无线传感器网络(收集3篇)
无线传感器网络范文篇1
关键词：物联网；无线传感器网络；安全；密钥管理
中图分类号：TP212.9文献标识码：A文章编号：2095-1302（2012）12-0020-03
WirelesssensornetworksecuritytechnologyinInternetofThings
LIUMing-jun1，2
（1.SchoolofElectronicEngineering，XidianUniversity，Xi’an710071，China；2.Unit95844ofPLA，Jiuquan735018，China）
Abstract：TheInternetofThingsisknownasthethirdwaveoftheinformationrevolution，anditsdevelopmenthashugesocialandeconomicbenefits.WiththesuccessfulapplicationoftheInternetofThingsinvariousfields，thesecurityproblemhasbecomeincreasinglyapparent.Wirelesssensornetworks，whichplayanimportantroleinlinkingtraditionalnetworkinInternetofThings，haveprominentsecurityproblems.Throughtheanalysisofthestructure，characteristicsofthewirelesssensornetwork，thepaperanalyzesthesecuritychallengesIOTfacing，andstudieskeysecuritytechnologies.
Keywords：InternetofThings；wirelesssensornetworks；security；keymanagement
0引言
最近几年，物联网之所以能成为研究的热点，究其原因：一是物联网是新一代信息技术的重要组成部分，将对社会的发展起到推动作用；二是物联网的应用将产生巨大的经济效益，据有关专家估算，物联网的产值将达到万亿级别。
伴随着物联网在各个领域的成功应用，物联网的安全问题也变得越来越重要，由于无线传感器网络（WSN）在物联网体系中担当着链接传统网络的重任，因此其安全问题尤其突出。可以说，不解决安全问题，物联网是没有明天的。
1WSN的结构特点
1.1WSN的结构
WSN以感知为目的，通过各种方式将节点部署在被感知对象的内部或附近，获取物理世界的各种信息。被部署的节点通过自组织方式构成的网络，其节点中集成有传感器、数据处理单元和通信单元。WSN借助于节点中的传感器来测量周围环境，可以探测温度、湿度、噪声、速度、光强度、电磁波等各种环境参数。
WSN在物联网中的作用就像一个虚拟的皮肤，它能感受到一切物理世界的信息，并与观察者分享这些信息。
一个典型的WSN体系结构如图1所示。
图1无线传感器网体系结构图
该体系包括分布式传感器节点、目标节点（sink）、Internet和用户端。sink也就是数据中心，它的处理能力、存储能力和通信能力相对较强，可连通传感器网络与外部网络，从而实现协议栈之间的通信转换。每个散布在网络中的节点通过多跳路由的方式将感知数据传送到sink，用户可以通过Internet或者卫星与sink进行通讯。
1.2WSN的网络特征
为了使WSN成为物联网的一个内在组成部分，通常需要考虑各种挑战，包括从适应现有的互联网标准到互操作的协议创造和发展以及支持机制等。其中的挑战之一就是安全性，主要是因为WSN不能够直接适用于现有以Internet为中心的安全机制。无线传感器网络有其固有特性。
（1）资源更有限。由于受价格、体积和功耗的限制，其计算能力比普通的计算机功能要弱很多。
（2）网络规模更大，覆盖更广。为了获得精确的信息，通常会在被监测区域部署大量的传感器节点，传感器节点的数量数以万计，节点的分布更加密集。
（3）网络自组。网络的布设和展开不依赖于预设的网络设施，节点通过分层协议和分布式算法协调各自的行为，自动组成一个独立的网络。
（4）能量更有限。由于受到硬件条件的影响，无线传感器节点一般采用电池供电，电源能量更加有限，因此，无线传感网络节点的通信距离更短，通常只有几十米。
（5）干扰更强。相对于传统网络，无线传感器网络的工作环境更加恶劣，再加上传感器节点分布更加密集，其环境噪声干扰和节点之间的干扰更强。
（6）多跳路由。网络中节点的通信距离有限，节点只能与它的邻节点直接通信。如果希望与其传输覆盖范围之外的节点进行通信，就需要通过多跳路由进行通信。多跳路由是由普通网络节点完成的，没有专门的路由设备。因此，网络中的每个节点，既是终端又是路由器。
（7）动态拓扑。无线传感器网络拓扑结构会随着时间的推移发生改变，主要是因为节点可能会因故障失效。由于监测区域的变化，新节点会添加到现有的网络中，因此，无线传感器网络具有动态拓扑重构功能。
（8）无线传感器网络是一个以数据为中心的网络。它不像传统的网络那样以连接为中心，而是以数据为中心的网络，因此，需要节点进行数据聚合、融合、缓存和压缩等处理。
2WSN各层主要面临的安全挑战
WSN的协议栈包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层，与互联网协议栈的五层协议相对应。WSN面临的安全问题也就是协议栈中各层面临的问题。
2.1物理层
物理层主要负责载波频率的产生、信号的调制和解调等工作。物理层中的安全问题主要是干扰攻击和节点俘获。干扰攻击是指干扰WSN中节点所使用的无线电频率。节点俘获是指攻击者捕获节点，知道节点上所保存的任何信息，从而代替这个节点进行通信。
2.2数据链路层
数据链路层主要负责媒体访问和错误控制。在介质访问控制协议中，节点通过监测邻近节点是否发送数据来确定自身是否能访问通信信道，这种载波监听的方式容易遭到拒绝服务攻击（DoS）。DoS是指当存在网络流量冲击或者外界恶意攻击时，可能产生“雪崩”效应，此时网络性能急剧下降，甚至会由于网络拥塞导致停止服务。
2.3网络层
网络层主要负责路由的发现和维护，是无线传感器网络的重要因素。针对路由的攻击可能导致整个网络的瘫痪。针对网络层的攻击方式有伪造路由信息、选择性转发、黑洞攻击和Sybil攻击。
2.4传输层
传输层主要负责将无线传感器网络采集的数据提供给外部网络。泛洪攻击和异步攻击是针对这个层次的主要攻击手段。
2.5应用层
应用层主要负责实现特定应用所需的功能，如将采集的数据进行融合处理及其他应用任务。应对这个层的攻击一般可根据具体任务而定。
3WSN中的安全技术
面对WSN中出现的种种安全问题，主要可采用以下几种技术予以解决：
（1）入侵检测技术。入侵检测可对网内的节点行为进行监测，及时发现可疑节点行为。入侵检测系统基于一个合理假设：恶意节点的行为与网内其它节点存在明显的不同，以至于入侵检测系统可以根据预先设定规则将其识别出来。
（2）干扰控制。干扰控制用于对付无线电干扰攻击。由于敌人无法进行长期持续的全频攻击，所以，通信节点可以采取跳频传输和扩频传输的方法来解决信号干扰攻击。
（3）安全路由。根据不同应用的特点，制定合适的安全路由协议，以保证数据安全地到达目标节点，同时尽可能少地消耗节点资源。安全路由技术中广泛采用SPINS安全框架协议，包括SNEP协议和?TESLA协议，其中SNEP协议用以实现通信的机密性、完整性、新鲜性和点到点的认证，?TESLA协议用以实现点到多点的广播认证。
（4）密钥管理。密钥管理是无线传感器网络关键安全技术的核心，主要有四种密钥分布协议：简单密钥分布协议、密钥预分布协议、动态密钥管理协议、分层密钥管理协议。简单密钥分布协议网内所有节点都保存同一个密钥用于数据的加解密，其内存需求是所有密钥管理协议中最低的，但是它的安全性也最低。密钥预分布协议中的节点在被部署到监控区域前，将被预先载入一些密钥。当节点被部署好后，传感器节点通过执行共享密钥发现过程来为安全链路的形成建立共享密钥。动态密钥管理协议可以根据用户要求周期性地改变节点的管理密钥，使用动态密钥管理协议可以改善网络面临攻击时的生存性。分层密钥管理协议采用LEAP协议，是一种典型的确定性密钥管理技术，使用的是多种密钥机制。LEAP在每个节点上维护四个密钥：分别是基站单独共享的身份密钥（预分布）、网内节点共享的组密钥（预分布）、邻居节点共享的邻居密钥以及簇头共享的簇头密钥。
（5）密钥算法。密钥算法主要包括对称密钥算法与非对称密钥算法，非对称密钥算法主要有Rabin’scheme、NtuEncrypt、RAS和椭圆曲线算反ECC，对称算法主要有Skipjack和RC5。相比较而言，对称密钥算法与非对称密钥算法相比具有计算量小、代码短和能耗低的特点，因此，对称密钥算法在WSN应用较广。
（6）数据融合。数据融合是节省能量、增强所收集数据的准确性以及提高数据收集效率的重要手段。数据融合主要有两种方式：一种是在发送节点和汇聚节点之间使用端到端的加密方式，汇聚节点先对收到的数据进行解密，然后再进行数据融和；另一种方法是对密文数据直接进行数据融合，这要求加密时采用特定的数据转换方法。
WSN协议栈中各层所面临的安全问题一般不是采用单一安全措施就可以解决的，往往需要多种措施并用。协议栈中各层采取的安全技术如图2所示。
4结语
WSN虽然出现得较早，但对它的研究也是随着物联网概念的兴起才成为热点。事实上，WSN网络还不成熟，安全漏洞很多。研究者应该为它们制定相应的安全协议，并尽可能地减小安全技术所引入的副作用，促进WSN健康发展。
图2无线传感器网中安全技术与网络层次关系图
参考文献
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无线传感器网络范文篇2
关键词:无线传感器网络;组成;应用;发展
科技发展的脚步越来越快,人类已经置身于信息时代。而作为信息获取最重要和最基本的技术——传感器技术,也得到了极大的发展。传感器信息获取技术已经从过去的单一化渐渐向集成化、微型化和网络化方向发展,并将会带来一场信息革命。具有感知能力、计算能力和通信能力的无线传感器网络(WSN,wirelesssensornetworks)综合了传感器技术、嵌人式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术,能够协作地实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息,并对这些信息进行处理,获得详尽而准确的信息,传送到需要这些信息的用户。
由于WSN的巨大应用价值,它已经引起了世界许多国家的军事部门、工业界和学术界的广泛关注,被广泛地应用于军事,工业过程控制、国家安全、环境监测等领域。
无线传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等多种领域,是当前计算机网络研究的热点。
一、发展概述
早在上世纪70年代,就出现了将传统传感器采用点对点传输、连接传感控制器而构成传感器网络雏形,我们把它归之为第一代传感器网络。随着相关学科的不断发展和进步,传感器网络同时还具有了获取多种信息信号的综合处理能力,并通过与传感控制器的相联,组成了有信息综合和处理能力的传感器网络,这是第二代传感器网络。而从上世纪末开始,现场总线技术开始应用于传感器网络,人们用其组建智能化传感器网络,大量多功能传感器被运用,并使用无线技术连接,无线传感器网络逐渐形成。
无线传感器网络是新一代的传感器网络,具有非常广泛的应用前景,其发展和应用,将会给人类的生活和生产的各个领域带来深远影响。发达国家如美国,非常重视无线传感器网络的发展,IEEE正在努力推进无线传感器网络的应用和发展,波士顿大学(BostonUniversity)还于最近创办了传感器网络协会(SensorNetworkConsortium),期望能促进传感器联网技术开发。美国的《技术评论》杂志在论述未来新兴十大技术时,更是将无线传感器网络列为第一项未来新兴技术,《商业周刊》预测的未来四大新技术中,无线传感器网络也列入其中。可以预计,无线传感器网络的广泛是一种必然趋势,它的出现将会给人类社会带来极大的变革。
二、无线传感器网络的定义和特点
无线传感器网络可以看成是由数据获取网络、数据分布网络和控制管理中心三部分组成的。其主要组成部分是集成有传感器、数据处理单元和通信模块的节点,各节点通过协议自组成一个分布式网络,再将采集来的数据通过优化后经无线电波传输给信息处理中心。无线传感器网络操作系统Tiny0S141的研制者,JasonHill博士把WSN定义为:
Sensing+CPU+Radio=Thousandsofpotentialapplication
哈尔滨工业大学的李建中教授将WSN定义为:WSN是由一组传感器节点以自组织的方式构成的有线或无线网络,其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖的地理区域中感知对象的信息,并给观察者。从硬件上看,WSN节点主要由数据采集单元、数据处理单元、无线数据收发单元以及小型电池单元组成,通常尺寸很小,具有低成本、低功耗、多功能等特点;从软件上看,它借助于节点中内置传感器有效探测所处区域的温度、湿度、光强度、压力等环境参数以及待测对象的电压、电流等物理参数,并通过无线网络将探测信息传送到数据汇聚中心进行处理、分析和转发。
WSN与传统传感器和测控系统相比具有明显的优势。它采用点对点或点对多点的无线连接,大大减少了电缆成本,在传感器节点端即合并了模拟信号/数字信号转换、数字信号处理和网络通信功能,节点具有自检功能,系统性能与可靠性明显提升而成本明显缩减。
无线传感器网络具有以下特点:
1、硬件资源有限。WSN节点采用嵌入式处理器和存储器,计算能力和存储能力十分有限。所以,需要解决如何在有限计算能力的条件下进行协作分布式信息处理的难题。
2、电源容量有限。为了测量真实世界的具体值,各个节点会密集地分布于待测区域内,人工补充能量的方法已经不再适用。每个节点都要储备可供长期使用的能量,或者自己从外汲取能量(太阳能)。当自身携带的电池的能量耗尽,往往被废弃,甚至造成网络的中断。所以,任何WSN技术和协议的研究都要以节能为前提。
3、无中心。在无线传感器网络中,所有节点的地位都是平等的,没有预先指定的中心,是一个对等式网络。各节点通过分布式算法来相互协调,在无人值守的情况下,节点就能自动组织起一个测量网络。而正因为没有中心,网络便不会因为单个节点的脱离而受到损害。节点可以随时加入或离开网络,任何节点的故障不会影响整个网络的运行,具有很强的抗毁性。
4、自组织。网络的布设和展开无需依赖于任何预设的网络设施,节点通过分层协议和分布式算法协调各自的行为,节点开机后就可以快速、自动地组成一个独立的网络。
5、多跳(Multi-hop)路由。WSN节点通信能力有限,覆盖范围只有几十到几百米,节点只能与它的邻居直接通信。如果希望与其射频覆盖范围之外的节点进行通信,则需要通过中间节点进行路由。WSN中的多跳路由是由普通网络节点完成的。
6、动态拓扑。WSN是一个动态的网络,节点可以随处移动;一个节点可能会因为电池能量耗尽或其他故障,退出网络运行;也可能由于工作的需要而被添加到网络中。这些都会使网络的拓扑结构随时发生变化,因此网络应该具有动态拓扑组织功能。
7、节点数量众多,分布密集。WSN节点数量大、分布范围广,难于维护甚至不可维护。所以,需要解决如何提高传感器网络的软、硬件健壮性和容错性。
8、传输能力的有限性。无线传感器网络通过无线电波进行数据传输,虽然省去了布线的烦恼,但是相对于有线网络,低带宽则成为它的天生缺陷。同时,信号之间还存在相互干扰,信号自身也在不断地衰减,诸如此类。不过因为单个节点传输的数据量并不算大,这个缺点还是能忍受的。
9、安全性的问题。无线信道、有限的能量,分布式控制都使得无线传感器网络更容易受到攻击。被动窃听、主动入侵、拒绝服务则是这些攻击的常见方式。因此,安全性在网络的设计中至关重要。
三、应用现状
虽然无线传感器网络的大规模商业应用,由于技术等方面的制约还有待时日,但是最近几年,随着计算成本的下降以及微处理器体积越来越小,已经为数不少的无线传感器网络开始投入使用。目前无线传感器网络的应用主要集中在以下领域:
1.环境的监测和保护
随着人们对于环境问题的关注程度越来越高,需要采集的环境数据也越来越多,无线传感器网络的出现为随机性的研究数据获取提供了便利,并且还可以避免传统数据收集方式给环境带来的侵入式破坏。
2.医疗护理
无线传感器网络在医疗研究、护理领域也可以大展身手。罗彻斯特大学的科学家使用无线传感器创建了一个智能医疗房间,使用微尘来测量居住者的重要征兆(血压、脉搏和呼吸)、睡觉姿势以及每天24小时的活动状况。英特尔公司也推出了无线传感器网络的家庭护理技术。该技术是做为探讨应对老龄化社会的技术项目CenterforAgingServicesTechnologies(CAST)的一个环节开发的。该系统通过在鞋、家具以家用电器等家中道具和设备中嵌入半导体传感器,帮助老龄人士、阿尔茨海默氏病患者以及残障人士的家庭生活。利用无线通信将各传感器联网可高效传递必要的信息从而方便接受护理。而且还可以减轻护理人员的负担。英特尔主管预防性健康保险研究的董事EricDishman称,“在开发家庭用护理技术方面,无线传感器网络是非常有前途的领域”。
3.军事领域
由于无线传感器网络具有密集型、随机分布的特点,使其非常适合应用于恶劣的战场环境中,使其非常适合应用于恶劣的战场环境中,包括侦察敌情、监控兵力、装备和物资,判断生物化学攻击等多方面用途。
4.商业化用途
无线传感器网络还被应用于其他一些领域。比如一些危险的工业环境如井矿、核电厂等,工作人员可以通过它来实施安全监测。也可以用在交通领域作为车辆监控的有力工具。尽管无线传感器技术目前仍处于初步应用阶段,但已经展示出了非凡的应用价值,相信随着相关技术的发展和推进,一定会得到更大的应用。从应用的情况来看,北美的状况最好,在楼宇自动化、环境监控等方面,无线传感器网络已经开始大展拳脚。
四、需要解决的问题
就目前的技术水平来说,让无线传感器网正常运行并大量投入使用还面临着许多问题:
1.网络内通信问题。无线传感器网络内正常通信联系中,信号可能被一些障碍物或其他电子信号干扰而受到影响,怎么安全有效的进行通信是个有待研究的问题。
2.成本问题。在一个无线传感器网络里面,需要使用数量庞大的微型传感器,这样的话成本会制约其发展。
3.系统能量供应问题。目前主要的解决方案有:使用高能电池;降低传感功率;此外还有传感器网络的自我能量收集技术和电池无线充电技术。其中后两者备受关注。
无线传感器网络范文篇3
【关键词】物联网无线传感器网络技术协议
引言：以物联网为基础，无线传感器网络可以在不同环境、不同时间和不同地点为人们提供有用的信息。所以，在交通管理、环境定位和事故定位等多个领域，面向物联网的无线传感器网络都得到了应用。因此，有必要对面向物联网的无线传感器网络的相关技术展开进一步的研究，从而更好的进行该种网络的有效运用。
一、物联网与无线传感器网络
利用识别技术、感知技术和通信技术等多种技术，物联网可以借助互联网实现信息资源共享，所以能够在一定程度上促进信息产业的发展。而无线传感器网络是一种感知网络，可以利用传感器对外界环境进行感知，然后利用无线网络实现信息传输。在无线传感器网络中，需要进行高性能的系统平台的配备，以便使网络安全能够得到保障[1]。所以，物联网的出现虽然能够为人们的信息交流提供方便，但是借助无线传感器网络才能够使人们安全进行信息交流。
二、面向物联网的无线传感器网络
2.1网络通信协议
在网络运行的过程中，需要遵循网络协议的规定，才能够确保网络通信的正常进行。在缺乏统一的网络通信协议的情况下，就会导致网络信息传输受阻。所以，面向物联网的无线传感器网络首先需要对网络通信协议进行有效规定，以便确保网络通信的正常进行。为此，需要以TCP和IP协议为网络基础协议，从而为无线传感器网络的信息传输提供便利。在网络传输的过程中，还要利用路由进行协议的传输。考虑到协议传输将产生节点消耗的问题，还要使用路由协议进行每个节点的有效利用，从而使网络性能得到提高。此外，在物联网中，信息处理是重要的网络工具。同时，数据处理也是无线传感器网络的核心，所以还需要同时满足两个网络的数据处理需求[2]。因此，在处理数控信息时，需要对网络协议和路由协议进行有效规定。
2.2网络拓扑控制
在连接网络传输设备时，需要进行网络的物理布局，以便使网络结构中的点与点按照一定顺序连接。针对无线传感器网络，还要确保网络拓扑能过满足网络运行需求，并且可以利用节点消除冗余网络线路，继而使网络信息传输效率得到保证。所以，还需对网络拓扑进行控制，以便实现无线传感器网络的通信。而由于该网络的节点具有一对一和一对多的特点，所以可以利用传感器节点进行节点控制。而采取这种控制方式，能够形成层次型拓扑结构，继而使网络传输功率得到提高。
2.3网络安全技术
就目前来看，网络安全问题是人们利用物联网进行信息交流时主要需要考虑的问题。一旦重要的信息被恶意窃取，就容易给人们造成巨大的损失。而无线传感器网络使用了网络加密技术，可以使网络信息传输安全得到保障。此外，在无线传感器进行网络信息传输时，其本身需要实现最基本的安全机制。而通过应用信息加密处理、水印技术和消息认证技术等多种安全技术，则能够使信息的完整性得到保证。
2.4网络定位技术
利用网络信息的交互性，能够对用户某一目标的位置进行通知请求，从而使用户的需求得到满足。而使用GPS技术，可以实现目标位置的精准定位。但就目前来看，只有拥有专门客户端的少数用户才能使用该技术。而不同于传统定位技术，无线传感器网络的成本较低，并且具有较高的定位精度。在该网络中，可以利用测距定位算法和非测距定位算法进行目标位置定位，从而帮助用户找到想要的目标物。其中，测距定位算法精度较高，但是成本相对较大。而非测距定位算法成本较低，但精确度也较低。
2.5数据融合技术
作为功能性较强的网络，无线传感器网络不仅需要完成数据传输，同时也需要进行数据的融合、压缩和控制。而通过节点配置，可以使网络能量和宽带等资源得到有效分配，从而为数据融合提供更多的保障。在物联网中，利用无线传感器网络可以对不同应用场景和控制对象的不同节点的传输数据进行融合，以以便使数据满足网络运行要求。而利用节点对数据进行融合，并且将多余信息删除，则能够使数据传输的通畅性得到提高。
结论：总而言之，在物联网中进行无线传感器网络的应用，可以为物联网的运行和发展提供更多的保障。因此，相信随着无线传感器网络技术的不断发展，该技术将能在物联网中得到广泛的应用，从而在确保物联网数据传输安全的同时，提高物联网资源的利用效率。
参考文献
