無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中的關(guān)鍵性問題

一、引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種獨(dú)立出現(xiàn)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，它的基本組成單位是節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)集成了傳感器、微處理器、無線接口和電源四個(gè)模塊。傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中業(yè)已成熟的解決方案可以借鑒到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中來。但是基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自身的用途和優(yōu)點(diǎn)，開發(fā)專用的通信協(xié)議和路由算法已經(jīng)成為了當(dāng)前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域內(nèi)急待研究的課題。

二、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)

１、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)包括了大面積的空間分布

比如在軍事應(yīng)用方面，可以將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)部署在戰(zhàn)場上跟蹤敵人的軍事行動(dòng)，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(biāo)地點(diǎn)撒落下去，形成大面積的監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)。

２、能源受限制

網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的電源是有限的，網(wǎng)絡(luò)大多工作在無人區(qū)或者對人體有傷害的惡劣環(huán)境中，更換電源幾乎是不可能的事，這勢必要求網(wǎng)絡(luò)功耗要小以延長網(wǎng)絡(luò)的壽命，而且要盡最大可能的節(jié)省電源消耗。

３、網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)配置，自動(dòng)識別節(jié)點(diǎn)

這包括自動(dòng)組網(wǎng)、對入網(wǎng)的終端進(jìn)行身份驗(yàn)證、防止非法用戶入侵。相對于那些布置在預(yù)先指定地點(diǎn)的傳感器網(wǎng)絡(luò)而言，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以借鑒ａｄ�。瑁铮惴绞絹砼渲�，當(dāng)然前提是要有一套合適的通信協(xié)議保證網(wǎng)絡(luò)在無人干預(yù)情況下自動(dòng)運(yùn)行。

４、網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)管理和高度協(xié)作性

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)處理由節(jié)點(diǎn)自身完成，這樣做的目的是減少無線鏈路中傳送的數(shù)據(jù)量，只有與其他節(jié)點(diǎn)相關(guān)的信息才在鏈路中傳送。以數(shù)據(jù)為中心的特性是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的又一個(gè)特點(diǎn)，由于節(jié)點(diǎn)不是預(yù)先計(jì)劃的，而且節(jié)點(diǎn)位置也不是預(yù)先確定的，這樣就有一些節(jié)點(diǎn)由于發(fā)生較多錯(cuò)誤或者不能執(zhí)行指定任務(wù)而被中止運(yùn)行。為了在網(wǎng)絡(luò)中監(jiān)視目標(biāo)對象，配置冗余節(jié)點(diǎn)是必要的，節(jié)點(diǎn)之間可以通信和協(xié)作，共享數(shù)據(jù)，這樣可以保證獲得被監(jiān)視對象比較全面的數(shù)據(jù)。

對用戶來說，向所有位于觀測區(qū)內(nèi)的傳感器發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)請求，然后將采集的數(shù)據(jù)送到指定節(jié)點(diǎn)處理，可以用一個(gè)多播路由協(xié)議把消息送到相關(guān)節(jié)點(diǎn)，這需要一個(gè)唯一的地址表，對于用戶而言，不需要知道每個(gè)傳感器的具體身份號，所以可以用以數(shù)據(jù)為中心的組網(wǎng)方式。

５、與移動(dòng)ａｄ�。瑁铮憔W(wǎng)絡(luò)的區(qū)別

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一種分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)，和移動(dòng)ａｄ�。瑁铮憔W(wǎng)絡(luò)有相似點(diǎn)，但又有很多不同。移動(dòng)ａｄ�。瑁铮憔W(wǎng)絡(luò)可以用于沒有無線基礎(chǔ)設(shè)施存在或出于費(fèi)用和安全方面的考慮不方便設(shè)置無線基礎(chǔ)設(shè)施的場合，而傳感器很多時(shí)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網(wǎng)絡(luò)中的多用戶接口也造成了很高的誤比特率。作為移動(dòng)通信的兩種基本組網(wǎng)模式之一，移動(dòng)ａｄ�。瑁铮憔W(wǎng)絡(luò)中的傳輸模型是典型的多對多式，而傳感器網(wǎng)中的傳輸模型更偏向于分層次模型（多對一傳輸）。一般來說，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)比典型的移動(dòng)終端或手持設(shè)備有更多的資源受限要求，但對于計(jì)算的要求則是可有可無的，當(dāng)需要執(zhí)行計(jì)算任務(wù)時(shí)，如果通信成本比計(jì)算成本低，計(jì)算任務(wù)就被送到中心節(jié)點(diǎn)去執(zhí)行。

三、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵性問題

１、網(wǎng)絡(luò)安全協(xié)議問題

傳感器網(wǎng)絡(luò)受到的安全威脅和移動(dòng)ａｄ　ｈｏｃ網(wǎng)絡(luò)所受到的安全威脅不同，所以現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)安全機(jī)制不適合此領(lǐng)域，需要開發(fā)針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的專門協(xié)議。

一種思想是從維護(hù)路由安全的角度出發(fā)，尋找盡可能安全的路由以保證網(wǎng)絡(luò)的安全。文獻(xiàn)［１］指出，如果路由協(xié)議被破壞導(dǎo)致傳送的消息被篡改，那么對于應(yīng)用層上的數(shù)據(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(shí)值和節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系，然后利用這些真實(shí)值去生成安全的路由。該方法解決了兩個(gè)問題，即如何保證數(shù)據(jù)在安全路徑中傳送和路由協(xié)議中的信息安全性。文中假設(shè)兩個(gè)軍官利用按需距離矢量路由（Ａｄ�。龋铮恪。希睢。模澹恚幔睿洹。模椋螅簦幔睿悖濉。郑澹悖簦铮颉。遥铮酰簦椋睿�，ＡＯＤＶ）協(xié)議通過ａｄ　ｈｏｃ網(wǎng)絡(luò)來通信，他們的通信基于Ｂｅｌｌ－Ｌａ安全模型（ＰａｄｕｌａＢｅｌｌ－Ｌａ�。校幔洌酰欤帷。茫铮睿妫椋洌澹睿簦椋幔欤椋簦��。停铮洌澹欤�　［２］，這種模型中，當(dāng)節(jié)點(diǎn)的安全等級達(dá)不到要求時(shí)，其就會自動(dòng)的從路由選擇中退出以保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的路由安全。文獻(xiàn)［３］指出，可以通過多徑路由算法改善系統(tǒng)的穩(wěn)健性（ｒｏｂｕｓｔｎｅｓｓ），數(shù)據(jù)包通過路由選擇算法在多徑路徑中向前傳送，在接收端內(nèi)通過前向糾錯(cuò)技術(shù)得到重建。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感器的數(shù)量眾多并且功能有限，移動(dòng)ａｄ�。瑁铮憔W(wǎng)絡(luò)中的路由方案不能直接應(yīng)用到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，所以該文給出了一種網(wǎng)狀多徑路由協(xié)議。此協(xié)議中應(yīng)用了選擇性向前傳送數(shù)據(jù)包和端到端的前向糾錯(cuò)解碼技術(shù)，配合適合傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)狀多徑搜索機(jī)制，能減少信號開支（ｓｉｇｎａｌｉｎｇ�。铮觯澹颍瑁澹幔洌�，簡化節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)庫，增大系統(tǒng)的吞吐量，相對數(shù)據(jù)包復(fù)制或者有限泛洪法來說，這種方法消耗更少的系統(tǒng)資源（比如信道帶寬和電能）。

另一種思想是把著重點(diǎn)放在安全協(xié)議方面，在此領(lǐng)域也出現(xiàn)了大量的研究成果。在文獻(xiàn)［４］中，作者假定傳感器網(wǎng)絡(luò)的任務(wù)是為高級政要人員提供安全保護(hù)的，提供一個(gè)安全解決方案將為解決這類安全問題帶來一個(gè)普適的模型。在具體的技術(shù)實(shí)現(xiàn)上，先假定基站總是正常工作的，并且總是安全的，滿足必要的計(jì)算速度、存儲器容量，基站功率滿足加密和路由的要求；通信模式是點(diǎn)到點(diǎn)，通過端到端的加密保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩�性；射頻層總是正常工作。基于以上前提，典型的安全問題可以總結(jié)為：

（１）信息被非法用戶截獲；

（２）一個(gè)節(jié)點(diǎn)遭破壞；

（３）識別偽節(jié)點(diǎn)；

（４）如何向已有傳感器網(wǎng)絡(luò)添加合法的節(jié)點(diǎn)。

作者提出的方案不采用任何的路由機(jī)制。在此方案中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)和基站分享一個(gè)唯一的６４位密匙Ｋｅｙｊ和一個(gè)公共的密匙ＫｅｙＢＳ，當(dāng)節(jié)點(diǎn)和基站距離超出了預(yù)定距離時(shí)，網(wǎng)絡(luò)會在節(jié)點(diǎn)和基站之間選擇一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為媒介節(jié)點(diǎn)進(jìn)行接力；發(fā)送端會對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，接收端接收到數(shù)據(jù)后根據(jù)數(shù)據(jù)中的地址選擇相應(yīng)的密匙對數(shù)據(jù)進(jìn)行解密。這種雙加密方式可以防止暴露節(jié)點(diǎn)數(shù)目和地址，也可以防止數(shù)據(jù)被非法截獲，即使個(gè)別節(jié)點(diǎn)被破譯，也只有它自己的密匙泄漏，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)仍然可以正常工作。文獻(xiàn)［５］中介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的兩種專用安全協(xié)議：ＳＮＥＰ（Ｓｅｎｓｏｒ�。危澹簦鳎铮颍搿。牛睿悖颍�ｐｔｉｏｎ　Ｐｒｏｔｏｃｏｌ）和？ＴＥＳＬＡ。ＳＮＥＰ的功能是提供節(jié)點(diǎn)到接收機(jī)之間數(shù)據(jù)的鑒權(quán)、加密、刷新，？ＴＥＳＬＡ的功能是對廣播數(shù)據(jù)的鑒權(quán)。