詳解無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和技術(shù)要點(diǎn)

隨著社會(huì)和現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)超然而至，得到了很多國(guó)家和人民的關(guān)注。物聯(lián)網(wǎng)是基于現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展起來(lái)的，它除了融合網(wǎng)絡(luò)、RFID技術(shù)、信息技術(shù)之外，還引入了無(wú)線，使得M2M型物聯(lián)網(wǎng)有了更深的發(fā)展，而且無(wú)線傳感器技術(shù)結(jié)合了嵌入式系統(tǒng)技術(shù)、傳感器技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)以及無(wú)線通信技術(shù)，所以它本身也是一個(gè)熱點(diǎn)的研究領(lǐng)域。今天我們就來(lái)了解下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）是一種分布式傳感網(wǎng)絡(luò)，它的末梢是可以感知和檢查外部世界的傳感器。WSN中的傳感器通過(guò)無(wú)線方式通信，因此網(wǎng)絡(luò)設(shè)置靈活，設(shè)備位置可以隨時(shí)更改，還可以跟互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行有線或無(wú)線方式的連接。通過(guò)無(wú)線通信方式形成的一個(gè)多跳自組織的網(wǎng)絡(luò)。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通常包括傳感器節(jié)點(diǎn)（Sensor node）、匯聚節(jié)點(diǎn)（Sink node）和管理節(jié)點(diǎn)。

大量傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)部或附近，能夠通過(guò)自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點(diǎn)檢測(cè)的數(shù)據(jù)沿著其他傳感器節(jié)點(diǎn)逐條地進(jìn)行傳輸，在傳輸過(guò)程中檢測(cè)數(shù)據(jù)可能被多個(gè)節(jié)點(diǎn)處理，經(jīng)過(guò)多跳后路由到匯聚節(jié)點(diǎn)，最后通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星到達(dá)管理節(jié)點(diǎn)。用戶通過(guò)管理節(jié)點(diǎn)對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置和管理，發(fā)布監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

傳感器網(wǎng)絡(luò)

處理能力、存儲(chǔ)能力和通信能力較弱，通過(guò)小容量電池供電。從網(wǎng)絡(luò)功能上看，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)除了進(jìn)行本地信息收集和數(shù)據(jù)處理外，還要對(duì)其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、管理和融合，并與其他節(jié)點(diǎn)協(xié)作完成一些特定任務(wù)。

匯聚節(jié)點(diǎn)

匯聚節(jié)點(diǎn)的處理能力、存儲(chǔ)能力和通信能力相對(duì)較強(qiáng)，它是連接傳感器網(wǎng)絡(luò)與Internet外部網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)兩種協(xié)議間的轉(zhuǎn)換，同時(shí)向傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)布來(lái)自管理節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)任務(wù)，并把WSN收集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到外部網(wǎng)絡(luò)上。

管理節(jié)點(diǎn)

管理節(jié)點(diǎn)用于動(dòng)態(tài)地管理整個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。傳感器網(wǎng)絡(luò)的所有者通過(guò)管理節(jié)點(diǎn)訪問(wèn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的資源。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要特點(diǎn)

大規(guī)模

為了獲取精確信息，在監(jiān)測(cè)區(qū)域通常部署大量傳感器節(jié)點(diǎn)，可能達(dá)到成千上萬(wàn)，甚至更多。傳感器網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模性包括兩方面的含義：一方面是傳感器節(jié)點(diǎn)分布在很大的地理區(qū)域內(nèi)，如在原始大森林采用傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行森林防火和環(huán)境監(jiān)測(cè)，需要部署大量的傳感器節(jié)點(diǎn)；另一方面，傳感器節(jié)點(diǎn)部署很密集，在面積較小的空間內(nèi)，密集部署了大量的傳感器節(jié)點(diǎn)。

傳感器網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模性具有如下優(yōu)點(diǎn)：通過(guò)不同空間視角獲得的信息具有更大的信噪比；通過(guò)分布式處理大量的采集信息能夠提高監(jiān)測(cè)的精確度，降低對(duì)單個(gè)節(jié)點(diǎn)傳感器的精度要求；大量冗余節(jié)點(diǎn)的存在，使得系統(tǒng)具有很強(qiáng)的容錯(cuò)性能；大量節(jié)點(diǎn)能夠增大覆蓋的監(jiān)測(cè)區(qū)域，減少洞穴或者盲區(qū)。

自組織

在傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，通常情況下傳感器節(jié)點(diǎn)被放置在沒(méi)有基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的地方，傳感器節(jié)點(diǎn)的位置不能預(yù)先精確設(shè)定，節(jié)點(diǎn)之間的相互鄰居關(guān)系預(yù)先也不知道，如通過(guò)飛機(jī)播撒大量傳感器節(jié)點(diǎn)到面積廣闊的原始森林中，或隨意放置到人不可到達(dá)或危險(xiǎn)的區(qū)域。這樣就要求傳感器節(jié)點(diǎn)具有自組織的能力，能夠自動(dòng)進(jìn)行配置和管理，通過(guò)拓?fù)淇刂茩C(jī)制和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議自動(dòng)形成轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

在傳感器網(wǎng)絡(luò)使用過(guò)程中，部分傳感器節(jié)點(diǎn)由于能量耗盡或環(huán)境因素造成失效，也有一些節(jié)點(diǎn)為了彌補(bǔ)失效節(jié)點(diǎn)、增加監(jiān)測(cè)精度而補(bǔ)充到網(wǎng)絡(luò)中，這樣在傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)就動(dòng)態(tài)地增加或減少，從而使網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨之動(dòng)態(tài)地變化。傳感器網(wǎng)絡(luò)的自組織性要能夠適應(yīng)這種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化。

動(dòng)態(tài)性

網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可能因?yàn)橄铝幸蛩囟淖儯?/p>

①環(huán)境因素或電能耗盡造成的傳感器節(jié)點(diǎn)故障或失效；

②環(huán)境條件變化可能造成無(wú)線通信鏈路帶寬變化，甚至?xí)r斷時(shí)通；

③傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器、感知對(duì)象和觀察者這三要素都可能具有移動(dòng)性；

④新節(jié)點(diǎn)的加入。這就要求傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)要能夠適應(yīng)這種變化，具有動(dòng)態(tài)的系統(tǒng)可重構(gòu)性。

可靠性

WSN特別適合部署在惡劣環(huán)境或人類不宜到達(dá)的區(qū)域，節(jié)點(diǎn)可能工作在露天環(huán)境中，遭受日曬、風(fēng)吹、雨淋，甚至遭到人或動(dòng)物的破壞。傳感器節(jié)點(diǎn)往往采用隨機(jī)部署，如通過(guò)飛機(jī)撒播或發(fā)射炮彈到指定區(qū)域進(jìn)行部署。這些都要求傳感器節(jié)點(diǎn)非常堅(jiān)固，不易損壞，適應(yīng)各種惡劣環(huán)境條件。

由于監(jiān)測(cè)區(qū)域環(huán)境的限制以及傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)目巨大，不可能人工“照顧”每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)十分困難甚至不可維護(hù)。傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信保密性和安全性也十分重要，要防止監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)被盜取和獲取偽造的監(jiān)測(cè)信息。因此，傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟硬件必須具有魯棒性和容錯(cuò)性。

以數(shù)據(jù)為中心

互聯(lián)網(wǎng)是先有計(jì)算機(jī)終端系統(tǒng)，然后再互聯(lián)成為網(wǎng)絡(luò)，終端系統(tǒng)可以脫離網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立存在。在互聯(lián)網(wǎng)中，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備用網(wǎng)絡(luò)中惟一的IP地址標(biāo)識(shí)，資源定位和信息傳輸依賴于終端、路由器、服務(wù)器等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的IP地址。如果想訪問(wèn)互聯(lián)網(wǎng)中的資源，首先要知道存放資源的服務(wù)器IP地址?？梢哉f(shuō)現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)以地址為中心的網(wǎng)絡(luò)。

傳感器網(wǎng)絡(luò)是任務(wù)型的網(wǎng)絡(luò)，脫離傳感器網(wǎng)絡(luò)談?wù)搨鞲衅鞴?jié)點(diǎn)沒(méi)有任何意義。傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)采用節(jié)點(diǎn)編號(hào)標(biāo)識(shí)，節(jié)點(diǎn)編號(hào)是否需要全網(wǎng)惟一取決于網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的設(shè)計(jì)。由于傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署，構(gòu)成的傳感器網(wǎng)絡(luò)與節(jié)點(diǎn)編號(hào)之間的關(guān)系是完全動(dòng)態(tài)的，表現(xiàn)為節(jié)點(diǎn)編號(hào)與節(jié)點(diǎn)位置沒(méi)有必然聯(lián)系。用戶使用傳感器網(wǎng)絡(luò)查詢事件時(shí)，直接將所關(guān)心的事件通告給網(wǎng)絡(luò)，而不是通告給某個(gè)確定編號(hào)的節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)在獲得指定事件的信息后匯報(bào)給用戶。這種以數(shù)據(jù)本身作為查詢或傳輸線索的思想更接近于自然語(yǔ)言交流的習(xí)慣。所以通常說(shuō)傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)。

例如，在應(yīng)用于目標(biāo)跟蹤的傳感器網(wǎng)絡(luò)中，跟蹤目標(biāo)可能出現(xiàn)在任何地方，對(duì)目標(biāo)感興趣的用戶只關(guān)心目標(biāo)出現(xiàn)的位置和時(shí)間，并不關(guān)心哪個(gè)節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到目標(biāo)。事實(shí)上，在目標(biāo)移動(dòng)的過(guò)程中，必然是由不同的節(jié)點(diǎn)提供目標(biāo)的位置消息。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題

安全路由

通常，在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，大量的傳感器節(jié)點(diǎn)密集分布在一個(gè)區(qū)域內(nèi)，消息可能需要經(jīng)過(guò)若干節(jié)點(diǎn)才能到達(dá)目的地，而且傳感器網(wǎng)絡(luò)具有動(dòng)態(tài)性和多跳結(jié)構(gòu)，要求每個(gè)節(jié)點(diǎn)都應(yīng)具備路由功能。由于每個(gè)節(jié)點(diǎn)都是潛在的路由節(jié)點(diǎn)，因此更易受到攻擊，使網(wǎng)絡(luò)不安全。網(wǎng)絡(luò)層路由協(xié)議認(rèn)為整個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)提供了關(guān)鍵的路由服務(wù)，安全的路由算法會(huì)直接影響無(wú)線傳感器的安全性和可用性。安全路由協(xié)議一般采用鏈路層加密和認(rèn)證、多路徑路由、身份認(rèn)真、雙向連接認(rèn)證和認(rèn)證廣播等機(jī)制，有效提高網(wǎng)絡(luò)抵御外部攻擊的能力，增強(qiáng)路由的安全性。

安全協(xié)議

在安全保障方面主要有密匙管理和安全組播兩種方式。

密匙管理：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)有諸多限制，例如節(jié)點(diǎn)能力限制，使其只能使用對(duì)稱密匙和技術(shù)；電源能力限制，應(yīng)使其在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中盡量減少通信，因?yàn)橥ㄐ诺暮碾妼⒋笥谟?jì)算的耗電；傳感器網(wǎng)絡(luò)還應(yīng)考慮匯聚等減少數(shù)據(jù)冗余的問(wèn)題。在部署節(jié)點(diǎn)錢，將密匙先配置在節(jié)點(diǎn)中，通常，預(yù)配置的密匙方案通過(guò)預(yù)存的秘密信息計(jì)算會(huì)話密匙，由于節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)和能量的限制，預(yù)配置密匙管理方案必須節(jié)省存儲(chǔ)空間和減少通信開(kāi)銷。

安全傳播：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可能設(shè)置在敵對(duì)環(huán)境中，為了防止供給者向網(wǎng)絡(luò)注入偽造信息，需要在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)基于源端認(rèn)證的安全組播。