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无线传感器网络安全协议的研究 学科：计算机软件与理论 研究生签字：歹器掺 指导教师签字：獬 摘要 无线传感器网络( w s n ) 作为未来新兴的技术之一，它的迅速发展和广泛应用，将 对人们的社会生活和产业变革带来极大地影响和巨大的推动，它相对于蓝牙网络、无线局 域网、移动通信网、a dh o c 网络等常见的无线网络具有更多的研究热点。无线传感器网 络在很多应用下有较高的安全要求，比如在军事领域和商业领域，然而，由于无线传感器 节点本身硬件能力的一些限制，导致了现在成熟的安全技术方案不能直接应用于无线传感 器网络中。因此，安全问题成为无线传感器网络研究的一个重要的方面。 无线传感器网络由能量有限的节点组成，它应用无线通信从特定区域采集，处理有用 的数据，因此以能量有效的方式来采集和处理数据，以保证网络的最大化生存时间是无线 传感器网络的一个研究重点，即能量问题。本文首先对现在无线传感器网络存在的安全问 题进行了详细地阐述和分析，并给出了相应的解决方案；在此基础上进一步地讨论了传感 器网络的各种密钥管理方案，分析了它们各自在执行过程中的优缺点；最后，我们对基本 的随机密钥预分配方案进行了详细地叙述和分析，发现在此方案中，对于大规模的无线传 感器网络，每个节点仍然需要携带大量的密钥，这样会占用很多的存储空间，而且，由于 节点只有在活动状态下才能进行有效的通信，所以在基本的随机密钥预分配方案的基础 上，提出了一个基于节点状态的随机密钥预分配方案的改进模型，它可以实现在同样的安 全水平下，每个节点携带较少的密钥就可以达到节点间的高连通率和节点的抗捕获能力， 我们利用了新的预分配知识和节点的状态，并引用了簇节点对其它节点进行管理的方法， 使得在同一时刻分享密钥的节点更多的处于活动状态，实现了在节点间的通信过程中，避 免不必要的密钥分配工作。本文详细地分析了该改进方案并进行了仿真，验证了该方案已 达到了我们所预期的高连通率、抗捕获能力和更多的存储空间。 关键字：无线传感器网络；密钥管理；节点状态；连通率；抗捕获能力； r e s e a r c ho ns e c u r i t yp r o t o c o lf o rw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k d i s c i p l i n e ：c o m p u t e rs o f t w a r ea n dt h e o r y s t u d e n ts i g n a t u r e ：么刁 s u p e r v i s o rs i g n a t u r e ： 长：中孑 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 ( w s n ) i so n eo fm o s ti m p o r t a n tn e wt e c h n o l o g i e si nt h ef u t u r e i t sd e v e l o p m e n ta n de x t e n s i v ea p p l i c a t i o nw i l lh a v eag r e a ti m p a c to na n dm a k e a i li m m e n s e i m p r o v e m e n to fh u m a ns o c i a l ，l i f ea n di n d u s t r i a lr e n o v a t i o n ，c o m p a r e dw i t hf a m i l i a rw i r e l e s s n e c w o r k ss u c ha sb l u e t o o t hn e t w o r k 、w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k 、m o b i l ec o m m u n i c a t i o n n e t w o r k 、a dh o cn e t w o r ka n ds oo n w s nh a sal o to fn e wp r o p e r t i e sa n dm a n yr e s e a r c h h o t s p o t s i nm a n ys i t u a t i o n s ，w s nn e e d sh i 曲s e c u r i t y , f o ri n s t a n c e ，i nm i l i t a r ya n d b u s i n e s s f i e l d s h o w e v e r , d u et ot h e1 i m i t e dh a r d w a r ec a p a b i l i t i e so fs e n s o rn o d e s ，m a t u r es e c u r i t y s c h e m e sc a n n o tb ed i r e c t l ya p p l i e dt ow s n ，f o rt h i sr e a s o n ，l o t so fe f f o r t sn e e dt ob es p e n to n s e c u r i t yi s s u e so fw s n w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ( w s n ) c o n s i s t so fe n e r g y - l i m i t e dn o d e s ，w h i c hu s e sw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nt oc o l l e c ta n dp r o c e s su s e f u ld a t af r o map a r t i c u l a ra r e a t h e r e f o r e ，i ti sa n i m p o r t a n tr e s e a r c ht o p i ct oc o l l e c ta n dp r o c e s sd a t ai na ne n e r g yp r o b l e m a tf i r s t ，w ea n a l y z e t h es e c u r i t yp r o b l e mo fs e n s o rn e t w o r ka tp r e s e n t ，a n di t sr e s o l v es c h e m e s ；w ea l s od i s c u s s v a r i o u so fk e ym a n a g e m e n t sf o rs e n s o rn e t w o r k ，a n da n a l y z ei t sm e r i ta n dd e f e c t ；a tl a s t ，w e d e t a i l e ds p e c i f ya n da n a l y z et h eb a s i cr a n d o mk e yp r e d i s t r i b u t i o ns c h e m e i nt h i ss c h e m es t i l l r e q u i r ee a c hn o d et oc a r r yal a r g en u m b e ro fk e y sf o rl a r g e s c a l es e n s o rn e t w o r k s ，i tw i l l p o s s e s st h em o r em e m o r ys p a c e s ，a n db e c a u s e u s e f u lc o m m u n i c a t i o na r eo c c u r r e do n l ya m o n g a c t i v es e n s o r s ow ep r o p o s ean e ws t a t e b a s e dr a n d o mk e yp r e - d i s t r i b u t i o ns c h e m ew h i c hi s b a s e do nb a s i cr a n d o mk e yp r e d i s t r i b u t i o ns c h e m e i no r d e rt oa c h i e v eh i g h e rc o n n e c t i v i t y b e t w e e ns e n s o rn o d e sa n dr e s i l i e n c ea g a i n s tn o d ec a p t u r e w eu t i l i z en e wp r e - d e p l o y m e n t k n o w l e d g e ，s t a t eo fs e n s o r sa n dc l u s t e rn o d e s ，t oa v o i du n n e c e s s a r yk e ya s s i g n m e n t s a n di t m d k e st h em o r es e n s o rn o d e so na c t i v es t a t eo nt h es a m et i m e t h ea n a l y s i so ft h i sp a p e rs h o w s t h a tt h eo u t s t a n d i n gp e r f o r m a n c eo fo u rp r o p o s e ds c h e m ew i t hr e s p e c tt ot h ec o n n e c t i v i t y , r e s i l i e n c ea g a i n s tn o d ec a p t u r e sa n dm e m o r yu s a g e 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 ；k e ym a n a g e m e n t ；s t a t e o fs e n s o r ；c o n n e c t i v i t y ； r e s i l i e n c ea g a i n s tn o d ec a p t u r e s 学位论文知识产权声明 学位论文知识产权声明 本人完全了解西安工业大学有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 学位论文工作的知识产权属于西安工业大学。本人保证毕业离校后，使用学位论文工作成 果或用学位论文工作成果发表论文时署名单位仍然为西安工业大学。大学有权保留送交的 学位论文的复印件，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名：7 蓼轻 ， 指导教师签名： 日期：0 卯名口占 5 9 纺丫 、 细矿 学位论文独创性说明 学位论文独创性说明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，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，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的成果，不包含本人已申请学位或他人 已申请学位或其他用途使用过的成果。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致谢。 学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名：孑弛 指导教师签名：獬 b 凝：洄8 。o r 1 予 1 绪论 l 绪论 本章主要对无线传感器网络进行了总体的介绍。具体内容包括无线传感器网络的发展 历史、体系结构，以及其在各个行业的广泛应用，并且详细地介绍了无线传感器网络中所 用到的关键技术，比如网络协议、网络安全和数据融合等热门技术，最后对本文的主要工 作和篇章结构进行了详细地阐述。 1 1 无线传感器网络概述 1 1 1 概述 在当今信息技术飞速发展的时代，随着微电子技术、计算技术和无线通信等技术的进 步，推动了低功耗多功能传感器的快速发展，使其在微小体积内能够集成信息采集、数据 处理和无线通信等多种功能。无线传感器网络【lj ( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，w s n ) 就是由 部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的 自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息， 并发送给观察者。无线传感器网络在世界范围内引起了极大的关注，将会对人类未来的生 活方式产生深远影响。2 0 0 3 年2 月的美国技术评论杂志评出对人类未来生活产生深 远影响的十大新兴技术，无线传感器网络被列为第一。2 0 0 3 年8 月2 5 日出版的美国商 业周刊杂志在其“未来技术专版 中发表文章指出，效用计算、无线传感器网络、塑料 电子学和仿生人体器官是全球未来的四大高技术产业，它们将掀起新的产业浪潮【2 j 。 随着对传感器网络的深入研究，传感器网络已逐渐深入到人类生活的各个领域，能够 广泛地应用于军事、环境监测和预报、健康护理、智能家居、建筑物状态监控、复杂机械 监控、城市交通j 空间探索、大型车间和仓库管理，以及机场、大型工业园区的安全监测 等领域。在未来，无线传感器网络将会随着应用需求的激增，发挥出更多重要的作用1 3 j 。 1 1 2 无线传感器网络的发展历史 1 9 7 8 年，美国国防高级研究项目署( d a r p a ) 资助了卡内基一梅隆大学成立了分布式 无线传感器网络工作组( d i s t r i b u t e ds e n s o rn e t sw o r k s h o p ) 1 4 】，这个工作组专门研究以无线 传感器网络为基础的军事监视系统1 5 j 。它能够适应战场动态环境变化、可以快速地进行任 务分配和查询反应式网络技术，以及协作信息处理技术，但是由于当时技术条件的限制， 研究和应用的范围十分有限。近十年中，随着技术水平的大规模提高，无线传感器网络的 应用条件越来越成熟，因而当前对无线传感器网络的研究与开发已成为信息领域的一个热 点。现在比较大的一些研究项目包括：加州大学洛杉矶分校的w i n s 网络1 6 j ，它的研究内 容包括信号处理、嵌入式计算和无线通信技术，构造大规模、复杂的集成系统，它几乎涵 西安工业大学硕士学位论文 盖了从信号处理到网络协议的所有研究；加州大学伯克利分校的p i c o r a d i o 项目【7 】专注 于信道选择，冲突避免的媒介访问层( m a c ) 协议；麻省理工大学的l a m p s 项目1 8 】，利用 节点分簇算法来尽量降低能耗。还有其它众多的研究项目如t e r mi n o d e s t l 9 ，m a n e t 1 0 1 等 等。 无线传感器网络的发展历史： 19 8 6d a r p a p a c k e tr a d i op r o g r a m 19 9 3w i r e l e s si n t e g r a t e dn e t w o r ks e n s o r s ( w i n s ) - - f i n i s h e di n19 9 9 19 9 4l o wp o w e rw i r e l e s si n t e g r a t e dm i c r o s e n s o r - l w i mn o d e sb u i l ta r o u n d19 9 6 1 9 9 6k t a m p sd a r p a & m i t 19 9 8d a r p as e n l t p r o g r a m 19 9 9u cb e r k e l e yp i c o r a d i o 19 9 9u cb e r k e l e ys m a r t d u s t 1 9 9 9w e cm o t e 分流 1 9 9 9 海军研究办公室s e a w e b 计划 2 0 0 0u cb e r k e l e ym o t e t i n y o s 平台 o2 0 0 2n e s t 建立实际的m i c a 平台一为2 0 0 个研究机构所采用 o2 0 0 3m i c a 2 与m i c a 2 d o t o2 0 0 4z i g b e e 1 2 传感器网络体系结构 1 2 1 传感器网络结构 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 ) 和管理 节点，如图1 1 所示。 图1 1 无线传感器网络体系结构图 大量传感器节点随机地部署在监测区域( s e n s o rf i e l d ) 内部或附近，能够通过自组织 2 西安f t 业大学硕七学位论文 方式构成网络。传感器节点监测的数据沿着其他传感器节点逐跳地进行传输，在传输过程 中监测数据可能被多个节点处理，经过多跳后路由到汇聚节点，最后通过互联网或卫星到 达管理节点。用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监 测数据。 传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统，它的处理能力、存储能力和通信能力相对 较弱，通过携带能量有限的电池供电。从网络功能上看，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，除了进行本地信息收集和数据处理外，还要对其它节点转发 来的数据进行存储、管理和融合等处理，同时与其它节点协作完成一些特定任务。 汇聚节点的处理能力、存储能力和通信能力相对比较强，它连接传感器网络与i n t e r n e t 等外部网络，实现两种协议栈之间的通信协议转换，同时发布管理节点的监测任务，并把 收集的数据转发到外部网络上。汇聚节点既可以是一个具有增强功能的传感器节点，有足 够的能量供给和更多的内存与计算资源，也可以是没有监测功能仅带有无线通信接口的特 殊网关设备。 1 2 2 传感器节点结构 传感器节点由传感器模块、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1 2 所示： 倍感器梗块 处理器模块无线通信模块 处理器 倍感器 a c d c 一一 网络 幡m a c收发器 存储器 ttt lll l 能量供应模块 图1 2 传感器节点体系结构 传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换；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他节点发来的数据；无线通信模块负责与 其他传感器节点进行无线通信，交换控制消息和收发采集数据；能量供应模块为传感器节 点提供运行所需的能量，通常采用微型电池。 3 西安工业大学硕十学位论文 1 2 3 传感器网络协议栈 对于传感器网络协议栈研究人员提出了两种协议栈，如图1 3 ( a ) 所示是早期提出的一 个协议栈，这个协议栈包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层，与互联网协 议栈的五层协议对应。另外，协议栈还包括能量管理平台、移动管理平台和任务管理平台。 这些管理平台使得传感器节点能够按照能源高效的方式协同工作，在节点移动的传感器网 络中转发数据，并支持多任务和资源共享。各层协议和平台的功能如下： 物理层提供简单但健壮的信号调制和无线收发技术； 数据链路层负责数据成帧、帧检测、媒体访问和差错控制； 网络层主要负责路由生成与路由选择； 传输层负责数据流的传输控制，是保证通信服务质量的重要部分； 应用层包括一系列基于监测任务的应用层软件； 能量管理平台管理传感器节点如何使用能源，在各个协议层都需要考虑节省能量； 移动管理平台检测并注册传感器节点的移动，维护到汇聚节点的路由，使得传感 器节点能够动态跟踪其邻居的位置； 任务管理平台在一个给定的区域内平衡和调度监测任务。 ( a )( b ) 图1 3 传感器网络协议栈 图1 3 ( b ) 所示的协议栈细化并改进了原始模型。定位和时间同步子层在协议栈中的位 置比较特殊。它们既要依赖于数据传输通道进行协作定位和时间同步协商，同时又要为网 络协议各层提供信息支持。故而在图1 3 ( b ) 中用倒l 型描述这两个功能子层。图1 3 ( b ) 右 边的诸多机制一部分融入到图1 3 ( a ) 所示的各层协议中，用以优化和管理协议流程；另一 部分独立在协议外层，通过各种收集和配置接口对相应机制进行配置和监控。如能量管理， 在图1 3 ( a ) 中的每个协议层次中都要增加能量控制代码，并提供给操作系统进行能量分配 决策；q o s 管理在各协议层设计队列管理、优先级机制或者带宽预留等机制，并对特定应 4 西安 二业大学硕+ 学位论文 用的数据给予特别处理；拓扑控制利用物理层、链路层或路由层完成拓扑生成，反过来又 为它们提供基础信息支持，优化m a c 协议和路由协议的协议过程，提高协议效率，减少 网络能量消耗；网络管理则要求协议各层嵌入各种信息接口，并定时收集协议运行状态和 流量信息，协调控制网络中各个协议组件的运行。 1 3 无线传感器网络的特点和挑战 无线传感器网络除了具有a dh o e 网络的移动性、自组织性、电源能力有限等共同特 征以外，还具有节点数量庞大、单个节点资源极其有限、可监视范围广等鲜明的特点，这 些特点向我们提出了一系列挑战性问题： 1 ) 通信能力有限：无线传感器网络的通信带宽窄而且经常变化，通信覆盖范围只有 几十到几百米。传感器之间的通信断接频繁，经常导致通信失败。由于无线传感器网络更 多地受到高山、建筑物、障碍物等地势地貌以及风雨雷电等自然环境的影响，传感器可能 会长时间脱离网络、离线工作。如何在有限通信能力的条件下高质量地完成感知信息的处 理与传输，是我们面临的挑战之一； 2 ) 电源能量有限：传感器的电源能量极其有限，网络中的传感器由于电源能量的原 因经常失效或废弃，电源能量约束是阻碍无线传感器网络应用的严重问题。商品化的无线 发送接收器电源远远不能满足无线传感器网络的需要，传感器传输信息要比执行计算更消 耗电能，传感器传输1 位信息所需要的电能足以执行3 , 0 0 0 条计算指令。如何在网络工作 过程中节省能源，最大化网络的生命周期，是我们面临的第二个挑战； 3 ) 计算能力有限：无线传感器网络中的传感器都具有嵌入式处理器和存储器，这些 传感器都具有计算能力，可以完成一些信息处理工作。但是，由于嵌入式处理器和存储器 的能力和容量有限，传感器的计算能力十分有限，如何使用大量具有有限计算能力的传感 器进行协作分布式信息处理，是我们面临的第三个挑战； 4 ) 传感器数量大、分布范围广：无线传感器网络中传感器节点密集，数量巨大，可 能达到几万、几十万，甚至更多。此外，无线传感器网络可以分布在很广泛的地理区域。 传感器数量大、分布广的特点使得网络的维护十分困难甚至不可维护，人们希望无线传感 器网络的软、硬件必须具有高强壮性和容错性，这是我们面临的第四个挑战； 5 ) 网络动态性：无线传感器网络具有一定的动态性，网络中的传感器、感知对象和 观察者这三要素都可能具有移动性，并且经常有新节点加入或已有节点失效，因此，网络 的拓扑结构会经常动态变化，传感器、感知对象和观察者三者之间的路径也随之变化，无 线传感器网络必须具有可重构和自调整性，这是我们面临的第五个挑战； 6 ) 大规模分布式触发器：很多无线传感器网络需要对感知对象进行控制，如温度、 气压控制。因此，很多传感器具有回控装置和控制软件，我们一般称回控装置和控制软件 为触发器，成千上万的动态触发器的管理是我们面临的第六个挑战； 7 ) 感知数据流巨大：无线传感器网络中的每个传感器通常都面临较大的流式数据， 5 两安t 业大学硕七学位论文 并具有实时性，每个传感器仅具有有限的计算资源，难以处理巨大的实时数据流，我们需 要研究强有力的分布式数据流管理、查询、分析和挖掘法，这是我们面临的第七个挑战。 1 4 无线传感器网络的应用 无线传感器网络的应用前景十分诱人。传统应用有军事、监控、应急、环境、防空等 领域，新兴应用将涉及家用、企业管理、保健、交通等领域。可以预计，将来无线传感器 网络将无处不在。比如家庭采用无线传感器网络负责安全、调控、节电、保健等；企业和 社区采用无线传感器网络负责保卫与安全、供应监测、人员流动与车辆进出等；服务业采 用无线传感器网络负责商品流通、服务环境秩序、金融流通安全等。各种社会活动中，无 线传感器网络的应用更是数不胜数。 1 4 1 军事应用 在军事领域，无线传感器网络将会成为信息收集系统不可或缺的一部分。如 c 4 i s r t ( c o m m a n d ，c o n t r o l ，c o m m u n i c a t i o n ，c o m p u t i n g ，i n t e l l i g e n c e ，s u r v e i l l a n c e ，r e c o n n a i s s a n c ea n dt a r g e t i n g ) 系统【l l 】，c 4 i s r t 系统的目标是利用先进的高科技技术，为未来的现代 化战争设计一个集命令、控制、通信、计算、智能、监视、侦察和定位于一体的战场指挥 系统，受到了军事发达国家的普遍重视。因为无线传感器网络是由密集型、低成本、随机 分布的节点组成的，自组织性和容错能力使其不会因为某些节点在恶意攻击中的损坏而导 致整个系统的崩溃，这一点是传统的传感器技术所无法比拟的，也正是这一点，使无线传 感器网络非常适合应用于恶劣的战场环境中，包括监控我军兵力、装备和物资，监视冲突 区，侦察敌方地形和布防，定位攻击目标，评估损失，侦察和探测核、生物和化学攻击。 在战争中，对冲突区和军事要地的监视是至关重要的，通过铺设无线传感器网络，以隐蔽 的方式近距离地观察敌方的布防；当然，也可以直接将传感器节点撒向敌方阵地，在敌方 还未来得及反应时迅速收集利于作战的信息。无线传感器网络也可以为火控和制导系统提 供准确的目标定位信息。在生物和化学战中，利用无线传感器网络及时、准确地探测爆炸 中心将会为我军提供宝贵的反应时间，从而最大可能地减小伤亡。无线传感器网络也可避 免核反应部队直接暴露在核辐射的环境中。在军事应用中，与独立的卫星和地面雷达系统 相比，无线传感器网络的潜在优势表现在以下几个方面： 分布节点中多角度和多方位信息的综合有效地提高了信噪比，这一直是卫星和雷 达这类独立系统难以克服的技术问题之一； 无线传感器网络低成本、高冗余的设计原则为整个系统提供了较强的容错能力； 传感器节点与探测目标的近距离接触大大消除了环境噪声对系统性能的影响； 节点中多种传感器的混合应用有利于提高探测的性能指标； 多节点联合，形成覆盖面积较大的实时探测区域； 借助于个别具有移动能力的节点对网络拓扑结构的调整能力，可以有效地消除探 6 西安工业大学硕士学位论文 测区域内的阴影和盲点【1 1 】。 1 4 2 环境科学 随着人们对于环境的日益关注，环境科学所涉及的范围越来越广泛。通过传统方式采 集原始数据是一件困难的工作。无线传感器网络为野外随机性的研究数据获取提供了方 便，比如，跟踪候鸟和昆虫的迁移，研究环境变化对农作物的影响，监测海洋、大气和土 壤的成分等。a l e r t 系统中就有数种传感器来监测降雨量、河水水位和土壤水分，并依 此预测爆发山洪的可能性。类似地，无线传感器网络对森林火灾准确、及时地预报也应该 是有帮助的。此外，无线传感器网络也可以应用在精细农业中，以监测农作物中的害虫、 土壤的酸碱度和施肥状况等【1 1 】【l 】。 1 4 3 医疗健康 传感器网络在医疗系统和健康护理方面的应用包括监测人体的各种生理数据，跟踪和 监控医院内医生和患者的行动，医院的药物管理等。如果在住院病人身上安装特殊用途的 传感器节点，如心率和血压监测设备，用无线传感器网络，医生就可以随时了解被监护病 人的病情，并及时地进行处理。还可以利用无线传感器网络长时间地收集人的生理数据， 这些数据在研制新药品的过程中是非常有用的，而安装在被监测对象身上的微型传感器也 不会给人的正常生活带来太多的不便。此外，在药物管理等诸多方面，它也有新颖而独特 的应用。总之，无线传感器网络为未来的远程医疗提供了更加方便、快捷的技术实现手段 【l l 】【l 】。 1 4 4 空间探索 探索外部星球一直是人类梦寐以求的理想，借助于航天器布撒的无线传感器网络节点 实现对星球表面长时间的监测，应该是一种经济可行的方案。n a s a 的j p l ( j e tp r o p u l s i o n l a b o r a t o r y ) 实验室研制的s e n s o rw e b s 就是为将来的火星探测进行技术准备的。己在佛罗 里达宇航中心周围的环境监测项目中进行测试和完善【l l 】【。 1 4 5 智能家居 传感器网络能够应用在家居中。在家电和家具中嵌入传感器节点，通过无线网络与 i n t e m e t 连接在一起，将会为人们提供更加舒适、方便和更具人性化的智能家居环境。利 用远程监控系统，可完成对家电的远程遥控【l l j 【l 】，例如可以在回家之前半个小时打开空调， 这样回家的时候就可以直接享受合适的室温，也可以遥控电饭锅、微波炉、电冰箱、电话 机、电脑等家电，按照自己的意愿完成相应的煮饭、烧菜、查收电话留言以及下载网上资 料到电脑中等工作，也可以通过图像传感设备随时监控家庭安全情况。 7 西安工业大学硕士学位论文 1 4 6 建筑物状态监控 建筑物状态监控( s t r u c t u r eh e a l t hm o n i t o r i n g ，s h m ) 是利用传感器网络来监控建筑物 的安全状态，由于建筑物不断修补，可能会存在一些安全隐患。虽然地壳偶尔的小震动可 能不会带来看得见的损坏，但是也许会在支柱上产生潜在的裂缝，这个裂缝可能会在下一 次地震中导致建筑物倒塌。用传统方法检查，往往要将大楼关闭数月。 作为c i t r i s ( c e n t e ro fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yr e s e a r c hi nt h ei n t e r e s to fs o c i e t y ) 计 划的一部分，美国加州大学伯克利分校的环境工程和计算机科学家们采用传感器网络，让 大楼、桥梁和其他建筑物能够自身感觉并意识到它们本身的状况，使得安装了传感器网络 的智能建筑自动告诉管理部门它们的状态信息，并且能够自动按照优先级来进行一系列自 我恢复工作。未来的各种摩天大楼可能就会装备这种类似红绿灯的装置，从而建筑物可以 自动告诉人们当前是否安全、稳固程度如何等信息】【1 1 。 1 4 7 其他商业应用 复杂机械的维护经历了“无维护 、“定时维护 以及“基于情况的维护”三个阶段。 采用! 基于情况的维护”方式能够优化机械的使用，保持过程更加有效，并且保证制造成 本仍然低廉。其维护开销分为几个部分：设备开销、安装开销和人工收集分析机械状态数 据的开销。采用无线传感器网络能够降低这些开销，特别是能够去掉人工开销。尤其是目 前数据处理硬件技术的飞速发展和无线收发硬件的发展，新的技术已经成熟，可以使用无 线技术避免昂贵的线缆连接，采用专家系统自动实现数据的采集和分析【l l j 【l j 。 综上所述，无线自组传感器网络的研究和最终的成果必将对我国的国防、工业、社会 生活及其他领域产生非常重要的影响，具有广泛的应用前景和巨大的应用价值。 1 5 无线传感器网络的关键技术 无线传感器网络作为当今信息领域新的研究热点，涉及多学科交叉的研究领域，有非 常多的关键技术有待发现和研究，下面列出无线传感器网络的几个关键技术【1 2 】【1 3 1 。 1 5 1 网络组网技术 对于无线的自组织的传感器网络而言，网络拓扑控制具有非常重要的意义。通过拓扑 控制自动生成的良好的网络拓扑结构，能够提高路由协议和m a c 协议的效率，可为数据 融合、时间同步和目标定位等很多方面奠定基础，有利于节省节点的能量来延长网络的生 存期。 无线传感器网络组网技术目前主要研究问题是在满足网络覆盖度和连通度的前提下， 通过节点功率控制和层次型拓扑结构形成，剔除节点之间不必要的无线通信链路，生成一 个高效的数据转发的网络拓扑结构。功率控制机制调节节点的发射功率，在满足网络连通 8 西安t 业大学硕+ 学位论文 度的前提下，降低节点的发送功率，均衡节点单跳可达的邻居数目【1 4 l ，已经提出了 c o m p o w t l5 1 m l r l l 6 1 等统一功率分配算法，c b t c l m s t r n g d r n g 、和d l s s t l 7 1 等基 于邻近图的近似算法。层次型的拓扑控制利用分簇机制，让一些节点作为簇头节点，由簇 头节点形成一个处理并转发数据的骨干网，其他非骨干网节点可以进入休眠状态以节省能 量，目前提出了t o p d i s c l l 8 】成簇算法，以及l e a c h 和h e e d 等自组织成簇算法【1 9 1 。 1 5 2 网络协议 由于传感器节点的计算能力、存储能力等都十分有限，所以要求网络协议不能太复杂。 同时，传感器拓扑结构动态变化，网络资源也在不断变化，这些都对网络协议提出了更高 的要求。传感器网络协议负责使各个独立的节点形成一个多跳的数据传输网络，目前研究 的重点是网络层协议和数据链路层协议。 在无线传感器网络中，路由协议不仅关心单个节点的能量消耗，更关心整个网络能量 的均衡消耗，这样才能延长整个网络的生存期【2 0 1 。同时，无线传感器网络是以数据为中 心的，可以根据数据建立数据源到接收器之间的转发路径。目前提出的路由协议有多个能 量感知的路由协议，定向扩散和谣传路由【2 l 】等基于查询的路由协议，g e a r 2 2 1 和g e m 等 基于地理位置的路由协议。 无线传感器网络的m a c 协议首先要考虑节省能源和可扩展性，其次才考虑公平性、 利用率和实时性等。为了减少能量的消耗，m a c 协议通常采用“侦听睡眠 交替的无 线信道侦听机制，传感器节点在需要收发数据时才侦听无线信道，没有数据需要收发时就 进入睡眠状态。如周期性调度等时分复用的m a c 协议。由于无线传感器网络是应用相关 的网络，网络协议往往需要根据应用类型或应用目标环境特征定制，没有任何一个协议能 够高效适应所有不同的应用u 9 1 。 1 5 3 网络安全 无线传感器网络作为任务型的网络，不仅要进行数据的传输，而且要进行数据采集和 融合、任务的协同控制等。所以保证任务执行的机密性、数据产生的可靠性、数据融合的 高效性和数据传输的安全性就尤为重要了。 无线传感器网络的特点决定了它的安全与传统网络安全的研究方法和计算手段上有 很大的不同。能量有限的特性使算法计算强度和安全强度成为一对矛盾，如何通过更简单 的算法实现尽量坚固的安全外壳是无线传感器网络安全的主要挑战；另外，无线传感器网 络任务的协作和路由的局部特性使节点之间存在安全藕合，单个节点的安全泄漏必然威胁 网络的安全，所以在考虑安全算法的时候要尽量减小这种耦合性。 无线传感器网络s p i n s 安全框架在保密性、点到点的消息认证、完整性鉴别、新鲜 性、认证广播方面定义了完整有效的机制和算法。安全管理方面目前以密钥预分布模型作 为安全初始化和维护的主要机制，其中随机密钥对模型、基于多项式的密钥对模型等是最 9 西安工业大学硕士学位论文 有代表性的算法【。 1 5 4 时间同步 时间同步是需要协同工作的传感器网络系统的一个关键机制。j e r e m ye l s o n 和k a y r o m e r 在2 0 0 2 年8 月的h o t n e t s i 国际会议上首次提出并阐述了无线传感器网络中的时 间同步机制的研究课题，在传感器网络研究领域引起了极大地关注。目前已提出了多个时 间同步机制，其中r b s 、t i n y m i n i s y n c 和t p s n 被认为是三个基本的同步机制。r b s 机制是基于接受者一接受者的时钟同步：一个节点广播时钟参考分组，广播域内的两个节 点分别采用本地时钟记录参考分组的到达时间，通过交换记录时间来实现它们之间的时钟 同步。t i n y m i n i s y n c 是简单的轻量级的同步机制：假设节点的时钟漂移遵循线性变 化，那么两个节点之间的时间偏移也是线性的，可通过交换时标分组来估计两个节点间的 最优匹配偏移量。t p s n 采用层次结构实现整个网络节点的时间同步：所有节点按照层次 结构进行逻辑分级，通过基于发送者一接受者的节点对方式，每个节点能够与上一级的某 个节点进行同步，从而实现所有节点都与根节点的时间同步。 1 5 5 网络服务质量问题 为了提供q o s 保证，首要的任务就是在源和目的节点之间寻找具有必要资源来满足 0 0 s 要求的路由，其次对于特定的分组，一旦路由被选择后，必须为分组预留必要的资源 ( 如带宽、路由器中的缓存空间等) 。提供q o s 路由可以将这些任务结合在一起，这样q o s 保证转换为q o s 路由问题。 q o s 路由依赖于当前网络状态信息获得。在基于局部状态信息的q o s 路由算法中， 源节点和中间路由器向外发送具有一定的节点识别能力，并包含q o s 信息的探测分组， 来寻找一条满足q o s 需求的可行路由。基于不精确的全局状态信息的路由技术采用基于 票的探测分组来寻找可行路由。每个从源端到目的端的分组至少携带一张票来搜索可行路 径。探测分组携带的票数越大，找到满足q o s 要求的路由的可能性越小。探测分组沿着 链路状态变化缓慢的路径传播，找到的q o s 路由存储在探测分组中而不是中间节点中【1 1 。 1 5 6 数据融合 能量有限的特性决定了无线传感器网络要尽可能的减少数据传输，因此在从各个传感 器节点收集数据的过程中，可利用节点的本地计算和存储能力处理数据的融合，去除冗余 信息，从而达到节省能量的目的【2 引，由于传感器节点的易失效性，传感器网络也需要数 据融合技术对多份数据进行综合，提高信息的准确度。 数据融合技术可以与无线传感器网络的多个协议层次进行结合。在应用层设计中，可 以利用分布式数据库技术，对采集到的数据进行逐步筛选，达到融合的效果；在网络层中， 立于其他协议层的数据融合协议层，通过减少m a c 层的发送冲突和头部开销达到节省能 1 0 西安工业大学硕士学位论文 量的目的，同时又不损失时间性能和信息的完整性【2 4 】。在无线传感器网络的设计中，只 有面向应用需求设计针对性强的数据融合方法，才能最大限度的获益1 2 引。 数据融合技术在节省能量、提高信息准确度的同时，要以牺牲其他方面的性能为代价。 首先是延迟的代价，在数据传送过程中寻找易于进行数据融合的路由、进行数据融合操作、 为融合而等待其他数据的到来，这三个方面都可能增加网络的平均延迟。其次是鲁棒性的 代价，数据融合可以大幅度降低数据的冗余性，但丢失相同的数据量可能损失更多的信息， 因此相对而言也降低了网络的鲁棒性。 1 5 7 数据管理 传感器网络的数据管理系统的结构主要有集中式、半分布式、分布式以及层次式结构， 目前大多数研究工作均集中在半分布式结构方面。传感器网络中数据的存储采用网络外部 存储、本地存储和以数据为中心的存储三种方式。相对于其他两种方式，以数据为中心的 存储方式可以在通信效率和能量消耗两个方面获得很好的折中。基于地理散列表的方法便 是一种常用的以数据为中心的数据存储方式。传感器网络中，既可以为数据建立一维索引， 也可以建立多维索引。d i f s 系统中采用的是一维索引的方法，d i m 是一种适用于传感器 网络的多维索引方法。传感器网络的数据查询语言目前多采用类s q l 的语言。查询操作 可以按照集中式、分布式或流水线式查询进行设计。集中式查询由于传送了冗余数据而消 耗额外的能量；分布式查询利用聚集技术可以显著降低通信开销；而流水线式聚集技术可 以提高分布式查询的聚集正确性。传感器网络中，对连续查询的处理也是考虑的方面， c a c q 技术可以处理传感器网络节点上的单连续查询和多连续查询请求。 1 5 8 定位技术 位置信息是传感器节点采集数据中不可缺少的部分，没有位置信息的监测消息通常毫 无意义。确定事件发生的位置或采集数据的节点位置是传感器网络最基本的功能之一。为 了提供有效的位置信息，随机部署的传感器节点必须能够在布置后确定自身位置。由于传 感器节点存在资源有限、随机部署、通信易受环境干扰甚至节点失效等特点，定位机制必 须满足自组织性、健壮性、能量高效、分布式计算等要求。 根据节点位置是否确定，传感器节点分为信标节点和位置未知节点。信标节点的位置 是已知的，位置未知节点需要根据少数信标节点，按照某种定位机制确定自身的位置。在 传感器网络定位过程中，通常会使用三边测量法、三角测量法或极大似然估计法确定节点 位置。根据定位过程中是否实际测量节点问的距离或角度，把传感器网络中的定位分类为 基于距离的定位和距离无关的定位。 基于距离的定位机制就是通过测量相邻节点间的实际距离或方位来确定未知节点的 位置，通常采用测距、定位和修正等步骤实现。根据测量节点间距离或方位时所采用的方 法，基于距离的定位分为基于t o a 的定位、基于t d o a 的定位、基于a o a 的定位、基 西安工业大学硕士学位论文 于r s s i 的定位等。由于要实际测量节点间的距离或角度，基于距离的定位机制通常定位 精度相对较高，所以对节点的硬件也提出了很高的要求。距离无关的定位机制无须实际测 量节点间的绝对距离或方位就能够确定未知节点的位置，目前提出的定位机制主要有质心 算法、d v - h o p 算法、a m o r p h o u s 算法等。由于无须测量节点间的绝对距离或方位，因而 降低了对节点硬件的要求，使得节点成本更适合与大规模传感器网络。距离无关的定位机 制的定位性能受环境因素的影响小，虽然定位误差相应有所增加，但定位精度能够满足多 数传