中间件机制2 9 图4 - 4 消息中问件w e b s p h e r em q 2 9 图4 5 消息中间件d c o m 3 0 图4 - 6 安全中间件的架构3 2 图4 7 无线安全中间件整体结构3 2 图4 8d i s w a r e 中1 1 自j 件体系结构一3 3 图4 - 9a g e n t 的相关数掘结构3 4 图4 1 0 a g e n t 代码实例3 5 图4 1 1a g e n t 实例代码的转换代码3 5 图4 1 2 元组空间的数据格式3 6 图4 1 32 x 2 拓扑结构图3 7 图4 1 4a g e n t 协同操作3 8 图5 1 无线传感器网络节点拓扑图4 0 图5 2 节点及其邻居位置图4 l 南京邮r u 人学硕i ：研究生学位论文 图表滑单 图5 3 节点a 与节点b 之间的位置以及相互格局及其影响4 2 图5 4 节点布局图4 5 图5 5 节点位置图l 4 6 图5 - 6 节点位置图2 4 7 图5 7 本方案与s p i n s 的存储性能比较。5 0 图5 8 本方案与逻辑密钥树方案的存储性能比较5 1 图6 1 添加安全模块后的d i s w a r e 体系结构5 4 图6 2 非加密模式下的数据包格式5 5 图6 3 各个模块关系图5 5 图6 4 加密模式下的数据包格式5 6 图6 5 消息包填充格式5 6 图6 - 6d i s w a r e 底层通信结构图5 7 图6 7 加密模块添加后的d i s w a r e 底层通信结构图5 8 图6 8s 盒内部机制一5 8 图6 - 9 密钥模块结构图6 0 图6 1 0 全局会话密钥的生成6 1 图6 1 l 数据包加密数据填充6 2 图6 1 2 节点间会话密钥生成过程6 3 图6 1 3 系统运行架构图。6 5 图6 1 4 显示界面6 5 图6 1 5 准备启动安全模式6 6 图6 1 6 安全模式启动6 6 图6 1 7 安全模式下更新授权信息6 7 图6 1 8 当前安全配置信息6 8 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得南京邮电大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：日期： 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相二 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：导师签名： 日期： 南京邮l 乜人学硕i ：研究生学位论文 第一章i j l 苦 1 1 课题背景 第一章引言 随着半导体技术、微系统技术、通信技术、计算机技术的飞速发展，2 0 世纪9 0 年代 术在美国出现了具有现代意义的无线传感器网络技术。其后，该技术相继被一些重要的机 构预测为将改变世界的重要新技术，相关研究工作在世界各主要发达国家迅速丌展起来。 传感技术和计算机网络的迅速发展进一步促进了分布式传感器网络的发展，随着相关 技术的提高，无线传感器网络无论是在国家安全，还是国民经济诸多方面均有着广泛的应 用前景，最终将深入到人们生活的各个方面，像互联网一样改变人们的生活方式。 然而传感器节点由于自身的原因，与现有无线网络相比，在实现各种网络协议以及应 用系统时，存在一定的约束，比如：电源能量有限、通信能力有限以及计算存储能力有限 等等。同时由于不依赖于固定基础设施，无线传感器网络为其使用的安全体系结构提出了 新的挑战。 一般而言，无线传感器网络安全攻击来源于如下方面：被动的数据收集、节点的背叛、 虚假节点、节点故障、节点能量耗尽、信息的破坏、拒绝服务以及流量分析，从而无线传 感器网络的安全需求分为两个方面：通信安全需求：信息安全需求。通信安全主要是入侵 者无法轻易找到并毁坏各个节点，网络中的节点能够有效的抵御入侵者。信息安全就是要 保证网络中传输信息的安全性，在于数据的保密性、完整性以及授权访问等等。同时在应 用时，传感器节点的数目成千甚至上力，如何有效的进行网络中的安全管理，在存贮和能 耗上与安全需求获得一个满意的结果。因此，迫切需要在无线传感器网络的实际应用中引 入安全机制，在保证网络数据的完整性机密性；通过实现安全中间件，利用a g e n t 相互协 作成为解决安全性、便捷性的种新思路。 1 2 课题来源及本文所做工作 本文所涉及的课题主要来源于江苏省自然科学基会项目“基于智能a g e n t 的无线传感 器网络关键技术研究”( 编号b k 2 0 0 5 1 4 6 ) ；江薹省高科技研究项目“无线传感器网络 l 南京i l i l f t i j , 人学顾i _ f i j f ；j u 生学位论文第一章0 l 击 中| 1 自j 件和平台软件研究与实现( 编号b g 2 0 0 5 0 3 8 ) 。 本人所做的工作陈述如下：( 1 ) 提出了“基于格局的无线传感器密钥分配方案 ，阐 述了系数矩阵的生成、密钥的产生和通信中的设定，并与现有密钥分配方案进行比较，分 析优缺点：( 2 ) 将现有中问件平台与“基于格局的无线传感器密钥分配方案”相结合，用 以解决无线传感器网络中应用层上的安全问题；( 3 ) 在c y g w i n 平台上以及j a v a 语言、 n e s c 语言构建平台，取得较为理想的实验效果。 1 3 本文组织 本文共分七个章节，内容组织如下： 本文第一章是引言，着重阐述课题背景、课题来源以及本人所做工作和本文组织。 第二章首先介绍无线传感器网络的基本知识，主要是无线传感器网络技术发展以及研 究现状，应用背景等。 第三章介绍了无线传感器网络安全技术，详细分析了无线传感器网络面临的安全攻 击、无线传感器网络的安全需求以及无线传感器网络与传统网络在数掘管理安全上的区别 以及挑战。 第四章中间件平台概述，详细分析了中间件平台现有研究成果，以及无线传感器网络 对于中间件的要求，介绍了安全中间件所要满足的任务，同时简要引出了基于a g e n t 的无 线传感器中间件平台d i s w a r e 。 第五章主要讲述了基于格局的无线传感器密钥分配方案，并与现有提出的方案进行比 较，分析可行性。 第六章将基于a g e n t 的中间件与第五章提出的密钥方案综合运用于无线传感器网络 的安全应用中，提出了一个基于无线传感器网络安全中间件的案例。 最后第七章，总结了本文所作的工作，并对该课题进步研究的重点方向进行展望。 南京邮l u 人学颂l j 研究生学位论文 第- 二章光线传感器i 】l 】4 络简介 第二章无线传感器网络简介 2 i 无线传感器网络体系结构 2 i i 无线传感器网络结构 无线传感器网绍- ( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，简称w s n ) 是计算机、通信和传感器三种 技术相结合的产物。它由许多功能相同或不同的传感器节点以自组织的方式构成，其目的 是协作地感知、采集、处理其所覆盖区域中被感知对象的信息，并发布给使用者。 无线传感器的网络结构【1 。5 】主要分为分布式、层簇式两大类。 分布式的传感器网络的网络结构由于没有固定的基础框架，传感器网络在配置前并不 知道其拓扑结构。分布式的网络结构如图2 1 所示，传感器节点随机的分布在被测区域， 节点被配置后，每个节点根据其无线电波覆盖范围找出它的邻居节点。这种网络非常健壮， 网络伸缩性好，在个别链路和传感器节点发生失效时，不会引起网络分立。可以同时通过 多条信源信宿问路由传输数掘，传输可靠性非常高，只要对数掘进行一定的前向纠错编码， 基本不需采用基于端到端( e n dt oe n d ) 应答的重传通信机制。 s e n s o rf i e l d s e n rn o d 帕喀 图2 1 无线传感器网络分布式体系结构 节点具有传感、信号处理和无线通信功能，它们既是信息包的发起者，也是信息包的 转发者。节点通过飞机命撒，人工靠置等方式，大量部署在感知对象内部或者附近。这些 节点通过自组织方式构成无线网络，以协作的方式感知、采集和处理网络覆盖区域中特定 的信息，可以实现对任意地点信息在任意时间的采集，处理和分析。 南京邮电人学硕，i ：r o 究生学位论文第二章无线传感器网络简介 这种以自组织形式构成的网络，通过多跳中继方式将数据传回s i n k 节点( 接收发送 器) ，最后借助s i n k 链路将整个区域内的数据传送到远程控制中心进行集中处理。一个典 型的传感器网络的体系结构包括分布式传感器节点( 群) 、s i n k 节点、互联网和用户界面等。 在传感器网络中绝大多数的节点只有很小的发射范围，而s i n k 节点的发射能力较强，具 有较高的电能，充当网关的功能，它可以接入i n t e m e t 网络或是通过卫星传递，把数据发 回远程控制节点。用户通过对远程控制管理节点，对传感器网络进行配置和管理，发布监 测命令以及收集监测数据。 当网络规模很大的时候，这种基本的平面式的体系结构不能满足通信需求，因此可以 采用聚类分层( c l u s t e r b a s e d ) 的管理模式即层簇式的体系结构。 层簇式结构以簇为基本单位，如图2 2 所示，层次根据节点的能力划分，主要包括任 务管理节点( c o m m a n dn o d e ) ，网关节点( g a t e w a yn o d e ) ，簇头节点和传感器节点( s e n s o r n o d e ) 。 图2 - 2 层簇式的传感器网络体系结构 任务管理节点相对于传感器节点和网关节点能量充足，用户通过管理节点对传感器网 络进行配置和管理，发布监测任务以及存储、处理监测倒的数掘。在许多应用中，任务管 理节点被认为是可信任并且是可抵抗攻击的，因此被认为是密钥分发的中心。 网关节点连接传感器网络与i n t e m e t 等外部网络，实现两种协议栈之问的通信协议转 换，同时发布管理节点的监测任务，它可以是一个没有监测功能仅带有无线通信接口的特 殊网关设备。 簇头节点的处理能力、储存能力和通信能力相对较强，有足够的能量和更多的内存与 计算资源，是一个具有增强功能的传感器节点，它把收集的数据转发到网关节点。 传感器节点的处理能力、储存能力和通信能力相对较弱，传感器节点把监测到的数据 南京n i e l 毡人学硕i ： i j f 究生学位论文 第一二章尤线传感器1 珥络简介 沿着其他传感器节点逐跳进行传输，在传输过程中，监测到的数据可能被多个节点进行处 理( 数据融合等) ，经过多跳后路由到任务管理节点。从网络功能看，每个传感器节点兼顾 传统网络节点的终端和路由器双重功能，除了对本地信息收集和处理外，还要对其他节点 转发来得数掘进行存储、管理和融合等处理，同时与其它节点协同完成一些任务。 在这种体系结构下，一个区域内节点间的通信主要依靠簇头节点，协调实现。区域间 通过簇头节点之间进行多跳路由，将信息传送给s i n k 节点。这种模式便于对大规模大面 积的传感器网络进行管理，在此基础上也容易实现数据融合等技术。 2 1 2 无线传感器节点结构 无线传感器网络系统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 kn o d e ) $ 1 ：l 管理节 点。大量传感器节点随机部署在监测区域内部或附近，能够通过自组织方式构成网络。传 感器节点监测的数据沿着其它传感器节点逐跳进行传输，在传输过程中监测数据可能被多 个节点处理，经过多跳路由后到汇聚节点，最后通过互联网或卫星到达管理节点，但在节 点数目较少或在实验室条件下，汇聚节点也可通过串行数据线( r s 2 3 2 接口) 与管理平台进 行互联。用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，发行监测任务以及收集监测数 据。 因此，节点在网络中可以充当数据采集者、数据中转站或簇头节点( c l u s t e r h e a dn o d e ) 的角色。作为数据采集者，数据采集模块收集周围环境的数据( 如温度、湿度等) ，通过通 信路由协议直接或间接将数据传送给远方基站或汇聚节点；作为数据中转站，节点除了完 成采集任务外，还要接收邻居节点的数据，将其转发给距离基站更近的邻居节点或者直接 转发到基站或汇聚节点；作为簇头节点，节点负责收集该簇所有节点采集的数据，经数据 融合后，发送到基站或汇聚节点。 无线传感器节点的体系结构由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模 块四部分组成，如图2 3 所示。传感器模块负责监测区域信息的采集和数掘转换：处理器 模块负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理本身采集的数据以及其它节点发来的数 据：无线通信模块负责与其它传感器节点进行无线通信，交换控制信息和收发采集数据； 能量供应模块为传感器节点提供运行所需的能量。 南京邮l u 人掌硕l ：研究生学位论文第一二章尤线传感器网络简介 图2 - 3 传感器仃点的体系结构 ( 1 ) 处理器模块 处理器模块是无线传感器节点的计算核心，所有的设备控制、任务调度、能量计算、 功能协调、通信协议、数据整合和数据转储程序都将在这个模块的支持下完成，所以处理 器的选择在传感器节点设计中是至关重要的。 目前使用较多的有a t m e l 公司的a v r 系列单片机，加州大学伯克利分校开发的 m o t e 系列节点使用的就是这种处理器。作为2 0 0 0 年以来3 2 位嵌入式处理器市场中红极 一时的嵌入式a r m 处理器，也可能成为下一代传感器节点设计中的考虑对象。a r m 系 列处理器性能跨度比较大，低端系统价格便宜，可以替代单片机的应用，高端处理器可以 达到p e n t i u m 处理器和其它专业多媒体处理器的水平。甚至可在很多并行系统中实现阵列 处理。a r m 处理器功耗低，处理速度快，集成度也相当高，而且地址空间非常大，可以 扩展大容量的存储器。但在普通的传感器节点中使用，其价格、功耗以及外围电路的复杂 度还不十分理想。随着技术的进步，a r m 处理器将在这些方面有更加出色的表现。另外， 对于需要大量内存、外存以及高数据吞吐率和处理能力的传感器网络汇聚节点( 也称为基 站节点) ，a r m 处理器是非常理想的选择。 ( 2 ) 无线通信模块 这罩主要讨论传感器网络的硬件模块，主要关心无线通信协议中的物理层和m a c 层 技术。这两个层次基本决定了硬件模块的具体架构。 物理层协议 物理层需要考虑编码调制技术、通信速率和通信频段等问题。编码调制技术影响占用 南京邮i 【1 人学硕l ：硼f 究生学位论文第二章光线传感 网络简介 频率带宽、通信速率、收发功率等一系列技术参数。 一般传感器网络定义为低功耗、低数据量传输、长期工作的无线网络。所以本身对数 据传输速率的要求并不高。不过提高速率可以减少数掘收发的时间，对于节能有一定好处， 只是需要同时考虑提高网络速度对收发功率的影响。一般用单个字节的收发能耗来定义数 据传输对能量的效率，单个字节的能耗越小越好。无线频谱是一种不可再生的资源。无线 通信特有的空间独占性决定在实际应用中必须要符合一定的规范，任何无线电产品在应用 之前都要经过管理机构的审批。2 4 g h z 频段在大多数国家都无需申请许可证，应该是传 感器网络优先选择的传输频段。 链路层协议 传感器网络的链路层和其它网络的链路层一样，需要提供流量可控、传输可靠的点到 点通信服务。节点在大部分时间旱是休眠的，所以要求链路层协议能够解决通信同步问题， 即通信节点双方需要在通信时同时唤醒。又由于传感器网络是一个分布式网络，所有节点 在通信上地位是对等的，也就是说没有优先级可言，所以要让整个网络能够工作在有效状 态，往往需要做到全网或者一定范围内所有节点的同步，而不是通信双方的简单同步。 ( 3 ) 传感器模块 传感器一般包括传感器探头和变送系统两个部分。工作过程一般如下：首先，测到的 物理量的变化通过各种机制转换成电阻、电容或者电感的变化。然后，这些电子特性变化 通过转换电路，如阻桥电路，转换成电压信号；接着，电压信号经过积分电路、放大电路 进行整形处理；最后，采集电路( a d c ) 将模拟电压信号转换成数字信号。 ( 4 ) 外围模块 要形成一个完整的传感器节点，达到扩展性、灵活性、高效性的要求，还需要一些外 部支持系统，主要包括能源、外部存储器、模数转换、外部接口。传感器网络一般都是布 置在人烟稀少或危险的区域，所以其能源不可能来自于现在普遍使用的工业电能，而只能 求助于自身的存储和自然界的给予。 一般来说，目前使用的大部分能源都是自身存储一定能量的化学电池。对于低速率通 信、低功耗运行、低频率使用的传感器节点来说，很多传输数据，包括自身采集的数据、 从邻居节点获取的转发数据以及在一段时间内需要保存的各种路由信息，都需要一个可靠 的地方存储。所以一般传感器节点还会配上一些外部存储器。为了避免这些信息受系统偶 然因素复位的影响，一般选择非易失存储器作为存储媒质。目日订f l a s h 是一种可以低电压 - 7 - 南京邮i 【1 人学烦i ：j i j l _ 究生学位论义第 二章无线传感器嘲络绚介 ( 3 v ) 操作、多次写无限次读的非易失存储介质。配合有效的顺序读写机制，f l a s h 可以高 效的在传感器节点使用。为了实现传感器节点的硬件扩展性和灵活性，无线传感器节点会 根据功能将自己划分成多个模块，模块之间通过标准的接1 2 1 互连。这样，不同模块之间的 升级和更换就变成了独立的过程。 目前，实用化的传感器节点不多，其丌发原型往往都是美国国家支持项目的附属产品， 国内出现的传感器节点很多也是模仿国外的m o t e 节点丌发的。但随着传感器网络受到越 来越多的重视，各国对传感器网络软硬件的研究都加大了投入，必定会有许多新的传感器 网络硬件平台的出现。 2 2 无线传感器网络操作系统 目的主要的传感器操作系统有t i n y o s 和m a n t i s o s 两种，它们在无线传感器网络中 使用的非常广泛。 1 ) t i n y o s i t i n y o s 简介 t i n y o s 6 m 是由加州大学伯利克分校丌发出来的一个丌源的嵌入式操作系统。它采用 一种基于组件( c o m p o n e n t - - b a s e d ) i 拘丌发方式，能够快速实现各种应用。t i n y o s 的程序 核心往往都很小( 一般来说核心代码和数据大概在4 0 0 b y t e s 左右) ，这样能够突破传感器存 储资源少的限制，让t i n y o s 有效地运行在无线传感器网络上。 t i n y o s 提供一系列可重用的组件，可以很简单方便的编制程序，用来获取和处理传 感器的数据并通过无线电来传输信息。一个应用程序可以使用这些组件，方法是通过连接 配置文件( c o n f i g u r a t i o n ) 将各种组件连接起来，以完成它所需要的功能。t i n y o s 采用事件 驱动的工作模式：t i n y o s 的应用程序都是基于事件驱动模式的，采用事件触发去唤醒传 感器工作。 i t i n y o s 的并发执行模型 t i n y o s 中有两种线程任务( t a s k ，又叫作业) 和事件处t _ 里( e v e n th a n d l e r ) ： 任务一般用在对于时间要求不是很高的应用中，且在线程调度方面多个任务之间是平 等的，即在执行时是按顺序先后柬的，而不能互相占先执行。一般为了减少t a s k s 的运行 时间，要求每一个t a s k 都很短小，能够使系统的负担较轻。 e v e n th a 迥d e r s 一般用在对于时倒的要求很严格的应用中，而且在并发处理中它可以占 r 南京i i 唧乜人学颂i ：研究生学位论义第一二章无线传感器嘲络简介 先权，先于t a s k s 和其他e v e n t h a n d e r s 执行。事件处理可以被一个操作的完成或是来自外 部坏境的事件触发。事件处理按照触发它的事件源的不同分为软件事件处理和硬件中断处 理，在t i n y o s 中一般由硬件中断处理来驱动事件。 t i n y o s 的通信机制 t i n y o s 最重要的组件之一就是它的无线通信组件，基于t i n y o s 的无线传感器应用 程序多采用支持多跳无线通信组件结构，该组件结构图如图2 - 4 所示： 应用程序 消息 消息包 ，节 比特 图2 4 支持多跳无线通信的传感器应川稗序的组f i ，| ：结构 2 ) m a n t i s o s m a n t i s o s 简介 m a n t i s o s i s - 9 1 是科罗拉多大学开发的一种无线传感器网络操作系统，它提供集成的硬 件和软件平台，适合广泛的传感器网络应用程序：它是一个多模型系统，可以进行多频率 通讯，适合多任务传感器节点，可动态重新编程。 m a n t i s o s 提供简单的跨平台a p i 、远程命令调试和远程登陆m o s 节点的功能、基于 r f 的动态重新编程系统以及自带的传感器接口。同时，m a n t i s o s 支持网络上物理m o s 节点到虚拟m o s 节点，并且提供二者之问进行联系的桥梁。m a n t i s o s 平台由两大中心组 件构成：m o s ( 类似u n i x 的实时环境) 以及无线传感器节点。 m a n t i s o s 的体系结构分为三个部分，即核心层、系统a p i 层以及网络栈和命令行服 务器。其中核心层包括进程调度和管理、通信层以及设备驱动层，系统a p i 层与核心层 进行交互，向上层提供应用程序接口，其体系结构如图2 5 。 南京邮i 【1 人学颀l ：研究生学位论文 第一二章无线传感器网络简介 i 兰竺 ) 图2 5m a n t i s o s 体系结构 m a n t i s o s 为上层应用程序的设计提供了丰富的a p i ，例如：线程创建、设备管理、 网络传输等。利用这些a p i ，便可以组织成功能强大的应用程序。 在m a n t i s o s 上，应用程序的运行会产生一个或多个用户级线程，它是和网络栈以及 命令行服务器处在同一层中，每个线程具备不同功能，而这些功能是通过调用系统a p i 与底层设备硬件进行交互控制来实现的。 3 ) t i n y o s 与m a n t i s o s 的区别 t i n y o s 是一个基于事件驱动的深度嵌入式操作系统，同时采用了主动消息通信与二 级调度策略技术。事件驱动机制迫使应用程序在做完通信工作后，隐式地声明工作完成， 而且在t i n y o s 的调度下，所有与通信事件有关的任务将在事件产生时可以迅速进行处理。 相反，m a n t i s o s 是一种基于线程的开发模式，适合于大型应用程序的开发，也适用 于内存以及能量受限的环境，同时采用时间片轮转的多线程处理模式具备多任务并行处理 的功能。 2 3 无线传感器网络的特征 无线传感器网络的实现需要一些传统的无线a dh o c 网络技术。“a dh o e 技术所标 称的是一种无线特定的网络结构，强调的是多跳、自组识、无中心的概念。在任意时刻， a dh o e 网络中由一些带有无线收发装置的移动节点间都可以通过无线信道连接形成一个 任意网状的拓扑结构。 南京邮电人学硕i ：1 i j f 究生学位论文第二章无线传感器网络简介 a dh o e 网络具有自组性、动态拓扑结构、有限传输带宽、有限移动性、安全性差、 分布式、可扩展性不强、寿命短等基本特点【i o 】。 1 无中心性和自组织性： 无线自组织网络中没有绝对的控制中心，所有的节点的地位平等，网络中的节点地位 平等，网络中的节点通过分布式算法来协调比起的行为，无需人工干预和任何其他预制的 网络设施，可以在任何时刻任何地方快速展开，并自动组网。由于网络的分布式特征、节 点的冗余性和不存在单点故障瓶颈，使得网络的鲁棒性和抗毁性很好。 2 动态变化的网络拓扑 在无线自组网络中，由于多种因素的干扰，移动终端之间通过无线信道形成的网络拓 扑结构随时可能发生变化，而且变化的方式和速度都难以预测。 3 受限的无线传输带宽 由于无线信道本身的物理特性，以及考虑到竞争共享无线信道产生的冲突、信号衰减 等因素的干扰，移动终端所得到的实际带宽远远小于理论上的最大带宽。 4 移动终端的能力有限 由于能源受限，内存较小，c p u 性能较低等，从而给应用程序设计开发带来一定的 难度，不利于丌展比较复杂的业务。 5 多跳路由 由于节点发射功率的限制，节点的覆盖范围有限。当它要与其覆盖范围之外的节点进 行通信时，需要中间节点的转发。 6 安全性较差 由于采用无线信道、有限电源、分布式控制等技术，它更加容易受到窃听、主动入侵、 拒绝服务、剥夺“睡眠”等网络攻击。信道加密、抗干扰、用户认证和其他安全措施都需 要特别考虑。 7 网络的可扩展性不强 动态变化的拓扑结构使得具有不同子网地址的移动终端可能同时处于一个无线自组 网络中，因而子网技术所带来的可扩展性无法应用在无线自组织网络环境中。 虽然无线传感器网络是其中一个非常重要的发展分枝，但无线传感器网络除了具有 a dh o e 网络的共同特性2 _ 夕1 - ，还具有一些明显的特征【m 1 4 1 ： 1 超大规模 1 1 南京邮l u 人学颂i ：研究生学位论文第二章尤线传感器1 ) c ) 4 络简介 无线传感器网络系统一般由成千上万个微小传感器构成，较无线自组织网络规模成数 量级的提高。 2 无人值守 无线传感器网络系统往往工作在无人值守的状态下工作，每个节点只能依靠自带或是 自主获取的能源( 电池、太阳能) 供电。由此导致的能源受限是阻碍无线传感器网络发展以 及应用的最重要的瓶颈。 3 容易受物理环境的影响动念性强 无线传感器网络与其所在的物理环境密切相关，并随着坏境的变化而不断的变化。这 些因素严重的影响了系统的性能。 这些要求和限制给无线传感器网络的研究和发展提供了新的挑战。 2 4 无线传感器网络应用前景 ( 1 ) 军事应用。 和许多其它技术一样，无线传感器网络最早是面向军事应用的。由于其特有的无需架 设网络设施、可快速展丌、抗毁性强等特点，在军事应用中，无线传感器网络可以代替岗 哨和侦查兵、实时反馈战场的信息( 如敌方动向等) ，同时，它还能实现辨别敌友军队、定 位敌方目标等功能。 ( 2 ) 环境以及灾害应用。 随着人们对于环境的同益关注，通过传统的方法采集环境数据是一件困难的工作。传