無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)及其安全

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)及其安全

WSN-WirelessSensorNetworks班級(jí)：物聯(lián)網(wǎng)姓名：張海亮1、傳感器網(wǎng)絡(luò)概述

2、國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

3、傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用

4、傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

5、傳感器網(wǎng)絡(luò)安全1.傳感器網(wǎng)絡(luò)概述基礎(chǔ)微電子技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無(wú)線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)解釋1由部署在觀測(cè)環(huán)境附近的大量的微型廉價(jià)低功耗的傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過(guò)無(wú)線通信方式形成一個(gè)多跳的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。解釋2：傳感器網(wǎng)絡(luò)是由一組傳感器以特定方式構(gòu)成的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地理區(qū)域中感知對(duì)象的信息，并發(fā)布給觀察者。傳感器網(wǎng)絡(luò)的三個(gè)基本要素：傳感器，感知對(duì)象，觀察者傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本功能協(xié)作地感知、采集、處理和發(fā)布感知信息第一代傳感器網(wǎng)絡(luò)20世紀(jì)70年代。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸，具有簡(jiǎn)單信息獲取能力。第二代傳感器網(wǎng)絡(luò)獲取多種信息的綜合能力，采用串/并接口與傳感控制器相聯(lián)。第三代傳感器網(wǎng)絡(luò)20世紀(jì)90年代后期。智能傳感器采用現(xiàn)場(chǎng)總線連接傳感控制器構(gòu)成局域網(wǎng)絡(luò)。第四代傳感器網(wǎng)絡(luò)以無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)為標(biāo)志，正處于研究和開(kāi)發(fā)階段。傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)sink-匯聚點(diǎn)sensornode-傳感器節(jié)點(diǎn)sensorfield-監(jiān)測(cè)區(qū)域普通節(jié)點(diǎn)和Sink節(jié)點(diǎn)：完成數(shù)據(jù)采集和多跳中繼傳輸。

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)G：完成無(wú)線和有線信號(hào)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)CERNET2的接入。

監(jiān)控中心CC：完成區(qū)域數(shù)據(jù)的綜合處理。例：以自組織形式構(gòu)成多跳中繼的分級(jí)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)體傳感器節(jié)點(diǎn)功能：采集、處理、控制和通信等網(wǎng)絡(luò)功能：兼顧節(jié)點(diǎn)和路由器資源受限：存儲(chǔ)、計(jì)算、通信、能量Sink節(jié)點(diǎn)功能：連接傳感器網(wǎng)絡(luò)與Internet等外部網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)兩種協(xié)議棧之間的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換，發(fā)布管理節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)任務(wù)，轉(zhuǎn)發(fā)收集到的數(shù)據(jù)。特點(diǎn)：連續(xù)供電、功能強(qiáng)、數(shù)量少等由電源、數(shù)據(jù)獲取單元DAU、數(shù)據(jù)處理單元DPU、數(shù)據(jù)發(fā)送和接收單元DSRU構(gòu)成。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)：地理區(qū)域大；部署密集自組織網(wǎng)絡(luò)：不確定性；拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化資源受限：計(jì)算、存儲(chǔ)、通訊、能量動(dòng)態(tài)拓?fù)洌汗?jié)點(diǎn)故障；通訊故障；移動(dòng)性；節(jié)點(diǎn)加入可靠網(wǎng)絡(luò)：適應(yīng)環(huán)境條件；魯棒性、容錯(cuò)性應(yīng)用相關(guān)：沒(méi)有統(tǒng)一的通信協(xié)議平臺(tái)以數(shù)據(jù)為中心傳感器節(jié)點(diǎn)的限制電源能量有限通信能力有限計(jì)算和存儲(chǔ)能力有限傳感器網(wǎng)絡(luò)概述－與adhoc的不同WSN結(jié)點(diǎn)數(shù)量更為龐大多數(shù)節(jié)點(diǎn)為靜止節(jié)點(diǎn)分布更為密集能量約束結(jié)點(diǎn)更容易出錯(cuò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化頻繁Adhoc幾十至上百個(gè)節(jié)點(diǎn)局域網(wǎng)節(jié)點(diǎn)全移動(dòng)結(jié)構(gòu)變化（移動(dòng)）能量可連續(xù)提供點(diǎn)到點(diǎn)通信2.國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀引起了世界各國(guó)軍事部門(mén)、工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的極大關(guān)注美國(guó)軍方：C4KISR計(jì)劃、SmartSensorWeb、靈巧傳感器網(wǎng)絡(luò)通信、無(wú)人值守地面?zhèn)鞲衅魅骸鞲衅鹘M網(wǎng)系統(tǒng)、網(wǎng)狀傳感器系統(tǒng)CEC等。Intel公司：2002年基于微型傳感器網(wǎng)絡(luò)的新型計(jì)算發(fā)展規(guī)劃。美國(guó)NSF：2003年制定了傳感器網(wǎng)絡(luò)研究計(jì)劃。美國(guó)DustNetworks和CrossbowTechnologies等公司：“智能塵埃、Mote”已進(jìn)入應(yīng)用測(cè)試。英國(guó)、日本、意大利等國(guó)：開(kāi)展該領(lǐng)域的研究工作。我國(guó)也開(kāi)展了這一領(lǐng)域的研究工作：無(wú)線傳感器結(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)、操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)、節(jié)能技術(shù)、覆蓋控制技術(shù)等。例1：智能塵埃SmartDust?光信號(hào)傳輸?很微小，微米級(jí)的包含傳感和通信的平臺(tái)?具有計(jì)算能力，雙向無(wú)線通信能力，自帶電源?成本比較低，適合大規(guī)模生產(chǎn)和部署?有特定的用途與功能：空間探測(cè)遠(yuǎn)距離交通流量探測(cè)建筑物情況監(jiān)控戰(zhàn)場(chǎng)，自然資源監(jiān)視智能塵埃SmartDust智能塵埃SmartDust：大小比較例2：Mote無(wú)線電波傳輸，

元件齊全，選擇性高，

功能較完善3.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用軍事：監(jiān)控?cái)撤讲渴?、裝備、軍火情況戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)視定位戰(zhàn)場(chǎng)損失評(píng)估核、生化武器攻擊監(jiān)測(cè)和偵察環(huán)保：森林防火洪水監(jiān)測(cè)污染監(jiān)控精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)生物種群研究無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用醫(yī)療：無(wú)線監(jiān)測(cè)人體生理數(shù)據(jù)醫(yī)院藥品管理老年人健康狀況監(jiān)控遠(yuǎn)程醫(yī)療空間探索：星球表面大范圍、長(zhǎng)時(shí)期、近距離的監(jiān)測(cè)和探索。選定著陸場(chǎng)地其他應(yīng)用：緊急和臨時(shí)場(chǎng)合應(yīng)急通信：地震、水災(zāi)、強(qiáng)熱帶風(fēng)暴災(zāi)害地區(qū)、邊遠(yuǎn)或偏僻野外地區(qū)交通流量監(jiān)控智能化房屋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)案例1Senera的橋梁安全監(jiān)控系統(tǒng)例2:英國(guó)石化－油輪應(yīng)用監(jiān)測(cè)油輪發(fā)動(dòng)機(jī)及旋轉(zhuǎn)設(shè)備系統(tǒng)能夠運(yùn)行在苛刻的環(huán)境下長(zhǎng)期高效采集有效數(shù)據(jù)免去人工檢查的繁瑣工程減少停工期和維護(hù)次數(shù)減少有線監(jiān)控的高額成本BPHeliosCommendationOctober2005BPInternationalLtd例3:中國(guó)電力－高壓傳輸線應(yīng)用監(jiān)測(cè)大跨距輸電線路實(shí)時(shí)監(jiān)控電線的應(yīng)力、溫度和振動(dòng)節(jié)點(diǎn)固定在高壓輸電線上基站位于高壓輸電塔所有無(wú)線設(shè)備不受惡劣天氣影響電池電量維持節(jié)點(diǎn)連續(xù)工作一年以上4.無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議物理層協(xié)議:

研究傳感器網(wǎng)絡(luò)采用的傳輸媒體、頻段選擇及調(diào)制方式。包括：a)無(wú)線電傳輸

主流傳輸方式，一般采用ISM頻段（433M,915M)

b)紅外線傳輸和光波傳輸

不需調(diào)制，接收器電路簡(jiǎn)單，功耗?。╯martdust項(xiàng)目開(kāi)發(fā)了具有光通信能力的傳感器）數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議

a)拓?fù)渖?/p>

平面結(jié)構(gòu)：所有節(jié)點(diǎn)處于平等地位，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易維護(hù)

具有較好的健壯性

無(wú)管理節(jié)點(diǎn)，自組織協(xié)同算法復(fù)雜

典型算法：ASCENT,SPAN等

層次結(jié)構(gòu)：以簇的形式存在，有簇首和成員節(jié)點(diǎn)

簇首管理或控制節(jié)點(diǎn)集合（簇）

可擴(kuò)展性好，便于管理，但開(kāi)銷(xiāo)大，硬件成本高

典型算法：DNC和RCA：雙信道分組機(jī)制

虛擬簇：需要交互的節(jié)點(diǎn)構(gòu)成虛擬簇

b)信道接入方式固定分配：需要中心調(diào)度，SMACS，EAR隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)：CSMA及其改進(jìn)混合類(lèi)：綜合上面兩類(lèi)，S-MAC網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議主要指路由協(xié)議，分平面和集群兩種

a)平面路由協(xié)議：點(diǎn)地位平等，簡(jiǎn)單易擴(kuò)展，缺乏管理?SPIN，以數(shù)據(jù)為中心的自適應(yīng)路由協(xié)議，通過(guò)協(xié)商機(jī)制解決路由信息爆炸和資源浪費(fèi)問(wèn)題?DD，根據(jù)數(shù)據(jù)內(nèi)容來(lái)優(yōu)化路徑，節(jié)能

b)集群路由協(xié)議：劃分為簇，分簇首和簇成員，簇首負(fù)責(zé)信息的搜集、融合、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，便于管理，維護(hù)開(kāi)銷(xiāo)大

?LEACH，隨機(jī)循環(huán)選擇簇首，將能量負(fù)載平均分配到每個(gè)WSN節(jié)點(diǎn)中

?TEEN,PEGASIS等基于LEACH的成簇方法5.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層組成，面臨安全問(wèn)題及針對(duì)措施主要有：（1）物理層：頻率選擇、載波頻率生成、信號(hào)檢測(cè)、調(diào)制和數(shù)據(jù)加密信號(hào)干擾或阻塞擴(kuò)頻通信竊聽(tīng)攻擊 對(duì)敏感通信信息進(jìn)行加密節(jié)點(diǎn)被俘 對(duì)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包實(shí)行篡改證明（2）數(shù)據(jù)鏈路層，數(shù)據(jù)流的多路復(fù)用、數(shù)據(jù)幀檢測(cè)、介質(zhì)訪問(wèn)和差錯(cuò)控制碰撞 使用糾錯(cuò)碼資源耗盡 控制MAC訪問(wèn)許可，時(shí)分復(fù)用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全（3）網(wǎng)絡(luò)層：提供關(guān)鍵路由服務(wù)仿冒節(jié)點(diǎn)攻擊 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間相互認(rèn)證虛假路由信息 通過(guò)入侵檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)和清除入侵節(jié)點(diǎn)選擇性地轉(zhuǎn)發(fā) 采取協(xié)