無線傳感器網(wǎng)絡及其安全

WSN-WirelessSensorNetworks班級：物聯(lián)網(wǎng)姓名：張海亮無線傳感器網(wǎng)絡及其安全

WSN-WirelessSenso1、傳感器網(wǎng)絡概述

2、國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

3、傳感器網(wǎng)絡應用

4、傳感器網(wǎng)絡協(xié)議

5、傳感器網(wǎng)絡安全1、傳感器網(wǎng)絡概述

2、國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

3、傳感器網(wǎng)絡應用

1.傳感器網(wǎng)絡概述基礎微電子技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡及無線通信技術(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)絡系統(tǒng)。解釋2：傳感器網(wǎng)絡是由一組傳感器以特定方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡覆蓋的地理區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)布給觀察者。傳感器網(wǎng)絡的三個基本要素：傳感器，感知對象，觀察者傳感器網(wǎng)絡的基本功能協(xié)作地感知、采集、處理和發(fā)布感知信息1.傳感器網(wǎng)絡概述基礎第一代傳感器網(wǎng)絡20世紀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20世紀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。第四代傳感器網(wǎng)絡以無線傳感器網(wǎng)絡為標志，正處于研究和開發(fā)階段。傳感器網(wǎng)絡的發(fā)展第一代傳感器網(wǎng)絡傳感器網(wǎng)絡的發(fā)展傳感器網(wǎng)絡的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)sink-匯聚點sensornode-傳感器節(jié)點sensorfield-監(jiān)測區(qū)域傳感器網(wǎng)絡的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)sink-匯聚點普通節(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)傳感器網(wǎng)絡的實體傳感器節(jié)點功能：采集、處理、控制和通信等網(wǎng)絡功能：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)絡與Internet等外部網(wǎng)絡，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，轉(zhuǎn)發(fā)收集到的數(shù)據(jù)。特點：連續(xù)供電、功能強、數(shù)量少等傳感器網(wǎng)絡的實體傳感器節(jié)點由電源、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)絡節(jié)點由電源、數(shù)據(jù)獲取單元DAU、數(shù)據(jù)處理單元DPU、數(shù)據(jù)發(fā)傳感器網(wǎng)絡的特點大規(guī)模網(wǎng)絡：地理區(qū)域大；部署密集自組織網(wǎng)絡：不確定性；拓撲結(jié)構(gòu)變化資源受限：計算、存儲、通訊、能量動態(tài)拓撲：節(jié)點故障；通訊故障；移動性；節(jié)點加入可靠網(wǎng)絡：適應環(huán)境條件；魯棒性、容錯性應用相關(guān)：沒有統(tǒng)一的通信協(xié)議平臺以數(shù)據(jù)為中心傳感器網(wǎng)絡的特點大規(guī)模網(wǎng)絡：地理區(qū)域大；部署密集傳感器節(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節(jié)點的限制電源能量有限傳感器網(wǎng)絡概述－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)點更容易出錯拓撲結(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)提供點到點通信傳感器網(wǎng)絡概述－與adhoc的不同WSNAdhoc2.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)絡通信、無人值守地面?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)絡研究計劃。美國DustNetworks和CrossbowTechnologies等公司：“智能塵埃、Mote”已進入應用測試。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)點的硬件設計、操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡路由技術(shù)、節(jié)能技術(shù)、覆蓋控制技術(shù)等。2.國內(nèi)外研究現(xiàn)狀引起了世界各國軍事部門、工業(yè)界和學術(shù)界的例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)視例1：智能塵埃SmartDust?光信號傳輸智能塵埃SmartDust智能塵埃SmartDust智能塵埃SmartDust：大小比較智能塵埃SmartDust：大小比較例2：Mote無線電波傳輸，

元件齊全，選擇性高，

功能較完善例2：Mote無線電波傳輸，元件齊全，選擇性高，功能較3.無線傳感器網(wǎng)絡應用軍事：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)控精準農(nóng)業(yè)生物種群研究3.無線傳感器網(wǎng)絡應用軍事：無線傳感器網(wǎng)絡應用醫(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用：緊急和臨時場合應急通信：地震、水災、強熱帶風暴災害地區(qū)、邊遠或偏僻野外地區(qū)交通流量監(jiān)控智能化房屋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測機械設備狀態(tài)監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡應用醫(yī)療：案例1Senera的橋梁安全監(jiān)控系統(tǒng)案例1Senera的橋梁安全監(jiān)控系統(tǒng)例2:英國石化－油輪應用監(jiān)測油輪發(fā)動機及旋轉(zhuǎn)設備系統(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次數(shù)減少有線監(jiān)控的高額成本BPHeliosCommendationOctober2005BPInternationalLtd例2:英國石化－油輪應用監(jiān)測油輪發(fā)動機及旋轉(zhuǎn)設備BPHe例3:中國電力－高壓傳輸線應用監(jiān)測大跨距輸電線路實時監(jiān)控電線的應力、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)工作一年以上例3:中國電力－高壓傳輸線應用監(jiān)測大跨距輸電線路4.無線通信網(wǎng)絡協(xié)議物理層協(xié)議:

研究傳感器網(wǎng)絡采用的傳輸媒體、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）4.無線通信網(wǎng)絡協(xié)議物理層協(xié)議:研究傳感器網(wǎng)絡采用的傳輸數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議

a)拓撲生成

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

具有較好的健壯性

無管理節(jié)點，自組織協(xié)同算法復雜

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隨機競爭：CSMA及其改進混合類：綜合上面兩類，S-MAC數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議a)拓撲生成網(wǎng)絡層協(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，簡單易擴展，缺乏管理?SPIN，以數(shù)據(jù)為中心的自適應路由協(xié)議，通過協(xié)商機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，簇首負責信息的搜集、融合、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，便于管理，維護開銷大

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

?TEEN,PEGASIS等基于LEACH的成簇方法網(wǎng)絡層協(xié)議主要指路由協(xié)議，分平面和集群兩種5.無線傳感器網(wǎng)絡安全無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)議棧由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層和應用層組成，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頻通信竊聽攻擊 對敏感通信信息進行加密節(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，時分復用5.無線傳感器網(wǎng)絡安全無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)議棧由物理層、數(shù)據(jù)鏈無線傳感器網(wǎng)絡安全（3）網(wǎng)絡層：提供關(guān)鍵路由服務仿冒節(jié)點攻擊 網(wǎng)絡節(jié)點之間相互認證虛假路由信息 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)議檢測惡意節(jié)點槽洞攻擊 隨機密鑰預分配機制和基站入侵檢測與響應系統(tǒng)女巫攻擊 建立對密鑰Hello洪泛攻擊 隨機密鑰預分配機制，鄰居節(jié)點身份認證（4）傳輸層：管理端到端的連接洪泛攻擊 隨機密鑰預分配機制，鄰居節(jié)點身份認證分離式同步 通信雙方數(shù)據(jù)包驗證（5）應用層：數(shù)據(jù)聚集、任務分發(fā)和目標跟蹤多種服務針對這些安全服務的應用層攻擊無線傳感器網(wǎng)絡安全（3）網(wǎng)絡層：提供