詳解無線傳感器網絡的結構和技術要點

隨著社會和現代技術發(fā)展，物聯網超然而至，得到了很多國家和人民的關注。物聯網是基于現有的互聯網發(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，使得M2M型物聯網有了更深的發(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)點檢測的數據沿著其他傳感器節(jié)點逐條地進行傳輸，在傳輸過程中檢測數據可能被多個節(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)測數據。

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據處理外，還要對其他節(jié)點轉發(fā)來的數據進行存儲、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收集到的數據轉發(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)測數據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

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)測數據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。

以數據為中心

互聯網是先有計算機終端系統(tǒng)，然后再互聯成為網絡，終端系統(tǒng)可以脫離網絡獨立存在。在互聯網中，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。如果想訪問互聯網中的資源，首先要知道存放資源的服務器IP地址?？梢哉f現有的互聯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，表現為節(jié)點編號與節(jié)點位置沒有必然聯系。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。這種以數據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據為中心的網絡。

例如，在應用于目標跟蹤的傳感器網絡中，跟蹤目標可能出現在任何地方，對目標感興趣的用戶只關心目標出現的位置和時間，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據冗余的問題。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基于源端認證的安全組播。