無線傳感��(wǎng)絡作為計�、通信和傳感器三項技�(shù)相結(jié)合的�(chǎn)�,是一種全新的信息獲取和處理技�(shù)。由于近來微型制造的技�(shù)、通訊技�(shù)�電池技�(shù)的改�,促使微小的傳感器可具有感�、無線通訊及處理信息的能力。此類傳感器不但能夠感應及偵測環(huán)境的目標物及改變,并且可處理收集到的數(shù)�(jù),并將處理過后的資料以無線傳輸?shù)姆绞剿偷�?shù)�(jù)收集中心或基地臺。這些微型傳感�通常由傳感部件、數(shù)�(jù)處理部件和通信部件組成,隨機分布的集成有傳感�、數(shù)�(jù)處理單元和通信模塊的微小節(jié)點通過自組織的方式�(gòu)成網(wǎng)絡。借助于節(jié)點中�(nèi)置的形式多樣的傳感器測量所在周邊環(huán)境中的熱、紅外、聲�、雷達和地震波信�,從而探測包括溫度、濕�、噪�、光強度、壓力、土壤成�、移動物體的大小、速度和方向等眾多我們感興趣的物�(zhì)�(xiàn)�。在通信方式�,雖然可以采用有線、無�、紅外和光等多種形式,但一般認為短距離的無線低功率通信技�(shù)最適合傳感器網(wǎng)�使用,一般稱作無線傳感器�(wǎng)��
傳感器網(wǎng)絡系�(tǒng)通常包括傳感器節(jié)�、匯聚節(jié)點和管理節(jié)點�
大量傳感器節(jié)點隨機部署在�(jiān)測區(qū)域內(nèi)部或附近,能夠通過自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡。傳感器節(jié)點監(jiān)測的�(shù)�(jù)沿著其他傳感器節(jié)點逐跳地進行傳輸,在傳輸過程中監(jiān)測數(shù)�(jù)可能被多個節(jié)點處理,�(jīng)過多跳后路由到匯聚節(jié)�,通過互聯(lián)�(wǎng)或衛(wèi)星到達管理節(jié)�。用戶通過管理節(jié)點對傳感器網(wǎng)絡進行配置和管�,發(fā)布監(jiān)測任務以及收集監(jiān)測數(shù)�(jù)�
傳感器節(jié)�
通常是一個微型的嵌入式系�(tǒng),它的處理能�、存儲能力和通信能力相對較弱,通過攜帶能量有限的電池供��
從網(wǎng)絡功能上�,每個傳感器節(jié)點兼顧傳�(tǒng)�(wǎng)絡節(jié)點的終端和路由器雙重功能,除了進行本地信息收集和數(shù)�(jù)處理�,還要對其他節(jié)點轉(zhuǎn)�(fā)來的�(shù)�(jù)進行存儲、管理和融合等處�,同時與其他節(jié)點協(xié)作完成一些特定任務�
匯聚節(jié)�
匯聚節(jié)點的處理能力、存儲能力和通信能力相對比較強,它連接傳感器網(wǎng)絡與Internet 等外部網(wǎng)�,實�(xiàn)兩種�(xié)議棧之間的通信�(xié)議轉(zhuǎn)換,同時�(fā)布管理節(jié)點的�(jiān)測任�,并把收集的�(shù)�(jù)�(zhuǎn)�(fā)到外部網(wǎng)絡上�
匯聚節(jié)點既可以是一個具有增強功能的傳感器節(jié)點,有足夠的能量供給和更多的�(nèi)存與計算資源,也可以是沒有監(jiān)測功能僅帶有無線通信接口的特殊網(wǎng)關設��
自動配置的無線傳感器�(wǎng)絡在民用和軍用方面具有極高的價�,可以在大范圍內(nèi)用于收集、處理和�(fā)布復雜的�(huán)境數(shù)�(jù)。無線傳感器�(wǎng)絡中的節(jié)點一般采用電池供電,可以使用的電量非常有�,而且對于有成千上萬節(jié)點的無線傳感器網(wǎng)絡來�,對電池的更換是非常困難的甚至是不可能的。但是無線傳感器�(wǎng)絡的生存時間卻要求長達數(shù)月甚至數(shù)�,因此,如何在不影響功能的前提下,盡可能節(jié)約無線傳感器�(wǎng)絡的電池能量成為無線傳感器網(wǎng)絡軟硬件設計中的核心問題,也是當前國�(nèi)外研究機�(gòu)關注的焦��
節(jié)點組成及能耗分�
�(guī)范的無線傳感器節(jié)點結(jié)�(gòu)如圖1所�。節(jié)點由四部分組成:�1)由微處理器或微控制器構(gòu)成的計算子系�(tǒng);(2)用于無線通信的短距離無線收發(fā)電路,即通信子系�(tǒng);(3)將節(jié)點與物理世界�(lián)系起�,由一組傳感器和激勵裝置構(gòu)成的傳感子系�(tǒng);(4)能量供應子系統(tǒng),包括電池和AC-DC�(zhuǎn)換器�
�1 無線傳感器節(jié)點結(jié)�(gòu)
1) 計算子系�(tǒng)
微處理器(MicroController Unit, MCU)負責控制傳感器、執(zhí)行通信�(xié)議和處理傳感�(shù)�(jù)的算�。MCU的選擇會對節(jié)點的電池消耗帶來很大的影響,比�,Intel的StrongARM常用于高端領域,在執(zhí)行指令時功耗達�400mW,而ATmega103L AVR的功耗就只有16.5 mW,不過提供的性能也要弱的�。出于電源管理的目的,MCU通常有活�、空閑和睡眠等多種操作模式,每種模式有不同的電源消�。比�,StrongARM在空閑模式功耗為50 mW,而在睡眠模式時只�0.16 mW。在不同操作模式之間切換也有電源和延遲開�,因�,不同的操作模式、模式之間的切換和MCU在每種模式的時長對整個節(jié)點的能量消耗有很大的影��
2)通信子系�(tǒng)
影響無線收發(fā)電路功耗的因素很多,包括節(jié)點采用的�(diào)制模�、數(shù)�(jù)�、發(fā)射功率和操作周期等。通常,無線收�(fā)電路可以工作在四種狀�(tài),即�(fā)�、接�、空閑和睡眠狀�(tài)。空閑狀�(tài)也具有很高的功�,幾乎與接收模式不相上下,所以在無線收發(fā)電路處于空閑狀�(tài)�,應該盡可能將其關閉(即置于睡眠狀�(tài))�
3)傳感子系�(tǒng)
包括一組傳感和激勵裝�,將周圍�(huán)境的物理�(xiàn)象轉(zhuǎn)換成電信號,根據(jù)輸出可以分為模擬和數(shù)字兩類。在無線傳感器中,能量消耗來自多個部�,包�(1)信號采樣以及物理信號到電信號的轉(zhuǎn)換(2)信號調(diào)制(3)信號的�-�(shù)�(zhuǎn)��
4) 無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點能耗分�
�(xiàn)在分析無線傳感器節(jié)點的能�。表1是Rockwell的WINS項目中無線傳感器節(jié)點的能耗數(shù)�(jù),表2是MEDUSA-II項目中節(jié)點的能耗數(shù)�(jù),從中可以看出:
采用低功耗模�、在性能與耗電量之間進行折中對系�(tǒng)整體功耗影響巨��
節(jié)點的能耗在很大程度上取決于各個組成部分的工作狀�(tài)�
由于傳輸距離很短,接收時的能耗可能比�(fā)送時還大�
無線收發(fā)電路在空閑狀�(tài)和接收狀�(tài)時的耗電量相差無��
�1 WINS項目中無線傳感器節(jié)點的能耗數(shù)�(jù)
�2 MEDUSA-II項目中無線傳感器節(jié)點的能耗數(shù)�(jù)
單個節(jié)點的節(jié)能優(yōu)�
在分析了無線傳感器節(jié)點的組成和能耗特點之后,讓我們看看在單個節(jié)點上可以采取哪些措施來節(jié)約能��
1) 節(jié)能計�
除了在節(jié)點設計中采用低功耗硬件之�,通過動態(tài)電源管理(Dynamic Power Management, DPM)等技�(shù)使系�(tǒng)各個部分都運行在節(jié)能模式下也可以節(jié)約大量的能量。最常用的電源管理策略是關閉空閑模塊,在這種狀�(tài)下,無線傳感器節(jié)點或其一部分將被關閉或者處于低功耗狀�(tài),直到有感興趣的事件�(fā)�。DPM技�(shù)的核心問題是狀�(tài)�(diào)度策�,因為不同的狀�(tài)有不同的功耗特�,而且狀�(tài)切換也有能量和時間開��
在活躍狀�(tài)�,則可以采取動態(tài)電壓�(diào)�(Dynamic Voltage Scaling, DVS)技�(shù)來節(jié)約能�。在大多�(shù)無線傳感器節(jié)點上,計算負載是隨時間變化的,因此并不需要微處理器所有時刻都保持峰值性能。DVS技�(shù)就是利用了這一�,動�(tài)改變微處理器的工作電壓和頻率使其剛好滿足當時的運行需�,從而在性能和能耗之間取得平��
2) 節(jié)能軟�
如果操作系統(tǒng)、應用層和網(wǎng)絡協(xié)議等系統(tǒng)軟件針對能耗進行了專門的優(yōu)化,那么無線傳感器網(wǎng)絡的生存時間也能得到有效的延��
在操作系�(tǒng)中進行動態(tài)電源管理和動�(tài)電壓�(diào)整是最合適的,因為操作系統(tǒng)可以獲取所有應用程序的性能需求并能直接控制底層硬件資�,從而在性能和能耗控制之間進行必要的折衷。操作系�(tǒng)的核心是任務�(diào)度器,負責調(diào)度給定的任務集合使其滿足各自的時間和性能需�,通過在任務調(diào)度中考慮節(jié)能問題可,系�(tǒng)生存時間可得到明顯的延長�
鑒于傳輸中不可避免的�(shù)�(jù)丟失,無線傳感器�(wǎng)絡應能根�(jù)當時的網(wǎng)絡環(huán)境提供不同精度的�(shù)�(jù),從而獲得一定的彈性。另一方面,監(jiān)測對象的屬性是隨時間變化的,從而導致網(wǎng)絡中的計算和通信需求也隨之改變。這樣,我們就可以在實時調(diào)度算法中進行某種程度的預�,對能耗進行主動式的管理。另外,應用層可以設計成將主要的計算任務及早�(zhí)�,然后在算法正常�(jié)束前提前中止,這樣就能在對�(shù)�(jù)精度影響不大的情況下節(jié)約能�� {{分頁}}
3) 無線收發(fā)電路能耗管�
雖然嵌入式處理器的電源管理已�(jīng)得到深入研究,但無線收發(fā)系統(tǒng)的節(jié)能設計卻研究得不�。由于無線通信占了整個無線傳感器�(wǎng)絡能耗主要部分,因此對無線收�(fā)系統(tǒng)的能耗管理非常重��
無線收發(fā)系統(tǒng)電源消耗主要來自兩部分,取決于傳輸距離和調(diào)制參�(shù)的射頻部分以及進行頻率合成、濾波等操作的基帶電路部分。無線收�(fā)系統(tǒng)節(jié)能設計很復雜,因為射頻部分和基帶電路部分的電源開銷是相當?shù)?,降低射頻部分的速率反而會導致能耗的增加。另外要考慮的問題是,無線收�(fā)系統(tǒng)的初始化開銷很大,這一切都加大了無線收�(fā)系統(tǒng)節(jié)能設計的難度。關于無線通信方面的能耗優(yōu)化將在下一節(jié)詳細討論�
4) 節(jié)能報文轉(zhuǎn)�(fā)
除了�(fā)送自身感知的�(shù)�(jù)之外,每個無線傳感器節(jié)點又都是路由�,需要為其它節(jié)點轉(zhuǎn)�(fā)報文。在典型的無線傳感器�(wǎng)絡環(huán)境下,無線傳感器節(jié)點接收的大部分報文(大概�65%)需要轉(zhuǎn)�(fā)給其它節(jié)點。通常情況�,無線傳感器節(jié)點將絕大部分�(xié)議處理功能交由MCU�(zhí)�。這樣,不管其最終目的地是哪�,每個接收到的報文都會經(jīng)過相同的處理步驟到達計算子系�(tǒng)并得到處�,導致不必要的能耗開銷。利用智能無線收�(fā)系統(tǒng),需要轉(zhuǎn)�(fā)的報文可以直接在通信子系�(tǒng)標識和轉(zhuǎn)�(fā),甚至在計算子系�(tǒng)處于睡眠狀�(tài)時也能正常工��
3 無線通信的節(jié)能優(yōu)�
與單個節(jié)點能耗管理類�,在節(jié)點間通信過程中考慮節(jié)能措施同樣對提高整個系�(tǒng)的電源使用效率有重要作用,而且,使通信過程對能耗敏感可以將節(jié)能優(yōu)化的范圍從單個節(jié)點擴展到參與通信的多個節(jié)��
1) �(diào)制模�
在無線傳感器節(jié)點間的無線鏈路上使用的射頻技�(shù)對無線通信的能量消耗也有重要影�。調(diào)制模式的選擇決定了無線鏈路在總體能耗與靈敏度、延遲等方面的平��
�(diào)制級別直接影響功率放大器的能�,與DVS類似,根�(jù)實際需求動�(tài)改變�(diào)制級別是節(jié)約能耗的有效手段。由于無線收�(fā)電路的啟動開銷較�,因而每次發(fā)送報文的長度越大越好,這樣可以將啟動開銷平攤到更多的數(shù)�(jù)上,但將�(shù)�(jù)積累到一定長度再�(fā)送對信息交換的延遲有影響,需要在兩者之間進行平衡�
2) 鏈路層優(yōu)�
負責錯誤檢測和糾正的鏈路層影響報文的�(fā)送次�(shù),從而影響系�(tǒng)功�,特別是對于與網(wǎng)關節(jié)點等遠距離通信而言。對給定的誤碼率(Bit Error Rate, BER),錯誤控制機制可以減少發(fā)送報文消耗的能量,但相應的增加了�(fā)送者和接收者的處理能�??偟膩碚f,鏈路層技�(shù)在降低能耗中所起的作用是間接的,好的錯誤控制模式可以降低報文重傳次�(shù),從而節(jié)約收�(fā)兩端的能��
4 整個網(wǎng)絡的節(jié)能優(yōu)�
,讓我們看看從整個網(wǎng)絡的角度,可以采取哪些措施進行能耗優(yōu)化�
1) 流量分發(fā)
對整個無線傳感器�(wǎng)絡而言,需要從全局上考慮如何將流量從�(shù)�(jù)源傳遞到目的地,這里的重要問題是如何在源和目的地之間找到一條節(jié)能的多跳路由。節(jié)能路由是在普通的路由�(xié)議基礎上,考慮相關的能耗因�,引入新的與電源消耗有關的衡量指標,實�(xiàn)能耗的節(jié)�,這方面已�(jīng)有很多研究成��
比如,最簡單的節(jié)能路由協(xié)議是最少能量路�,即尋找一條能耗的路由,通過它傳送數(shù)�(jù)。但這樣未必能延長網(wǎng)絡的生存時間,因為某些處于關鍵位置的節(jié)點可能被過度使用而導致電源過早耗盡。為避免這種情況,最小路由使得節(jié)點的剩余電量盡可能多,即化節(jié)點的最小剩余電�。最小路由更多的考慮了電池的剩余電量,而最少能量路由考慮的是某次通信需要消耗的電量,一個很自然的改進思路是可以將兩種方法�(jié)合起來,定義一個電源開銷函�(shù),綜合考慮兩種策略�
2) 拓撲管理
在典型的無線傳感器網(wǎng)絡部署中,節(jié)點密度都比較高,因為提高節(jié)點密度可以提高結(jié)果的精確�,但如果系統(tǒng)生存時間更重要的話,就可以對�(wǎng)絡拓撲進行管理,利用相對較少的節(jié)點進行跟蹤。這樣,除了減少計算復雜度之外,也降低了通信開銷,因為沒有參與跟蹤的節(jié)點不會發(fā)送數(shù)�(jù)。如果硬件支持可變發(fā)射功率的�,采用低的發(fā)射功率也能夠降低�(wǎng)絡電源開�,同時緩解共享空間信道的競爭,提高網(wǎng)絡容�。拓撲控制有專門的討�,這里就不多說��
3) 計算和通信的折�
除了智能的路由和拓撲管理�(xié)�,縮減數(shù)�(jù)流長度也是有效的節(jié)能手段。在無線傳感器網(wǎng)絡中,由于節(jié)點的高密�,使得同一時間被多個微傳感節(jié)點同時感知并捕獲處理,導致了�(shù)�(jù)采集的冗余�。在選定節(jié)點將一定區(qū)域內(nèi)節(jié)點的�(shù)�(jù)進行匯聚或者融和,然后再將�(jié)果傳送出�,不但可以提高事�/�(shù)�(jù)�(jiān)測的可靠性,也可有效降低通信流量,從而節(jié)約能耗�
5 �(jié)束語
作為極具潛力的一種技�(shù),無線傳感器�(wǎng)絡在未來幾年必將得到廣泛的應用,而由于節(jié)能在無線傳感器網(wǎng)絡設計中所處的核心地位,節(jié)能技�(shù)水平將伴隨著無線傳感器網(wǎng)絡的�(fā)展而不斷提高。未�,節(jié)能技�(shù)的研究將進一步與無線傳感器網(wǎng)絡的特定應用�(lián)系起來,針對不同應用進行專門的優(yōu)�。同�,軟硬件整合設計、跨層網(wǎng)絡協(xié)議設計等一體化節(jié)能設計思路將得到廣泛應��
一、引言
無線傳感器網(wǎng)絡是一種獨立出�(xiàn)的計算機�(wǎng)�,它的基本組成單位是節(jié)�,這些節(jié)點集成了傳感�、微處理器、無線接口和電源四個模�。傳�(tǒng)的計算機�(wǎng)絡技�(shù)中業(yè)已成熟的解決方案可以借鑒到無線傳感器�(wǎng)絡中來。但是基于無線傳感器�(wǎng)絡自身的用途和�(yōu)�,開�(fā)專用的通信�(xié)議和路由算法已經(jīng)成為了當前無線傳感器�(wǎng)絡領域內(nèi)急待研究的課題�
�、無線傳感器�(wǎng)絡的特點
1� 無線傳感器網(wǎng)絡包括了大面積的空間分布
比如在軍事應用方面,可以將無線傳感器�(wǎng)絡部署在�(zhàn)場上跟蹤敵人的軍事行�,智能化的終端可以被大量地裝在宣傳品、子彈或炮彈殼中,在目標地點撒落下去,形成大面積的監(jiān)視網(wǎng)��
2� 能源受限�
�(wǎng)絡中每個節(jié)點的電源是有限的,網(wǎng)絡大多工作在無人區(qū)或者對人體有傷害的惡劣�(huán)境中,更換電源幾乎是不可能的�,這勢必要求網(wǎng)絡功耗要小以延長�(wǎng)絡的壽命,而且要盡可能的節(jié)省電源消��
3� �(wǎng)絡自動配�,自動識別節(jié)�
這包括自動組�(wǎng)、對入網(wǎng)的終端進行身份驗證、防止非法用戶入�。相對于那些布置在預先指定地點的傳感器網(wǎng)絡而言,無線傳感器�(wǎng)絡可以借鑒ad hoc方式來配�,當然前提是要有一套合適的通信�(xié)議保證網(wǎng)絡在無人干預情況下自動運��
4� �(wǎng)絡的自動管理和高度協(xié)作�
在無線傳感器�(wǎng)絡中,數(shù)�(jù)處理由節(jié)點自身完�,這樣做的目的是減少無線鏈路中傳送的�(shù)�(jù)�,只有與其他節(jié)點相關的信息才在鏈路中傳送。以�(shù)�(jù)為中心的特性是無線傳感器網(wǎng)絡的又一個特�,由于節(jié)點不是預先計劃的,而且節(jié)點位置也不是預先確定�,這樣就有一些節(jié)點由于發(fā)生較多錯誤或者不能執(zhí)行指定任務而被中止運行。為了在�(wǎng)絡中�(jiān)視目標對�,配置冗余節(jié)點是必要的,節(jié)點之間可以通信和協(xié)�,共享數(shù)�(jù),這樣可以保證獲得被監(jiān)視對象比較全面的�(shù)�(jù)�
對用戶來�,向所有位于觀測區(qū)�(nèi)的傳感器�(fā)送一個數(shù)�(jù)請求,然后將采集的數(shù)�(jù)送到指定節(jié)點處�,可以用一個多播路由協(xié)議把消息送到相關節(jié)點,這需要一個的地址�,對于用戶而言,不需要知道每個傳感器的具體身份號,所以可以用以數(shù)�(jù)為中心的組網(wǎng)方式�
5、與移動ad hoc�(wǎng)絡的區(qū)�
無線傳感器網(wǎng)絡作為一種分布式傳感器網(wǎng)�,和移動ad hoc�(wǎng)絡有相似點,但又有很多不�。移動ad hoc�(wǎng)絡可以用于沒有無線基礎設施存在或出于費用和安全方面的考慮不方便設置無線基礎設施的場合,而傳感器很多時候被布置在近地環(huán)境中,地波吸收現(xiàn)象不能被忽視,并且高密度布置的傳感器�(wǎng)絡中的多用戶接口也造成了很高的誤比特率。作為移動通信的兩種基本組�(wǎng)模式之一,移動ad hoc�(wǎng)絡中的傳輸模型是典型的多對多�,而傳感器�(wǎng)中的傳輸模型更偏向于分層次模型(多對一傳輸)。一般來�,無線傳感器�(wǎng)絡的節(jié)點比典型的移動終端或手持設備有更多的資源受限要求,但對于計算的要求則是可有可無的,當需要執(zhí)行計算任務時,如果通信成本比計算成本低,計算任務就被送到中心節(jié)點去�(zhí)行�
�、無線傳感器�(wǎng)絡中的關鍵性問�
1� �(wǎng)絡安全協(xié)議問�
傳感器網(wǎng)絡受到的安全威脅和移動ad hoc�(wǎng)絡所受到的安全威脅不�,所以現(xiàn)有的�(wǎng)絡安全機制不適合此領�,需要開�(fā)針對無線傳感器網(wǎng)絡的專門�(xié)��
一種思想是從維護路由安全的角度出�(fā),尋找盡可能安全的路由以保證�(wǎng)絡的安全。文獻[1]指出,如果路由協(xié)議被破壞導致傳送的消息被篡�,那么對于應用層上的�(shù)�(jù)包來說沒有任何的安全性可言。文中介紹了一種方法叫“有安全意識的路由”(SAR�,其思想是找出真實值和節(jié)點之間的關系,然后利用這些真實值去生成安全的路�。該方法解決了兩個問�,即如何保證�(shù)�(jù)在安全路徑中傳送和路由�(xié)議中的信息安全�。文中假設兩個軍官利用按需距離矢量路由(Ad Hoc On Demand Distance Vector Routing,AODV)�(xié)議通過ad hoc�(wǎng)絡來通信,他們的通信基于Bell-La安全模型(PadulaBell-La Padula Confidentiality Model� [2],這種模型�,當節(jié)點的安全等級達不到要求時,其就會自動的從路由選擇中退出以保證整個網(wǎng)絡的路由安全。文獻[3]指出,可以通過多徑路由算法改善系統(tǒng)的穩(wěn)健性(robustness),�(shù)�(jù)包通過路由選擇算法在多徑路徑中向前傳�,在接收端內(nèi)通過前向糾錯技�(shù)得到重建。無線傳感器�(wǎng)絡中傳感器的�(shù)量眾多并且功能有�,移動ad hoc�(wǎng)絡中的路由方案不能直接應用到無線傳感器網(wǎng)絡中,所以該文給出了一種網(wǎng)狀多徑路由�(xié)議。此�(xié)議中應用了選擇性向前傳送數(shù)�(jù)包和端到端的前向糾錯解碼技�(shù),配合適合傳感器�(wǎng)絡的�(wǎng)狀多徑搜索機制,能減少信號開支(signaling overhead�,簡化節(jié)點數(shù)�(jù)�,增大系�(tǒng)的吞吐量,相對數(shù)�(jù)包復制或者有限泛洪法來說,這種方法消耗更少的系統(tǒng)資源(比如信道帶寬和電�)�
另一種思想是把著重點放在安全協(xié)議方�,在此領域也出現(xiàn)了大量的研究成果。在文獻[4]�,作者假定傳感器�(wǎng)絡的任務是為政要人員提供安全保護�,提供一個安全解決方案將為解決這類安全問題帶來一個普適的模型。在具體的技�(shù)實現(xiàn)�,先假定基站總是正常工作�,并且總是安全的,滿足必要的計算速度、存儲器容量,基站功率滿足加密和路由的要�;通信模式是點到點,通過端到端的加密保證了數(shù)�(jù)傳輸?shù)陌踩裕簧漕l層總是正常工�。基于以上前�,典型的安全問題可以總結(jié)為:
�1)信息被非法用戶截獲�
?�?)一個節(jié)點遭破壞�
?�?)識別偽節(jié)��
?�?)如何向已有傳感器網(wǎng)絡添加合法的節(jié)點�
作者提出的方案不采用任何的路由機制。在此方案中,每個節(jié)點和基站分享一個的64位密匙Keyj和一個公共的密匙KeyBS,當節(jié)點和基站距離超出了預定距離時,網(wǎng)絡會在節(jié)點和基站之間選擇一個節(jié)點作為媒介節(jié)點進行接力;發(fā)送端會對�(shù)�(jù)進行加密,接收端接收到數(shù)�(jù)后根�(jù)�(shù)�(jù)中的地址選擇相應的密匙對�(shù)�(jù)進行解密。這種雙加密方式可以防止暴露節(jié)點數(shù)目和地址,也可以防止�(shù)�(jù)被非法截�,即使個別節(jié)點被破譯,也只有它自己的密匙泄漏,整個網(wǎng)絡仍然可以正常工�。文獻[5]中介紹了無線傳感器網(wǎng)絡中的兩種專用安全協(xié)議:SNEP(Sensor Network Encryption Protocol)�?;TESLA。SNEP的功能是提供節(jié)點到接收機之間數(shù)�(jù)的鑒�(quán)、加�、刷新,?;TESLA的功能是對廣播數(shù)�(jù)的鑒�(quán)�
2� 大規(guī)模傳感器�(wǎng)絡中的節(jié)點移動性管�
這個問題實�(zhì)上就是沒有無線基礎設施的無線傳感器網(wǎng)絡中的節(jié)點查詢問�。最簡單的資源查詢方式是全局泛洪法,但是對于資源有限的無線傳感器�(wǎng)絡不適用,因此在設計工作中應該盡量避免使用全局泛洪�。擴展環(huán)搜索法(expanding ring search)用增加生存時間(Time-To-Live� TTL)的方式重復泛洪,這種方式和由此派生出來的方式也不適合無線傳感器網(wǎng)�。在改善泛洪法的效率方面,文獻[6]中提出的方案是通過減少查詢每個節(jié)點時出現(xiàn)的多余消息去減少泛洪法固有的冗余,在沒有出現(xiàn)明顯的冗余情況下,這種方案對提高效率沒有太多貢�。在ad hoc�(wǎng)絡中,查詢節(jié)點是通過基于簇(clusters)和界標(landmarks)的層次表來實現(xiàn)的,這種方式需要在節(jié)點之間設置復雜的�(xié)�(diào)機制,當節(jié)點移動時或者簇頭(cluster-head)或界標失敗時,層次表需要重新配�。而且,通常簇頭會成為一個瓶頸,所以我們通常避免這種分層次的�(xié)�(diào)�,也避免使用簇頭�
GLS[7]中提出的技�(shù)是基于一種所有節(jié)點都已知的網(wǎng)絡網(wǎng)格圖。節(jié)點使用位置服務器保存它們的位置,并用一種基于ID號的算法去更新它們的位置,當節(jié)點尋找指定ID號的節(jié)點位置時,也用這種算法去服務器尋找目標節(jié)點的位置。對于知道網(wǎng)絡的�(wǎng)格圖和它們自己的位置并且知道目標節(jié)點的ID號的節(jié)�,這種方法是一個好方法�
文獻[8]中介紹了一種針對大�(guī)模移動傳感器�(wǎng)絡的查詢方法,這種方法借用了小世界(small worlds)的概念,利用節(jié)點的移動性去提高查詢效率,并引入了關�(lián)(contacts)的概念。其工作原理是首先在相鄰節(jié)點間建立關聯(lián),當它們移動時,再關聯(lián)新的相鄰節(jié)�,這樣提高了查詢的效率。與傳統(tǒng)的路由查詢方式不�,這種設計基本目標不是去優(yōu)化路由或者響應延時,而是去減少通信的系�(tǒng)開銷,這一點在能量受限的環(huán)境中非常重要,特別是對于傳感器數(shù)量眾多的�(wǎng)絡中的一次性查�(通信的生存時間很�)。文中給出的�(xié)議是可升級的(scalable)、自動配置的,非常適應節(jié)點的移動性要求。仿真結(jié)果顯示它比邊緣泛洪法提高效率60-70�,比泛洪法提高效�80-90�,比擴展�(huán)搜索法則有更大的改善�
針對無線傳感器網(wǎng)絡中的分布式定位,文獻[9]比較了三種定位算法:ad hoc、魯棒定�、N跳多向法(N-hop multilateration)。具體選擇哪種算法要取決于某些網(wǎng)絡參�(shù),比如差錯分布和連通性等�
3� �(wǎng)絡的自動配置和自動康復和維持系統(tǒng)能量有效�
無線傳感器網(wǎng)絡被布置在無人值守的環(huán)境中�,更換能源幾乎不可能,為了節(jié)約能�,發(fā)射功率要盡可能小,傳輸距離要�,節(jié)點間通信需要中間節(jié)點作為中�。在地震救災或者是無人飛行器中,網(wǎng)絡的自動配置和自動康復功能顯得異常重�,而大�(guī)模的多跳無線傳感器網(wǎng)絡系�(tǒng)的可測量性(scalability)也是一個關鍵問題。實�(xiàn)可測量性的一種方法是“分而治之(divide and conquer)�,或者說是分層控制(hierarchical�,即用某種簇標準將網(wǎng)絡節(jié)點分成簇組(clusters),在每個簇中選出一個作為簇頭(leader�,它在比較高的層次上代表本簇;同樣的機制也應用到簇頭中,使之形成一個層�,這個層次中,每個級別應用當?shù)乜刂疲╨ocal control)去實現(xiàn)某個全局目標。大多數(shù)無線�(wǎng)絡中的分類思想認為�(wǎng)絡與地理位置無關,分類的標準是簇里的節(jié)點數(shù)量和簇間的邏輯直徑(相對于地理直徑而言)。但�,當簇頭(cluster leader)和簇內(nèi)其它節(jié)點間的鏈路很�,相鄰簇間地理位置交迭很大,且不同的簇間路由消息載荷(routing traffic load)不平衡�,一個非簇頭(non-leader)節(jié)點和它的簇頭節(jié)點之間通過它們之間僅有的長鏈路通信將要消耗更多的能量,并且相鄰簇間的并行通信沖突頻發(fā),簇間能量消耗不平衡,由此帶來的�(jié)果是�(wǎng)絡的壽命和通信�(zhì)量與有效性都大幅減小。因此,為了節(jié)約能量和改善通信�(zhì)量和有效�,在設計簇算法時,簇的地理半徑應該考慮。文獻[10]提出,在傳感器節(jié)點內(nèi)用一種簡單的細胞聚類�(jié)�(gòu)去構(gòu)成路由協(xié)議,這樣可以維持一種可測量的能量有效的系統(tǒng),其關鍵的問題是使這種細胞簇結(jié)�(gòu)具有自動康復�。作者針對大�(guī)模多跳傳感器�(wǎng)絡的自動配置和自動康復提出了一種分布式算法,這種算法可以保證�(wǎng)絡節(jié)點在二維空間里自動配置成細胞簇結(jié)�(gòu),其細胞單元有緊湊的地理半徑,細胞單元之間的交疊也很�。這種�(jié)�(gòu)在各種擾動下是自動康復的,比如節(jié)點加�、離開、死�、移動、被敵方捕獲等。文獻[11]給出了一種針對簇的分布式算法LEACH,它是通過全局上重復簇操作來處理擾動的,但這種算法既不能保證系�(tǒng)中簇的定位也不能保證簇的�(shù)�。文獻[12]給出了另外一種簇算法,它僅考慮了簇的邏輯半�,而不考慮地理半徑,當簇間存在比較大的交迭�,這種方法會降低無線傳�?shù)挠行�?。另�,它的康復不在本地處理,而是依賴于消息在整個系�(tǒng)中的多次循環(huán)。文獻[13]中給
出了一種基于訪問的簇算�,這種算法注重簇的�(wěn)定�,不考慮簇的大小,要求每個節(jié)點都有全球定位系�(tǒng)(GPS)的支持�
4� 系統(tǒng)功耗問�
無線傳感器網(wǎng)絡應用于特殊場合�,電源不可更�,因此功耗問題顯得至關重��
在系�(tǒng)的功耗模型中,我們最關心的是�
?�?� 微控制器的操作模式(休眠模式、操作模��,潛在的減慢時鐘速率等),無線前端的工作模式(休�、空閑、接�、發(fā)射等);
?�?)在每種模式�,每個功能塊的功耗量,及它與哪些參數(shù)有關�
�3)在�(fā)射功率受限的情況�,發(fā)射功率和系統(tǒng)功耗的映射關系�
�4)從一種操作模式轉(zhuǎn)換到另外一種操作模�(假設可以直接�(zhuǎn)�)的轉(zhuǎn)換時間及其功��
?�?)無線調(diào)制解�(diào)器的接收靈敏度和輸出功率�
?�?)附加的品質(zhì)因數(shù)(如�(fā)射前端的溫漂和頻�(wěn)度、接收信號場強指�(RSSI)信號的標準等��
基于以上考慮,文獻[14]提出了一種自組織低功耗網(wǎng)絡的�(xié)議i-Beans,并具體說明了此�(wǎng)絡的功�。比如,用一�220mAh的小紐扣電池供電,網(wǎng)絡的平均消耗電流是100?;A,取樣率是每�1�,則電池可以持續(xù)80天;如果抽樣率是每兩分鐘一�,平均消耗電流降�1.92?;A,則電池壽命可以延長�13.1��
為了克服遠程無線傳感器網(wǎng)絡面臨的電池工作時間短的問題,美國Millennial Net公司已經(jīng)將其i-Bean無線技�(shù)與來自新興公司Ferro Solutions的“能量獲得(energy harvesting)”技�(shù)�(jié)合在一�,雙方最近展示了一個靠感應振蕩能量�(zhuǎn)換器工作的i-Bean無線�(fā)射機。這種�(zhuǎn)換器能由�50mg�100mg力作用下�28Hz�30Hz振蕩�(chǎn)�1.2mV�3.6mV的電�,并允許�30m距離上以115Kb/s速率�(fā)送數(shù)�(jù)(無電池�。該公司還與其他公司合作開發(fā)太陽能電池板來給無線傳感器供��
在能量優(yōu)化研究方�,西安交通大學的黃進宏等在文獻[15]中提出了一種基于能量優(yōu)化的無線傳感�(wǎng)絡自適應組織�(jié)�(gòu)和協(xié)議ALEP。與傳統(tǒng)的無線微傳感器網(wǎng)絡協(xié)議相�,ALEP更加充分地考慮到實際應用。它將一種高效能量控制算法引入組�(wǎng)�(xié)�,提高了�(wǎng)絡的能量利用率,顯著延長了無線網(wǎng)絡的生命周期,增強了�(wǎng)絡的健壯�。通過對ALEP�(xié)議進行OPNET仿真,結(jié)果顯示該�(xié)議與傳統(tǒng)模式的無線微傳感器網(wǎng)絡協(xié)議相比,在傳送相同的�(shù)�(jù)量的條件下有更高效的能量特性和信息傳輸特��
�、結(jié)束語
雖然無線傳感器網(wǎng)絡的應用前景十分美好,但由于當前若干技�(shù)難題,還不能走向廣泛應用。研究者們在將MEMS與其它電子器件集成到單一芯片的過程中遇到了嚴峻的挑戰(zhàn)。文中提到的各種算法還有待于在工程實�(xiàn)中去檢驗它的實用��
1.引言
無線傳感器網(wǎng)絡WSN(WirelessSensorNetwork)是一種自組織�(wǎng)�,通過大量低成�、資源受限的傳感節(jié)點設備協(xié)同工作實�(xiàn)某一特定任務�
它是信息感知和采集技�(shù)的一場革�,是21世紀最重要的技�(shù)之一。它在氣候監(jiān)�,周邊環(huán)境中的溫度、燈�、濕度等情況的探測,大氣污染程度的監(jiān)�,建筑的�(jié)�(gòu)完整性監(jiān)�,家庭環(huán)境的異常情況,機場或體育館的化學、生物威脅的檢測與預報等方面,WSN將會是一個經(jīng)濟的替代方案,有著廣泛的應用前景�
傳感器網(wǎng)絡為在復雜的�(huán)境中部署大規(guī)模的�(wǎng)�,進行實時�(shù)�(jù)采集與處理帶來了希望。但同時WSN通常部署在無人維�、不可控制的�(huán)境中,除了具有一般無線網(wǎng)絡所面臨的信息泄露、信息篡�、重放攻�、拒絕服務等多種威脅�,WSN還面臨傳感節(jié)點容易被攻擊者物理操縱,并獲取存儲在傳感節(jié)點中的所有信�,從而控制部分網(wǎng)絡的威脅。用戶不可能接受并部署一個沒有解決好安全和隱私問題的傳感�(wǎng)�,因此在進行WSN�(xié)議和軟件設計�,必須充分考慮WSN可能面臨的安全問�,并把安全機制集成到系統(tǒng)設計中去。只有這樣,才能促進傳感網(wǎng)絡的廣泛應用,否�,傳感網(wǎng)絡只能部署在有限、受控的�(huán)境中,這和傳感�(wǎng)絡的最終目標——實�(xiàn)普遍性計算并成為人們生活中的一種重要方式是相違背的�
一種好的安全機制設計是建立在對其所面臨的威�、網(wǎng)絡特點等的深刻分析基礎之上的,傳感網(wǎng)絡也不例�,本文將深入分析無線傳感器網(wǎng)絡特點以及其所可能面臨的安全威�,并對其相應的安全對策進行了研究和探討�
2.傳感器網(wǎng)絡特點分�
WSN是一種大�(guī)模的分布式網(wǎng)�,常部署于無人維護、條件惡劣的�(huán)境當�,且大多�(shù)情況下傳感節(jié)點都是一次性使用,從而決定了傳感節(jié)點是價格低廉、資源極度受限的無線通信設備[2],它的特點主要體�(xiàn)在以下幾個方�:�1)能量有�:能量是限制傳感節(jié)點能�、壽命的最主要的約束性條�,現(xiàn)有的傳感節(jié)點都是通過標準的AAA或AA電池進行供電,并且不能重新充�。(2)計算能力有�:傳感節(jié)點CPU一般只具有8bit�4MHz�8MHz的處理能�。(3)存儲能力有�:傳感節(jié)點一般包括三種形式的存儲器即RAM、程序存儲器、工作存儲器。RAM用于存放工作時的臨時�(shù)�(jù),一般不超過2k字節(jié);程序存儲器用于存儲操作系�(tǒng)、應用程序以及安全函�(shù)�,工作存儲器用于存放獲取的傳感信�,這兩種存儲器一般也只有幾十k字節(jié)。(4)通信范圍有限:為了節(jié)約信號傳輸時的能量消�,傳感節(jié)點的RF模塊的傳輸能量一般為10mW�100mW之間,傳�?shù)姆秶簿窒抻?00米到1公里之內(nèi)。(5)防篡改�:傳感節(jié)點是一種價格低�、結(jié)�(gòu)松散、開放的�(wǎng)絡設�,攻擊者一旦獲取傳感節(jié)點就很容易獲得和修改存儲在傳感節(jié)點中的密鑰信息以及程序代碼等�
另外,大多數(shù)傳感器網(wǎng)絡在進行部署�,其�(wǎng)絡拓撲是無法預知的,同時部署�,整個網(wǎng)絡拓撲、傳感節(jié)點在�(wǎng)絡中的角色也是經(jīng)常變化的,因而不像有線網(wǎng)、大部分無線�(wǎng)絡那樣對�(wǎng)絡設備進行完全配置,對傳感節(jié)點進行預配置的范圍是有限的,很多網(wǎng)絡參�(shù)、密鑰等都是傳感節(jié)點在部署后進行�(xié)商后形成的�
根據(jù)以上無線傳感器特點分析可�,無線傳感器�(wǎng)絡易于遭受傳感節(jié)點的物理操縱、傳感信息的竊聽、拒絕服務攻�、私有信息的泄露等多種威脅和攻擊。下面將根據(jù)WSN的特�,對WSN所面臨的潛在安全威脅進行分類描述與對策探討�
3.威脅分析與對�
3.1傳感節(jié)點的物理操縱
未來的傳感器�(wǎng)絡一般有成百上千個傳感節(jié)�,很難對每個節(jié)點進行�(jiān)控和保護,因而每個節(jié)點都是一個潛在的攻擊�,都能被攻擊者進行物理和邏輯攻擊。另�,傳感器通常部署在無人維護的�(huán)境當�,這更加方便了攻擊者捕獲傳感節(jié)�。當捕獲了傳感節(jié)點后,攻擊者就可以通過編程接口(JTAG接口),修改或獲取傳感節(jié)點中的信息或代碼,根�(jù)文獻[3]分析,攻擊者可利用簡單的工具(計算�、UISP自由軟件)在不到一分鐘的時間內(nèi)就可以把EEPROM、Flash和SRAM中的所有信息傳�?shù)接嬎銠C中,通過匯編軟件,可很方便地把獲取的信息�(zhuǎn)換成匯編文件格式,從而分析出傳感節(jié)點所存儲的程序代�、路由協(xié)議及密鑰等機密信息,同時還可以修改程序代�,并加載到傳感節(jié)點中�
很顯然,目前通用的傳感節(jié)點具有很大的安全漏洞,攻擊者通過此漏�,可方便地獲取傳感節(jié)點中的機密信�、修改傳感節(jié)點中的程序代�,如使得傳感節(jié)點具有多個身份ID,從而以多個身份在傳感器網(wǎng)絡中進行通信,另�,攻擊還可以通過獲取存儲在傳感節(jié)點中的密鑰、代碼等信息進行,從而偽造或偽裝成合法節(jié)點加入到傳感�(wǎng)絡中。一旦控制了傳感器網(wǎng)絡中的一部分節(jié)點后,攻擊者就可以�(fā)動很多種攻擊,如�(jiān)聽傳感器�(wǎng)絡中傳輸?shù)男畔ⅲ騻鞲衅骶W(wǎng)絡中�(fā)布假的路由信息或傳送假的傳感信�、進行拒絕服務攻擊等�
對策:由于傳感節(jié)點容易被物理操縱是傳感器�(wǎng)絡不可回避的安全問題,必須通過其它的技�(shù)方案來提高傳感器�(wǎng)絡的安全性能。如在通信前進行節(jié)點與節(jié)點的身份認證;設計新的密鑰�(xié)商方案,使得即使有一小部分節(jié)點被操縱�,攻擊者也不能或很難從獲取的節(jié)點信息推導出其它節(jié)點的密鑰信息�。另�,還可以通過對傳感節(jié)點軟件的合法性進行認證等措施來提高節(jié)點本身的安全性能�
3.2信息竊聽
根據(jù)無線傳播和網(wǎng)絡部署特�,攻擊者很容易通過節(jié)點間的傳輸而獲得敏感或者私有的信息,如:在通過無線傳感器網(wǎng)絡監(jiān)控室�(nèi)溫度和燈光的場景�,部署在室外的無線接收器可以獲取室內(nèi)傳感器發(fā)送過來的溫度和燈光信�;同樣攻擊者通過�(jiān)聽室�(nèi)和室外節(jié)點間信息的傳�,也可以獲知室內(nèi)信息,從而揭露出房屋主人的生活習��
對策:對傳輸信息加密可以解決竊聽問題,但需要一個靈�、強健的密鑰交換和管理方�,密鑰管理方案必須容易部署而且適合傳感節(jié)點資源有限的特點,另�,密鑰管理方案還必須保證當部分節(jié)點被操縱后(這樣,攻擊者就可以獲取存儲在這個節(jié)點中的生成會話密鑰的信息�,不會破壞整個網(wǎng)絡的安全性。由于傳感節(jié)點的�(nèi)存資源有�,使得在傳感器網(wǎng)絡中實現(xiàn)大多�(shù)節(jié)點間端到端安全不切實際。然而在傳感器網(wǎng)絡中可以實現(xiàn)�-跳之間的信息的加�,這樣傳感節(jié)點只要與鄰居節(jié)點共享密鑰就可以了。在這種情況�,即使攻擊者捕獲了一個通信節(jié)點,也只是影響相鄰節(jié)點間的安�。但當攻擊者通過操縱節(jié)點發(fā)送虛假路由消息,就會影響整個網(wǎng)絡的路由拓撲。解決這種問題的辦法是具有魯棒性的路由�(xié)議,另外一種方法是多路徑路�,通過多個路徑傳輸部分信息,并在目的地進行重組�
3.3私有性問�
傳感器網(wǎng)絡是用于收集信息作為主要目的�,攻擊者可以通過竊聽、加入偽造的非法節(jié)點等方式獲取這些敏感信息,如果攻擊者知道怎樣從多路信息中獲取有限信息的相關算�,那么攻擊者就可以通過大量獲取的信息導出有效信�。一般傳感器中的私有性問題,并不是通過傳感器網(wǎng)絡去獲取不大可能收集到的信息,而是攻擊者通過遠程�(jiān)聽WSN,從而獲得大量的信息,并根據(jù)特定算法分析出其中的私有性問�。因此攻擊者并不需要物理接觸傳感節(jié)�,是一種低風險、匿名的獲得私有信息方式。遠程監(jiān)聽還可以使單個攻擊者同時獲取多個節(jié)點的傳輸?shù)男畔�?/FONT>
對策:保證�(wǎng)絡中的傳感信息只有可信實體才可以訪問是保證私有性問題的方法,這可通過�(shù)�(jù)加密和訪問控制來實現(xiàn);另外一種方法是限制�(wǎng)絡所�(fā)送信息的粒度,因為信息越詳細,越有可能泄露私有�,比�,一個簇節(jié)點可以通過對從相鄰節(jié)點接收到的大量信息進行匯集處理,并只傳送處理結(jié)�,從而達到數(shù)�(jù)匿名��
3.4拒絕服務攻擊(DOS�
DOS攻擊主要用于破壞�(wǎng)絡的可用�,減少、降低執(zhí)行網(wǎng)絡或系統(tǒng)�(zhí)行某一期望功能能力的任何事�。如試圖中斷、顛覆或毀壞傳感網(wǎng)�,另外還包括硬件失敗、軟件bug、資源耗盡、環(huán)境條件等[4]。這里我們主要考慮�(xié)議和設計層面的漏�。確定一個錯誤或一系列錯誤是否是有意DOS攻擊造成�,是很困難的,特別是在大�(guī)模的�(wǎng)絡中,因為此時傳感網(wǎng)絡本身就具有比較高的單個節(jié)點失效率�
DOS攻擊可以�(fā)生在物理�,如信道阻塞,這可能包括在�(wǎng)絡中惡意干擾�(wǎng)絡中�(xié)議的傳送或者物理損害傳感節(jié)�。攻擊者還可以�(fā)起快速消耗傳感節(jié)點能量的攻擊,比�,向目標節(jié)點連續(xù)�(fā)送大量無用信息,目標節(jié)點就會消耗能量處理這些信息,并把這些信息傳送給其它節(jié)�。如果攻擊者捕獲了傳感節(jié)�,那么他還可以偽造或偽裝成合法節(jié)點發(fā)起這些DOS攻擊,比如,它可以產(chǎn)生循�(huán)路由,從而耗盡這個循�(huán)中節(jié)點的能量。防御DOS攻擊的方法沒有一個固定的方法,它隨著攻擊者攻擊方法的不同而不�。一些跳頻和擴頻技�(shù)可以用來減輕�(wǎng)絡堵塞問題。恰�?shù)恼J證可以防止在�(wǎng)絡中插入無用信息,然�,這些�(xié)議必須十分有效,否則它也會被用來當作DOS攻擊的手�。比如,使用基于非對稱密碼機制的�(shù)字簽名可以用來進行信息認證,但是創(chuàng)建和驗證簽名是一個計算速度�、能量消耗大的計�,攻擊者可以在�(wǎng)絡中引入大量的這種信息,就會有效地實施DOS攻擊�
4.總結(jié)
安全是一個好的傳感網(wǎng)絡設計中的關鍵問�,沒有足夠的保護機密�、私有�、完整性以及防御DOS和其它攻擊的措施,傳感網(wǎng)絡就不能得到廣泛的應�,它只能在有限的、受控的�(huán)境中得到實施,這會嚴重影響傳感�(wǎng)絡的應用前景。另�,在考慮傳感�(wǎng)絡安全問題和選擇對應安全機制的時候,必須在協(xié)議和軟件的設計階段就根據(jù)�(wǎng)絡特�、應用場合等綜合進行設計,試圖在事后增加系統(tǒng)的安全功能通常被證明為不成功或功能較弱��
維庫電子�,電子知識,一查百��
已收錄詞�153979�