班級(jí)學(xué)號(hào)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)班級(jí)學(xué)號(hào)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)1CONTENTSPart1拓?fù)淇刂芇art2

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議Part3

路由協(xié)議Part4

網(wǎng)絡(luò)安全Part5

時(shí)間同步目錄/Part6定位技術(shù)Part7數(shù)據(jù)融合Part8數(shù)據(jù)管理Part9 無(wú)線通信技術(shù)Part10其它技術(shù)CONTENTSPart1拓?fù)淇刂芇art2網(wǎng)絡(luò)協(xié)2Part1拓?fù)淇刂芇art1拓?fù)淇刂?拓?fù)淇刂粕矸?、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂频囊饬x

1）影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間——保證網(wǎng)絡(luò)連通性和覆蓋性的情況下，合理高效的使用網(wǎng)絡(luò)能量。

2）減少節(jié)點(diǎn)間通信干擾，提高通信效率——功率控制技術(shù)。

3）為路由協(xié)議提供基礎(chǔ)——確定哪些點(diǎn)為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，確定節(jié)點(diǎn)間的鄰居關(guān)系。

4）影響數(shù)據(jù)融合——選擇骨干節(jié)點(diǎn)。

5）彌補(bǔ)節(jié)點(diǎn)失效的影響——具有魯棒性。2、目前主要的研究問(wèn)題是在滿足網(wǎng)絡(luò)覆蓋度和連通度的前提下,通過(guò)功率控制和骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)選擇，剔除節(jié)點(diǎn)之間不必要的無(wú)線通信鏈路，生成一個(gè)高效的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。3、拓?fù)淇刂品譃楣?jié)點(diǎn)功率控制和層次型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組織。拓?fù)淇刂粕矸?、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂频囊饬x4Part2網(wǎng)絡(luò)協(xié)議Part2網(wǎng)絡(luò)協(xié)議5網(wǎng)絡(luò)協(xié)議1、負(fù)責(zé)使各個(gè)獨(dú)立的節(jié)點(diǎn)形成一個(gè)多跳的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。2、目前研究的重點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議。3、數(shù)據(jù)鏈路層的介質(zhì)訪問(wèn)控制（MAC）用來(lái)構(gòu)建底層的基礎(chǔ)機(jī)構(gòu)，控制傳感器節(jié)點(diǎn)的通信過(guò)程和工作模式。4、MAC協(xié)議首先要考慮節(jié)省能源和可擴(kuò)展性，其次才考慮公平性、利用率和實(shí)時(shí)性等。5、MAC層的能量消耗主要表現(xiàn)在空閑偵聽(tīng)、接收不必要數(shù)據(jù)和碰撞重傳等。6、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議通常采用“偵聽(tīng)/睡眠”交替的無(wú)線信道使用策略。7、傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議可分為三類：采用無(wú)線信道的時(shí)分復(fù)用方式（TDMA）； 采用無(wú)線信道的隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)方式；

其他MAC協(xié)議（如頻分復(fù)用或碼分復(fù)用等方式）。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議1、負(fù)責(zé)使各個(gè)獨(dú)立的節(jié)點(diǎn)形成一個(gè)多跳的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。6Part3路由協(xié)議7Part3路由協(xié)議7路由協(xié)議1、路由協(xié)議負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)分組從源節(jié)點(diǎn)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點(diǎn)。2、路由協(xié)議功能：尋找源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)間的優(yōu)化路徑，將數(shù)據(jù)分組沿著優(yōu)化路徑正確轉(zhuǎn)發(fā)。3、傳統(tǒng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的主要任務(wù)是尋找源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)間通信延遲小的路徑，同時(shí)提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的利用率，避免產(chǎn)生通信擁塞并平衡網(wǎng)絡(luò)流量，而能量消耗不是考慮的重點(diǎn)。4、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能量有限且一般沒(méi)有能量補(bǔ)充，因此路由協(xié)議需要高效利用能量。5、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目很大，節(jié)點(diǎn)只能獲取局部拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息，路由協(xié)議要能在局部網(wǎng)路信息基礎(chǔ)上選擇合適的路徑。6、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的相關(guān)性，不同應(yīng)用中的路由協(xié)議可能差別很大，沒(méi)有一個(gè)通用的路有協(xié)議。路由協(xié)議1、路由協(xié)議負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)分組從源節(jié)點(diǎn)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到目的8路由協(xié)議7、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由機(jī)制還經(jīng)常與數(shù)據(jù)融合技術(shù)聯(lián)系在一起。8、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的特點(diǎn)：

1）能量?jī)?yōu)先2）基于局部拓?fù)湫畔?）以數(shù)據(jù)為中心4）與應(yīng)用相關(guān)9、設(shè)計(jì)路由機(jī)制時(shí)要滿足的要求：

1）能量高效——能量消耗小且整個(gè)網(wǎng)絡(luò)能量均衡消耗

2）可擴(kuò)展性——考慮區(qū)域范圍、節(jié)點(diǎn)密度、節(jié)點(diǎn)失敗、新節(jié)點(diǎn)加入、節(jié)點(diǎn)移動(dòng)等情況。

3）魯棒性——具有一定的容錯(cuò)能力

4）快速收斂性——適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭?dòng)態(tài)變化，減少通信協(xié)議開(kāi)銷，提高消息傳輸?shù)男?。路由協(xié)議7、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由機(jī)制還經(jīng)常與數(shù)據(jù)融合技術(shù)聯(lián)系在9Part4網(wǎng)絡(luò)安全Part4網(wǎng)絡(luò)安全10網(wǎng)絡(luò)安全使命事項(xiàng)1、傳感器網(wǎng)絡(luò)要解決的安全問(wèn)題:1）機(jī)密性問(wèn)題；

2）點(diǎn)到點(diǎn)的消息認(rèn)證問(wèn)題；

3）完整性鑒別問(wèn)題；

4）新鮮性問(wèn)題；

5）認(rèn)證組播/廣播問(wèn)題；

6）安全管理問(wèn)題。2、物理層考慮機(jī)密性主要側(cè)重在安全編碼方面3、鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層的機(jī)密性考慮的是數(shù)據(jù)幀和路由信息的加解密技術(shù)4、應(yīng)用層考慮的是密鑰的管理和交換過(guò)程，為下層的加解密技術(shù)提供安全支撐。5、傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全隱患在于網(wǎng)絡(luò)部署區(qū)域的開(kāi)放特性以及無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)的廣播特性。網(wǎng)絡(luò)安全使命事項(xiàng)1、傳感器網(wǎng)絡(luò)要解決的安全問(wèn)題:11表一傳感器網(wǎng)絡(luò)攻防手段一覽表網(wǎng)絡(luò)層次攻擊方法防御手段物理層擁塞攻擊（jamming）寬頻（跳頻）、優(yōu)先級(jí)消息、低占空比、區(qū)域映射、模式轉(zhuǎn)換物理破壞破壞證明、節(jié)點(diǎn)偽裝和隱藏鏈路層碰撞攻擊（collision）糾錯(cuò)碼耗盡攻擊（exhaustion）設(shè)置競(jìng)爭(zhēng)門限非公平競(jìng)爭(zhēng)（unfairness）設(shè)置短幀策略和非優(yōu)先級(jí)策略網(wǎng)絡(luò)層丟棄和貪婪破壞（neglectandgreed）使用冗余路徑、探測(cè)機(jī)制匯聚節(jié)點(diǎn)攻擊（homing）使用加密和逐跳認(rèn)證機(jī)制方向誤導(dǎo)攻擊（misdirection）出口過(guò)濾；認(rèn)證、監(jiān)視機(jī)制黑洞攻擊（blackholes）認(rèn)證、監(jiān)視、冗余機(jī)制傳輸層洪泛攻擊（flooding）客戶端謎題失步攻擊（desynchronization）認(rèn)證表一傳感器網(wǎng)絡(luò)攻防手段一覽表網(wǎng)絡(luò)層次攻擊方法防御手段物12Part5時(shí)間同步Part5時(shí)間同步13時(shí)間同步1、時(shí)間同步是需要協(xié)同工作的傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵機(jī)制。2、由于傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，以及能量、價(jià)格和體積等多方面的約束，使得現(xiàn)有的時(shí)間同步機(jī)制不適用于傳感器網(wǎng)絡(luò)。3、設(shè)計(jì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步機(jī)制考慮的幾個(gè)方面：

1）擴(kuò)展性——要能夠適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)范圍或節(jié)點(diǎn)密度的變化；

2）穩(wěn)定性——能在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化中保持時(shí)間同步的連續(xù)性和精度的穩(wěn)定；

3）魯棒性——良好的適應(yīng)環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化；

4）收斂性——要求建立時(shí)間同步的時(shí)間要短；

5）能量感知——網(wǎng)絡(luò)通信和計(jì)算負(fù)載應(yīng)該可預(yù)知。4、三種基本同步機(jī)制：RBS、TINY/MINI-SYNC和TPSN。時(shí)間同步1、時(shí)間同步是需要協(xié)同工作的傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)14Part6

定位技術(shù)Part6定位技術(shù)15定位技術(shù)1、確定事件發(fā)生的位置或采集數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)位置是傳感器網(wǎng)絡(luò)最基本的功能之一。2、定位信息的用途：

1）報(bào)告事件發(fā)生的地點(diǎn)；2）目標(biāo)跟蹤；

3）協(xié)助路由；4）協(xié)助網(wǎng)絡(luò)管理。3、傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位算法需具備的特點(diǎn)：

1）自組織性；

2）健壯性：具有良好的容錯(cuò)性；

3）能量高效：減少計(jì)算的復(fù)雜性，減少節(jié)點(diǎn)的通信開(kāi)銷；

4）分布式計(jì)算：每個(gè)節(jié)點(diǎn)計(jì)算自身位置。4、算法分為基于距離的定位算法和距離無(wú)關(guān)的距離算法。定位技術(shù)1、確定事件發(fā)生的位置或采集數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)位置是傳感器16Part7

數(shù)據(jù)融合Part7數(shù)據(jù)融合17數(shù)據(jù)融合1、由于傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的易失效性，使得網(wǎng)絡(luò)需要數(shù)據(jù)融合技術(shù)對(duì)多份數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合。2、數(shù)據(jù)融合的作用

1）節(jié)省能量——去掉冗余信息，將要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量最小化；

2）獲得更準(zhǔn)確的信息——提高信息的精度和可信度；

3）提高數(shù)據(jù)收集效率——減少了要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，減輕網(wǎng)絡(luò)傳輸擁塞，降低傳輸延遲，減少了沖突碰撞，提高了無(wú)線信道的利用率。3、數(shù)據(jù)融合可以與傳感器網(wǎng)絡(luò)的多個(gè)協(xié)議層次（如應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層等）進(jìn)行結(jié)合。4、數(shù)據(jù)融合的代價(jià)：增加了網(wǎng)絡(luò)的平均延遲；魯棒性變差。數(shù)據(jù)融合1、由于傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的易失效性，使得網(wǎng)絡(luò)需要數(shù)據(jù)18Part8

數(shù)據(jù)管理Part8數(shù)據(jù)管理19數(shù)據(jù)管理1、目的：將傳感器網(wǎng)絡(luò)上數(shù)據(jù)的邏輯視圖（命名、存取和操作）和網(wǎng)絡(luò)的物理實(shí)現(xiàn)分離開(kāi)來(lái)，使得傳感器網(wǎng)絡(luò)的用戶和應(yīng)用程序只需關(guān)心所要提出的查詢的邏輯結(jié)構(gòu)，而無(wú)需關(guān)心傳感器網(wǎng)絡(luò)的細(xì)節(jié)。2、兩類數(shù)據(jù)：

1）靜態(tài)數(shù)據(jù)：如描述傳感器特性的信息；

2）動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)：由傳感器自身感知的數(shù)據(jù)。3、傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)一般不把每個(gè)傳感器的感知數(shù)據(jù)都集中到中央處理節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析處理，而是盡可能在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部進(jìn)行分析處理，即網(wǎng)內(nèi)處理（in-networkprocessing）這會(huì)極大地減少能源消耗，延長(zhǎng)整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)的生存期。數(shù)據(jù)管理1、目的：將傳感器網(wǎng)絡(luò)上數(shù)據(jù)的邏輯視圖（命名、存取20數(shù)據(jù)管理觀（思維）得（結(jié)果）4、傳感器網(wǎng)絡(luò)的的數(shù)據(jù)管理與傳統(tǒng)的分布式數(shù)據(jù)庫(kù)有很大的差別，原因是：

1）傳感器節(jié)點(diǎn)能量受限且容易失效，數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)必須在減少能量消耗的同時(shí)提供有效的數(shù)據(jù)服務(wù)。

2）網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量龐大，且節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的是無(wú)限的數(shù)據(jù)流，無(wú)法通過(guò)傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理技術(shù)進(jìn)行分析處理。

3）傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的查詢經(jīng)常是連續(xù)的查詢或隨機(jī)抽樣的查詢，傳統(tǒng)的技術(shù)不適用于傳感器網(wǎng)絡(luò)。5、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要有4種：集中式、半分布式、分布式和層次性。6、目前大多數(shù)研究工作均集中在半分布式結(jié)構(gòu)方面。兩種典型的半分布式結(jié)構(gòu)是Fjord系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和Cougar系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)管理觀得4、傳感器網(wǎng)絡(luò)的的數(shù)據(jù)管理與傳統(tǒng)的分布21Part9

無(wú)線通信技術(shù)Part9無(wú)線通信技術(shù)22無(wú)線通信技術(shù)1、IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)是針對(duì)低速無(wú)線個(gè)人域網(wǎng)絡(luò)（low-ratewirelesspersonalareanetwork，LR-WPAN）的無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是低功耗、低成本。由于此標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)特征與無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)存在很多相似之處，因此許多研究機(jī)構(gòu)把它作為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線通信平臺(tái)。2、LR-WPAN網(wǎng)絡(luò)具有如下特點(diǎn)

1）在不同的載波頻率下實(shí)現(xiàn)了20kbps、40kbps和250kbps三種不同的傳輸速率。

2）支持星型和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)兩種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

3）有16位和64位兩種地址格式，其中64位地址是全球唯一的擴(kuò)展地址。

4）支持避免沖突的載波多路偵聽(tīng)技術(shù)（carriersensemultipleaccesswithcollisionavoidance,CSMA-CA）。23無(wú)線通信技術(shù)1、IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)是針對(duì)低速無(wú)無(wú)線通信技術(shù)物理媒質(zhì)

MAC

PHY

SSCSIEEE802.2LLC上層協(xié)議

5）支持確認(rèn)（ACK）機(jī)制，保證傳輸可靠性。3、IEEE802.15.4網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧（右圖）：4、IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)只定義了PHY層和數(shù)據(jù)鏈路層的MAC層。5、MAC層以上的幾個(gè)層次只是該標(biāo)準(zhǔn)的可能的上層協(xié)議，不在該標(biāo)準(zhǔn)的定義范圍之內(nèi)。6、SSCS為IEEE802.15.4的MAC層接入IEEE802.2標(biāo)準(zhǔn)中定義的LLC子層提供聚合服務(wù)。7、LLC子層可以使用SSCS的服務(wù)接口訪問(wèn)IEEE802.15.4網(wǎng)絡(luò)，為應(yīng)用層提供鏈路層服務(wù)。無(wú)線通信技術(shù)物理媒質(zhì)MAC24無(wú)線通信技術(shù)

8、LR-WPAN網(wǎng)絡(luò)采用CSMA-CA機(jī)制、幀確認(rèn)機(jī)制和幀校驗(yàn)機(jī)制來(lái)保證數(shù)據(jù)傳送的魯棒性。9、在LR-WPAN網(wǎng)絡(luò)中，許多應(yīng)用的設(shè)備用電池供電。這些設(shè)備可通過(guò)“輪換值班”來(lái)減少能量消耗。10、IEEE802.15.4提供的安全服務(wù)是在應(yīng)用層已經(jīng)提供密鑰的情況下的對(duì)稱密鑰服務(wù)。密鑰的管理和分配都由上層協(xié)議負(fù)