无线传感器网络概述

第一篇：无线传感器网络概述

无线传感器网络综述(网安).

2008.2 80 网络安全技术与应用 无线传感器网络综述 唐启涛

陶滔

南华大学计算机科学与技术学院

湖南

421001 摘要:本文介绍了无线传感器网络的概念、特点、通信结构及其安全需求,并对其应用过程中可能遇到的攻击方式和相 应的抵御方法做了简单介绍。指出了无线传感器网络今后的研究方向及最新研究动态。

关键词:无线传感器网络;网络协议栈;传感器节点;多跳路由 0

引言

近年来随着传感器、计算机、无线通信及微机电等技术 的发展和相互融合,产生了无线传感器网络(WSN, wireless sensor networks。 无线传感器网络技术与当今主流无线网络 技术使用同一个标准——802.15.14, 它是一种新型的信息获 取和处理技术。无线传感网络综合了嵌入式计算技术、传感 器技术、 分布式信息处理技术以及通信技术,能够协作地实时 监测、感知和采集网络分布区域内的不同监测对象的信息。 它的应用极其广泛, 当前主要应用于国防军事、 智能建筑、 国 家安全、环境监测、医疗卫生、家庭等方面。

无线传感器网络系统(WSNS, wireless sensor networks system通常由传感器节点、聚节点和管理节点组成。 它的结 构图如图1。 传感器节点负责将所监测的数据沿着其他传感器 节点逐跳地进行传输, 经过多跳路由, 然后到达汇聚节点, 最 后通过卫星或者互联网到达管理节点, 然后, 用户1通过管理 节点对传感器网络进行管理, 发布监测任务及收集监测数据。 通过无线传感器网络可以实现数据采集、数据融合、任务的 协同控制等。

图

1无线传感网络系统结构图 1

无线传感器网络特点

目前常见的无线网络包括移动通信网、 Ad Hoc 网络、 无 线局域网、蓝牙网络等,与这些网络相比,无线传感器网络 具有以下特征: (1硬件资源有限

由于受到价格、硬件体积、功耗等的限制,WSN 节点的 信号处理能力、计算能力有限,在程序空间和内存空间上与 普通的计算机相比较,其功能更弱。

(2电源容量有限

由于受到硬件条件的限制,网络节点通常由电池供电, 电池能量有限。同时,无线传感网络节点通常被放置在恶劣 环境或者无人区域,使用过程中,不能及时给电池充电或更 换电池。

(3无中心

无线传感器网络中没有严格的中心节点,所有节点地位 平等,是一个对等式网络。每一个节点仅知道自己邻近节点 的位置及相应标识,无线传感器网络利用相邻节点之间的相 互协作来进行信号处理和通信,它具有很强的协作性。

(4自组织

网络的布设和展开不需要依赖于任何预设的网络设备, 节点通过分层协议和分布式算法协调各自的监控行为,节点 开机后就可以快速、自动地组成一个独立的无线网络。

(5多跳路由

在无线传感器网络中,节点只能同它的邻居直接通信。 如果想与其射频覆盖范围之外的节点进行数据通信,则需要 通过中间网络节点进行路由。无线传感器网络中的多跳路由 是由普通网络节点来完成的,没有专门的路由设备。

(6动态拓扑

无线传感器网络是一个动态的网络,节点能够随处移 动;一个节点可能会因为电池能量用完或其他故障原因,退 出网络运行;一个节点也可能由于某种需要而被添加到当前 网络中。这些都会使网络的拓扑结构发生变化,因此无线传

感器网络具有动态拓扑组织功能。 (7节点数量多,分布密集

为了对一个区域执行监测,往往需要很多的传感器节点 被放置到该区域。传感器节点分布非常密集,通常利用节点 之间高度连接性来保证系统的抗毁性和容错性。

2无线传感器网络协议栈

无线传感器网络协议栈由以下五部分组成:物理层、数 据链路层、网络层、传输层、应用层,与互联网协议栈的五 层协议相对应,其结构如图

2。

作者简介:唐启涛(1982- ,男,南华大学计算机科学与技术学院 2006级硕士研究生,研究方向:计算机网

络与信安全。陶滔(1969-

,男,网络教研室主任、副教授,硕士生导师,研究方向:计算机网络安全。 2008.2

81

网络安全技术与应用 图

2无线传感器网络协议栈 2.

1物理层

物理层主要负责感知数据的收集,并对收集的数据进行 采样、信号的发送和接收、信号的调制解调等任务。在物理 层中的主要安全问题是建立有效的数据加密机制。由于对称 加密算法的局限性,它不能在 WSN 中很好的发挥作用,因而 如何使用高效的公钥算法是 W S N 有待解决的问题。

2.

2 数据链路层

数据链路层主要负责媒体接入控制和建立网络节点之间 可靠通信链路,为邻居节点提供可靠的通信通道,主要由介 质访问控制层组成。介质访问控制层使用载波监听方式来与 邻节点协调使用信道,一旦发生信道冲突,节点使用相应的 算法来确定重新传输数据的时机。无线传感器网络的介质访 问控制协议通常采用基于预先规划的机制来保护节点的能量。

2.

3网络层

网络层的主要任务是发现和维护路由。正常情况下,无 线传感器网络中的大量传感器节点分布在一个区域里,消息 可能需要经过多个节点才能到达目的地,且由于传感器网络 的动态性,使得每个节点都需要具有路由的功能。节点一般 采用多跳路由连接信源和信宿。

2.

4传输层

由于无线传感器网络节点的硬件限制,节点无法维持端到 端连接的大量信息传输,而且节点发送应答消息也会消耗大量 能量,因而,目前还没有成熟的关于传感器节点上的传输层 协议的研究。汇聚节点只是传感器网络与外部网络的接口。

2.

5应用层

应用层主要负责为无线传感器网络提供安全支持,即实 现密钥管理和安全组播。无线传感器网络的应用十分广泛, 其中一些重要的应用领域有:军事方面,无线传感器网络可 以布置在敌方的阵地上,用来收集敌方一些重要目标信息, 并跟踪敌方的军事动向:环境检测方面,无线传感器网络能 够用来检测空气的质量,并跟踪污染源;民用方面,无线传 感器网络也可用来构建智能家居和个人健康等系统。

3安全性需求

基于无线传感器网络的特殊性,形成了与其他网络系统不 同的网络安全特性, 并能直接应用到实际的无线传感网络中。 归纳为以下几个方面: 3.

1鲁棒性

传感器网络一般被放置在恶劣环境、无人区域或敌方阵 地中,环境条件、现实威胁和当前任务具有不确定性,它需 要设计具有抵抗节点故障的机制。一种常用方法是部署大量 节点。网络协议应该具有识别发生故障的相邻节点的能力, 并根据更新的拓扑进行相应的调节。

3.

2扩展性

WSN 节点会随着环境条件的变化或恶意攻击或任务的变 化而发生变化,从而影响传感器网络的结构。同时,节点的 加入或失效也会导致网络的拓扑结构不断变化,路由组网协 议和 W S N S 必须适应 W S N 拓扑结构变化的特点。

3.

3机密性

传感器网络在数据传输过程中,应该保证不泄露任何敏 感信息。应用中,通过密钥管理协议建立的秘密密钥和其他 的机密信息,必须保证只对授权用户公开。同时,也应将因 密钥泄露造成的影响尽可能控制在一个较小范围,不影响整 个网络的安全。解决数据机密性的常用方法是使用会话密钥 来加密待传递的消息。

3.

4数据认证

由于敌方能够很容易侵入信息, 接收方从安全角度考虑, 有必要确定数据的正确来源。数据认证可以分为两种,即两 部分单一通信和广播通信。

3.

5数据完整性

在网络通信中,数据的完整性用来确保数据在传输过程 中不被敌方所修改,可以检查接收数据是否被篡改。根据不 同的数据种类,数据完整性可分为三类:选域完整性、无连 接完整性和连接完整性业务。

3.6

数据更新

表示数据是最新的,是没有被敌手侵入过的旧信息。 网络 中有弱更新和强更新两种类型的更新。弱更新用于提供局部 信息排序,它不支持延时消息;强更新要求提供完整的次序, 并且允许延时估计。

3.7

可用性

它要求 WSN 能够按预先设定的工作方式向合法的系统用 户提供信息访问服务,然而,攻击者可以通过信号干扰、伪 造或者复制等方式使传感器网络处于部分或全部瘫痪状态, 从而破坏系统的可用性。

3.8

访问控制

W S N 不能通过设置防火墙进行访问过滤;由于硬件受 限, 也不能采用非对称加密体制的数字签名和公钥证书机制。 WSN 必须建立一套符合自身特点的、综合考虑性能、效率和 安全性的访问控制机制。

4攻击方式及采取的相应措施

无线传感网络可能遭遇多种攻击。攻击者可以直接从物

2008.2 82 网络安全技术与应用 理上将其破坏。另一方面,攻击者可以通过操纵数据或路由 协议报文,在更大范围内对无线传感网络进行破坏。具体的 攻击类别如下: 4.

1欺骗、 篡改或重发路由信息

攻击者通过向 WSN 中注入大量欺骗路由报文,或者截取 并篡改路由报文,把自己伪装成发送路由请求的基站节点, 使全网范围内的报文传输被吸引到某一区域内,致使各传感 器节点之间能效失衡。对于这种攻击方式的攻击,通常采用 数据加密技术抵御。

4.

2选择转发攻击

攻击者在俘获传感器节点后,丢弃需要转发的报文。为 了避免识破攻击点,通常情况下,攻击者只选择丢弃一部分 应转发的报文,从而迷惑邻居传感节点。通常采用多路径路 由选择方法抵御选择性转发攻击。

4.

3DoS拒绝服务攻击

攻击者通过以不同的身份连续向某一邻居节点发送路由 或数据请求报文,使该邻居节点不停的分配资源以维持一个 新的连接。对于这种攻击方式,可以采用验证广播和泛洪予 以抵御。

4.

4污水池攻击

攻击点在基站和攻击点之间形成单跳路由或是比其他节 点更快到达基站的路由,以此吸引附近的传感器以其为父节 点向基站转发数据。污水池攻击“调度”了网络数据报文的 传输流向,破坏了网络负载平衡。可以采用基于地理位置的 路由选择协议抵御污水池攻击。

4.

5告知收到欺骗攻击

当攻击点侦听到某个邻居节点处于将失效状态时,冒充 该邻居节点向源节点反馈一个信息报文, 告知数据已被接受。 使发往该邻居节点的数据报文相当于进了“黑洞” 。可以调控 全球知识以抵御告知收到欺骗。

4.6

女巫攻击

攻击点伪装成具有多个身份标识的节点。当通过该节点 的一条路由破坏时,网络会选择另一条完全不同的路由,由 于该节点的多重身份,该路由可能又通过了该攻击点。它降 低了多经选路的效果。针对这种攻击方式,可以采用鉴别技 术抵御。

5今后的研究方向

目前,有关传感器网络的研究还处于初步阶段,由于无 线传感网络的体系结构和模型没有形成最后的标准,无线传 感器网络安全研究方面还面临着许多不确定的因素,对于 W S N 而言,仍然存在着如下有待进一步研究的问题。

5.

1安全的异常检测和节点废除

在传感器网络中,由于被盗用节点对网络非常有害,因 而希望能即时检测和废除被盗用节点。 Chan 提出使用分布式

投票系统来解决这个问题。 5.2

安全路由

安全的路由协议应允许在有不利活动的情况下,继续保 持网络的正常通信。传感器网络中的许多类型的攻击方式的 抵御可以通过提高路由的安全设计来实现。如何设计一种高 效、安全的路由有待进一步的研究。

5.

3 有效的加密原语

Perrig 提出了 SPINS 协议族, 通过该协议, 使用有效的 块加密,对于不同块进行不同的加密操作。Karlof

设计了 TinySec,在效率与安全性之间折中。 在密钥建立和数字签名 时,如何使用有效的非对称加密机制,是一个值得进一步研 究的方向。

5.

4入侵检测问题

在数据认证和源认证之前,有必要设计相应的方案来确 认通信方是不是恶意节点。目前有些无线传感网络都是假设 网络节点具有全网惟一标识,这其实是不符合现实的。

5.

5传感器安全方案和技术方案的有机结合

根据 W S N 的特点,其安全解决方案不能设计得过于复 杂,并尽可能的避免使用公钥算法。如何在不明显增加网络 开销的情况下,使性能和效率达到最佳,并设计出相应的协 议和算法有待于进一步的研究。

5.6

管理和维护节点的密钥数据库

在传感器网络中,每个节点需要维护和保持一个密钥数据 库。 在网络节点存储能力有限的情况下, 如何保证密钥建立、 撤 消和更新等阶段动态地维护和管理数据库需要进一步的研究。

6总结

无线传感器网络在军事和民用领域都有着广泛的潜在用 途,是当前技术研究的热点。本文从无线传感器网络的特点、 无线传感网络的协议栈、安全需求、可能受到的安全攻击及 相应的防御方法及今后有待进一步研究的问题等方面对目前 国内外开展的研究进行了较为系统的总结,有助于了解当前无 线传感器网络研究进展及现状。

参考文献

[1]Prtra JC,PalR N.A functional link artificial neural network foradaptive c hannel e qualization[J].Signal P rocessing.1995. [2]PasqualeArpaia,Pasquale Daponte,DomcaicoGrmi ald,i et a.l ANN-Based Error Reduction for Expermi entally Modeled Sensors [J].IEEE Trans.on Instrumentation andMeasurement.2002. [3]徐丽娜.神经网络控制[M].哈尔滨:哈尔滨

工业大学出版社 .1999. [4]遗传算法结合FANN实现加速度传感器动态特性补偿[J].计 量学报.2005. [5]郎为民,杨宗凯,吴世忠,谭运猛.无线传感器网络安全研究.计 算机科学.2005.

第二篇：无线传感器网络实验报告

桂林电子科技大学

实验报告

2015 5- - 2016 6 学年第 一 学期

开 课 单 位

海洋信息工程学院

适用年级、专业

课 程 名 称

无线传感器网络

主 讲 教 师

王晓莹

课 程 序 号

1510344

课 程 代 码

BS1620009X0

实 验 名 称

ns2 实验环境配置及应用

实 验 学 时

6 学时

学

号

姓

名

一、

实验目的

1) 掌握虚拟机的安装方法。

2) 熟悉 Ubuntu 系统的基本操作方法。

3) 掌握 ns2 环境配置。

4) 掌握 tcl 语言的基本语句及编程规则。

5) 了解使用 ns2 进行网络仿真的过程。

二、

实验环境

1) 系统：Windows 10 专业版 64 位 2) 内存：8G 3) 软件：VMware Workstation 12 Pro 三、

实验内容

( (一 一) ) 安装虚拟机(简述安装步骤)

a) 在 VMware 官网(https://www.vmware.com/cn)下载程序 VMware Workstation 12 Pro b) 双击打开下载好的程序自动解压，解压完成后进入安装向导。

c) 程序安装完成后，对程序进行注册，VMware Workstation 12 Pro key/注册码：5A02H-AU243-TZJ49-GTC7K-3C61N d) 虚拟机程序安装成功。

( (二 二) ) 安装 u Ubuntu 系统(简述安装步骤)

a) 网上下载 ubuntu-14.04.3-desktop-amd64.iso 文件(Ubuntu 14 64 位系统镜像)

b) 打开 VMware Workstation 12 Pro 程序，创建一个新的虚拟机 c) 进入新建虚拟机向导，选择自定义配置安装进行下一步。

d) 安装客户机操作系统，择安装程序光盘映像文件，放入已下载好的 Ubuntu 14 64 位系统镜像文件，进行简易安装。

e) 选择安装路径和配置完成向导，进入 Ubuntu 系统安装界面，等待安装完成。

( (三 三) ) 安装 2 ns2 软件及相关 环境配置(简述安装步骤及环境配置过程)

a) 先更新一下系统。在终端输入：

sudo apt-get update

#更新源列表 sudo apt-get upgrade

#更新已安装的包 sudo apt-get dist-upgrade

#更新软件，升级系统

b) 安装几个需要使用的软件包 sudo apt-get install build-essential

sudo apt-get install tcl8.5 tcl8.5-dev tk8.5 tk8.5-dev

#for tcl and tk sudo apt-get install libxmu-dev libxmu-headers

#for nam

c) 下载 ns-allinone-2.35.tar.gz。http://www.isi.edu/nsnam/ns/ns-build.html#allinone 复制到根目录，解压到当前位置 tar xvfz ns-allinone-2.35.tar.gz

在根目录下打开 ns-allinone-2.35 文件夹，在里面找到 ns-2.35 打开找 linkstate文 件 夹 ， 打 开 里 面 的 ls.h 文 件 ， 将 第 137 行 的 void eraseAll() { erase(baseMap::begin(), baseMap::end()); } 改成 void eraseAll() { this->erase(baseMap::begin(), baseMap::end()); }

运行 cd ./ns-allinone-2.35 运行./install #进行安装

d) 设置环 境变量：

终端中输入 cd ，返回根目录，然后

sudo gedit .bashrc 在文件末尾加入：

export PATH="$PATH:/home/kevin/ns-allinone-2.35/bin:/home/kevin/ns-allinone-2.35/tcl8.5.10/unix:/home/kevin/ns-allinone-2.35/tk8.5.10/unix" export LD_LIBRARY_PATH="$LD_LIBRARY_PATH:/home/kevin/ns-allinone-2.35ns-allinone-2.35/otcl-1.14:/home/kevin/ns-allinone-2.35/lib" export TCL_LIBRARY="$TCL_LIBRARY:/home/kevin/ns-allinone-2.35/tcl8.5.10/library" 保存退出

e) 验证 完成后在新终端窗口 输入 ns 出现%

测试：

ns ./ns-allinone-2.35/ns-2.35/tcl/ex/simple.tcl

输入 exit 退出 ns2

( (四 四) ) l tcl 语言基本使用(举例说明)

a) 创建 test01.tcl 文件，编辑 test01.tcl 文件,在终端输入 touch test01.tcl #创建文件 gedit test01.tcl #编辑文件 b) 在 test01.tcl 中输入“九九乘法表”TCL 语言

c) 运行 test01.tcl，结果如图：

( (五 五) ) 网络仿真(可以选示例，也可以自己参考资料设计仿真)

( (六 六) ) 遇到的问题及解决方法

1.Ns2 验证：安装完成后在新终端窗口 输入 ns 不出现 %

使用 sudo apt-get install ns2 安装后新窗口输入 ns 出现 %

2.TCL 语言测试：找不到 tk.tcl

ns ./ns-allinone-2.35/ns-2.35/tcl/ex/simple.tcl 提示找不到 tk.tcl，因为没安装 nam，输入命令 sudo apt-get install nam 安装成功，再验证就可以了。

四、

实验总结

通过本次实验，熟悉掌握了虚拟机 VMware Workstation Pro 的安装与系统创建安装使用，熟悉掌握 Ubuntu 系统的基本命令操作，掌握 ns2 环境配置，掌握 tcl 语言的基本语句及编程规则，了解但还尚未能掌握使用 ns2进行网络仿真的操作。相信之后通过理论与实践更深的了解熟悉网络仿真的知识与操作。

第三篇：无线传感网络研究应用

应用前景

无线传感网络是面向应用的，贴近客观物理世界的网络系统，其产生和发展一直都与应用相联系。多年来经过不同领域研究人员的演绎，无线传感网络技术在军事领域、精细农业、安全监控、环保监测、建筑领域、医疗监护、工业监控、智能交通、物流管理、自由空间探索、智能家居等领域的应用得到了充分的肯定和展示。

在环境监控和精细农业方面，WSN系统最为广泛。2002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，这是一个典型的精准农业、智能耕种的实例。杭州齐格科技有限公司与浙江农科院合作研发了远程农作管理决策服务平台，该平台利用了无线传感器技术实现对农田温室大棚温度、湿度、露点、光照等环境信息的监测。

在民用安全监控方面，英国的一家博物馆利用无线传感器网络设计了一个报警系统，他们将节点放在珍贵文物或艺术品的底部或背面，通过侦测灯光的亮度改变和振动情况，来判断展览品的安全状态。中科院计算所在故宫博物院实施的文物安全监控系统也是WSN技术在民用安防领域中的典型应用。

现代建筑的发展不仅要求为人们提供更加舒适、安全的房屋和桥梁，而且希望建筑本身能够对自身的健康状况进行评估。WSN技术在建筑结构健康监控方面将发挥重要作用。2004年，哈工大在深圳地王大厦实施部署了监测环境噪声和震动加速度响应测试的WSN网络系统。

在医疗监控方面，美国英特尔公司目前正在研制家庭护理的无线传感器网络系统，作为美国“应对老龄化社会技术项目”的一项重要内容。另外，在对特殊医院(精神类或残障类)中病人的位置监控方面，WSN也有巨大应用潜力。

在工业监控方面，美国英特尔公司为俄勒冈的一家芯片制造厂安装了200台无线传感器，用来监控部分工厂设备的振动情况，并在测量结果超出规定时提供监测报告。西安成峰公司与陕西天和集团合作开发了矿井环境监测系统和矿工井下区段定位系统。

在智能交通方面，美国交通部提出了“国家智能交通系统项目规划”，预计到2025年全面投入使用。该系统综合运用大量传感器网络，配合GPS系统、区域网络系统等资源，实现对交通车辆的优化调度，并为个体交通推荐实时的、最佳的行车路线服务。目前在美国的宾夕法尼亚州的匹兹堡市已经建有这样的智能交通信息系统。

无线传感网络应用前景广阔，特别是我国西部地区的一些山区，需要对山地滑坡、泥石流、大桥位移、景区环境监测，但是无线传感器网络的生存时间却要求长达数月甚至数年，因此，如何在不影响功能的前提下，尽可能节约无线传感器网络的电池能量成为无线传感器网络软硬件设计中的核心问题，也是当前国内外研究机构关注的焦点。本文研究基于分布式压缩感知算法的无线传感网络节能模型研究，用以降低无线传感网络的耗电量，具有极高的应用价值。

第四篇：无线传感器网络典型路由协议分类比较

常清

摘 要：无线传感器网络是继因特网之后对人类生活产生重大影响的技术，它在逻辑上将虚

幻的信息和真实的物理世界联系起来。无线传感器网络是由大量无处不在的、具有通信与计 算能力的微小传感器节点密集地布设在无人值守的监控区域而构成的能够根据环境自主完 成指定任务的智能自治测控网络系统。它能为人类生活带来不可估量的好处，所以，传感器 网络的路由协议的设计也是对人类的一项挑战，需要利用节点有限的能量更好的为人类服 务。目前已有多种路由协议，但其分类方式不是很清晰，本文以节点的传播方式为出发点， 对几种典型的路由协议给予重新分类，并对其进行分析，最后选出相对好的类别。

1. 引言

随着微电子技术、计算技术和无线通信技术的进步，多功能传感器快速发展，进而使无 线传感器网络(wireless sensor network, WSN)成为目前研究热点。WSN 是由部署在检测区域内的大量廉价微型传感器节点组成，形成一个多跳的自组织网络系统，使其在小体积内集成信息采集、数据处理和无线通信等功能，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并提供给终端用户。WSN 能够广泛应用于军事、环境检测和预报、健康护理、智能家居、建筑物状态监控、复杂机械监控、城市交通、空间探索、大型车间和仓库管理、以及机场、大型工业园区的安全检测和其他商业等领域，且将逐渐深入到人类生活的各个领域。本文首先简要说明衡量路由协议的四个标准，然后就WSN 中路由协议的几种路由协议提出新的分类方法并利用标准加以比较。

2. 路由协议的衡量标准

无线传感器网络的路由协议不同于传统网络的协议，它具有能量优先、基于局部的拓扑 信息、以数据为中心和应用相关四个特点，因而，根据具体的应用设计路由机制时，从四个 方面衡量路由协议的优劣【1】： (1)能量高效

传统路由协议在选择最优路径时，很少考虑节点的能量问题。由于无线传感器网络 中节点的能量有限，传感器网络路由协议不仅要选择能量消耗小的消息传输路径，更要 能量均衡消耗，实现简单而且高效的传输，尽可能地延长整个网络的生存期。 (2)可扩展性

无线传感器网络的应用决定了它的网络规模不是一成不变的，而且很容易造成拓扑 结构动态发生变化，因而要求路由协议有可扩展性，能够适应结构的变化。具体体现在 传感器的数量、网络覆盖区域、网络生命周期、网络时间延迟和网络感知精度等方面。 (3)鲁棒性

无线传感器网络中，由于环境和节点的能量耗尽造成传感器的失效、通信质量的降 低使网络变得不可靠，所以在路由协议的设计过程中必须考虑软硬件的高容错性，保障 网络的健壮性。

4)快速收敛性

由于网络拓扑结构的动态变化，要求路由协议能够快速收敛，以适应拓扑的动态变 化，提高带宽和节点能量等有限资源的利用率和消息传输效率。

3. 路由协议的分类

针对不同传感器网络的应用，研究人员提出了不同的路由协议，目前已有的分类方式主 要有两种：按网络结构可以分为平面路由协议、分级网络路由协议和基于位置路由协议;按 协议的应用特征可以分为基于多径路由协议、基于可靠路由协议、基于协商路由协议、基于 查询路由协议、基于位置路由协议和基于QoS 路由协议。但这种分类方式太过分散，没有 整体概念，本文就各个协议的不同侧重点提出一种新的分类方法，把现有的代表性路由协议 按节点的传播方式划分为广播式路由协议、坐标式路由协议和分簇式路由协议。下面进行详 细的介绍和分析。

4. 广播式路由协议

4.1 扩散法(Flooding)

扩散法是一种传统的网络通信路由协议。它实现简单，不需要为保持网络拓扑信息和实 现复杂的路由算法消耗计算资源，适用于健壮性要求高的场合。但是，扩散发存在信息爆炸 问题，即能出现一个节点可能得到数据多个副本的情况，而且也会出现部分重叠的现象，此 外，扩散法没有考虑各节点的能量，无法作出相应的自适应路由选择，当一个节点能量耗尽， 网络就死去。

具体实现：节点 A 希望发送数据给节点B，节点A 首先通过网络将数据的副本传给其 每一个邻居节点，每一个邻居节点又将其传给除A 外的其他的邻居节点，直到将数据传到B 为止或者为该数据设定的生命期限变为零为止或者所有节点拥有此副本为止。

4.2 定向路由扩散DD(Directed Diffusion)

C. Intanagonwiwat【2】等人为传感器网络提出一种新的数据采集模型，即定向路由扩散。 它通过泛洪方式广播兴趣消息给所有的传感器节点，随着兴趣消息在整个网络中传播，协议 逐跳地在每个传感器节点上建立反向的从数据源节点到基站或者汇聚节点的传输梯度。该协 议通过将来自不同源节点的数据聚集再重新路由达到消除冗余和最大程度降低数据传输量 的目的，因而可以节约网络能量、延长系统生存期。然而，路径建立时的兴趣消息扩散要执 行一个泛洪广播操作，时间和能量开销大。

具体实现：首先是兴趣消息扩散，每个节点都在本地保存一个兴趣列表，其中专门存在 一个表项用来记录发送该兴趣消息的邻居节点、数据发送速率和时间戳等相关信息，之后建 立传输梯度。数据沿着建立好的梯度路径传输。

4.3 谣传路由(Rumor Routing)

D. Braginsky【3】等人提出的适用于数据传输量较小的无线传感器网络高效路由协议。其 基本思想是时间监测区域的感应节点产生代理消息，代理消息沿着随机路径向邻居节点扩散 传播。同时，基站或汇聚节点发送的查询消息也沿着随机路径在网络中传播。当查询消息和 代理消息的传播路径交叉在一起时就会形成一条基站或汇聚节点到时间监测区域的完整路 径。

具体实现：每个传感器节点维护一个邻居列表和一个事件列表，当传感器节点监测到一 个事件发生时，在事件列表中增加一个表项并根据概率产生一个代理消息，代理消息是一个 包含事件相关信息的分组，将事件传给经过的节点，收到代理消息的节点检查表项进行更新 和增加表项的操作。节点根据事件列表到达事件区域的路径，或者节点随机选择邻居转发查 询消息。

4.4 SPIN(Sensor Protocols for Information via Negotiation)

W. Heinzelman【4】等人提出的一种自适应的SPIN 路由协议。该协议假定网络中所有节 点都是Sink 节点，每一个节点都有用户需要的信息，而且相邻的节点拥有类似的数据，所 以只要发送其他节点没有的数据。SPIN 协议通过协商完成资源自适应算法，即在发送真正 数据之前，通过协商压缩重复的信息，避免了冗余数据的发送;此外，SPIN 协议有权访问

每个节点的当前能量水平，根据节点剩余能量水平调整协议，所以可以在一定程度上延长网 络的生存期。

具体实现：SPIN 采用了3 种数据包来通信：ADV 用于新数据的广播，当节点有数据 要发送时，利用该数据包向外广播;REQ 用于请求发送数据，当节点希望接收数据时，发 送该报文;DATA 包含带有Meta-data 头部数据的数据报文;

当一个传感器节点在发送一个 DATA 数据包之前，首先向其邻居节点广播式地发送ADV 数据包，如果一个邻居希望接收该DATA 数据包，则像该节点发送REQ 数据包，接着节点向其邻居节点发送DATA 数据包。

4.5 GEAR(Geographical and Energy Aware Routing)

Y. Yu 等人提出了GEAR 路由协议，即根据时间区域的地址位置，建立基站或者汇聚节 点到时间区域的优化路径。把GEAR 划分为广播式路由协议有点牵强，但是由于它是在利 用地理信息的基础上将数据发送到合适区域，而且又是基于DD 提出，这里仍然作为广播式 的一种。具体实现：首先向目标区域传递数据包，当节点收到数据包时，先检查是否有邻居比它更接近目标区域。如有就选择离目标区域最近的节点作数据传递的下一跳节点。如果数据包已经到达目标区域，利用递归的地理传递方式【3】和受限的扩散方式发布该数据。

5. 坐标式路由协议

5.1 GEM(Graph Embedding)

J. Newsome 和D. Song 提出了建立一个虚拟极坐标系统(VPCS, Virtual Polar 的

Coordinate System)GEM 路由协议，用来代表实际的网络拓扑结构。整个网络节点形成一 个以基站或汇聚节点为根的带环树(Ringed Tree)。每个节点用距离树根的跳数距离和角度 范围两个参数表示。

具体实现：首先建立虚拟极坐标系统，主要有三个阶段：由跳数建立路由并扩展到整个 网络形成生成树型结构，再从叶节点开始反馈子树的大小，即树中包含的节点数目，最后确 定每个子节点的虚拟角度范围。建立好系统之后，利用虚拟极坐标算法发送消息，即节点收 到消息检查是否在自己的角度范围内，不在就向父节点传递，直到消息到达包含目的位置角 度的节点。另外，当实际网络拓扑结构发生变化时，需要及时更新，比如节点加入和节点失效

5.2 GRWLI(Geographic Routing Without Location Information)

A. Rao【3】等人提出了建立全局坐标系的路由协议，其前提是需要少数节点精确位置信 息。首先确定节点在坐标系中的位置，根据位置进行数据路由。关键是利用某些知道自己位 置信息的信标节点确定全局坐标系及其他节点在坐标系中的位置。

具体实现：A. Rao 等人提出了3 中策略确定信标节点。一是确定边界节点都为信标节 点，则非边界节点通过边界节点确定自己的位置信息。在平面情况下，节点通过邻居节点位 置的平均值计算。二是使用两个信标节点，则边界节点只知道自己处于网络边界不知道自己 的精确位置消息。引入两个信标节点，并通过边界节点交换信息建立全局坐标系。三是使用 一个信标节点，到信标节点最大的节点标记自己为边界节点。

6. 分簇式路由协议

6.1 LEACH(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)

MIT 的Chandrakasan【5】等人为无线传感器设计的一种分簇路由算法，其基本思想是以 循环的方式随机选择簇首节点，平均分配整个网络的能量到每个传感器节点，从而可以降低 网络能源消耗，延长网络生存时间。簇首的产生是簇形成的基础，簇首的选取一般基于节点 的剩余能量、簇首到基站或汇聚节点的距离、簇首的位置和簇内的通信代价。簇首的产生算

法可以被分为分布式和集中式两种【6】，这里不予介绍。

具体实现：LEACH 不断地循环执行簇的重构过程，可以分为两个阶段：一是簇的建立， 即包括簇首节点的选择、簇首节点的广播、簇首节点的建立和调度机制的生成。二是传输数 据的稳定阶段。每个节点随机选一个值，小于某阈值的节点就成为簇首节点，之后广播告知 整个网络，完成簇的建立。在稳定阶段中，节点将采集的数据送到簇首节点，簇首节点将信 息融合后送给汇聚点。一段时间后，重新建立簇，不断循环。

6.2 GAF(Geographic Adaptive Fidelity)

Y. Xu【3】等人提出的一种利用分簇进行通信的路由算法。它最初是为移动Ad Hoc 网络 应用设计的，也可以适用于无线传感器网络。其基本思想是网络区被分成固定区域，形成虚 拟网格，每个网格里选出一个簇首节点在某段时间内保持清醒，其他节点都进入睡眠状态， 但是簇首节点并不做任何数据汇聚或融合工作。GAF 算法即关掉网络中不必要的节点节省 能量，同样可以达到延长网络生存期的目的。

具体实现：当划分好固定的虚拟网格之后，网络中每个节点利用 GPS 接受卡指示的位 置信息将节点本身与虚拟网格中某个点关联映射起来。网格上同一个点关联的节点对分组路 由的代价是等价的，因而可以使某个特定网格区域的一些节点睡眠，且随着网络节点数目的 增加可以极大地提高网络的寿命，在可扩展性上有很好的表现。

7. 比较与分析

经过上面的简单介绍，每个协议在其设计的时候都有各自的侧重点和最优的方面，按照 衡量标准可以把以上协议做简略的比较并找出相对较好的一类协议。其中，如何提供有效的 节能，即能量有效性是无线传感器网络路由协议最首要注重的方面，可扩展性和鲁棒性是路 由协议应该满足的基本要求，而快速收敛性和网络存在的时间有紧密的联系。依据上述四个 标准，对本文所列举的路由协议的比较见表1。

由上表可见，广播式总是存在一种矛盾，当具有好的扩展性时势必以差的鲁棒性和能量 高效为代价，即以牺牲鲁棒性换取扩展性和高能量，这同时也严重影响了节点的快速收敛性。 而坐标式弥补了广播式的不足，可以同时达到四个衡量标准。分簇式相对于前两种方式来说， 具备了较好的性能，可以满足人们对传感器网络的一般要求。所以，以能量高效、可扩展性、 鲁棒性和快速收敛性四个基本标准来衡量路由协议，分簇式是最佳的选择。

8. 总结

本文首先确定了四个衡量路由协议的标准，并按一种新的方法把现有一些协议分成三 类，之后进行比较，最后得出分簇式是相对来讲最优的路由协议类。但是，分簇式只是相对 较好的协议类别，由于分簇式总是依附簇首节点的能量，即使簇首在不断的更替选出，仍有 最后某个簇首节点能量耗尽的情况，因此势必影响整体网络的生存时间。再者，由于衡量标 准的局限性，本文未能考虑安全性等方面的要求，因此得出的结论仅仅是一定的范围内比较 结果。由此，一种尽可能考虑多方面要求的路由协议仍是被期望的。 参考文献

[1] 孙利民，李建中，陈渝，朱红松著. 无线传感器网络[M]. 北京：清华大学出版社， 2006. [2] 周东清，葛午未，朱娜. 基于QoS 的无线传感器网络路由[J]. 计算机工程与应用. 2007，43(23)：157-160. [3] 宋文，王兵，周应宾等著. 无线传感器网络技术与应用[M]. 北京：电子工业出版社，2007. [4] 范武，李力. 无线传感器网络SPIN 路由协议改进的方法[J]. 计算机与现代化. 2007，139：93-96. [5] 于海斌，曾鹏等著. 智能无线传感器网络系统[M]. 北京：科学出版社，2006. [6] 沈波，张世永，钟亦平. 无线传感器网络分簇路由协议[D]. 上海：复旦大学，2006.

第五篇：无线传感网络课程作业

物联网之未来的智能家居系统

——House Stage

不知不觉中时光在悄悄的流逝，转眼之间，我选择这个专业已经两年了。从一开始的不知物联网为何物的懵懂少年，成长为了一名热爱物联网技术并坚定的以它为未来目标职业的物联网发烧友。这其中经历了太多太多。今天就接着这个机会，来谈一谈我内心中对智能家居系统的一种设计理念。

目前在全球范围内，都有一股对物联网技术的推崇，其中以智能可穿戴设备，智能家居，车联网为主导方向。而在其中，谷歌与苹果相继发布了关于Self-Driving Car与IWatch的相关信息后，关于物联网技术的应用更是达到了一个白热化的阶段，各种各样的智能设备也随之活跃起来。但是智能家居系统却始终处在一个较为尴尬的局面，市场上主要以智能家居单品为代表。究其根源，一方面有用户体验方面的原因，另一方面也有在安全方面的原因。而我的House Stage主要设计是出于用户体验方面的考量。

首先，用户在使用智能家居系统时，首要的考量便是完全性的问题，因此我设计的House Stage使用的协议为ZigBee协议。之所以选择这样的协议主要是对比WiFi协议，ZigBee协议具有低功耗，成本低，短时延，组网能力强，安全性能高等优势，而它的缺点也比较明显，那就是对于数据传输的速率比较低。但是对于实现家庭自动化的智能家居系统来说，这并不是问题。目前市场上的智能家居系统主要是采用WiFi协议，一方面WiFi协议开发成本高，导致后期智能系统价格不够亲民，群众接受度不高，而且安全性差，达不到群众内心中对智能系统的最基本要求;另一方面，WiFi组网能力不强，能够接受的有效节点数只有32个，这对于普通用户家庭中所拥有的家电数目显然是不太够的。同时，用户在使用智能家居系统时也会考虑到平时的功耗问题，而ZigBee不仅工作时耗电少，而且支持休眠模式。平时不用工作时可以处于休眠状态，用户需要使用时直接唤醒即可，另外ZigBee从休眠状态转换到工作状态所花费的时间非常的短，具有较好的用户体验。考虑到用户家中可能设置有无线路由器并使用WiFi接入网络，所以在House Stage中会引入抗干扰机制，采用非协作方式，通过动态信道分配，来减少ZigBee与家庭WiFi的冲突。同时使用ZigBus总线协议，添加多级无线信号的有线中继，解决了多楼层多单元之间的信号覆盖问题。对于家庭中平时采集的数据则存放在后台数据库中，采用一套轻量级数据库加密技术，并且通过物理网络地址绑定，允许绑定多个物理地址。只有通过事先设置好的终端才能进行查看，并且用户可自行设置数据的最大存活周期。这都大大提高了系统的安全性，满足了用户对系统安全性的需求。其次在功能方面，整个系统可分为安防监控系统和智能操控系统。在安防监控系统中，使用了系统集成的无线网络摄像头以及各种安防传感器如红外线探测器，烟感/煤气传感器，智能门锁控制等。同时安防系统支持3G网络，当用户不在家时，可以通过手机等移动终端查看家中的情况。当有小偷或是发生火灾等重大紧急情况，在向用户发送紧急信息的同时，也会接入到当地公安机关和消防部门等。如果家中有老人或者小孩发生意外，系统还会发送警告信息给用户，帮助用户妥善处理这类问题。不仅如此，当有访客来访时，系统也会对访客进行拍照，并且发送到用户手机上，用户可以考虑是否接待客人。如果用户选择接待，则系

统开门迎接，并打开部分娱乐性的家电供访客打发时间。如果用户此时不方便接待，则可以选择不接待，此时系统会自动播放录音，可以是用户自行设定的录音，也可以是系统默认的录音。同时支持黑名单功能，用户一旦将来访者列入黑名单后，系统今后将自动拒绝来访者的来访请求。而智能操控系统则包括了智能灯光控制，智能家电控制，智能家居情景模式切换，智能环境监控等。在智能灯光控制方面，支持手机电脑远程控制，兼容多种情景模式，如会客，家庭影院，派对等，同时也支持智能感应。在晚上的时候，当有人起夜时，系统通过传感器检测到有人夜间活动，便会亮起电灯，当人离开时又会自动关闭。当然此时的安全监控系统是开启的，门磁也处于工作状态，所以能够识别盗贼。另外在智能家电控制功能中，用户不仅可以通过移动网络对家里的家电进行操控，在没有网络的情况下，也可以通过将手机短信发送到家里的系统控制终端来达到操控目的。打个比方，在夏天酷热难耐时，你正好在赶回家的路上。此时的你想必是希望快点回到家中躲避这样的酷暑吧。但是，即便回到家中，打开空调到室内温度达到一个舒适温度也需要数分钟的时间。如果拥有这样的一个系统，你只需要设定好温度和时间并将信息发送回家，系统终端接收到信息后便会通过相应的智能开关打开空调进行制冷。这样一方面即可实现用户远程控制家电的想法，另一方面，使用智能开关更加具有灵活性，即便不是智能家电设备也可以进行轻松调控。可如果你在家想看一场电影而又苦于没有在电影院看的那种感觉，亦或是你想开一场派对却又懒得布置环境，那么拥有这套系统就可以轻松帮你搞定。用户只需要在系统终端中选择到智能家居情景模式切换，并选择相应的模式即可。比如用户选择了影院模式，灯光便会自动调整为影院模式，同时窗帘自动拉上，各种音频视频设备自动打开，DVD机智能选择播放用户喜欢的电影。又或者用户选择派对模式，系统会将普通灯光换成彩色闪灯，在打开各类音频视频设备的同时，还能智能调控音量大小，让用户既能玩的尽兴又不用担心噪声扰民。另外用户只需准备好相应的食材，并在网上下载相应的烹饪算法，然后将这一切交给智能家居便可。而对于智能环境监控这个功能来说，它通过调用分布在家中各处的温度湿度传感器对家居环境进行检测，并自动控制中央空调调节温度和湿度，还可通过光传感器，在白天的时候检测家中的采光情况，并控制窗帘和窗户进行光线调节，给用户营造一个舒适的家居环境。

以上便是我对智能家居系统的一个设想，其中部分功能已经现世，但仍然不完善，有一些功能则尚未开发出来。另一方面在系统组成架构上是按照课本上及其相应的一些专业知识进行合理的构想组合，并认为有一定可能可以实现的，并且我认为这样的一套系统在未来10~20年内有可能被开发出来。因为其中的大部分技术与协议是现今所有的，只是通过重新的组合，以一种新的方式呈现出来。但是由于某些协议中的技术标准尚不完善，并且大部分市场尚未打开，所以需要一定的时间来完善。同时这也是我对无线传感器网路技术及其应用这门课程学习后的心得体会的缩影，绝大部分资料来源于课本和之前的物联网导论及其自己平时经常关注的一些国外较成熟产品的功能，整片文章纯手打，来源于互联网的资料少之又少，无任何抄袭复制的成分。

学习心得

经过了一个学期的无线传感网络技术及其应用的课程学习，我对物联网的了解更加深入了一点，从以前只知道事物之间可以互联互通，到现在对相应技术及

其相应的协议算法等都有了一个比较初级的了解，从物理层，数据链路层，网络层，传输层，应用层具有涉猎。单从课程角度来讲，课程内容比较偏理论化，个人感觉缺乏相应的实验教学导致所学的内容与实操偏离较远。但老师的教学相当不错，能够尽可能的以生动形象的比喻来说明，这点是非常好的。