无线传感器网络课件 第四章.ppt

1、1,第4章,传感器网络的支撑技术,2,传感器网络用户的使用目的千变万化，作为网络终端节点的功能归根结底就是传感、探测、感知，用来收集应用相关的数据信号。为实现用户的功能，除要设计通信与组网技术以外，还要实现保证网络用户功能的正常运行所需的其它基础性技术。,3,应用层的基础性技术是支撑传感器网络完成任务的关键，包括时间同步机制、定位技术、数据融合、能量管理和安全机制等。,4,4.1 时间同步机制,4.1.1 传感器网络的时间同步机制,1、传感器网络时间同步的意义,无线传感器网络的同步管理主要是指时间上的同步管理。,5,传感器网络时间同步的意义,在分布式的无线传感器网络应用中，每个传感器节点都有自

2、己的本地时钟。不同节点的晶体振荡器频率存在偏差，以及湿度和电磁波的干扰等都会造成网络节点之间的运行时间偏差。,6,传感器网络时间同步的意义,有时传感器网络的单个节点的能力有限，或者某些应用的需要，使得整个系统所要实现的功能要求网络内所有节点相互配合来共同完成；分布式系统的协同工作需要节点间的时间同步，时间同步机制是分布式系统基础框架的一个关键机制。,7,分布式系统中的时间同步分类：“物理时间”和“逻辑时间”物理时间：表示人类社会使用的绝对时间； 逻辑时间：体现了事件发生的顺序关系，是一个相对概念。分布式系统通常需要一个表示整个系统时间的全局时间。全局时间根据需要可以是物理时间或逻辑时间。,8,

3、传感器网络时间同步机制的意义和作用,传感器节点需要彼此协作，去完成复杂的监测和感知任务。数据融合是协作操作的典型例子，不同的节点采集的数据最终融合形成了一个有意义的结果。,9,传感器网络时间同步机制的意义和作用,传感器网络的一些节能方案是利用时间同步来实现的。如休眠/唤醒机制，同步机制为本地时钟提供相同的时钟基准。,10,应用中的同步机制,枪声定位系统,11,2、时间同步协议的特点,结点造价低，体积小，不安装同步器件，价格和体积是传感器网络时间同步主要限制条件。结点无人值守，有限能量，侦听通信会消耗能量，运行同步协议需考虑消耗的能量。现有网络的时间同步机制关注于最小化同步误差来达到最大的同步精

4、度方面，很少考虑计算和通信的开销及能量消耗。,12,网络时间协议(NTP),广泛使用在因特网，精度高、鲁棒性好和易扩展，传感器网络中难以运行，原因如下：(1)NTP协议假定网络链路失效的概率很小，而传感器网络中无线链路通信质量受环境影响较大，甚至时常通信中断。(2)NTP协议的网络结构相对稳定，便于为不同位置的结点手工配置时间服务器列表，传感器网络的拓扑结构动态变化，简单的静态手工配置无法适应这种变化。,13,(3)NTP协议中时间基准服务器间的同步无法通过网络自身来实现，需其他基础设施的协助，如GPS等，传感器网络的应用中无法满足。(4)NTP协议需频繁交换信息，来不断校准时钟频率偏差带来的

5、误差，通过复杂的修正算法，消除时间同步消息在传输和处理过程中的非确定因素干扰，CPU使用、信道侦听和占用都不受任何约束，而传感器网络存在资源约束，必须考虑能量消耗。,14,GPS能以纳秒级精度保持同步，但代价较高，同时在室内、森林或水下等有障碍的环境中无法使用。传感器网络在能量、价格和体积等约束，使得NTP、GPS等现有时间同步机制并不适用于通常的传感器网络，需要专门的时间同步协议才能正常运行和实用化。,15,较成熟的传感器网络时间同步协议,RBS、TINY/MINI-SYNC、TPSN。 RBS同步协议的基本思想：多个节点接收同一个同步信号，然后多个收到同步信号的节点之间进行同步。该算法消除

6、了同步信号发送一方的时间不确定性。 优点：时间同步与MAC层协议分离，实现不受限于应用层是否可以获得MAC层时戳，协议的互操作性较好。缺点：协议开销大。,16,TinyMini-Sync,简单的轻量级时间同步机制，算法假设结点的时钟漂移遵循线性变化，两个结点之间的时间偏移也是线性的；通过交换时标分组来估计两个结点间的最优匹配偏移量；为降低算法的复杂度，通过约束条件丢弃冗余分组。,17,TPSN时间同步协议,采用层次结构，实现网络结点的时间同步；所有结点按照层次结构进行逻辑分级，表示结点到根结点的距离；通过基于发送者接收者的结点对方式，每个结点与上一级的一个结点进行同步，从而最终所有结点都与根结

7、点实现时间同步。,18,4.1.2 TPSN时间同步协议,传感器网络TPSN时间同步协议类似于传统网络的NTP协议，目的是提供传感器网络全网范围内节点间的时间同步。在网络中有一个与外界可以通信，从而获取外部时间，这种节点称为根节点。根节点可装配诸如GPS接收机这样的复杂硬件部件，并作为整个网络系统的时钟源。,19,TPSN协议采用层次型网络结构，首先将所有节点按照层次结构进行分级；然后每个节点与上一级的一个节点进行时间同步，最终所有节点都与根节点时间同步；节点对之间的时间同步是基于发送者-接收者的同步机制。,20,1、TPSN协议的操作过程,前提条件： 假设每个传感器结点都有唯一的标识号ID；

8、结点间的无线通信链路是双向的，通过双向的消息交换实现结点间的时间同步；将整个网络内所有结点按照层次结构进行管理，负责生成和维护层次结构。,21,1、TPSN协议的操作过程,TPSN协议包括两个阶段：第一个阶段生成层次结构，每个节点赋予一个级别，根节点赋予最高级别第0级，第i级的节点至少能够与一个第（i1）级的节点通信；第二个阶段实现所有树节点的时间同步，第1级节点同步到根节点，第i级的节点同步到第（i1）级的一个节点，最终所有节点都同步到根节点，实现整个网络的时间同步。,22,（1）层次发现阶段,网络部署后，根结点广播“级别发现”分组，启动层次发现阶段，级别发现分组包含发送结点的ID和级别；根

9、结点的邻居结点收到根结点发送的分组后，将自己的级别设置为分组中的级别加1，即为第1级，建立它们自己的级别，然后广播新的级别发现分组，其中包含的级别为1；,23,（1）层次发现阶段,结点收到第i级结点的广播分组后，记录发送这个广播分组的结点ID，设置向身级别为(i+1)，广播级别设置为(i+1)的分组；过程持续进行，直到网络内的每个结点都赋予一个级别；结点一旦建立自己的级别，就忽略任何其他级别的发现分组，以防止网络产生洪泛拥塞。,24,（2）同步阶段,层次结构建立后，根结点通过广播时间同步分组启动同步阶段；第1级结点收到该分组后，各分别等待一段随机时间，与根结点交换消息同步到根结点；第2级结点侦

10、听到第1级结点的交换消息后，后退和等待一段随机时间，并与在层次发现阶段记录的第1个级别的结点交换消息进行同步；,25,（2）同步阶段,等待一段时间的目的是保证第2级结点在第1级结点时间同步完成后才启动消息交换；最后每个结点与层次结构中最靠近的上一级结点进行同步，从而所有结点都同步到根结点。,26,2、相邻级别节点间的同步机制,邻近级别的两个节点对间通过交换两个消息实现时间同步。,27,假设条件：,结点S属第i级结点，R属于第(i-1)级结点；T1和T4：S本地时钟在不同时刻测量的时间；T2和T3：R本地时钟在不同时刻测量的时间；：两个结点之间的时间偏差；D：消息的传播时延，假设往返延迟相同。,

11、28,S在T1时间发送同步请求分组给节点R，分组中包含S的级别和T1时间。R在T2时间收到分组， ，然后在T3时间发送应答分组给节点S，分组中包含节点R的级别和T1、T2和T3信息。节点S在T4时间收到应答，,29,节点S在计算时间偏差之后，将它的时间同步到节点R。,可得：,30,在发送时间、访问时间、传播时间和接收时间四个消息延迟组成部分中，访问时间往往是无线传输消息时延中最具不确定性的因素；为提高两个结点间的时间同步精度，TPSN协议在MAC层消息开始发送到无线信道的时刻，才给同步消息加上时标，消除访问时间带来的时间同步误差。,31,TPSN协议能够实现全网范围内结点间的时间同步，同步误差

12、与跳数距离成正比增长；它实现短期间的全网结点时间同步，如果需要长时间的全网结点时间同步，则需要周期性执行TPSN协议进行重同步，两次时间同步的时间间隔根据具体应用确定。,32,4.1.3 时间同步的应用示例,这里介绍一个例子，说明磁阻传感器网络对机动车辆进行测速，为了实现这个用途，网络必须先完成时间同步。由于对机动车辆的测速需要两个探测传感器节点的协同合作，测速算法提取车辆经过每个节点的磁感应信号的脉冲峰值，并记录时间。如果将两个节点之间的距离d除以两个峰值之间的时差t，就可以得出机动目标通过这一路段的速度(Vel):,33,4.2 定位技术,4.2.1 传感器网络节点定位问题,1、定位的含义

13、,在传感器网络的很多应用问题中，没有节点位置信息的监测数据往往是没有意义的。无线传感器网络定位问题的含义是指自组织的网络通过特定方法提供节点的位置信息。,34,自组织网络定位分为节点自身定位和目标定位。节点自身定位是确定网络节点的坐标位置的过程。目标定位是确定网络覆盖区域内一个事件或者一个目标的坐标位置。,35,节点自身定位是网络自身属性的确定过程，可以通过人工标定或者各种节点自定位算法完成。目标定位是以位置已知的网络节点作为参考，确定事件或者目标在网络覆盖范围内所在的位置。,36,位置信息有多种分类方法。位置信息有物理位置和符号位置两大类。物理位置指目标在特定坐标系下的位置数值，表示目标的相

14、对或者绝对位置。符号位置指在目标与一个基站或者多个基站接近程度的信息，表示目标与基站之间的连通关系，提供目标大致的所在范围。,37,传感器网络的定位方法分类：,(1) 根据是否依靠测量距离，分为基于测距的定位和不需要测距的定位；(2) 根据部署的场合不同，分为室内定位和室外定位；(3) 根据信息收集的方式，网络收集传感器数据称为被动定位，节点主动发出信息，用于定位称为主动定位。,38,2、基本术语,(1) 锚点：指通过其它方式预先获得位置坐标的节点，有时也称作信标节点。网络中相应的其余节点称为非锚点。(2) 测距：指两个相互通信的节点通过测量方式来估计出彼此之间的距离或角度。,39,(3) 连

15、接度：包括节点连接度和网络连接度两种含义。节点连接度：节点可探测发现的邻居节点个数。网络连接度：所有节点的邻居数目的平均值，它反映了传感器配置的密集程度。(4) 邻居节点：传感器节点通信半径范围以内的所有其它节点，称为该节点的邻居节点。,40,(5) 跳数：两个节点之间间隔的跳段总数，称为这两个节点间的跳数。(6) 基础设施：协助传感器节点定位的已知自身位置的固定设备，如卫星、基站等。,41,(7) 到达时间：信号从一个节点传播到另一个节点所需要的时间，称为信号到达时间。(8) 到达时间差(TDoA)：两种不同传播速度的信号从一个节点传播到另一个节点所需要的时间之差，称为信号的到达时间差。,4

16、2,(9) 接收信号强度指示(RSSI)：节点接收到无线信号的强度大小，称为接收信号的强度指示。 (10) 到达角度(Angle of Arrival, AoA)：节点接收到的信号相对于自身轴线的角度，称为信号相对接收节点的到达角度。,43,(11) 视线关系(Line of Sight, LoS)：如果传感器网络的两个节点之间没有障碍物，能够实现直接通信，则这两个节点间存在视线关系。(12) 非视线关系：传感器网络的两个节点之间存在障碍物，影响了它们直接的无线通信。,44,3、定位性能的评价指标,衡量定位性能有多个指标，除了一般性的位置精度指标以外；对于资源受到限制的传感器网络，还有覆盖范围

17、、刷新速度和功耗等其它指标。,45,位置精度是定位系统最重要的指标，精度越高，则技术要求越严，成本也越高。定位精度指提供的位置信息的精确程度，它分为相对精度和绝对精度。绝对精度：以长度为单位度量的精度。相对精度：以节点之间距离的百分比。,46,设节点i的估计坐标与真实坐标在二维情况下的距离差值为di，则N个未知位置节点的网络平均定位误差为：,47,覆盖范围和位置精度是一对矛盾性的指标。刷新速度是指提供位置信息的频率。功耗是传感器网络设计的一项重要指标，对于定位这项服务功能，人们需要计算为此所消耗的能量。定位实时性更多的是体现在对动态目标的位置跟踪。,48,4、定位系统的设计要点,设计定位系统时

18、，根据性能指标，在众多方案中选择能够满足要求的最优算法，采取适宜的技术手段来完成定位系统的实现。设计一个定位系统需要考虑两个主要因素，即定位机制的物理特性和定位算法。,49,4.2.2 基于测距的定位技术,基于测距的定位技术是通过测量节点间的距离，根据几何关系计算出网络节点的位置。解析几何里有多种方法可确定一个点的位置。比较常用的方法是多边定位和角度定位。,50,1、测距方法,(1)接收信号强度指示(RSSI),RSSI测距的原理如下：接收机通过测量射频信号的能量来确定与发送机的距离。将无线信号的发射功率和接收功率之间的关系表述为下式：,51,1、测距方法,PR-无线信号的接收功率，PT-无线

19、信号的发射功率，r-收发单元之间的距离，n-传播因子，传播因子的数值大小取决于无线信号传播的环境。,52,无线信号接收强度指示与信号传播距离之间的关系,53,(2)到达时间/到达时间差(ToA/TDoA),通过测量传输时间来估算两节点之间距离，精度较好。ToA机制是已知信号的传播速度，根据信号的传播时间来计算节点间的距离。,54,(2)到达时间/到达时间差(ToA/TDoA),ToA测距原理的过程示例,55,TDoA的定位机制中，发射节点同时发射两种不同传播速度的无线信号，接收节点根据两种信号到达的时间差以及这两种信号的传播速度，计算节点间的距离。,56,发射节点同时发射无线射频信号和超声波信

20、号，接收节点记录下这两种信号的到达时间T1、T2已知无线射频信号和超声波的传播速度为c1、c2, 那么两点之间的距离为(T2-T1)*S，其中S=c1*c2/(c1-c2)。,57,(3)到达角(AoA),通过配备特殊天线来估测其它节点发射的无线信号的到达角度。AoA测距技术易受外界环境影响，需要额外硬件，它的硬件尺寸和功耗指标不适用于大规模的传感器网络，在某些应用领域可以发挥作用。,58,(3)到达角(AoA),59,2、多边定位,多边定位法基于距离测量(如RSSI、ToA/TDoA)的结果。确定二维坐标至少具有三个节点至锚点的距离值；确定三维坐标，则需四个此类测距值。,60,2、多边定位,

21、已知信标锚点A1，A2，A3，A4，的坐标依次分别为（x1，y1），（x2，y2），（x3，y3），（x4，y4），即各锚点位置为（ xi ， yi ） 。如果待定位节点的坐标为（x, y），并且已知它至各锚点的测距数值为d，可得下式，其中(x，y)为待求的未知坐标。,61,2、多边定位,62,将第前n-1个等式减去最后等式：,用矩阵和向量表达为形式Ax=b，其中：,63,根据最小均方估计的方法原理，求得解为： 当矩阵求逆不能计算时，该方法不适用，否则可成功得到位置估计 。从上述过程看出，这种定位方法本质上就是最小二乘估计。,64,3、Min-max定位方法,多边定位法的浮点运算量大，计算代价

22、高。Min-max定位是根据若干锚点位置和至待求节点的测距值，创建多个边界框；所有边界框的交集为一矩形，取此矩形的质心作为待定位节点的坐标。,65,3、Min-max定位方法,采用三个锚点进行定位的Minmax方法示例，即以某锚点i (i=1, 2, 3) 坐标( )为基础，加上或减去测距值 ，得到锚点i的边界框：,66,在所有位置点 中取最小值、所有 中取最大值，则交集矩形取作： 三个锚点共同形成交叉矩形，矩形质心即为所求节点的估计位置。,67,68,4.2.3 无需测距的定位技术,无需测距的定位技术不需要直接测量距离和角度信息。,1、质心算法,2、DV-Hop算法,69,4.2.4 定位系

23、统的典型应用,位置信息有很多用途，在某些应用中可以起到关键性的作用。定位技术的用途大体可分为导航、跟踪、虚拟现实、网络路由等。导航是定位最基本的应用，在军事上具有重要用途。除了导航以外，定位技术还有很多应用。例如，办公场所的物品、人员跟踪需要室内的精度定位。虚拟现实仿真系统中需实时定位物体的位置和方向。,70,4.3 数据融合,4.3.1 多传感器数据融合概述,各种传感器直接给出的信息称作源信息，如果传感器给出的信息是已经数字化的信息，就称作源数据，如果给出的是图像就是源图像。源信息是信息系统处理的对象。源信息、传感器与环境之间的关系：,71,消除噪声与干扰，实现对观测目标的连续跟踪和测量等一

24、系列问题的处理方法，就是多传感器数据融合技术，也称多传感器信息融合或多传感器融合；它是对多传感器信息进行处理的最关键技术，在军事和非军事领域的应用都非常广泛。,72,数据融合也称信息融合，是一种多源信息处理技术；通过对来自同一目标的多源数据进行优化合成，获得比单一信息源更精确、完整的估计或判决。,73,数据融合的定义,多传感器数据融合是一种多层次、多方面的处理过程；是对多源数据进行检测、互联、相关、估计和组合；以更高的精度、较高的置信度得到目标的状态估计和身份识别，以及完整的态势估计和威胁评估，为指挥员提供有用的决策信息。,74,三个要点,数据融合是多信源、多层次的处理过程，每个层次代表信息的

25、不同抽象程度；数据融合过程包括数据的检测、关联、估计与合并；数据融合的输出包括低层次上的状态身份估计和高层次上的战术态势的评估。,75,数据融合的主要内容,主要内容：多传感器的目标探测、数据关联、跟踪与识别、情况评估和预测。基本目的：通过融合得到比单独的各个输入数据更多的信息。这是协同作用的结果，即由于多传感器的共同作用，使系统的有效性得以增强。,76,4.3.2 传感器网络中数据融合的作用,数据融合的主要作用可归纳为以下几点：(1) 提高信息的准确性和全面性(2) 降低信息的不确定性(3) 提高系统的可靠性(4) 增加系统的实时性,77,传感器网络节点的资源十分有限，在收集信息的过程中，各节

26、点单独地直接传送数据到汇聚节点，则是不合适的，主要原因如下：(1) 浪费通信带宽和能量(2) 降低信息收集的效率,78,传感器网络中数据融合的主要作用(1) 节省整个网络的能量；(2) 增强所收集数据的准确性；(3) 提高收集数据的效率。,79,4.3.3 数据融合技术的分类,传感器网络的数据融合技术从不同角度分类：(1)依据融合前后数据的信息含量进行分类；(2)依据数据融合与应用层数据语义关系分类；(3) 依据融合操作的级别进行分类。,80,1、根据融合前后数据的信息含量分类,根据数据进行融合操作前后的信息含量，将数据融合分为无损失融合和有损失融合两类。（1）无损失融合无损失融合中，所有细节

27、信息均保留，去除冗余的部分信息，此类融合的常见做法是去除信息中的冗余部分。,81,1、根据融合前后数据的信息含量分类,（2）有损失融合有损失融合会省略一些细节信息或降低数据的质量，减少需要存储或传输的数据量，以达到节省存储资源或能量资源的目的。在有损失融合中，信息损失的上限是要保留应用所必需的全部信息量。,82,2、根据应用层数据语义之间的关系分类,数据融合技术可以在传感器网络协议栈的多个层次中实现，既能在MAC协议中实现，也能在路由协议或应用层协议中实现。根据数据融合是否基于应用数据的语义，将数据融合技术分为三类：(1)依赖于应用的数据融合；(2)独立于应用的数据融合；(3)结合以上两种技术

28、的数据融合。,83,3、根据融合操作的级别分类,（1）数据级融合是最底层的融合，操作对象是传感器采集得到的数据，是面向数据的融合。（2）特征级融合通过一些特征提取手段将数据表示为一系列的特征向量，来反映事物的属性。（3）决策级融合根据应用需求进行较高级的决策，是最高级的融合。,84,4.3.4 数据融合的主要方法,(1)综合平均法把来自多个传感器的众多数据进行综合平均。它适用于同类传感器检测同一个检测目标。这是最简单、最直观的数据融合方法。该方法将一组传感器提供的冗余信息进行加权平均，结果作为融合值。,85,如果对一个检测目标进行了k次检测，则综合平均的结果为：其中，Wi为分配给第i次检测的权

29、重。,86,(2) 卡尔曼滤波法,卡尔曼滤波法用于融合低层的实时动态多传感器冗余数据。该方法利用测量模型的统计特性，递推地确定融合数据的估计，且该估计在统计意义下是最优的。,87,(2) 卡尔曼滤波法,如果系统可用一个线性模型描述，且系统与传感器的误差均符合高斯白噪声模型；则卡尔曼滤波将为融合数据提供唯一的统计意义下的最优估计。,88,(2) 卡尔曼滤波法,应用卡尔曼滤波器对n个传感器的测量数据进行融合后，既可获得系统的当前状态估计，又可以预报系统的未来状态。所估计的系统状态可能表示移动机器人的当前位置、目标的位置和速度、从传感器数据中抽取的特征或实际测量值本身。,89,4.4 能量管理,4.

30、4.1 能量管理的意义,在无线网络通信中，能量消耗E与通信距离d存在关系：E=kdn，其中k为常量，2n4。无线传感器网络的节点体积小，发送端和接收端都贴近地面，干扰较大，障碍物较多，n通常接近于4，即通信能耗与距离的四次方成正比。,90,从上述的关系式反映出，随着通信距离的增加，能耗急剧增加，通常为了降低能耗，应尽量减小单跳通信距离。多个短距离跳的数据传输比一个长跳的传输能耗会低些。在传感器网络中要减少单跳通信距离，尽量使用多跳短距离的无线通信方式。,91,传感器节点通常由四个部分组成：处理器单元、无线传输单元、传感器单元和电源管理单元。传感器单元能耗与应用特征相关，采样周期越短、采样精度越

31、高，能耗越大。,92,传感器单元的能耗要比处理器单元和无线传输单元的能耗低得多，可以忽略，通常只讨论处理器单元和无线传输单元的能耗问题。,93,4.4.2 传感器网络的电源节能方法,节能策略主要有休眠机制、数据融合等，它们应用在计算单元和通信单元的各个环节。,94,1、休眠机制,休眠机制的主要思想：当节点周围没有感兴趣的事件发生时，计算与通信单元处于空闲状态；把这些组件关掉或调到更低能耗的状态，即休眠状态。,95,（1）硬件支持,现有的无线收发器也支持休眠，而且可以通过唤醒装置唤醒休眠中的节点，从而实现在全负载周期运行时的低能耗。无线收发器有四种操作模式：发送、接收、空闲和休眠。,96,（1）

32、硬件支持,除休眠状态，其他三种状态的能耗都很大，空闲状态的能耗接近于接收状态；如果传感器节点不再收发数据时，最好把无线收发器关掉或进入休眠状态以降低能耗。,97,（2）专门的节点功率管理机制,动态电源管理,动态电源管理(DPM)的工作原理：当节点周围没有感兴趣的事件发生时，部分模块处于空闲状态；把这些组件关掉或调到更低能耗的状态(即休眠状态)，从而节省能量。,98,动态电源管理,这种事件驱动式能量管理对于延长传感器节点的生存期十分必要；动态电源管理中，状态转换消耗一定的能量，且有时延，所以状态转换策略非常重要；如果状态转换过程的策略不合适，不仅无法节能，反而会导致能耗的增加。,99,动态电压调

33、度,对于大多数传感器节点来说，计算负荷的大小是随时间变化的，因而并不需要节点的微处理器在所有时刻都保持峰值性能。根据CMOS电路设计的理论，微处理器执行单条指令所消耗的能量Eop与工作电压V的平方成正比，即：EopV2。,100,动态电压调度,动态电压调节(DVS)技术利用该特点，动态改变微处理器的工作电压和频率，使得刚好满足当时的运行需求，从而在性能和功耗之间取得平稳。动态电压调节要解决的核心问题是实现微处理器计算负荷与工作电压及频率间的匹配。,101,2、数据融合,节能效果主要体现在路由协议的实现上；中间节点并不是简单的转发所收到的数据；同一区域内的节点发送的数据具有很大的冗余性，中间节点

34、需对这些数据进行数据融合；,102,2、数据融合,将经本地融合处理后的数据路由到汇聚点，只转发有用的信息；数据融合有效地降低整个网络的数据流量。,103,2、数据融合,LEACH路由协议就具有这种功能；它是一种自组织的在节点之间随机分布能量负载的分层路由协议。,104,4.5 安全机制,4.5.1 传感器网络的安全问题,网络安全一直是网络技术的重要组成部分，加密、认证、防火墙、入侵检测、物理隔离等都是网络安全保障的主要手段。,105,无线传感器网络作为一种起源于军事应用领域的新型无线网络，主要采用了射频无线通信组网，它的安全性问题显得尤为重要。传感器网络的安全性需求主要来源于通信安全和信息安全

35、两个方面。,106,1、通信安全需求,(1) 节点的安全保证传感器节点是构成无线传感器网络的基本单元，节点的安全性包括节点不易被发现和节点不易被篡改。,107,1、通信安全需求,(2) 被动抵御入侵的能力传感器网络安全的基本要求：在网络局部发生入侵时，保证网络的整体可用性。被动防御是指当网络遭到入侵时网络具备的对抗外部攻击和内部攻击的能力，它对抵御网络入侵至关重要。,108,外部攻击者是指那些没有得到密钥，无法接入网络的节点。外部攻击者虽然无法有效地注入虚假息，但通过窃听、干扰、分析通信量等方式，为进一步的攻击行为收集信息，因此对抗外部攻击首先需要解决保密性问题。,109,其次，要防范扰乱网络

36、正常运转的简单网络攻击，如重发数据包等，这些攻击会造成网络性能的下降。要尽量减少入侵者得到密钥的机会，防止外部攻击者演变成内部攻击者。,110,内部攻击者是指那些获得了相关密钥，并以合法身份混入网络的攻击节点。传感器网络不可能阻止节点被篡改，且密钥可能被对方破解，总有入侵者在取得密钥后以合法身份接入网络。由于至少能取得网络中一部分节点信任，内部攻击者能发动的网络攻击种类更多，危害性更大，也更隐蔽。,111,(3) 主动反击入侵的能力,主动反击能力是指网络安全系统能够主动地限制甚至消灭入侵者，为此需要具备以下能力： 入侵检测能力和传统的网络入侵检测相似，首先需要准确识别网络内出现的各种入侵行为并

37、发出警报。其次，入侵检测系统还必须确定入侵节点的身份或者位置，只有这样才能在随后发动有效攻击。,112,(3) 主动反击入侵的能力, 隔离入侵者的能网络需要具有根据入侵检测信息调度网络正常通信来避开入侵者，同时丢弃任何由入侵者发出的数据包的能力。这相当于把入侵者和己方网络从逻辑上隔离开来，可以防止它继续危害网络。,113,(3) 主动反击入侵的能力, 消灭入侵者的能力由于传感器网络的主要用途是为用户收集信息，因此让网络自主消灭入侵者是较难实现的。一般的做法是，在网络提供的入侵信息引导下，由用户通过人工方式消灭入侵者。,114,2、信息安全需求,信息安全就是要保证网络中传输信息的安全性。传感器网

38、络信息安全需求内容如下： 数据的机密性保证网络内传输的信息不被非法窃听。 数据鉴别保证用户收到的信息来自己方节点而非入侵节点。,115,2、信息安全需求, 数据的完整性保证数据在传输过程中没有被恶意篡改。 数据的实效性保证数据在时效范围内被传输给用户。,116,主要内容：通信安全和信息安全。通信安全是信息安全的基础。通信安全保证传感器网络内部的数据采集、融合和传输等基本功能的正常进行，是面向网络功能的安全性；信息安全侧重于网络中所传信息的真实性、完整性和保密性，是面向用户应用的安全。,传感器网络安全技术的设计,117,传感器网络在大多数的民用领域，如环境监测、森林防火、候鸟迁徙跟踪等应用中，安

39、全问题不是一个非常紧要的问题。在商业上的小区无线安防网络，军事上在敌控区监视敌方军事部署的传感器网络等，则对数据的采样、传输过程，甚至节点的物理分布重点考虑安全问题，很多信息都不能让无关人员或者敌方人员了解。,118,传感器网络的安全问题和一般网络的安全问题相比而言，出发点是相同的，需要解决如下问题：(1) 机密性问题。所有敏感数据在存储和传输的过程中都要保证机密性，让任何人在截获物理通信信号的时候不能直接获得消息内容。,安全问题主要解决问题,119,(2)点到点的消息认证问题。网络节点在接收到另外一个节点发送过来的消息时，能够确认这个数据包确实是从该节点发送出来的，而不是其它节点冒充的。(3

40、)完整性鉴别问题。网络节点在接收到一个数据包的时候，能够确认这个数据包和发出来的时候完全相同，没有被中间节点篡改或者在传输中通信出错。,120,(4)新鲜性问题。数据本身具有时效性，网络节点能够判断最新接收到的数据包是发送者最新产生的数据包。导致新鲜性问题一般有两种原因：一是由网络多路径延时的非确定性导致数据包的接收错序而引起;二是由恶意节点的攻击而引起。,121,(5)认证组播/广播问题。认证组播/广播解决的是单一节点向一组节点/所有节点发送统一通告的认证安全问题。认证广播的发送者是一个，接收者是多个，所以认证方法和点到点通信认证方式完全不同。,122,(6) 安全管理问题。安全管理包括安全

41、引导和安全维护两个部分。安全引导是指一个网络系统从分散的、独立的、没有安全通道保护的个体集合，按照预定的协议机制，逐步形成统一完整的、具有安全信道保护的、连通的安全网络的过程。,123,(6) 安全管理问题-安全引导过程安全引导过程对于传感器网络来说是最重要、最复杂，也是最富挑战性的内容，因为传统的解决安全引导问题的各种方法，由于它的计算复杂性在传感器网络中基本上不能使用。,124,(6) 安全管理问题安全维护主要设计通信中的密钥更新，以及网络变更引起的安全变更，方法往往是安全引导过程的一个延伸。,125,网络协议安全问题的层次侧重点物理层主要侧重在安全编码方面；链路层和网络层考虑的是数据帧和

42、路由信息的加解密技术；应用层在密钥的管理和交换过程中，为下层的加解密技术提供安全支撑。,126,解决方法与传统网络安全的差异,(1) 有限的存储空间和计算能力(2) 缺乏后期节点布置的先验知识(3) 布置区域的物理安全无法保证(4) 有限的带宽和通信能量(5) 侧重整个网络的安全(6) 应用相关性,127,4.5.2 传感器网络的安全设计分析,1、物理层,物理层面临的主要问题是无线通信的干扰和节点的沦陷，遭受的主要攻击包括拥塞攻击和物理破坏。(1) 拥塞攻击(2) 物理破坏 完善物理损害感知机制。 信息加密。,128,2、链路层,(1) 碰撞攻击 使用纠错编码。 使用信道监听和重传机制。 (2

43、) 耗尽攻击 (3) 非公平竞争,129, 虚假的路由信息。 选择性的转发。 Sinkhole攻击。 Sybil攻击。 Wormhole攻击。 HELLO f1ood攻击。 确认欺骗。,3、网络层,130,通过欺骗、更改和重发路由信息，攻击者创建路由环，吸引或拒绝网络信息流通量，延长或缩短路由路径；形成虚假的错误信息、分割网络、增加端到端的时延。, 虚假的路由信息,131,节点收到数据包后，有选择地转发或不转发数据包，导致数据包不能到达目的地。, 选择性的转发,132,声称自己电源充足、可靠且高效，吸引周围节点选择它作为路由路径中的节点，然后进行攻击。传感器网络的数据包大多数发到同一个目的地，

44、易受这种攻击。, Sinkhole攻击,133, Sybil攻击,单个节点以多个身份出现在网络中，使自身更容易成为路由路径中节点，然后攻击。,134,通常需两个恶意节点相互串通，合谋进行攻击。, Wormhole攻击,135,在通常情况下一个恶意节点位于sink(即簇头节点)附近，另一个恶意节点离sink较远。较远的那个节点声称自己和sink附近的节点可以建立低时延和高带宽的链路，从而吸引周围节点将数据包发给它。在这种情况下，远离sink的那个恶意节点其实也是一个Sinkhole。,136,恶意节点以足够大的功率广播HELLO包，收到HELLO包的节点会认为该节点是自己的邻居节点；在以后的路由

45、中，部分节点会选到该恶意节点的路径，向它发送数据包，事实上，由于距离较远，以普通功率传输的数据包无法到达目的地。, HELLO f1ood攻击,137,4、传输层,传输层用于建立传感器网络与Internet或者其他外部网络的端到端的连接。传感器网络节点的内部资源条件限制，节点无法保存维持端到端连接的大量信息，而且节点发送应答消息会消耗大量能量；传输层协议的安全性技术不多。,138,4、传输层,Sink节点是传感器网络与外部网络接口，传输层协议一般采用传统网络协议，这里可以采取一些有线网络上的传输层安全技术。,139,5、应用层,应用层提供传感器网络的各种实际应用，也面临着各种安全问题。在应用层

46、，密钥管理和安全组播为整个传感器网络的安全机制提供了安全基础设施；主要集中在为整个传感器网络提供安全支持，也就是密钥管理和安全组播的设计技术。,140,4.5.3 传感器网络安全框架协议：SPINS,SPINS安全协议族是最早的传感器网络的安全框架之一，包含SNEP和TESLA两个安全协议。SNEP协议提供点到点通信认证、数据机密性、完整性和新鲜性等安全服务；TESLA协议则提供对广播消息的数据认证服务。,141,4.5.4 SPINS协议的实现问题与系统性能,SPINS定义的是一个协议框架，在使用的时候还需要考虑很多具体的实现问题。例如，使用什么样的加密、鉴别、认证、单向密钥生成算法和随机数发生器；如何在有限资源内融合各种算法以达到最高效率等。,142,4.5.4 SPINS协议的实现问题与系统性能,加州大学伯克利分校为SPINS协议开发了模型系统，该系统的实现算法和性能评估结果如表所示。,143,4.5.4 SPINS协议的实现问题与系统性能,144,小结,