（通信与信息系统专业论文）一种高吞吐量的wsn+htmac协议设计及仿真实现.pdf

南京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k ，w s n ) 是由一组传感器节点组成。节点协 作地感知和收集所覆盖的地区中相关传感器传来的信息，并处理这些信息，然后以无线传 输的方式将其送到信息收集中心或基站( b a s es t a t i o n ) 。节点通常随机的布置于监测区域，用 于对环境温度、空气湿度、火险情况等参数进行测量，来达到报警或者自动控制的目的。 m a c ( m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) 层位于物理层之上，主宰着信道的使用权。在带宽受 限的无线传感器网络中，如何能在有效的利用带宽的前提下节省节点的能量消耗，是无线 传感器网络m a c 层设计的终极目标。由于在无线传感器网络中，能量受限，导致许多传统 的无线m a c 协议在无线传感器网络上都表现无能为力。 s - m a c 是无线传感器网络中最经典的m a c 协议，它提出的周期休眠机制，虽然节省 了能量消耗，但同时也导致了传输延迟的大大增加和吞吐量的急剧下降。于是，开始有许 多学者针对这一特点，提出了许多的改进方案，如t - m a c 、d m a c 等。它们不是引入了 新的问题，就是实现上太复杂。 本文针对目前的研究情况，基于s - m a c ，提出了r r r - m a c ( h i g ht h r o u g h p u tm a c ) ，旨 在大幅增加其吞吐量，同时尽最大的可能减少其传输延迟和能耗。在h t - m a c 中，提出了 三条改进设计，分别是跨层自适应侦听设计、流量预测队列设计和突发传送设计。 在章节安排方面，本文先介绍了无线传感器网络的结构，然后深入对现有m a c 协议的 分析，并在此基础上提出h t - m a c 协议，接着在n s 2 上实现了h t - m a c 协议，最后，整 理实验所得数据，分析结果并得出结论。 主题词：w s n ；s - m a c ；h t - m a c ：流量预测队列；突发传送；自适应侦听 南京邮电大学硕士研究生学位论文a b s t r a c t 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 i s c o m p o s e do fs e n s o rn o d e sw h i c hc o o p e r a t e t os c n s ea n d c o l l e c tt h ei n f o r m a t i o nf r o mt h es e n s o rn o d e si nt h e i rr a d i oc o v e ra r e a t h ei n f o r m a t i o nw h i c h h a sb e e n p r o c e s s e dw i l lb ct r a n s m i t t e dt ot h e i ri n f o r m a t i o nc e n t e ro rb a s es t a t i o n i nw s n ，n o d e s a l eo f t e n r a n d o m l yd e p l o y e di nm o n i t o r i n gr e g i o nt om o n i t o rt h et e m p e r a t u r eo fe n v i r o n m e n t ，t h e h u m i d i t yo ft h ea t m o s p h e r e ，t h ec i r c u m s t a n c e so f f n ea n ds oo nf o rt h ep u r p o s eo fa l a r mo r a u t o c o n t r 0 1 m e d i u ma c c e s sc o n t r o l ( m a c ) ，w h i c hi st h eu p p e rl a y e ro ft h ep h y s i c a ll a y e r , d e t e r m i n e s t h eu s a g em o d eo ft h ew i r e l e s sc h a n n e l t h eu l t i m a t eg o a lo fm a cl a y e ri st os a v ee n e r g y c o n s u m p t i o no nt h ep r e m i s eo f t h ee f f i c i e n tu s eo fb a n d w i d t hi nab a n d w i d t h - c o n s t r a i n e ds y s t e m w s ni sae n e r g y c o n s t r a i n e ds y s t e mw h i c hm a k e si th a r dt ou s et h et r a d i t i o n a lw i r e l e s sm a c p r o t o c o l s s - m a c ( s e n s o rm a c ) i st h em o s tt y p i c a lm a cp r o t o c o lo fw s n t h ep e r i o d i cs l e e p m e c h a n i s mp r e s e n t e db ys - m a c p l a y sag r e a tr o l ei ns a v i n ge n e r g yc o n s u m p t i o n ，b u ti ta l s ol e a d t oag r e a tt r a n s m i s s i o nd e l a ya n dag r e a td e c l i n eo ft h r o u g h p u t f o rt h i sd e f e c t s ，m a n ys c h o l a r s h a v ep u tf o r w a r dan u m b e ro fi m p r o v e m e n tp r o p o s a l s ，s u c ha st - m a c ，d - m a ca n ds oo n t h e y e i t h e ri n t r o d u c ean e w p r o b l e m ，o ra r et o oc o m p l i c a t e d t ob ei m p l e m e n t e d t h i st h e s i sp r e s e n t sah t - m a c ( h i g ht h r o u g h p u tm a c ) p r o t o c o lt os o l v et h ep r o b l e m i n t r o d u c e db ys - m a c ，w h i c hm e a n st h a th t - m a cw i l ln o to n l yg r e a t l yi n c r e a s ei t st h r o u g h p u t b u ta l s ot r yt or e d u c ei t st r a n s m i s s i o nd e l a ya n de n e r g yc o n s u m p t i o n i nh t - m a c ，i tp r e s e n t s t h r e ep r o p o s a l s ，w h i c hi sc r o s s - l a y e ra d a p t i v el i s t e n i n g ，t r a t 五cp r e d i c t i o nq u e u ea n db u r s t t r a n s m i s s i o n t h i st h e s i s ，f i r s t l yi n t r o d u c e st h en e t w o r ks t r u c t u r eo fw s n ，t h e na n a l y s et h ee x i s t i n gm a c p r o t o c o l ，a n db a s eo nt h ea n a l y s i s ，p u t sf o r w a r dah t - m a cp r o t o c 0 1 f i n a l l y , h t - m a c p r o t o c o li si m p l e m e n t e di nn s 2p l a t f o r m ，a n dt h ec o n c l u s i o na r ed r a w nb yt h ee x p e r i m e n t sd a t a c o l l e c t e d k e y w o r d s ：w s n ；s - m a c ；h t - m a c ；t r a f f i cp r e d i c t i o nq u e u e ；b u r s tt r a n s m i s s i o n ； a d a p t i v el i s t e n i n g 南京邮电大学学位论文原创性声明 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：递吼2 1 1 罩! 墼f z 0 l 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、缩印或其它复制手段保存论文。本文电子文档的内容和 纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公饰( 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： 翩躲烨吼丝埠二生：! 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第l 章绪论 1 1 研究背景 第l 章绪论 无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k ，w s n ) 是由一组传感器节点组成。节点协 作地感知和收集所覆盖的地区中相关传感器传来的信息，并处理这些信息，然后以无线传 输的方式将其送到信息收集中心或基站( b a s es t a t i o n ) 。它是一种无中心节点的分布式网络系 统，节点是通过随机投放方式被布置到监控区域。通常这些传感器节点都是由传感器、数 据处理单元和通信模块组成，如要涉及任务的处理，数据处理模块中还需加入适合于传感 器节点的操作系统。 目前w s n 属于一种新兴的应用型科学技术网络。最早的传感器网络出现在2 0 世纪7 0 年代，使用具有简单信息信号获取能力的传统传感器，采用点对点传输，连接传感控制器 构成传感器网络，此即第一代传感器网络；第二代传感器网络，具有获取多种信息信号的 综合能力，采用串并接口与传感控制器相连，构成有综合多种信息的传感器网络；第三代 传感器网络出现在2 0 世纪9 0 年代后期和本世纪初，用具有智能获取多种信息信号的传感 器，采用现场总线连接传感控制器，构成局域网络，成为智能化传感器网络：第四代传感 器网络正在研究开发，用大量的具有多功能多信息信号获取能力的传感器，采用自组织无 线接入网络，与传感器网络控制器连接，构成无线传感器网络。 无线传感器网络作为一种新兴的下一代传感器网络，其最早的代表性论述出现在1 9 9 9 年，题为“传感器走向无线时代 。随后在美国的移动计算和网络国际会议上，提出无线传 感器网络是下一个世纪面临的发展机遇。2 0 0 3 年，美国技术评论杂志论述未来新兴十 大技术时，无线传感器网络被列为第一项未来新兴技术。同年，美国商业周刊未来技 术专版，论述四大新技术时，无线传感器网络也列入其中。2 0 0 4 年 i e e es p e c t r u m ) ) 杂志 发表一期专集：传感器的国度，论述无线传感器网络的发展和广泛应用，将对人们的社会生 活和产业变革带来极大的影响和巨大的推动。 无线传感器网络有许多其自身的特点，而且正是由于这些特点使得无线传感器网络有 着自身的优势的同时也存在着许多亟待解决的问题。其特点主要有： ( 1 ) 节点规模庞大，密度高，一般采用空间位置寻址。 ( 2 ) 传感器的节点计算、能量和存储容量有限。 ( 3 ) 网络的拓扑结构易变化，具有自织能力。 l 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第1 章绪论 ( 4 ) 节点协同合作具有数据融合能力。 无线传感器具有非常广泛的应用前景，其发展和应用将会给人类的生活和生产等各个 领域带来深远影响。目前主要集中应用于工业控制、家庭及办公自动化、医疗及护理、农 业及生物环境保护、跟踪及物流管理、建筑及土木工程、安全、公安、军事等方面研究的 目的和意义。 1 2 研究的目的和意义 本文研究的对象是无线传感器网络m a c 协议。m a c 层是物理层的上一层，因此m a c 层的性能好坏将直接影响整个通信效率。 传统的无线网络m a c 层协议的设计目标是最大化吞吐量、最小化时延并且提供公平 性，如8 0 2 1 1 。而为w s n 设计的m a c 层协议关注的则是能耗能小化，这就决定了它要适 度地减小吞吐量和增加时延。由于w s n 的节点总是协作完成某应用任务，所以公平性通常 不是主要问题。另外，w s n 的一些典型应用( 如战场目标跟踪) 也对其m a c 层协议的设 计提出了不同于传统无线网络的要求。这些问题可以归纳为以下几个方面： ( 1 ) 节能：无线传感器网络的节点一般是以干电池、纽扣电池等提供能量，而且电池能 量通常难以进行补充，为了长时间保证无线传感器网络的有效工作，m a c 协议在满足应用 要求的前提下，应尽量节省使用节点的能量。 ( 2 ) 可扩展性：由于传感器节点数目、节点分布密度等在无线传感器网络生存过程中不 断变化，节点位置也可能移动，还有新节点加入网络的问题，所以无线传感器网络的拓扑 结构具有动态性。m a c 协议也应该具有可扩展性，以适应这种动态变化的拓扑结构。 ( 3 ) 冲突避免：由于网络中节点众多，多个节点很有可能在同一时刻访问网络这就可能 造成冲突，解决冲突这是m a c 协议的基本任务。 ( 4 ) 信道利用率：信道利用率反映了网络通信中信道带宽如何被使用。 ( 5 ) 延迟：延迟是指发端向收端发送一个数据包到接收端成功接收这一数据包所用的时 间。 ( 6 ) 吞吐量：吞吐量是指在一个给定的时间内，发端成功发送给收端的数据量。 ( 7 ) 公平性：公平性是指无线传感器网络中各节点、用户和应用，平等的共享信道的能 力。 ( 8 ) 安全性：对于非本类节点的数据的过滤特性，防止其它节点的攻击。 ( 9 ) 纠错性：对于信道中的数据进行有效的验证和纠错。 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第l 辛绪论 而更实际的做法是根据应用来定制符合自身的m a c 完全顾及这些方面是不太可能的， 协议，但节能这一目标是不变的。 本文的h t - m a c 协议是在经典的s - m a c 协议的基础上提出的。s - m a c 则是基于 i e e e 8 0 2 1 1m a c 协议提出的，其主要设计目标就是提供良好的扩展性和减少节点能量的消 耗。经详细分析了无线传感器网络s - m a c 协议现有的机制后，发现其存着以下几个问题( 具 体的分析请参看本文3 3 节) ： ( 1 ) 无法根据负载动态的调整活动时间。 ( 2 ) 节点的周期过长，极大的增加了通信的延迟。 ( 3 ) 吞吐量过小。 ( 4 ) 每个节点的休眠时间是相同的，这对于能量较少的节点不公平。 h t - m a c 继承了s - m a c 的优点，继续采用周期休眠、休眠调度表同步、消息传递和物 理与虚拟载波监听等技术，但针对以上缺点做了一定的改进。具体的改进方案详见第三章。 1 3 本文组织结构 第一章介绍了w s n 的背景及其本文研究的主要内容及方向，提出本文的目的。 第二章介绍了目前无线传感器网络主要技术，包括路由技术、安全技术、定位技术和 数据融合技术。 第三章提出了本文设计的h t - m a c 协议，并对此协议的主要设计原理进行详细描述。 第四章将本文提出的h t - m a c 协议在n s 2 上实现，并详细介绍了各个模块及其在n s 2 上的实现及运行机理。 第五章主要是完成仿真脚本程序设计及仿真数据的整理，并对三种m a c 协议仿真的 结果图进行对比，以证实本文的设计结果。 第六章是对本论文所做工作的一个全面总结，提出了今后研究工作的方向。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第2 章无线传感器技术概述 2 1 网络体系结构 第2 章无线传感器技术概述 无线传感器网络的系统架构1 ，2 1 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 e g e rn o d e ) 。 用户 图2 1 无线传感器网络体系图 由图2 1 可以看出，大量传感器节点被随机部署在监测区域内部或附近，在传输过程中 数据可能被多个节点处理，经过多跳路由后传输到汇聚节点，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无线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纽扣电池或干电池供电。汇聚节点的处理能力、存储能力和通信 能力相对比较强，它既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，也可以 是一个健壮的传感器节点，有足够的能量供给和计算资源。 通常无线传感器节点由能量供应模块、传感器模块、处理器模块和无线通信模块四部 分组成，如图2 2 所示。 能量供应模块为传感器节点提供运行所需的能量，通常采用电池供电；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，交换控制消息和收发采集数据。 4 南京邮电大学硕十研究生学位论文第2 章无线传感器技术慨述 传感器模块处理器模块无线通信模块 广一一一一一一i _ 一一1 厂一一一一一一一一一一一1 i i i i 。i 处理器 j 一 网络m a c收发器 i 传感器a c d c l 一 。1 、7 i i： l 存储器 - ii i - _ ，- il _ - - - 。i - - _ - i jl jljl 能量供应模块 糯圆圆 圈n 羞；一量卜二 网络层 二二亘星口i 舞il 羹l i 茎i 1 警l 一 蕊矗云一苣i 一断倒譬口理l 一 南京邮电大学硕士研究生学位论文第2 章无线传感器技术概述 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 传感器网络内的数据，并使用卫星、移动通信网络、i n t e r n 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部分。 ( 5 ) 应用层：是数据的最终目的地，针对不同应用其功能也不尽相同。 网络管理平台的主要功能包括以下几方面： ( 1 ) 拓扑控制：其主要是为了维护网络的拓扑结构，当有节点退出或加入时，应当及时 的更新网络的结构。 ( 2 ) 服务质量管理：其主要是在各协议层设计队列管理、优先级机制或者带宽预留等。 ( 3 ) 能量管理：其主要负责节点能量分配，及节能优化。 ( 4 ) 移动管理：其主要用来监测和控制节点的移动，维护到汇聚节点的路由。 ( 5 ) 安全管理：其主要是保证数据的机密性，使通信更可靠更安全。 ( 6 ) 网络管理：其主要是对无线传感器网络上的设备及传输系统进行有效监视、控制、 诊断和测试所采用的技术和方法。 2 2 路由技术 传统的路由协议太多的使用了洪泛技术，一个节点存储它收到的数据，然后发送数据 拷贝到所有的邻近节点。由于无线传感器网络能量制约的原因，当采用传统路由协议时， 会有如下不足之处【4 j j 。 内爆：如果一个普通节点已有和邻居一样的数据项，那么它将会有相同数据的多个拷 贝。因此，这种协议在发送和接收此数据项时浪费了宝贵的时间和能量资源。 重叠：节点先后收到同一区域的多个节点发送的相同的数据。 资源管理：在传统的洪泛技术中，节点的路由层没有节能功能。无论它们在指定时间 内可获得的能量有多少，它们都继续他们的活动。由此，传统网络中的路由算法不适合传 感器网络，必须针对后者特性来研究新的路由算法。a d h o c 6 1 网络与传感器网络有很多相似 之处，但是即使如此，多数a d h o e 路由协议也不能很好的适合传感器网络，因为当网络中 有移动频率高的节点时，它们总是试图清除高耗费的表格更新。 传感器网络路由协议应该能够克服上述的不足，或者考虑新的节约能量的方法，以便 在路由过程中，降低能耗，提高网络的寿命。 目前提出的传感器网络提出的协议主要分为六类：以数据为中心的平面路由、网络分 6 南京邮电大学硕上研究生学位论文 第2 章无线传感器技术概述 层路由、基于查询的路由、地理位置路由、能量感知路由和基于q o s 的路“4 i 。 2 2 1 数据为中心的平面路由 以数据为中心的平面路由中，所有节点具有相同的地位和功能，节点间协同工作完成 任务。 平面路由的典型代表是s p i n 7 】( s e n s o rp r o t o c o lf o ri n f o r m a t i o nn e g o t i a t i o n ) 协议。其 思想是：每个节点在发送数据前通过协商来确定其他节点是否需要该数据点；同时，节点 通过“元数据 确定接收数据中是否有重复信息存在。此外，节点还要根据自身的能耗状 况( 能量等级的改变) 来调整工作的模式，以延长运行时间。 2 2 2 网络分层路由 分层路由中，无线传感器网络通常被划分为多个簇。每个簇由一个簇首和多个簇成员 构成，多个簇首形成高一级的网络。在高一级网络中，又可以分簇，再次形成更高一级的 网络直至到最高级别的汇聚节点。分层结构中，每个簇的形成通常是基于节点的能量和与 簇首的接近程度。簇首节点不仅负责所管辖簇内信息的收集和融合处理，还负责簇间数据 的转发，它的可靠和稳定对全网性能影响较大，信息的采集和处理也会大量消耗簇首的能 量。 分层路由的代表是l e a c h t 8 1 协议。l e a c h 是为无线传感器网络设计的一种低功耗自 适应分层路由协议。其基本思想是以循环的方式随机选择簇首节点，将整个网络的能量负 载平均分配到每个节点上，从而降低能耗、延长网络的生存时间。它主要通过随机选择簇 首，平均分担转发通信业务来实现。 2 2 3 基于查询的路由 基于查询的路由主要用于诸如环境监测、战场评估等应用中。汇聚节点发出任务查询 命令，传感器节点向汇聚节点报告采集的数据。在这类应用中，通信流量主要是汇聚节点 和传感器节点之间的命令和数据传输，同时传感器节点要在传输路径上进行数据融合。通 过减小通信流量来节能。 基于查询的路由的代表是定向扩散d d t g ( d i r e c t e dd i f f u s i o n ) 。定向扩散是e s t r i n 等人 为无线传感器网络专门设计的一种路由算法。这是一个目的端发起的路由技术，有请求时 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文第2 章无线传感器技术概述 才建立路由。其主要特点是传感器节点使用特定的属性值来标志，数据的传播路径由节点 同其相邻节点交互决定。 查询节点周期性地广播它的兴趣( i n t e r e s t ) 消息给所有的邻居，而这些邻居节点可能再发 送它接收到的兴趣给它的邻居。这样，这个兴趣最后传遍整个网络，最终符合这个兴趣要 求的数据再被发回到这个节点。为了得到质量更好的事件，查询节点会加强一个特定的邻 居。这样可能导致不只一个路径被加强，通过周期性的加强选定的路径来保留更好的路役， 而对于其它的路径则通过超时所有网络中的高数据率梯度来消极加强。 2 2 4 地理位置路由 地理位置路由假设节点知道自身的地理位置信息，以及目的节点或目的区域的地理位 置，利用这些地理位置信息作为路由选择的依据，节点按照一定的策略转发数据到目的节 点。这样利用节点的位置信息，就能够将信息发布到指定区域，有效减小了数据传输的开 销。 典型的地理位置路由协议是g e a r l l o ( g e o g r a p h i c a la n de n e r g y a w a r er o u t i n g ) 。它根据 事件区域的地理位置信息，建立汇聚节点到事件区域的优化路径，由于只用考虑向某个特 定区域发送兴趣消息。从而能够避免洪泛传播，减小路由建立的开销。 2 2 5 能量感知路由 高效利用网络能量是无线传感器网络路由协议的最重要特征。能量感知路由协议从数 据传输中的能量消耗出发，讨论最优能量消耗路径以及最长网络生存期等问题，其最终目 的是实现能量的高效利用。 c e d t l l 】( c o n s t r a i n e de q u i v a l e n td e l a y ) 是一种能量敏感时延受限的路由。该协议在建 立端到端时延受限的路由的过程中具有三个主要特征：第一，选路中同时考虑了时延需求 和能量敏感的因素；第二，在前向节点选择中引入了“有效传输( e f f e c t i v et r a n s m i s s i o n ，e t ) ” 的概念，既要确保每一个传输节点与目标节点的距离比起其前驱节点与目标节点的距离更 短，同时又要确保该传输节点与源节点的距离比其前驱节点与源节点的距离更长，第三， 端到端的时延需求被分成点到点的c e d 之和，从而极大简化了选路过程。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第2 幸尢线传感器 土术 l 【述 2 2 6 基于q o s 的路由 该种路由协议主要用于对通信服务质量要求比较高的场合，如高可靠性和实时性等； 而由于网络链路的稳定性难以保证，通信信道质量比较低，拓扑变化比较频繁，要实现一 定的服务质量，必须设计基于q o s 的路由协议。 s p e e d 【l2 】协议就是这么一种基于q o s 的路由协议，它在一定程度上实现了端到端的传 输速率保证、网络拥塞控制及负载平衡机制。其思想是，首先利用相邻节点之间交换传输 延迟，以得到网络的负载情况；然后利用局部地理信息和传输速率信息选择下一跳节点： 同时通过邻居反馈机制保证网络畅通，并通过反向压力路由变更机制避丌延迟太大的链路 和“洞 现象。 2 3 安全技术 无线传感器网络作为一种无人执守的网络，如果没有安全措施，那么当网络被攻击时， 不管是哪一层面的攻击都将导致整个网络的瘫痪，最终无法正常工作。对于无线传感器网 络，安全问题将会越来越突显。 目前物理层的主要攻击有拥塞攻击，主要防御手段主要是宽频跳频通信；链路层主要 攻击有碰撞攻击、耗尽攻击和非公平竞争攻击，主要防御手段是纠错编码、设置竞争门限 和使用短帧策略及非优先级策略；网络层主要攻击有丢弃和贪婪破坏、汇聚节点攻击、方 向误导攻击和黑洞攻击，主要的防御手段是使用冗余路径及控测机制、使用加密及逐跳认 证机制、出口过滤、认证及监视；传输层主要的攻击有洪泛攻击、失步攻击，主要的防御 手段是客户端迷题、认证。 针对目前传感器网络中存在的一些安全隐患，a d r i a np e r r i g 等人提出了一种用于传感 器网络的安全协议s p i n s 。s p i n s 描述了一整套构建在资源限制环境和无线通信条件下优 化的安全模块。s p i n 有两个安全构建模块，即s n e p ( s e c u r en e t w o r ke n c r y t i o np r o t o c 0 1 ) 和u t e s t l a ( m i c r ot i m e de m c i e n ts t r e a m i n gl o s s t o l e r a t a n ta u t h e n t i c a t i o n ) 。s n e p 用以实 现通信的机密性、完整性、完善性、新鲜性和点到点的认证：u t e s t l a 用以实现点到多点 的广播认证。 9 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第2 章无线传感器技术概述 2 4 其它相关技术 2 4 1 定位技术 无线传感器节点通常随机布放在不同的环境中执行各种特定的任务，由于布放的随机 性，节点通常不知道自己的位置，因此传感器节点必须根据已有的少数节点的地理位置， 按照某种机制获得自己的位置信息。目前比较好的方法是把网络当作一个上层节点不但复 杂而且已经通过某些技术( 如g p s ) 知道自己的分层组织。而这些节点将担当灯塔的作用， 周期性地传播他们的位置信息，不知道自己位置的节点侦听来自灯塔的广播信息，并利用 这楼信息计算自己的位置。 2 4 2 数据融合 对于传感器网络，数据融合技术主要用于处理同一类型传感器数据，如在森林防火中， 需要对多个温度传感器监测到的环境温度数据进行融合。数据融合主要是针对这一类信息 进行网内冗余处理，对数据进行综合，去除冗余信息，在满足应用的前提下，将要传送的 数据在中间转发节点中最小化，以达到节能目的。 1 0 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第3 章h t - m a c 详细殴计 第3 章h t m a c 详细设计 m a c 协议也称为媒质接入控制协议，它为媒质接入信道，并提供对信道访问的控制。 这里的媒质可以是来自上层的各种各样的协议数据，也可以是协议的负载，完全取决于具 体的应用。在传统的m a c 协议中，它上接逻辑链路层( l l ) ，下接物理层，决定着无线信 道的使用方式，决定着带宽的利用率。在无线传感器网络中，它还必须加入对能量的控制， 以延长节点的工作时间。无线传感器网络是信道共享方式接入，因此w s nm a c 还要协调 多通信节点间的信道分配。在无线传感器网络中，节点少则工作几月，多则几年，因此节 能就显得尤为重要。基于竞争w s nm a c 协议一般都要引入休眠机制，以使节点能够以省 电方式运行，从而延长其工作时间。本章通过对s - m a c 1 4 】的详细剖析，提出了h t - m a c 协议，使其更适合于无线传感器网络。本文第四章实现了h t - m a c 协议，并在第五章对仿 真结果进行一些参数的详细对比。下面将要对现有的m a c 协议进行介绍。 3 1 现有w s nm a c 介绍 目前对无线传感器网络m a c 协议还没有统一的分类方法，但仍可按条件进行分类。如： 采用的是分布式还是集中控制式、采用的是单一信道方式还是多个信道方式、采用固定分 配信道方式还是随机访问方式。现在就采用固定分配信道方式还是随机访问方式来对现有 无线传感器m a c 协议进行分类。基于竞争方式有的：s - m a c 、t - m a c 、d m a c 、w i s e - m a c 、 s i r 等；基于时分复用的有：d e a n a 、t r a m a 等；其它类型的m a c 协议还有：s m a c s e a r 等一些混合的协议。 下面将对本文即将提出的h t - m a c 协议相关的几个协议进行介绍。 3 1 1s m a c s - m a c 是由y e 和h e i d e m a n n ! h 】于2 0 0 3 年提出的。中文文献可参考i 1 5 】。该协议基于 具有竞争机制的i e e e8 0 2 1 1 ，采用r t s ( r e q u e s tt os e n d ) 、c t s ( c l e a rt os e n d ) 握手机制来 消除隐藏终端及暴露终端问题，以及虚拟载波侦听和物理载波侦听的双重侦听机制。同时 为了适合于无线传感器网络该协议提出了自协调和自适应休眠机制，以减少对能量的消耗， 延长节点的工作时间。但是，s - m a c 在减少能量消耗的同时也引入了休眠延迟，而且这种 休眠延迟经过多跳转发后将会严重的阻塞网络的畅通。本文即将提出的协议是基于此协议， 1 1 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第3 章h t - m a c 详 l i 设汁 但在延迟处理与吞吐量方面将优于s - m a c 。3 2 节点将会对s - m a c 做进一步介绍，此处暂 时略过。 3 1 2 t - m a c t - m a c 1 6 】是一种s - m a c 的改进方案，t - m a c 通过自适应侦听机制动态调整节点的侦 听时间，如果处于侦听状态的节点在t a ( t i m ea c t i v e ) 时间段内没有通信需求便进入休眠状 态，t a 的实质就是节点的自适应的空闲侦听时间。 在t - m a c 协议中，如果在一个给定的时间t a 内没有发生下面任何一个激活事件，则 活动结束。 周期定时器溢出； 在无线信道上收到数据； 通过接收信号强度指示r s s i ( r e c e i v e ds i g n a ls t r e n g t hi n d i c a t i o n ) 感知存在无线通信； 通过侦听r t s c t s 分组，确认邻居的数据交换已经结束。 t a 的取值对t - m a c 协议性能至关重要，下面是其取值约束公式： t a c + r 盯 ( 3 1 ) 其中，c 为信道的竞争时间，r 为发适r t s 分组的时间，t 为r t s 分组结束到发出c t s 分组开始的时间。 在每个活动期间的开始，t - m a c 协议按照突发方式发送所有数据。如图3 1 所示： l d 竞争信道 图3 1t - m a c 协议的基本数据交换 但t - m a c 空闲侦听的缩短带来了早睡问题，当某个节点( 或簇) 处于一条数据传输的链 路上，过早的休眠将导致数据传输的延迟，进而造成网络吞吐能力的下降。 1 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第3 章h t m a c 详纫i 设计 3 2s - m a c 原理 s - m a c 是专门针对无线传感器网络而设计的m a c 协议，其首要的目的是节能。它通 过周期性的休眠来获得较低的占空比，减少空闲侦听时间，从而节省能量。其设计来源于 i e e e8 0 2 1 1 。下面将对该协议各部分进行介绍。 3 2 1 休眠调度表的选择与维护 不同于8 0 2 1 l ，s - m a c 采用的是周期休眠和侦听的机制以节省能源的消耗。如图3 2 所示： l + 一 一个时间周期 时间 图3 2s m a c 周期图 一个侦听时间间隔又分为三个部分。接收s y n c 帧、发送r t s 帧和发送c t s 帧。如图 3 3 所示： f o r s y n cf o r r r s f o r c t s l i r 图3 3s m a c 侦听部分图 每个时间间隔进一步分成多个时隙，使得节点在发送之前有足够的时间进行载波监听。 休眠表的选择过程是这样的，当一个新节点加入，该节点至少侦听一个周期t 的时i 日j ， 如果没有监听到其它节点的休眠调度表则随机选择一个休眠调度表。同时，向其它结点广 播s y n c 帧来宣布其休眠调度表。如果在此期间，监听到其它节点的休眠调度表则将之设 为自己的休眠调度表，并在下一周期宣布自己的休眠调度表。如果节点在选择和宣布休眠 调度表时收到不同的休眠调度表，一方面如果节点没有其它邻节点( 即有可能是时刚加入 网络时未收到邻节点的s y n c 帧) ，则追随新收到的休眠调度表；另一方面如果是有多个邻 节点，则会按照这两个时间调度表被唤醒。最后为了避免当两个节点完全追随不同的调度 表时，永远不会发现彼此的情况，s - m a c 采用了周期性邻节点发现机制，即每个节点在同 步周期进行监听。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第3 章h t - m a c 详细致汁 3 2 2 自适应侦听 由于s - m a c 采用了周期休眠机制，节点在通信结束后必须等到侦听阶段的到来才能继 续发送数据。s - m a c 中，为了减少这种通信之间的多跳休眠延迟，引入了自适应侦听技术。 其基本思想是，当节点监听到邻节点进行数据传输时，在传输结束后醒来监听- d , 段时问。 如果该节点是此次数据的下一节点，则进入接收状态。如果该阶段节点没有收到任何消息， 将进入休眠状态，直到下一侦听阶段到来时醒来。 3 2 3 ；0 突避免 s - m a c 采用的是物理载波侦听和虚拟载波侦听的机制来避免冲突。它沿用了8 0 2 1 l 的 n a v 向量，即每个节点都有一个n a v 向量来指明当前信道的状态。如果n a v 大于零则信 道忙，此时信道有信息在传输。如果节点醒来后侦听到此信息则在处理完其它事务后立即 转入休眠状态，当且仅当节点处于监听及n a v 等于零时醒来：若n a v 等于零，则此时信 道空闲，节点若有信息发送则开始竞争信道，s - m a c 采用的是随机的载波侦听技术束避免 冲突。n a v 实际上是一个定时器，当节点要发送数据时，便会向邻节点发送一个n a v 向量， 以指明当前发送数据所需时间，节点收到后休眠指定的时间，当节点再次处于监听状态时 醒来。如图3 4 所示： 卜百而而丽广叫 叫3 图3 4s - m a c 发送时序图 图3 - 4 中c s 表示载波侦听，在一个监听时间里，如果要发送数据则必须先进行载波侦 听，然后随机选择一个侦听时隙，如果空闲才可以发送数据。 3 2 4 隐藏终端和暴露终端问题 ( 1 ) 隐藏终端 隐藏终端【1 7 1 是指在接收节点的覆盖范围内而在发送节点覆盖范围外的节点。 隐藏终端也可以分为隐藏发送终端和隐藏接收终端两种。如图3 5 所示： 1 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第3 章h t - m a c 详细砹汁 。 、一， 节点a 的天线覆盖范围 。二二一：、j i i 。j 节点c 的天线覆盖范围 节量d 的天线覆蔫范嘲 图3 5隐藏终端问题图 图3 5 中有a 、b 、c 和d 等节点。假设只有相邻节点之间才能收到对方的信号，这样 节点b 能收到节点a 和节点c 的信号，但节点a 、节点c 之间不能互收信号。如果在节点 a 向节点b 传送数据的过程中，节点c 也想向节点b 发送，节点c 要先监听信道，由于和 节点a 相距较远而不能听到节点a 的信号，便认为信道空闲而开始发送数据给b ，使节点 b 正在接收的节点a 信息帧受到破坏。此时称节点c 为隐藏发送终端。这种情况称为隐藏 发送终端问题。当节点c 延迟发送时，如果此时节点d 向节点c 发送请求发送数据控制帧， 因为节点c 此时不能发送任何数据，所以节点d 无法收到来自节点c 的消除发送控制帧的 应答，同时节点d 无法判断节点c 不应答的原因，从而浪费了带宽。此时节点c 称为隐藏 接收终端，这种情况称为隐藏接收终端。 ( 2 ) 暴露终端 暴露终端【1 7 1 是指在发送节点覆盖范围之内，而在接收节点覆盖范围之外的节点。 暴露终端也可分暴露发送终端和暴露接收终端两种。如图3 - 6 所示： 、 、 一 | ，一一 、 一 、 、 一 ， ， ， ， 、 、 一 、一一 一 一 ， ， 南京邮电大学硕士研究生学位论文第3 章h t - m a c 详细砹汁 ， | f i | 、 7 i l 。 ， 、 | ，一、 | 节点企一- 卅 、7 一 、一一一，、一一 、7 7 节点a 的天线覆盖范围 节点b 的天线覆盖范围节点d 的天线覆盖范1 7 i | l j | | 图3 6暴露终端问题图 b 向节点a 发送数据时，节点c 只听到了r t s ，知道自己是暴露终端。认为自己可以 向节点d 发送数据，节点c 向节点d 发送r t s 。来自节点d 的c t s 帧将会与节点b 发送 的数据帧在节点c 处发生冲突，因此节点c 将收不到节点d 发来的c t s 帧。同样，由于 节点c 不知道节点d 的当前状态，就重发r t s 。显然，在节点b 与节点a 通信期间，节点 c 无论发送多少次r t s ，它都不可能听到来自节点d 的c t s 。节点c 不但没有向节点d 成 功发送数据帧，反而重发了很多无用的r t s 这就是暴露发送终端问题。如果节点d 要向暴 露终端节点c 发送数据，来自节点d 的r t s 会与节点b 发送的数据帧在节点c 处冲突， 节点c 收不到来自节点d 的r t s 。节点d 收不到节点c 回应的c t s ，于是就超时重发r t s 。 此即暴露接收终端的问题。 ( 3 ) s m a c 的解决方案。 为了避免隐藏终端和暴露终端问题，s - m a c 采用r t s c t s 机制。如图3 7 所示： ooo 书oo 图3 7节点c 向节点d 发送数据休眠图 假设当前节点d 向节点c 发送数据，节点e 能够接收到来自节点d 的r t s 帧和d a t a 帧，此时节点e 再向节点f 发送r t s 帧，那么这个r t s 帧将会对节点d 的接收造成影响， 因此节点e 应进入休眠。同理，