詳解無線傳感器網(wǎng)絡的結構和技術要點

隨著社會和現(xiàn)代技術發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)超然而至，得到了很多國家和人民的關注。物聯(lián)網(wǎng)是基于現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展起來的，它除了融合網(wǎng)絡、RFID技術、信息技術之外，還引入了無線，使得M2M型物聯(lián)網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)絡。

無線傳感器網(wǎng)絡（WSN）是一種分布式傳感網(wǎng)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(wǎng)絡設置靈活，設備位置可以隨時更改，還可以跟互聯(lián)網(wǎng)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(wǎng)絡。

無線傳感器網(wǎng)絡結構

無線傳感器網(wǎng)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(nèi)部或附近，能夠通過自組織方式構成網(wǎng)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(jīng)過多跳后路由到匯聚節(jié)點，最后通過互聯(lián)網(wǎng)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(wǎng)絡進行配置和管理，發(fā)布監(jiān)測數(shù)據(jù)。

傳感器網(wǎng)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(wǎng)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(zhuǎn)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(wǎng)絡與Internet外部網(wǎng)絡的網(wǎng)關，實現(xiàn)兩種協(xié)議間的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)發(fā)到外部網(wǎng)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(wǎng)絡。傳感器網(wǎng)絡的所有者通過管理節(jié)點訪問無線傳感器網(wǎng)絡的資源。

無線傳感器網(wǎng)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(wǎng)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(nèi)，如在原始大森林采用傳感器網(wǎng)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(nèi)，密集部署了大量的傳感器節(jié)點。

傳感器網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)絡協(xié)議自動形成轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)測數(shù)據(jù)的多跳無線網(wǎng)絡系統(tǒng)。

在傳感器網(wǎng)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(wǎng)絡中，這樣在傳感器網(wǎng)絡中的節(jié)點個數(shù)就動態(tài)地增加或減少，從而使網(wǎng)絡的拓撲結構隨之動態(tài)地變化。傳感器網(wǎng)絡的自組織性要能夠適應這種網(wǎng)絡拓撲結構的動態(tài)變化。

動態(tài)性

網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)絡的維護十分困難甚至不可維護。傳感器網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)是先有計算機終端系統(tǒng)，然后再互聯(lián)成為網(wǎng)絡，終端系統(tǒng)可以脫離網(wǎng)絡獨立存在。在互聯(lián)網(wǎng)中，網(wǎng)絡設備用網(wǎng)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(wǎng)絡設備的IP地址。如果想訪問互聯(lián)網(wǎng)中的資源，首先要知道存放資源的服務器IP地址?？梢哉f現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)是一個以地址為中心的網(wǎng)絡。

傳感器網(wǎng)絡是任務型的網(wǎng)絡，脫離傳感器網(wǎng)絡談論傳感器節(jié)點沒有任何意義。傳感器網(wǎng)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(wǎng)惟一取決于網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)絡查詢事件時，直接將所關心的事件通告給網(wǎng)絡，而不是通告給某個確定編號的節(jié)點。網(wǎng)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(wǎng)絡是一個以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡。

例如，在應用于目標跟蹤的傳感器網(wǎng)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(wǎng)絡安全問題

安全路由

通常，在無線傳感器網(wǎng)絡中，大量的傳感器節(jié)點密集分布在一個區(qū)域內(nèi)，消息可能需要經(jīng)過若干節(jié)點才能到達目的地，而且傳感器網(wǎng)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(wǎng)絡不安全。網(wǎng)絡層路由協(xié)議認為整個無線傳感器網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)絡可能設置在敵對環(huán)境中，為了防止供給者向網(wǎng)絡注入偽造信息，需要在無線傳感器網(wǎng)絡中實現(xiàn)基于源端認證的安全組播。