無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及其安全

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及其安全

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

2、國內(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)、嵌入式計算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)解釋1由部署在觀測環(huán)境附近的大量的微型廉價低功耗的傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成一個多跳的無線網(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)域中感知對象的信息，并發(fā)布給觀察者。傳感器網(wǎng)絡(luò)的三個基本要素：傳感器，感知對象，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。點對點傳輸，具有簡單信息獲取能力。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)以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為標(biāo)志，正處于研究和開發(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sensornode-傳感器節(jié)點sensorfield-監(jiān)測區(qū)域普通節(jié)點和Sink節(jié)點：完成數(shù)據(jù)采集和多跳中繼傳輸。

網(wǎng)關(guān)節(jié)點G：完成無線和有線信號轉(zhuǎn)換，實現(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)成多跳中繼的分級結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)傳感器網(wǎng)絡(luò)的實體傳感器節(jié)點功能：采集、處理、控制和通信等網(wǎng)絡(luò)功能：兼顧節(jié)點和路由器資源受限：存儲、計算、通信、能量Sink節(jié)點功能：連接傳感器網(wǎng)絡(luò)與Internet等外部網(wǎng)絡(luò)，實現(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)點的監(jiān)測任務(wù)，轉(zhuǎn)發(fā)收集到的數(shù)據(jù)。特點：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。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點大規(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：計算、存儲、通訊、能量動態(tài)拓?fù)洌汗?jié)點故障；通訊故障；移動性；節(jié)點加入可靠網(wǎng)絡(luò)：適應(yīng)環(huán)境條件；魯棒性、容錯性應(yīng)用相關(guān)：沒有統(tǒng)一的通信協(xié)議平臺以數(shù)據(jù)為中心傳感器節(jié)點的限制電源能量有限通信能力有限計算和存儲能力有限傳感器網(wǎng)絡(luò)概述－與adhoc的不同WSN結(jié)點數(shù)量更為龐大多數(shù)節(jié)點為靜止節(jié)點分布更為密集能量約束結(jié)點更容易出錯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化頻繁Adhoc幾十至上百個節(jié)點局域網(wǎng)節(jié)點全移動結(jié)構(gòu)變化（移動）能量可連續(xù)提供點到點通信2.國內(nèi)外研究現(xiàn)狀引起了世界各國軍事部門、工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的極大關(guān)注美國軍方：C4KISR計劃、SmartSensorWeb、靈巧傳感器網(wǎng)絡(luò)通信、無人值守地面?zhèn)鞲衅魅?、傳感器組網(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)的新型計算發(fā)展規(guī)劃。美國NSF：2003年制定了傳感器網(wǎng)絡(luò)研究計劃。美國DustNetworks和CrossbowTechnologies等公司：“智能塵埃、Mote”已進(jìn)入應(yīng)用測試。英國、日本、意大利等國：開展該領(lǐng)域的研究工作。我國也開展了這一領(lǐng)域的研究工作：無線傳感器結(jié)點的硬件設(shè)計、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?光信號傳輸?很微小，微米級的包含傳感和通信的平臺?具有計算能力，雙向無線通信能力，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：空間探測遠(yuǎn)距離交通流量探測建筑物情況監(jiān)控戰(zhàn)場，自然資源監(jiān)視智能塵埃SmartDust智能塵埃SmartDust：大小比較例2：Mote無線電波傳輸，

元件齊全，選擇性高，

功能較完善3.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用軍事：監(jiān)控敵方部署、裝備、軍火情況戰(zhàn)場監(jiān)視定位戰(zhàn)場損失評估核、生化武器攻擊監(jiān)測和偵察環(huán)保：森林防火洪水監(jiān)測污染監(jiān)控精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)生物種群研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用醫(yī)療：無線監(jiān)測人體生理數(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、長時期、近距離的監(jiān)測和探索。選定著陸場地其他應(yīng)用：緊急和臨時場合應(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)測機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測案例1Senera的橋梁安全監(jiān)控系統(tǒng)例2:英國石化－油輪應(yīng)用監(jiān)測油輪發(fā)動機(jī)及旋轉(zhuǎn)設(shè)備系統(tǒng)能夠運行在苛刻的環(huán)境下長期高效采集有效數(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:中國電力－高壓傳輸線應(yīng)用監(jiān)測大跨距輸電線路實時監(jiān)控電線的應(yīng)力、溫度和振動節(jié)點固定在高壓輸電線上基站位于高壓輸電塔所有無線設(shè)備不受惡劣天氣影響電池電量維持節(jié)點連續(xù)工作一年以上4.無線通信網(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，接收器電路簡單，功耗?。╯martdust項目開發(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)點處于平等地位，結(jié)構(gòu)簡單易維護(hù)

具有較好的健壯性

無管理節(jié)點，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

簇首管理或控制節(jié)點集合（簇）

可擴(kuò)展性好，便于管理，但開銷大，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)競爭：CSMA及其改進(jìn)混合類：綜合上面兩類，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：點地位平等，簡單易擴(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，通過協(xié)商機(jī)制解決路由信息爆炸和資源浪費問題?DD，根據(jù)數(shù)據(jù)內(nèi)容來優(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)開銷大

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

?TEEN,PEGASIS等基于LEACH的成簇方法5.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全無線傳感器網(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，面臨安全問題及針對措施主要有：（1）物理層：頻率選擇、載波頻率生成、信號檢測、調(diào)制和數(shù)據(jù)加密信號干擾或阻塞擴(kuò)頻通信竊聽攻擊 對敏感通信信息進(jìn)行加密節(jié)點被俘 對節(jié)點數(shù)據(jù)包實行篡改證明（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、介質(zhì)訪問和差錯控制碰撞 使用糾錯碼資源耗盡 控制MAC訪問許可，時分復(fù)用無線傳感器網(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)點攻擊 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間相互認(rèn)證虛假路由信息 通過入侵檢測系統(tǒng)檢測和清除入侵節(jié)點選擇性地轉(zhuǎn)發(fā) 采取協(xié)