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無線傳感器網絡的結構與特點分析

2017年06月07日 10:38 鼎酷IOT部落 作者:佚名 用戶評論(0

隨著社會和現(xiàn)代技術發(fā)展,物聯(lián)網超然而至,得到了很多國家和人民的關注。物聯(lián)網是基于現(xiàn)有的互聯(lián)網發(fā)展起來的,它除了融合網絡RFID技術、信息技術之外,還引入了無線傳感器技術,使得M2M型物聯(lián)網有了更深的發(fā)展,而且無線傳感器技術結合了嵌入式系統(tǒng)技術、傳感器技術、現(xiàn)代網絡以及無線通信技術,所以它本身也是一個熱點的研究領域。

今天我們就來了解下無線傳感器網絡。

無線傳感器網絡(WSN)是一種分布式傳感網絡,它的末梢是可以感知和檢查外部世界的傳感器。WSN中的傳感器通過無線方式通信,因此網絡設置靈活,設備位置可以隨時更改,還可以跟互聯(lián)網進行有線或無線方式的連接。通過無線通信方式形成的一個多跳自組織的網絡。

【無線傳感器網絡結構】

無線傳感器網絡系統(tǒng)通常包括傳感器節(jié)點(Sensor node)、匯聚節(jié)點(Sink node)和管理節(jié)點。

大量傳感器節(jié)點隨機部署在監(jiān)測區(qū)域內部或附近,能夠通過自組織方式構成網絡。傳感器節(jié)點檢測的數(shù)據(jù)沿著其他傳感器節(jié)點逐條地進行傳輸,在傳輸過程中檢測數(shù)據(jù)可能被多個節(jié)點處理,經過多跳后路由到匯聚節(jié)點,最后通過互聯(lián)網或衛(wèi)星到達管理節(jié)點。用戶通過管理節(jié)點對傳感器網絡進行配置和管理,發(fā)布監(jiān)測數(shù)據(jù)。

傳感器網絡

處理能力、存儲能力和通信能力較弱,通過小容量電池供電。從網絡功能上看,每個傳感器節(jié)點除了進行本地信息收集和數(shù)據(jù)處理外,還要對其他節(jié)點轉發(fā)來的數(shù)據(jù)進行存儲、管理和融合,并與其他節(jié)點協(xié)作完成一些特定任務。

匯聚節(jié)點

匯聚節(jié)點的處理能力、存儲能力和通信能力相對較強,它是連接傳感器網絡與Internet外部網絡的網關,實現(xiàn)兩種協(xié)議間的轉換,同時向傳感器節(jié)點發(fā)布來自管理節(jié)點的監(jiān)測任務,并把WSN收集到的數(shù)據(jù)轉發(fā)到外部網絡上。

管理節(jié)點

管理節(jié)點用于動態(tài)地管理整個無線傳感器網絡。傳感器網絡的所有者通過管理節(jié)點訪問無線傳感器網絡的資源。

【無線傳感器網絡主要特點】

大規(guī)模

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

傳感器網絡的大規(guī)模性具有如下優(yōu)點:通過不同空間視角獲得的信息具有更大的信噪比;通過分布式處理大量的采集信息能夠提高監(jiān)測的精確度,降低對單個節(jié)點傳感器的精度要求;大量冗余節(jié)點的存在,使得系統(tǒng)具有很強的容錯性能;大量節(jié)點能夠增大覆蓋的監(jiān)測區(qū)域,減少洞穴或者盲區(qū)。

自組織

在傳感器網絡應用中,通常情況下傳感器節(jié)點被放置在沒有基礎結構的地方,傳感器節(jié)點的位置不能預先精確設定,節(jié)點之間的相互鄰居關系預先也不知道,如通過飛機播撒大量傳感器節(jié)點到面積廣闊的原始森林中,或隨意放置到人不可到達或危險的區(qū)域。這樣就要求傳感器節(jié)點具有自組織的能力,能夠自動進行配置和管理,通過拓撲控制機制和網絡協(xié)議自動形成轉發(fā)監(jiān)測數(shù)據(jù)的多跳無線網絡系統(tǒng)。

在傳感器網絡使用過程中,部分傳感器節(jié)點由于能量耗盡或環(huán)境因素造成失效,也有一些節(jié)點為了彌補失效節(jié)點、增加監(jiān)測精度而補充到網絡中,這樣在傳感器網絡中的節(jié)點個數(shù)就動態(tài)地增加或減少,從而使網絡的拓撲結構隨之動態(tài)地變化。傳感器網絡的自組織性要能夠適應這種網絡拓撲結構的動態(tài)變化。

動態(tài)性

傳感器網絡的拓撲結構可能因為下列因素而改變:①環(huán)境因素或電能耗盡造成的傳感器節(jié)點故障或失效;②環(huán)境條件變化可能造成無線通信鏈路帶寬變化,甚至時斷時通;③傳感器網絡的傳感器、感知對象和觀察者這三要素都可能具有移動性;④新節(jié)點的加入。這就要求傳感器網絡系統(tǒng)要能夠適應這種變化,具有動態(tài)的系統(tǒng)可重構性。

可靠性

WSN特別適合部署在惡劣環(huán)境或人類不宜到達的區(qū)域,節(jié)點可能工作在露天環(huán)境中,遭受日曬、風吹、雨淋,甚至遭到人或動物的破壞。傳感器節(jié)點往往采用隨機部署,如通過飛機撒播或發(fā)射炮彈到指定區(qū)域進行部署。這些都要求傳感器節(jié)點非常堅固,不易損壞,適應各種惡劣環(huán)境條件。

由于監(jiān)測區(qū)域環(huán)境的限制以及傳感器節(jié)點數(shù)目巨大,不可能人工“照顧”每個傳感器節(jié)點,網絡的維護十分困難甚至不可維護。傳感器網絡的通信保密性和安全性也十分重要,要防止監(jiān)測數(shù)據(jù)被盜取和獲取偽造的監(jiān)測信息。因此,傳感器網絡的軟硬件必須具有魯棒性和容錯性。

以數(shù)據(jù)為中心

互聯(lián)網是先有計算機終端系統(tǒng),然后再互聯(lián)成為網絡,終端系統(tǒng)可以脫離網絡獨立存在。在互聯(lián)網中,網絡設備用網絡中惟一的IP地址標識,資源定位和信息傳輸依賴于終端、路由器、服務器等網絡設備的IP地址。如果想訪問互聯(lián)網中的資源,首先要知道存放資源的服務器IP地址。可以說現(xiàn)有的互聯(lián)網是一個以地址為中心的網絡。

傳感器網絡是任務型的網絡,脫離傳感器網絡談論傳感器節(jié)點沒有任何意義。傳感器網絡中的節(jié)點采用節(jié)點編號標識,節(jié)點編號是否需要全網惟一取決于網絡通信協(xié)議的設計。由于傳感器節(jié)點隨機部署,構成的傳感器網絡與節(jié)點編號之間的關系是完全動態(tài)的,表現(xiàn)為節(jié)點編號與節(jié)點位置沒有必然聯(lián)系。用戶使用傳感器網絡查詢事件時,直接將所關心的事件通告給網絡,而不是通告給某個確定編號的節(jié)點。網絡在獲得指定事件的信息后匯報給用戶。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言交流的習慣。所以通常說傳感器網絡是一個以數(shù)據(jù)為中心的網絡。

例如,在應用于目標跟蹤的傳感器網絡中,跟蹤目標可能出現(xiàn)在任何地方,對目標感興趣的用戶只關心目標出現(xiàn)的位置和時間,并不關心哪個節(jié)點監(jiān)測到目標。事實上,在目標移動的過程中,必然是由不同的節(jié)點提供目標的位置消息。

【無線傳感器網絡安全問題】

安全路由

通常,在無線傳感器網絡中,大量的傳感器節(jié)點密集分布在一個區(qū)域內,消息可能需要經過若干節(jié)點才能到達目的地,而且傳感器網絡具有動態(tài)性和多跳結構,要求每個節(jié)點都應具備路由功能。由于每個節(jié)點都是潛在的路由節(jié)點,因此更易受到攻擊,使網絡不安全。網絡層路由協(xié)議認為整個無線傳感器網絡提供了關鍵的路由服務,安全的路由算法會直接影響無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證、多路徑路由、身份認真、雙向連接認證和認證廣播等機制,有效提高網絡抵御外部攻擊的能力,增強路由的安全性。

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:無線傳感器網絡有諸多限制,例如節(jié)點能力限制,使其只能使用對稱密匙和技術;電源能力限制,應使其在無線傳感器網絡中盡量減少通信,因為通信的耗電將大于計算的耗電;傳感器網絡還應考慮匯聚等減少數(shù)據(jù)冗余的問題。在部署節(jié)點錢,將密匙先配置在節(jié)點中,通常,預配置的密匙方案通過預存的秘密信息計算會話密匙,由于節(jié)點存儲和能量的限制,預配置密匙管理方案必須節(jié)省存儲空間和減少通信開銷。

安全傳播:無線傳感器網絡可能設置在敵對環(huán)境中,為了防止供給者向網絡注入偽造信息,需要在無線傳感器網絡中實現(xiàn)基于源端認證的安全組播。

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( 發(fā)表人:方泓翔 )

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