（计算机科学与技术专业论文）无线传感网密钥管理关键技术研究.pdf

国防科学技术大学研究生院博士学位论文 摘要 作为下一代网络的重要组成部分，无线传感网以其特殊的军事应用价值和广 泛的商业应用前景而引人瞩目，必将在国防军事、公共安全、环境及其它许多领 域中发挥不可估量的作用。随着相关科技的不断成熟，无线传感网成为当前最为 活跃的多学科交叉的新兴研究领域之，涉及多项前沿科学理论和先进技术，具 有巨大的发展潜力和重要的科学研究意义。 较之传统有线网络而言，无线传感网具有一些显著不同的特征。例如，网络 中传感器节点的能源非常有限，其感知能力、计算能力和通信能力均受到约束， 加之多被部署在非受控区域，无线信道的广播特性和自组织的组网特性都使得节 点容易受到攻击。因此无线传感网面临的安全威胁有别于传统网络，其安全性能 的研究具有更高的难度和更大的紧迫性。其中密钥管理作为无线传感网安全技术 的基础，更是成为极富挑战的关键性研究课题。 目前，无线传感网密钥管理的主流研究方向是采用随机预分配模型的密钥管 理机制。迄今已提出的多种方案或协议都各有特色，但也存在一些共性的问题， 比如节点孤立和预分配密钥的浪费、预共享密钥泄漏问题、密钥更新问题受到忽 视或无力解决等，特别是它们大多仅考虑建立邻居节点间的配对密钥，而配对密 钥只能实现节点一对一通信，不支持组播或全网广播通信。 为了解决这些问题，本文提出一种无线传感网密钥管理的流程框架，从传感 器节点部署之前的密钥材料预分配、节点部署之后的密钥创建、运行维护阶段的 密钥更新等三个关键环节入手，针对节点间的对密钥、自组织结构的组密钥以及 全局密钥这三种不同通信模式下的安全密钥管理技术展开深入研究。 首先，本文设计了基于随机预分配的无线传感网对密钥管理及其更新机制 u e g s 。针对因节点被俘而产生的密钥池泄漏问题，u e g s 提出一种新的基于单向 散列密钥链的预共享密钥池架构，既可以在新旧节点建立通信密钥的过程中预防 敌方冒充新节点展开安全攻击；同时还能及时剔除不可靠密钥，预防敌方冒充旧 节点发动d o s 攻击，从而切实保障预共享密钥的前向安全和后向安全。 与目前已有的间接密钥建立完全取决于周围节点是否存在安全路径不同， u e g s 提出的间接密钥创建机制突出了节点的独立自主性，允许通过多跳的密钥求 助扩散机制，使得没有直接共享密钥的相邻节点仍然能够安全有效地建立间接密 钥。分析论证与仿真实验结果都证实，在同样数量的预分配密钥环条件下，u e g s 的节点安全链路建立概率明显高于其它相关方案，在密钥更新、安全性和扩展性 等方面均具有潜在的优势。 其次，自组织成组通信是无线传感网中最为常见的一种通信模式，组通信具 第i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 有安全、高效、低开销等特点，其密钥管理也是无线传感网安全研究亟待解决的 关键问题之一。为此，本文设计了一种基于自组织格环结构的无线传感网组密钥 管理及其更新机制g 2 k m s 。首先提出一种新的自组织结构格环。格环是在无 线传感网节点自组织成环之后的网络基础拓扑结构，也是最适合无线传感网节点 实际地理位置的拓扑结构，是全网自组织连通的最小单位。接着在自组织格环结 构的基础上提出一种基于最小生成树m s t 的自组织格环创建算法以及格环密钥的 创建算法，从而为无线传感网提供了组密钥格环密钥的安全建立以及相应的 维护更新机制。 与经典的簇结构相比，格环结构的无线传感网不仅具有高效、安全的创建机 制，还具备简单、健壮的层次架构。分析结果表明，与基于簇结构的密钥管理方 案相比，本文提出的基于自组织格环结构的g 2 r , m s ，在均衡性、节能、效率和安 全性上都呈现出较好的性能。 我们设计了基于单向密钥散列链的全局密钥管理及其更新机制g k h ，能够实 现无线传感网基站与节点间一对多的高效安全广播通信。提出一种不同于经典全 局密钥管理协议的方案，也就是全局密钥提前发布机制。为预防敌方可能利用被 俘节点泄漏的密钥展开安全攻击即解决后向安全问题，又进一步提出一种基于单 向密钥散列链的全局密钥提前发布机制g k h ，使得敌方即使掌握了算法和已经公 开的全局密钥，仍然不能推算出下一个要公布的全局密钥信息。 针对大规模无线传感网应用中敌方可能通过被俘节点掌握某轮广播数据包， 进而发起d o s 攻击，本文为g k h 增设一种基于m s p 的全局密钥验证机制，使得 敌方必须经过多次散列计算和数值选择才能将其篡改过的每轮广播首个数据包进 行发布，从而为正确可信的广播消息数据包覆盖全网争取到宝贵的扩散时间。通 过转播节点的辅助验证机制可以增加验证次数和校验手段，能够有效地避免敌方 可能发起的伪造广播数据包等攻击行为，帮助实现广播消息的安全认证以及机密 性保护，保障全网可信节点安全、可靠、及时地接收到正确的广播信息。 主题词：无线传感网网络安全密钥管理密钥预分配对密钥组密钥全 局密钥密钥更新 第i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 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 ( w s n ) ，ak e yc o m p o n e n tf o rt h en e x tg e n e r a t i o nn e t w o r k , h a sa t t r a c t e di n t e n s i v ep u b l i ca t t e n t i o na s8 1 1e m p o w e r i n gt e c h n o l o g yi naw i d ev a r i e t y o fm i l i t a r ya n dc o m m e r c i a la p p l i c a t i o n si n c l u d i n gn a t i o n a ld e f e n s e ，p u b l i cs e c u r i t ya n d e n v i r o n m e n t a lt e c h n o l o g y a sw s n r e l a t e dt e c h n o l o g yc o n t i n u e st om a t u r e ，i th a s b e c o m eo n eo ft h em o s ta c t i v ef r o n t i e rf i e l d sr e l a t e dt oi n t e r d i s c i p l i n a r ys t u d i e sa n d a d v a n c e dt e c h n o l o g y ，w i t hs i g n i f i c a n tp o t e n t i a la n di m p o r t a n ts c i e n t i f i cv a l u e w s nh a ss o m ed i s t i n g u i s h e dc h a r a c t e d s t i c sc o m p a r e dt ot r a d i t i o n a lw i r e dn e t w o r k t h ee n e r g ys o u r c eo ft h es e n s o r si n s i d et h ew s n i sv e r yl i m i t e d ，a n dt h e i rc a p a b i l i t i e s i nr e c o g n i z i n g , c o m p u t i n ga n dc o m m u n i c a t i o na r ea l lr e s t r i c t e d f u r t h e r m o r e ，w i r e l e s s s e n s o rn o d e sa r ee a s yt a r g e t sf o re x t e r n a la t t a c kd u et ot h ef a c t st h a tt h e ya r eu s u a l l y s p r e a di n t og e o m e t r i cs p o t so u to fd i r e c tc o n t r o l ，t h e yu s eb r o a d c a s tf o rw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o na n dt h e ya r es e l f - o r g a n i z i n gn e t w o r k s ，e t c s e c u r i t yr i s k so fw s nd i f f e r f r o mt h o s eo ft r a d i t i o n a ln e t w o r k ；t h e r e f o r e ，r e s e a r c ho nw s ns e c u r i t yi sm o r ec o m p l e x a n dp o s e sah i g h e rs e n s eo fu r g e n c y k e y - m a n a g e m e n t , ac o m e r s t o n eo fs e c u r i t ys t u d y o fw s n ，i sac h a l l e n g i n gc o r er e s e a r c ht o p i c c u r r e n t l ya l lt h em a i n s t r e a ms t u d i e su s er a n d o mk e yp r e d i s t r i b u t i o nm e c h a n i s m v a r i o u sp r o p o s a l sa n dp r o t o c o l sh a v ec o m m o np r o b l e m s ，s u c ha si s o l a t i o no fs e n s o r n o d e s ，w a s t ei nk e yp r e d i s t r i b u t i o n ，p r o b l e mo fp r e - s h a r e dk e y sl e a k ，i g n o r a n c eo r i n a b i l i t yi nr e k e y i n g i np a r t i c u l a r , m o s ts t u d i e so n l yc o n s i d e rp a i r - w i s ek e y sb e t w e e n n e i g h b o r i n gn o d e sw h i c ha r eo n l ys e t t i n gu po n e t o 。o n ec o m m u n i c a t i o nb u td on o t s u p p o r tg r o u po rg l o b a lb r o a d c a s t i n g t os o l v et h e s ep r o b l e m s ，t h i sp a p e rp r o v i d e sa l lo r i g i n a lf r a m e w o r kf o r k e y m a n a g e m e n to fw s n w h i c hc o n s i s t so ft h r e es c h e m e so fp a i r - w i s e ，g r o u pa n d g l o b a lk e y m a n a g e m e n tf o rm ec o r r e s p o n d i n gc o m m u n i c a t i o nm o d e l sa n df o c u s e so n k e yp r e d i s t r i b u t i o nb e f o r e s e n s o rn o d e sd i s t r i b u t i o n , k e yc r e a t i o n a f t e rs e n s o rn o d e s d i s t r i b u t i o na n dk e yr e n e w i n gd u r i n gt h em a i n t e n a n c ep e d o d t i l i sw o r kd e s i g n su e g s an e wa p p r o a c hf o rk e ym a n a g e m e n ta n dr e - k e y i n gi n w s nb a s e do nr a n d o mk e yp r e d i s t r i b u t i o n w i mu e g sw ed e v e l o p e dan e ww a yt o c o n s t r u c tk e yp o o lu s i n go n e w a yc r y p t o g r a p h i ch a s h i n gf u n c t i o nf o rk e yl i s t , w h i c hc a l l p r e v e n tn o d ec a p t u r ea t t a c kf r o mf a k i n gs e n s o rn o d e sd u r i n gh a n d s h a k i n gb e t w e e n n e w a n do l ds e n s o rn o d e s i tc a l la l s op r o m p t l yr e m o v eu n t r u s t e dn o d e si nr e - k e y l n gs c h e m e b a s e do ns i m u l t a n e i t yo fs e c u r i t ye v e n t sa n dt i m e s p a n , a n dp r e v e n td o sa t t a c kf r o m f a k eo l dn o d e su s i n gt h ed e s i g no fd i f f e r e n tk e ys e t si nt h ep o o lf o rd i f f e r e n tt i m e s p a n ， t h u sf o r w a r da n db a c k w a r ds e c u r i t yo fp r e - d i s t r i b u t e dk e y sg u a r a n t e e d d i f f e r e n tf r o mt h ec l a s s i c a la p p r o a c hw h e r ec r e a t i o no fi n d i r e c tk e yb e t w e e nn o d e s d e p e n d ss o l e l y0 1 1t h ee x i s t e n c eo fas e c l l r ep a t ha m o n gn e i g h b o n n gn o d e s ，u e g s 第i i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 c r e a t e si n d i r e c tk e y sw i t hm u l t i p l e h o pa s s i s t a n c e ，t h u se n h a n c i n gt h ep r o b a b i l i t yo f c r e a t i n gi n d i r e c tk e y sa n dp e r m i t t i n gn e i g h b o r i n gn o d e sw i t h o u ts h a r e dk e y st ob u i l d i n d i r e c tk e y s b o t ht h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de m p i r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t u e g sh a ss i g n i f i c a n t l yh i g h e rp r o b a b i l i t yi nc r e a t i n gs e c u r ep a t h sa m o n gn o d e st h a n o t h e ra p p r o a c h e s ，f o rt h es a n l ea m o u n to fp r e d i s t r i b u t e dk e y s o u rw o r ka l s os u g g e s t s t h a tu e g sh a sc o m p a r a t i v ea d v a n t a g ei nr e k e y i n g ，s e c u r i t ya n ds c a l a b i l i t y c o m m u n i c a t i o nv i as e l f - o r g a n i z a t i o ni sap r a c t i c a la n dm o s tc o m m o nm o d e lf o r w s n i t ss e c u r i t y ，e f f j e i c i e n c ya n dc o s ta n dc o r r e s p o n d i n gk e ym a n a g e m e n ta r eo n eo f t h ek e yr e s e a r c ht o p i c so nw s n s e c u r i t y i nt h i ss t u d y ，w eh a v ed e v e l o p e dg 2 k m s ，a n o r i g i n a ls c h e m ef o rk e ym a n a g e m e n ta n dr e k e y i n gt ow s n b a s e do nt h es e l f o r g a n i z e d s t r u c t u r e ，g r i d l o o p g r i d l o o pi st h e b a s i ct o p o l o g i c a lu n i to ft h en e t w o r kw h e nt h e n o d e si nw s n o r g a n i z et h e m s e l v e si n t ol o o p s ；i ti st h es m a l l e s tu n i tf o rt h en e t w o r k c o m m u n i c a t i o n ，t h eu n i tt h a tf i t sb e s tt h eg e o g r a p h i cp o s i t i o no fs e n s o rn o d e s b a s e do n 鲥d - l o o p ，w ep r o p o s e dn e wa l g o r i t h m sf o rk e ym a n a g e m e n t ，i e ，f o r m i n g 鲥d - l o o p s v i am i n i m u ms p a n n i n gt r e ea n df o r m i n gg r o u pk e y ，w h i c hp r o v i d e sa no r i g i n a l s c h e m et ot h ew s nf o rc r e a t i n gl o o pk e y sa n dt h e i rm a i n t e n a n c ea n dr e n e w i n g g r i d - l o o ps t r u c t u r eo fw s n i sn o to n l ys e c u r ea n de f f i c i e n ti nc o n s t r u c t i o n ，b u t a l s os i m p l ea n dr o b u s t o u ra n a l y s i ss h o w st h a tg 2 k m sb a s e do ns e l g o r g a n i z e d g r i d l o o p sh a v ec o m p a r a t i v ea d v a n t a g eo v e rt r a d i t i o n a ls c h e m eb a s e do nc l u s t e r s ，i n l o a d b a l a n c e ，e n e r g ys a v i n g ，e f f i c i e n c ya n ds e c u r i t y i nt h ef i n a lp a r t ，t h i ss t u d yp r e s e n t sas c h e m eg k hf o rg l o b a lk e ym a n a g e m e n ta n d r e n e w i n gb a s e do no n e w a yc r y p t o g r a p h i ck e yh a s h i n gs e r i e s ，w h i c hi sc a p a b l eo f f u l f i l l i n go n e - t o m a n yb r o a d c a s tb e t w e e nt h es i n ka n do t h e rn o d e si nw s n as c h e m e o fg l o b a lk e yi n - a d v a n c ea n n o u n c e m e n ti sp r e s e n t e d ，w h i c hd i f f e r sf r o mc l a s s i c a lg l o b a l k e y sm a n a g e m e n tp r o t o c o l ；t h e nas c h e m eo fg l o b a lk e yi n - a d v a n c ea n n o u n c e m e n t b a s e do no n e w a yc r y p t o g r a p h i ch a s h i n gi sp r o p o s e dt op r e v e n ts e c u r i t ya t t a c k sf r o m t h ec a p t u r e dk e y si nc o m p r o m i s e dn o d e s i tg u a r a n t e e st h a t ，e v e nw h e nt h ea l g o r i t h m a n dg l o b a lk e y sa r el e a k e d ，i n f o r m a t i o ni nt h ev e r yn e x tg l o b a lk e yt ob ea n n o u n c e di s s t i l lo u to fi n d u c t i o n ，w h i c ha s s u r e st h eb a c k w a r ds e c u r i t yo fg l o b a lk e y s t h i sp a p e ra l s oa p p e n d sa na u t h e n t i c a t i o na p p r o a c ht og k hf o rg l o b a lk e y sb a s e d o nm s p t h i sm e t h o df o r c e sm u l t i p l eh a s h i n gc a l c u l a t i o na n dn u m e r i c a lc o n s i d e r a t i o n s t of a l s i f yt h ef i r s ti n t e r c e p t e dd a t ap a c k a g ei ne a c hr o u n db r o a d c a s t i n g ，t h u sw i n st i m e i nb r o a d c a s t i n gt r u s t e dm e s s a g ep a c k a g e st oc o v e rt h ew h o l en e t w o r k a u t h e n t i c a t i o n a n dv a l i d a t i o n sa r ea d d e dv i at h ea d d i t i o n a lc h e c k i n gp r o c e s sf o rr e l a yn o d e st o e f f e c t i v e l ya v o i dp o s s i b l ea t t a c k s 谢t l lf a k ed a t ap a c k a g e ，t oh e l pi m p l e m e n ts e c u r i t y c h e c k i n ga n dp r o t e c t i o no ft h eb r o a d c a s t e dm e s s a g e s ，t og u a r a n t e es e c u r e ，r e l i a b l ea n d t i m e l yb r o a d c a s t i n go fm e s s a g e sa m o n ge v e r yt r u s t e dn o d ei nt h ew h o l en e t w o r k 第i v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 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 ，n e t w o r ks e c u r i t y ，k e ym a n a g e m e n t ， k e yp r e d i s t r i b u t i o n ，p a i r - w i s ek e y ，g r o u pk e y ，b r o a d c a s tk e y ，r e k e y i n g 第v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 表目录 表1 1 美国有关大学的无线传感网研究项目和组织7 表2 1 无线传感网密钥管理技术分类1 9 表3 1 节点驻留密钥变化示例表5 0 表3 2 安全链接基本参数表51 表3 3 存储开销对比表5 3 表3 4 通信开销对比表5 3 表3 5e g u e g s 密钥泄漏影响对比5 5 表3 6 仿真参数表5 5 表4 1 通信开销对比( 基于簇结构的密钥管理方案v s 基于格环结构的密钥管理方 案) 8l 表4 2 存储开销对比( 基于簇结构的密钥管理方案v s 基于格环结构的密钥管理方 案) 8 3 表4 3 节点被俘概率对比( 基于簇结构的密钥管理方案v s 基于格环结构的密钥管 理方案) 8 4 表4 4 节点被俘对全网影响对比( 基于簇结构的密钥管理方案v s 基于格环结构的 密钥管理方案) 8 5 表5 1 单向散列链表消息9 6 表5 2g k h i t t e s l a 全局密钥对比1 0 2 表5 3g k h o , t e s l a 数据包格式对比1 0 3 表5 4g k h g , t e s l a 全局密钥& 密文发布时间对比1 0 3 第1 v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图1 1 图1 2 图1 3 图2 1 图 图 图 图 1 2 3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 图5 6 图5 7 图5 8 图目录 一个典型的无线传感网的系统结构和节点构成2 无线传感网密钥管理的流程框架1 1 研究内容之间的关系。1 4 物理连通图和密钥共享图示例1 7 基于预分配密钥配置模型的无线传感网安全引导过程( e g 方案) 3 6 攻击模型4 1 密钥配置单向散列链表4 3 直接链路密钥的创建交互流程4 5 间接密钥创建示例4 8 基于安全事件的密钥更新示例5 0 e g o u e g s 共享密钥概率仿真结果对比图5 6 e g u e g s 被俘节点对通信链路影响概率结果对比图5 6 无线传感网组织拓扑结构6 2 格环结构的无线传感网。6 4 基于格环结构的组密钥异常更新。7 4 基于格环结构的组密钥正常更新。7 5 准簇首节点k 的成簇过程一7 7 图4 1 ( a ) 的簇结构创建过程7 9 图4 1 ( b ) 的格环创建过程7 9 ( n = 1 0 0 ) 成环v s 成簇算法不同集中度下的信息开销对比。8 2 ( n - - 2 0 0 ) 成环v s 成簇算法不同集中度下的信息开销对比8 2 ( n = 3 0 0 ) 成环v s 成簇算法不同集中度下的信息开销对比8 3 无线传感网广播消息发布示意图例一8 8 信任关系变化图。9 l 基站发起的广播通信示例图9 2 全局密钥提前发布范例9 4 基于基值k 和w 2 n 的单向密钥散列链表9 5 b m s p 机制9 9 基于b m s p 的g k i - i 第i 轮广播消息首个数据包接收处理流程。1 0 0 基于b m s p 的g k h 第i 轮广播消息第二个数据包接收处理流程1 0 1 第v 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本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。论文中不包舍其他人已 经发表和撰霉过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术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谢意。 学位论文题目：无线传感网密钥管理关键技术研究 学位论文作者签：_ 二二董三垂三至二= _ 五i _ 乏厂；i 学位论文版权使用授权书 本人完全7 解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权国 防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允 许论文被查阅和借阅：可以捋学位论文的全部或部分内容编人有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文o ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目：无线传感网密钥管理关键技术研究 学位论文作者签名： 嗜迎之 作者指导教师签名：三幽 日期：哆年妒月卸 日期：哆年驴月z 日 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 第一章绪论 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 s ：缩写为w s n ，以下统一简称为 无线传感网) 是由众多的微型传感器节点按照自治组网的方式构成的无线网络。 无线传感网综合了传感器技术、网络技术、微机电技术、嵌入式系统技术和无线 通信技术等，能够协同地实时感知、采集、处理分布区域内的各种环境或监测对 象的信息，并传送到需要这些信息的用户，从而使得人们可以在任何时间、地点 以及任何环境条件下实现对物理世界的动态智能协同感知。有人预计，无线传感 网领域将成为继计算机、互联网与移动通信网之后信息产业新一轮竞争中的制高 点。其发展必将改变人们的生活方式，改变战争的样式，将在国防军事、公共安 全、环境、家居及其它许多领域中发挥不可估量的作用n 吲。 因此，无线传感网被认为是2 1 世纪改变世界的最具影响力的技术之一，也是 当今国内外最为活跃的多学科交叉的新兴研究领域之一，存在着巨大的发展空间。 它是信息获取的一场革命，同时也在基础理论和工程技术两个层面向科技工作者 提出大量挑战性问题。解决这些问题既有重要的学术意义，又具有显著的应用价 值。 1 1 论文的研究背景 1 1 1 无线传感网的主要特点及应用 1 1 1 1 主要特点 一个典型的无线传感网体系结构如图1 1 所示。它通常包括传感器节点( s e n s o r n o d e ) 、汇聚节点( s i n kn o d e ) 也称数据中心( d a t ac e n t e r ) 或基站( b a s es t a t i o n ) 、 任务管理节点( u s e r ) 以及用以连通无线传感网与外部世界的因特网( i n t e m e t ) 。 其中，无线传感网节点的基本组成包括传感单元、处理单元、通信单元和电源， 还可以包括一些备选功能单元如定位系统、移动系统以及电源自供电系统等。 实际应用时，众多的传感器节点被随机或确定地布撒在监测区域内，通过多 跳路由的方式将感知数据传送到汇聚节点，汇聚节点与用户节点之间通过广域网 ( 如i n t e r n e t 网络或者卫星网络等) 或直接进行通信，从而实现用户对感知数据的 获取、对无线传感网的管理和控制砸1 。 传感器节点的内在特性决定了无线传感网具有下述特点口 8 1 ： 电源能量非常有限 传感器节点受环境限制和体积、成本的考虑，通常携带能量十分有限且不可 更换的电池。所以，传感器节点的能耗对无线传感网的生存时间和性能具有重大 第1 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 影响，是核心优化目标之一。而网内的通信与传感、计算等相比较又是最主要的 能耗方面。 图1 1一个典型的无线传感网的系统结构和节点构成 多种工作状态 无线通信模块存在发送、接收、空闲和睡眠四种状态。但它在空闲状态一直 监听无线信道的使用情况以检查是否有数据发送给自己，而在睡眠状态则关闭通 信模块。因此节点在睡眠状态的能量消耗最少。 通信能力有限 无线通信的能量消耗与通信距离成指数关系，即其随通信距离的增加而急剧 增加，因此在满足通信连通度的前提下应尽量减少单跳通信距离。一般而言，传 感器节点的无线通信半径在1 0 0 m 以内比较合适。 计算和存储能力有限 传感器节点是一种微型嵌入式设备，要求它价格低、功耗小，这些限制必然 导致其携带的处理器能力比较弱、存储器容量比较小。如加州大学伯克利分校研 发的s m a r td u s tm o t e 仅有5 1 2 k b 的数据存储器、9 m h z 的c p u 时钟频率，数据传 输速率约为1 0 0 k b p s 。 从网络层面看，无线传感网还具有如下特剧9 ，1 0 j ： 网络规模迥异 由于应用领域异常广泛，大到原始森林、宇宙空间等宏观区域，d , n 个体微 观的生物环境，组网的成员节点数目迥异。一般而言，布放的节点往往要多于实 第2 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 际需求，其一是为了获取精确信息；其二是通过分布式处理大量的采集信息能够 提高监测的精确度，以降低对单个节点传感器的精度要求；其三则是大量冗余节 点的存在，使得系统具有很强的容错性能。 自治组网特征 无线传感网是物与物的互联，物是非智能的，因此要求自治组网，能在任何 时刻、任何地点、不需要任何现有基础网络设施支持的条件下，快速构建起一个 移动通信网络，其运行、维护、管理等完全在网络内部实现。但是还需要一些基 站或网关节点建立起无线传感网与外界的联系。 分布式自治组网的生成过程是：首先，传感器节点被随机撒放；第二步，撒 放后的传感器节点进入自检启动的唤醒状态，且会发出信号侦测周围传感器节点 并记录；第三步，这些传感器节点会根据侦测到的周围传感器节点情况，采用一 定的组网算法，形成按一定规律结合成的网络；第四步，组成网络的传感器节点 根据一定的路由算法选择合适的路径进行数据通信。 以数据为中心的网络 无线传感网是任务型网络。用户需要查询感兴趣的事件时，直接将所关心的 事件通告给网络而不是某个节点；网络在获得相应的信息后汇报给用户，不必让 每个节点都将细节信息反馈回来。 多跳、对等的通信方式 由于大量传感器节点是密集布设的，传感器节点间的距离很短。因此，多跳 ( m u l t i h o p ) 、对等( p e e rt op e e r ) 通信方式比传统的单跳、主从通信方式更适合 在无线传感网中使用。由于每跳的距离较短，无线发收器可以在较低的能量级别 上工作。另外，多跳通信方式可以有效地避免在长距离无线信号传播过程中遇到 的信号衰减和干扰等各种问题。 1 1 1 2 主要应用 军事应用n 1 。1 铂 无线传感网的传感器节点价格低廉、体积微小，可自组织网络，高容错，抗 毁性、隐蔽性强，因此非常适合军事上的应用。 其典型实例有 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 a i s s a n c ea n dt a r g e t i n g ) ：无线传感网已经成为军事c 4 i s r t 系 统中不可或缺的重要组成部分。该系统的目标是综合利用各种高科技，为现代化 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先 进的战场指挥系统。 灵巧传感器网络( s s w ：s m a r ts e n s o rw e b ) ：美国陆军针对网络中心战的需 第3 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 求而开发。利用在战场上布设的大量传感器收集信息，向相关作战人员提供实时 或近实时的战场信息形成战场全景图，以提高参战人员对战场态势的感知能力。 智能微尘( s m a r td u s t ) ：近几年来，集成有传感器、计算电路、双向无线通 信模块和供电模块的微尘器件的体积已经缩小到沙粒般大小。未来的智能微尘甚 至可以悬浮在空中几个小时，搜集、处理、发射信息，它能够仅依靠微型电池工 作多年。可以把大量智能微尘装在宣传品、子弹或炮弹中，在目标地点撒落下去， 形成严密的监视网络。 目标定位网络嵌入式系统技术( n e t w o r ks y s t e mt e c h n o l o g y ) ：这是美国国防 部高级研究计划局( d a p r a ) 主导的一个项目，其定量目标是建立包括1 0 1 0 0 万个计算节点的可靠、实时、分布式应用网络。2 0 0 3 年己成功验证能够准确定位 敌方狙击手的传感器网络技术，三维空间的定位精度可达1 5 米，定位延迟达到2 秒，甚至能显示出敌方射手采用跪姿和站姿射击的差异。 环境监测与灾难预报n 氐1 7 1 美国国家气象局研制的a l e r t 系统通过监测降雨量、水位、天气等环境条件， 估计发生洪水的可能性。加州大学伯克利分校、i n t e l 实验室和大西洋学院联合在 “大鸭岛 上部署了一个多层次的传感器网络系统，用于监测岛上海燕的生活习 性。传感器网络还可以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。此外，它也可以应用在精细农业中，监测农作 物的害虫、土壤的酸碱度和施肥状况等。 医学研究上的应用n 乳婚1 包括远程监测人体生理数