（计算机科学与技术专业论文）无线传感器网络多源安全时间同步协议的设计与实现.pdf

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 摘要 无线传感器网络是由数目众多资源有限的微小传感器节点自组织构成的多跳 无线网络。无线传感器网络具有十分广阔的应用前景，如环境监测、医疗护理、 空间探索等。无线传感器网络中，时间同步协议主要负责统一节点之间的时钟， 使得数据能够按照事件发生的逻辑顺序被处理，对传感器网络中保证信息的实时 性与有效性起着至关重要的作用。本文针对大规模无线传感器网络的应用需求， 进行了时间同步协议的设计与实现。 由于无线通信环境干扰、传感器节点资源有限等特定条件的约束，无线传感 器网络时间同步协议的设计必须考虑时间同步精度、鲁棒性、高效性等要求；目 前日益严峻的网络安全形势，使得协议设计时还必须考虑安全性问题。本文对现 有主流的无线传感器网络时间同步协议进行了总结、分类与比较，并对协议评价 参数和性能影响因素进行了简要的介绍。 本文针对现有无线传感器网络单源节点的弊端和鲁棒性、安全性方面存在的 问题，设计了一个高效、安全的时间同步协议无线传感器网络多源安全时间 同步协议，并在自研的传感器节点操作系统m i l s o s 上实现了该协议。本协议旨 在提高网络的鲁棒性和安全性。用多个时间源代替了传统的单个时间源，在某些 时间源失效的情况下，不会对全网时间同步造成太大的影响；从多个时间源中选 择与当前节点距离最短的节点，减少时间同步的累积误差；在协议中加入安全检 查机制，有效应对针对报文的外部攻击和针对节点的内部攻击。对大规模无线传 感器网络的数据采集与融合、定位技术、传感器节点的定时休眠与唤醒提供了很 好的支持。 程序模拟结果显示，多个时间源能够大大提高网络的收敛速度。在自研节点 上的实际测试结果表明，父节点选择策略能够在保证同步精度的情况下选择最为 安全的节点作为父节点；在父节点失效时，其子节点能够重新选择父节点，不会 影响下层节点的同步；在网络遭受攻击时，协议的防护措施能够鉴别重放报文和 恶意节点；有新节点可以动态加入网络，无须重新启动时间同步过程；m a c 层时 间戳等机制能够极大地降低协议的传输延迟。总之，协议能够有效应对网络生命 周期内出现的各种问题，且实测精度表明协议基本达到了设计目标，并能大大加 快网络收敛速度。 主题词：无线传感器网络，时间同步协议，多源，安全性 第i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 a b s t r a c t aw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ( w s n ) i st y p i c a l l yas y s t e mc o n s i s t i n go f r e s o u r c e c o n s t r a i n e dm i c r os e n s o rn o d e st h a ts e l f - o r g a n i z ei n t oam u l t i h o pw i r e l e s s n e t w o r k w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sh a v e w i d ea p p l i c a t i o n ss u c h a se n v i r o n m e n t m o n i t o r i n g ，m e d i c a lc a r e ，s p a c ee x p l o r a t i o n ，酏c i i lw s n s ，t i m es y n c h r o n i z a t i o n p r o t o c o l sa r ew i t hr e s p o n s i b i l i t yf o ru n i f y i n gt h ec l o c k sb e t w e e nn o d e s t h e ym a k et h e d a t at ob ep r o c e s s e da c c o r d i n gt ot h el o g i co r d e rw h i c ht h ee v e n t st a k ep l a c ea n dp l a y a ni m p o r t a n tr o l ei ne n s u r i n gt h er e a l - t i m ea n de f f e c t i v e n e s so ft h ei n f o r m a t i o ni n w s n s t h i sp a p e rd e s i g na n di m p l e m e n t a t i o nan e wt i m es y n c h r o n i z a t i o np r o t o c o l a i m i n gt ot h ea p p l i c a t i o nr e q u i r e m e n t so fl a r g e s c a l ew s n s c o n s t r a i n e db ys e v e r a ll i m i t a t i o n s ，s u c ha sl i m i t e dr e s o u r c e so ns e n s o rn o d e sa n d t h e i n t e r f e r i n gi nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ne n v i r o n m e n t ，d e s i g n 、a ne 伍c i e n t t i m e s y n c h r o n i z a t i o np r o t o c o l sf o rw s n si sn o te a s y ，i ti sn e c e s s a r yt oc o n s i d e rm a n y f a c t o r ss u c ha sp r e c i s i o n ，r o b u s t n e s s ，e f f i c i e n c ya n ds oo n t h ei n c r e a s i n gr i g o r o u s s i t u a t i o no fn e t w o r ks e c u r i t ym a k e su st oc o n s i d e rt h es e c u r i t yo ft h ep r o t o c o lw h e ni ti s d e s i g n e d i nt h i sp a p e r ，w ef i r s ts u r v e yt h em a i nt i m es y n c h r o n i z a t i o np r o t o c o l si n w s n s ，t h e ng i v eab r i e f l yc l a s s i f i c a t i o na n dc o m p a r i s o nt ot h e s ep r o t o c o l s ，a n dw e i n t r o d u c e st h ee v a l u a t i o np a r a m e t e r so fp r o t o c o l sa n di n f l u e n c i n gf a c t o r s i no r d e rt oo v e r c o m et h ed i s a d v a n t a g e sb r o u g h tb ys i n g l e - s o u r c ea n ds o l v et h e p r o b l e m si n v o l v e di nr o b u s t n e s sa n ds e c u r i t y ，w ed e s i g n e dan e wt i m es y n c h r o n i z a t i o n p r o t o c o ln a m e dm u l t i s o u r c ea n ds e c u et i m es y n c h r o n i z a t i o np r o t o c o li nw s n s ， w h i c hw a se f f i c i e n c ya n ds e c u r e i tw a si m p l e m e n t e do nt h es e l f - l a p p i n g e ds e n s o r n o d e so p e r a t i n gs y s t e mn a m e dm i l s o s t h e r e sn om u c hi n f l u e n c eo nt h ew h o l e n e t w o r kt i m es y n c h r o n i z a t i o nw h e ns o m es o u r c e sd o n tw o r kn o r m a l l yb yu s i n g m u l t i - s o u r c er e p l a c e dt r a d i t i o n a ls i n g l es o u r c e t h ec u r r e n tn o d ec h o o s e st h eo n eh a sa m i n i m u md i s t a n c ef r o mi t s e l fa m o n gm a n yt i m es o u c e si no r d e rt or e d u c ea c c u m u l a t e d e r r o r s t h es e c u r i t yc h e c km e c h a n i s mi nt h ep r o t o c o lc a ne f f e c t i v e l ya g a i n s to f e x t e r n a la t t a c k sa i m e da tt h em e s s a g ea n di n t e m a la t t a c k sa i m e da tt h en o d e i tp r o v i d e s ag r e a ts u p p o r tt od a t aa c q u i s i t i o na n di n t e g r a t i o n ，t e c h n o l o g yo fp o s i t i o n i n ga n d r e a l t i m es l e e po rw a k eu po ft h es e n s o rn o d e si nl a r g e s c a l ew i r e l e s ss e n s o rn 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 w e dt h a tm u l t i s o u r c e sc a ng r e a t l ys p e e du pt h ec o n v e r g e n c e t i m eo fn e t w o r k t h ea c t u a lt e s tr e s u l t so nt h es e l f - l a p p i n g e ds e n s o rn o d e si n d i c a t e dt h a t t h em e c h a n i s mw h i c hw a sd e s i g n e dt os e l e c tp a r e n t - n o d ec a l lm a k et h ec u r r e n tn o d et o c h o o s et h em o s ts e c u r en o d ea si t sp a r e n ti nt h ec o n d i t i o no fe n s u r i n gp r e c i s i o n t h e c u r r e n tn o d ec o u l db ea b l et oc h o o s ei t sp a r e n tn o d eo v e ra g a i nw h e nt h eo l do n ew a s f a i l u r e a n di tb r o u g h tn oi n f l u e n c et oo t h e rn o d e s s y n c h r o n i z a t i o n 孵五e nt h e r ew a s a t t a c k sa p p e a r e do nt h en e t w o r k ，t h ep r o t e c t i v em e a s u r e sc o u l dd i s t i n g u i s hr e p l a y 第i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 m e s s a g e sa n dc o m p r o m i s e dn o d e sf r o mn o r m a lo n e s an e wn o d ec o u l dj o i nt h e n e t w o r kd y n a m i c a l l yw i t h o u tr e s t a r t i n gt h ew h o l ep r o c e s so ft i m es y n c h r o n i z a t i o n t h e m e c h a n i s mo ft i m e s t a m pi nm a cl a y e rr e d u c e dt h ed e l a yf o rt r a n s m i s s i o ng r e a t l y i n s h o r t ，t h ep r o t o c o lc o u l dc o p ew i t ht h ec o r r e s p o n d i n gp r o b l e m se f f e c t i v e l yw i t h i nt h e l i f e c y c l eo ft h en e t w o r k t h ep r e c i s i o ns h o w st h a tt h ep r o t o c o lc a nm e e tt h e r e q u i r e m e n t so ft h ep r o j e c t ，a n di ta l s og r e a t l ya c c e l e r a t et h ec o n v e r g e n c es p e e do ft h e n e t w o r k 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 ( w s n ) ，t i m es y n c h r o n i z a t i o n p r o t o c o l ，m u l t i s o u r c e ，s e c u r i t y 第i i i 页 国防科学技术大学研究生院硕七学位论文 表目录 表2 1 时间同步算法性能指标分析表1 6 表5 1 均匀固定分布时最大跳步数与平均跳步数模拟结果对照表4 5 表5 2 均匀随机分布时最大跳步数与平均跳步数模拟结果对照表4 5 表5 3 完全随机分布时最大跳步数与平均跳步数模拟结果对照表4 6 第1 v 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图目录 图2 1 无线传感器网络体系结构5 图2 2 传感器节点体系结构6 图2 3 无线传感器网络协议栈。7 图2 4 传统同步系统和r b s 同步算法的比较【1 0 】。1 1 图2 5 节点间的双向消息交换1 2 图2 6 探测消息的交换过程13 图2 7 探测消息的数据点关系【m 】1 4 图2 8 丢失有用数据点的情况【1 0 1 1 4 图3 1 相同拓扑结构下多源与单源的同步层次比较2 2 图3 2 接收方滑动窗口算法。2 3 图3 3 一次通行码方法示意图2 4 图3 4 时间格式2 7 图3 5 时间广播报文结构2 8 图3 6 时间同步请求报文结构2 8 图3 7 请求应答报文结构2 8 图3 8 时间同步信息表结构= 。2 8 图3 9 时间同步信息表结构2 9 图3 1 0 二维空间节点的分布情况3 4 图4 1 传感器节点3 6 图4 2 基站节点3 6 图4 3 传感器节点结构3 6 图4 4 基站节点结构3 7 图4 5 节点原理图3 7 图4 6m i l s o s 系统构成图3 8 图4 7 自研传感器网络协议栈层次结构3 9 图4 8 协议流程图4 2 图5 1 传感器节点均匀分布拓扑4 5 图5 2 固定随机分布时时间源个数对跳步数的影响4 5 图5 3 均匀随机分布时时间源个数对跳步数的影响4 6 图5 4 完全随机分布时时间源个数对跳步数的影响4 6 图5 5 单源情况下第四周期网络时间同步层次结构4 7 图5 6 单源情况下节点1 和节点5 的精度误差4 8 第v 页 国防科学技术大学研究生院硕七学位论文 图5 7 单源情况下节点1 5 和节点2 0 的精度误差4 8 图5 8 多源情况下第四周期网络时间同步层次结构4 9 图5 9 多源情况下节点1 和节点5 的精度误差4 9 图5 1 0 多源情况下节点1 5 和节点2 0 的精度误差4 9 图5 1 l 节点5 正常情况下网络时间同步层次结构5 1 图5 1 2 节点5 失效情况下网络时间同步层次结构5 l 图5 1 3 节点5 正常情况下节点1 的输出调试信息5 1 图5 1 4 节点5 失效情况下节点1 的输出调试信息。5 2 图5 1 5 无重放攻击时结构图5 2 图5 1 6 出现重放攻击后结构图。5 2 图5 1 7 出现重放攻击时节点1 的输出信息。5 3 图5 1 8 出现内部攻击前节点1 的输出调试信息5 3 图5 1 9 出现内部攻击后节点1 的输出调试信息5 3 第v i 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，论文中不包含其他人已 经发表和撰写过的研究成果，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：歪绫篮盛墨圉鳌垒暹塞全吐闻回生迹这鲍遮让生塞盈 学位论文作者签名：主釜煎日期：d g 年，a 月f 乡日 学位论文版权使用授权书 本人完全了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；可以将学位论文的全部或部分内容编入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。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文作者签名：，至三尚 作者指导教师签名：型 日期：& 8 年心月。易日 日期：。口8 年f2 ，月( 6 日 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景 传感器技术、微机电系统、现代网络和无线通信等技术的进步，推动了具有 现代意义的无线传感器网络的产生和发展。早在上世纪7 0 年代，就出现了将传统 传感器采用点对点传输、连接传感控制器而构成传感器网络雏形，通常把它归之 为第一代传感器网络。随着相关学科的不断发展和进步，传感器网络同时还具有 了获取多种信息信号的综合处理能力，并通过与传感控制器的相联，组成了有信 息综合和处理能力的传感器网络，这是第二代传感器网络。而从上世纪末开始， 现场总线技术开始应用于传感器网络，人们用其组建智能化传感器网络，大量多 功能传感器被运用，并使用无线技术连接，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 s ，简称w s n s ) 逐渐形成。 无线传感器网络能够感知周围环境和彼此之间进行通信，在国防军事、国家 安全、环境监测、交通管理、医疗卫生、制造自动化、物流及资产管理、智能家 居、反恐救灾、灾害预测、智能城市建设等领域显现出良好的应用前景，因此被 认为是2 1 世纪最重要的技术之一，它将会对人类未来的生活方式产生巨大影响。 美国商业周刊和m i t 技术评论在预测未来技术发展的报告中，分别将无线传感器 网络列为2 l 世纪最有影响力的2 l 项技术和改变世界的l o 大技术之一【l j 。传感器 网络、塑料电子学和仿生人体器官又被称为全球未来的三大高科技产业。 现代机电设备变得越来越复杂，使得健康监控、预测和故障诊断的需求越来 越迫切。而状态特征信号的有效测试和传输，是复杂设备监控、诊断和维修管理 中必须解决的重点和难点问题之一。为解决这一问题，大量传感器被安装到设备 上或设备内部，以感知关键部位的温度、振动、压力等物理信息和工作过程参数。 当前，为了对测量的信号进行处理，这些物理参数一般通过多组导线或电缆传输 到中心处理单元，以实现设备状态监测、故障诊断或健康预测等。 但是，使用有线系统会给检测工作带来许多困难，研究人员发现一个可实现 的解决方案就是使用无线传感器网络替代传统的有线设备。无线传感器网络具有 规模大，造价低，网络自组织，可多角度高精度采集冗余信息，动态性可重构和 以数据为中心等特点【l 】。引入无线传感器网络有望解决复杂系统健康监控中特征信 号难以获取的问题，提高监控系统的可用性。然而，无论在国内还是国外，无线 传感器网络都是一个新兴的技术，具有应用特定性。虽然众多科研学者针对该网 络特点做出了大量的研究，但要实现一个可用的、高效的无线传感器网络仍然有 许多工作要细化。不仅要选取合适的硬件设备构建系统的底层平台，更要设计相 第1 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 应的软件保证网络的可靠有效运作。 对于无线传感器网络来说，无论是设计还是应用，时间同步都是非常重要的。 而无线传感网的时间同步涉及物理时间和逻辑时间两个方面【3 】。物理时间用来表示 人类社会的绝对时间，逻辑时间表示事件发生的顺序关系，是一个相对概念。 由于传感器节点的时钟都是不完美的，节点的本地时钟彼此之间会在时间上漂 移，所以观察到的时间或者时间间隔对于网络中的节点来说是彼此不同的。但是， 对于很多网络协议的应用，需要一个共同的时间，使网路中的节点全部或者部分在 瞬时是同步的【4 】。无线传感器网络时间同步算法的设计关系到很多传感器节点功 能正确、高效的实现i l j ： 第一，传感器节点需要彼此并行操作和协作去完成复杂的传感任务。数据融合 是这种并行操作的实例，不同的节点收集的数据集合为一个有意义的结果。例如， 在车辆跟踪系统中，传感器节点记录车辆的位置和时间并传送给网关节点，然后结 合这些信息估计车辆的位置和速度。很明显，如果传感器节点缺乏统一的时间戳( 也 就是说没有同步) ，估计将是不准确的。 第二，许多节能方案是利用时间同步来实现的。例如，传感器可以在适当的时 候休眠( 通过关闭传感器和收发器进入节能模式) ，在需要的时候再唤醒。当应用 这种节能模式的时候，节点应该在同等的时间休眠和唤醒，也就是说当数据到来 时，节点的接收器并没有关闭。这个需要传感器节点间精确的定时。调度算法，例 如t d m a ，能够通过不同的时隙共享信道，进而估计传输阻塞和保存能量。因此， 同步是信道调度的基础。 因此，研究设计高效的无线传感器网络时间同步协议，不仅具有一定的理论 意义，也具有较强的应用价值。 1 2 课题研究内容 为网络中节点提供一个同步局部时钟机制的时间同步算法已经有不少的研 究。其中在i n t e r n e t 中被广泛采用的一种是由m i l l s 提出的网络时间协议( n e t w o r k t i m ep r o t o c o l ，n t p ) 。n t p 客户端通过统计分析并计算数据包来回时间和服务器同 步，协议具有精度高( 服务器通常具有微秒级的精度) 、鲁棒性好、易扩展等优 点。但是，无线传感器网络具有许多不同于传统有线网络的特点，n t p 协议依赖 的条件，如：通信带宽较大、计算存储能力强、能量供应不受限等，在无线传感 器网络中难以满足。 可选用的传感器网络同步方法还包括全球定位系统g p s ，这种方法可以为每 个节点提供一个准确的全局时钟【l j 。但是这种方法具有本身的缺点，也就是要求网 络必须在卫星的可视范围内。这样使得g p s 不适用于室内的无线传感器网络。且 第2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 g p s 设备相对于廉价的传感器节点来说过于昂贵，在每个传感器节点都安装g p s 设备是不现实的。目前，利用获得的g p s 授时信息，作为无线传感网中的时间源， 再采用分布式的时间同步方法进行全网或局部时间同步，是g p s 在传感器网络时 间同步方面的一个应用。 j e l s o n 和k 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和阐 述了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关 注。大学和科研机构纷纷开始对这个领域进行深入研究，提出了多种时间同步算 法，并将其分为三类：r e c e i v e r r e c e i v e r ( 接收者一接收者) 同步、p a i r w i s e ( 成对) 同步、s e n d e r - r e c e i v e r ( 发送者一接收者) 同步，其中r b s 、t p s n 和d m t s 等算法 被认为是这三种机制下的典型时间同步算法1 7 j 。 当前，对无线传感网的时间同步虽然已经有了较为深入的研究，但是，在协 议的能量效率、抗毁性、鲁棒性，尤其是协议的安全性方面还有很大的提升空间。 目前典型的同步算法都是针对单个时间源而设计，一但时间源出现问题，将会导 致全网时间同步的失败；时间同步协议的安全性在已有算法中没有得到很好的体 现，而日益严峻的网络安全形势，要求无线传感网协议的安全性也要得到保证。 本课题针对当前的研究现状，对以下问题开展研究： ( 1 ) 多源条件下，时间同步的高效性问题：毋庸置疑，无线传感器网络在有 多个时间源的条件下比单个时间源时，鲁棒性得到了很大程度的提高。但是如何 从多个时间源中选出最合适的同步父节点，是一个值得探讨的问题。为了保证网 络的收敛速度和时间精度，可能选择离时间源最近的节点作为父节点；为了保证 网络的安全性，可能选择经过分析认为可信度最高的节点。还有，如何调整相邻 却不同时间源的子节点的时间差；某个外部时间源失效后其子节点的归属问题等 等，都需要我们做详细的分析。 ( 2 ) 时间同步协议的安全性问题：有线网络中协议的安全性问题已经得到了 大家的普遍重视，随着无线网络的不断发展，无线网络协议的安全性问题也日益 收到人们的关注。在面对外部攻击和内部攻击的情况下，如何选择可信度高的节 点作为自己的父节点，如何排除恶意或不可靠节点对时间同步的影响，如何防止 报文被篡改、被截获等等，都是值得研究的问题。有些有线网络中的防御技术同 样能够解决无线网络中的问题，而有些则需要我们研究无线网络的特性后，提出 有针对性的解决办法。 1 3 课题研究主要成果 本课题的研究主要取得了以下成果： ( 1 ) 研究了现有无线传感器网络时间同步协议的分类，典型时间同步协议的 第3 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 设计思想、工作机制以及性能等，并针对各种时间同步协议的优缺点进行了对比 分析。 ( 2 ) 分析了针对无线传感器网络协议攻击的类型和方式，研究了内部攻击和 外部攻击的类型和攻击方式，以及针对不同攻击方式，采用的防御办法。 ( 3 ) 在分析了现有协议思想和特性的基础上，针对网络的高效性、安全性和 鲁棒性设计了一套带安全机制的多源时间同步协议。 ( 4 ) 在自研传感器节点上实现了该协议，建立了一个小型的测试环境，对不 同参数下的协议精度、网络收敛性、通信开销等进行了测试，取得了较为满意的 测试结果。 1 4 论文组织结构 第一章介绍课题的研究背景、研究内容以及课题研究主要成果。 第二章介绍无线传感器网络的相关工作。包括无线传感器网络体系结构及特 点、无线传感器网络研究进展、无线传感器网络时间同步协议分类与典型协议分 析、协议性能比较以及协议安全性方面的内容等。 第三章介绍了无线传感器网络时间同步协议设计的难点和挑战，本课题安全 的多源时间同步算协议的设计原理和思路，给出了对算法性能的理论分析。 第四章描述了安全的多源时间同步协议的实现过程。 第五章介绍了实验环境，分析了实际测试的结果。 最后是结束语和致谢。 第4 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第二章相关工作 2 1 无线传感器网络的体系结构 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，还要对其他节点转发来的数据进行存储、管理和融合等处理，同时与其他 节点协作完成一些特定任务。目前传感器节点的软硬件技术是无线传感器网络研 究的重点。 2 1 1 无线传感器网络的体系结构 图2 1 展示了一种无线传感器网络的体系结构【3 1 。如图所示，无线传感器网络 系统通常包括传感器节点、汇聚节点( s i n kn o d e ) 和管理节点。成千上万的传感器 节点被部署在目标区域，节点间协同工作。每个节点都具有执行数据采集、数据 路由以及数据无线发送的功能。当目标事件发生或监控对象出现后，感知节点就 将采集的数据经网内节点中继发往一个外部的s i n k 节点。s i n k 节点是一个固定的 或者可移动的节点，它可以是个普通节点，也可以具有更多的能量，更强大的处 理、存储能力，更繁多的通讯手段以及更长的通信距离。当数据到达s i n k 节点后， s i n k 节点或将数据通过有线网络( 如互连网) 传输给用户，或通过卫星中继发回远 方的地面基站。 图2 1 无线传感器网络体系结构 针对不同的应用，无线传感器网络节点的组成不尽相同，一般都由传感器模 第5 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四部分组成，此外还可以根据任 务需要选择添加定位和移动装置，如图2 2 所示。传感器模块负责监测区域内的信 息采集和数据转换；处理器模块负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理自 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；定位系统的部件用来确定节点的位置信息， 移动装置提供了节点的移动能力，二者均为可选配置。 图2 2 传感器节点体系结构 2 1 2 无线传感器网络的特点 同样以无线方式通信，无线传感器网络与现有无线网络有相似之处，但同时 也存在很大的差别。 无线传感器网络与传统无线网络的区别：无线传感器网络与传统的无线网 络( 如w l a n 和蜂窝移动电话网络) 有着不同的设计目标，后者在高度移 动的环境中通过优化路由和资源管理策略最大化带宽的利用率，同时为用 户提供一定的服务质量保证。而在无线传感器网络中，除了少数节点需要 移动之外，大部分节点都是静止的。通常传感器网络工作在人无法接近的 恶劣甚至危险的远程环境中，能源无法替代，因此设计有效的延长网络的 生命周期成为无线传感器网络的核心问题。 无线传感器网络与无线自组网( a d h o e ) 的区别：无线自组网是一个由几 十到上百个节点组成的、采用无线通信方式的、动态组网的多跳的移动性 对等网络。其目的是通过动态路由和移动管理技术传输具有服务质量要求 的多媒体信息流。通常节点具有持续的能量供给。而无线传感器网络是集 成了监测、控制以及无线通信的网络系统。节点数目更为庞大( 上千甚至 第6 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 上力) ，节点分饰更为密集，由于环境影响和能量限制，节点更容易出现 故障，造成网络拓扑结构的变化。 总而言之，传统无线网络的首要设计目标是提高服务质量和高效的带宽利用， 其次才考虑节约能源；而传感器网络的首要设计目标是能源的高效使用，这也是 传感器网络和传统网络最重要的区别之一。 2 1 3 无线传感器网络通信协议栈 分层的无线传感器网络通信协议栈由物理层、数据链路层、网络层、传输层 和应用层组成，如图2 3 所示。物理层实现信道的选择、无线信号的监测、信号的 发送与接收等功能。数据链路层的主要任务是加强物理层传输原始比特的功能， 使之对网络显现为一条无错链路。该层又可细分为媒体访问控制( m a c ) 子层和 逻辑链路控制子层。其中媒体访问控制层规定了不同的用户如何共享可用的信道 资源。逻辑链路控制子层负责向网络提供统一的服务接口。网络层的主要功能包 括分组路由、网络互联、拥塞控制等。传输层负责数据流的传输控制，提供可靠 的、开销合理的数据传输服务，即如果应用层需要，传输层起到协作维护数据流 的作用。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， 如基于时分复用的m a c 协议，基于地理位置信息的路由协议等，因此图2 3 中用 倒l 型描述这两个功能子层。 厂i 上层应用 i 应用层l 蒜而f 耐 i；时间同步； 定位 i 传输层l ；r i 亨磊网；ii i - 、i u 。- ol l- l lj 网络层i ii 厂田；i 数据链路层i ；i 厂而忑f _ 可； i lli 1 l j i i 一jl j 物理层 l 厂 万匿 图2 3 无线传感器网络协议栈 2 2 无线传感器网络研究进展概述 传感器网络的研究起步于2 0 世纪9 0 年代末期。从2 1 世纪开始，传感器网络 引起了学术界、军界和工业界的极大关注，美国和欧洲相继启动了许多关于无线 第7 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 传感器网络的研究计划。特别是美幽通过国家自然基金委、幽防部等多种渠道投 入巨资支持传感器网络技术的研究。 2 2 1 国外研究进展 传感器网络的挑战性为研究人员提供了广阔的研究空间。虽然美国很早就开 始这方面的研究，但直到近几年，这方面的研究活动才在各大学及研究所蓬勃开 展起来。美国政府也斥巨资支持这方面的研究。例如，美国自然科学基金委员会 2 0 0 3 年制定了传感器网络研究计划，投资3 4 0 0 万美元，支持相关基础理论的研究。 美国国防部在无线传感器网络方面的研究投入更为巨大，美国国防部和各军事部 门较早开始启动传感器网络的研究，在c 4 i s r 的基础上提出了c 4 k i s r 计划，强 调战场情报的获取能力、信息的综合能力和信息的利用能力，把传感器网络作为 一个重要研究领域，设立了一系列军事传感器网络研究项目。特别是在2 0 0 6 年， 美国陆军研究实验室和英国国防部授予i b m 公司一份1 3 5 亿美元的合同，为美英 两国军方之间的通信研发安全的无线技术和传感器网络技术。此外，美国的很多 大学都已开展传感器网络的研究。美国英特尔公司、美国微软公司等信息工业界 巨头也开始了传感器网络方面的工作，设立或启动了相应的行动计划。日本、英 国、意大利、巴西等国家也对传感器网络表现了极大的兴趣，纷纷展开了该领域 的研究工作。有代表性的应用【3 6 】如下： 1 军事领域 美国海军确定的“传感器组网系统 研究项目。传感器组网系统的核心是一 套实时数据库管理系统。利用现有的通信机制对从战术级到战略级的传感器信息 进行管理，管理工作只需一台专用的商用便携机，无需其他专用设备。该系统以 现有带宽进行通信，并可协调来自地面和空中监视传感器以及太空监视设备的信 息。该系统可部署到各级指挥单位。 2 0 0 5 年，美国军方成功测试了由美国c r o s s b o w 产品组建的枪声定位系统。传 感器节点被安置在建筑物周围，能够有效地按照一定的程序组建成网络进行突发 事件( 如枪声、爆炸源等) 的检测，为救护、反恐提供有力手段。 美国科学应用国际公司采用无线传感器网络，构筑了一个电子周边防御系统， 为美国军方提供军事防御和情报信息。在这个系统中，采用多枚微型磁力计传感 器节点来探测某人是否携带枪支，以及是否有车辆驶来；同时，利用声传感器， 该系统还可以监视车辆或者移动人群。 2 民用领域 无线传感器网络在民用领域的应用主要有：2 0 0 2 年伯克利的研究人员在大班 岛上部属的用于监测风暴海燕( s t o r mp e t r e l ) 的传感器网络g d i ( g r e a td u c k 第8 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 i s l a n d ) 系统；由美国国家气象局开发，用于监测气象、水文信息，并进行洪水预 报的a l e r t ；用于人造视网膜的s s i m ( s m a r ts e n s o r sa n di n t e g r a t e dm i c r o s y s t e m s ) 工程。还有夏威夷大学在夏威夷火山国家公园内铺设传感器网络，以监测那些濒 临灭种的植物所在地的微小气候变化；美国俄勒冈洲研究生院在哥伦比亚河设置 了1 3 个站来监测每个站所在区域的流速、盐度、温度及水位；澳洲的c s r l 0i c t 研究中心将节点安置在动物身上对动物的生理状况( 脉搏、血压) 和外界环境进行 检测，研制成完善的草地放牧与动物模型等等。 值得一提的是2 0 0 2 年，英特尔公司率先在俄勒冈建立了世界上第一个无线葡 萄园。传感器节点被分布在葡萄园的每个角落，每隔一分钟检测一次土壤温度、 湿度或该区域有害物的数量，以确保葡萄可以健康生长。研究人员发现，葡萄园 气候的细微变化可极大地影响葡萄酒的质量。通过长年的数据记录以及相关分析， 便能精确的掌握葡萄酒的质地与葡萄生长过程中的日照、温度、湿度的确切关系。 这是一个典型的精准农业、智能耕种的实例。 2 2 2 国内研究进展 我国无线传感器网络及其应用研究几乎与发达国家同步启动。中科院上海微 系统研究所、沈阳自动化所、软件研究所、计算所、电子所、自动化所和合肥智 能技术研究所等科研机构，哈尔滨工业大学、清华大学、北京邮电大学、西北工 业大学，天津大学和国防科技大学等院校在国内较早开展了传感器网络的研究。 中科院沈阳自动化所开展了基于无线传感器网络的高速公路交通监控系统的 研究。利用该项技术来弥补传统设备，如图像监视系统，在能见度低、路面结冰 等情况下，无法对高速路段进行有效监控的问题，也可克服因为关闭高速路而产 生的影响交通、延误商机以及阻碍人们出行等负面因素。另外，对一些天气突变 性强的地区，该项技术能极大地帮助降低汽车追尾等恶性交通事故。 复旦大学、电子科技大学等单位研制了基于无线传感器网络的智能楼宇系统。 其典型结构包括：照明控制、警报门禁、家电控制的p c 机系统。各个部分可相互 通信，最终由p c 机通过互联网将信息发布在网络上，主人可以通过任何互联网终 端检测家庭情况。该系统可对火患、盗窃等安全隐患进行检测报警，并能集中抄 表。 2 0 0 3 年，哈工大欧进萍院士的课题组开发了一种用于海洋平台和其他土木工 程结构健康监测的无线传感器网络。利用多种智能传感器，如光纤光栅传感器、 纤维增强聚合物光纤光栅筋及其应变传感器、压电薄膜传感器、形状记忆合金传 感器、疲劳寿命丝传感器、加速度传感器等进行建筑结构的监测。2 0 0 4 年，欧进 萍院士的课题组又应用无线传感器网络，针对超高层建筑的动态测试开发了一种 第9 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 新型系统，并应用到深圳地王