目录
摘要 ......................................................................................... I Abstract ................................................................................... II 第一章前言 . (1)
1.1 研究目的和意义 (1)
1.2 国内外研究现状 (1)
1.3 研究内容 (1)
第二章无线传感器网络 (2)
2.1 无线传感器网络及其特点 (2)
2.2 无线传感器的拓扑结构 (3)
2.3 无线传感器网络的应用 (4)
第三章无线传感器网络通信协议概述 (6)
第四章路由协议 (8)
4.1路由协议的分类 (8)
4.2典型路由协议的比较 (13)
4.2路由协议下一步研究方向 (14)
第五章 MAC协议 (15)
5.1 MAC协议研究进展 (15)
5.2 MAC协议的主要问题 (15)
5.3 MAC协议的分类 (18)
5.4 MAC协议的分析和比较 (18)
5.5 MAC协议下一步研究方向 (27)
第六章总结和展望 (28)
致谢 ...............................................................错误！未定义书签。参考文献 (30)
摘要
随着无线通信技术、低功耗处理器和芯片集成工艺的飞速发展，无线传感器网络应运而生了。由于其成本低、适应性强，功能强大等特点，无线传感器网络（WSNs）在军事、环保、生产、医药和智能空间等领域都具有广阔的应用前景，其通信协议研究面临许多新的挑战。本文着重分析了路由协议和MAC协议两大网络协议的分类，并提出未来的研究方向。
关键词：无线传感器网络，通信协议，路由协议，MAC协议
Abstract
With the rapid development of radio technologies,low energetic consumption processor and chip integrated technology, wireless sensor networks emerge. Due to its low cost, good adaptability, powerful function, wireless sensor networks have wide and will be applied in many fields such as prospect, military,environmental protection, production, medicine, intellectual space, and so on.The communication protocol faces a lot of new challenges.This essay emphatically routing protocol and MAC(medium access control) protocol among the communication protocol,and raises research direction in the future.
Key words：wireless sensor networks，communication protocol，routing protocol，MAC(medium access control) protocol
第一章前言
1.1 研究目的和意义
随着通信技术、嵌入式计算技术和传感器技术的飞速发展和日益成熟，人们研制出了各种具有感知能力、计算能力和通信能力的微型传感器。由许多微型传感器构成的无线传感器网络WSNs (wireless sensor networks)引起了人们的极大关注。WSNs综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术，能够协作实时监测、感知、采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并对其进行处理，最终传送给用户。WSNs可以使人们在任何时间、任何地点和任何环境条件下获取大量详实可靠的物理世界的信息，并可以被广泛应用于国防军事、国家安全、环境监测、交通管理、医疗卫生、制造业、反恐抗灾等领域。WSNs是信息感知和采集的一场革命，在新一代网络中具有关键作用。美国《商业周刊》认为WSNs是全球未来四大高技术产业之一，是21世纪世界最具有影响力的21项技术之一。MIT新技术评论认为，WSNs是改变世界的十大新技术之一。
1.2 国内外研究现状
WSNs作为一种新的计算模式正在推动科技发展和社会进步，关系到国家经济和社会安全，已成为国际竞争的制高点，引起了世界各国军事部门、工业界和学术界的极大关注。美国自然科学基金委员会2003年制定了WSNs研究计划，投资3400万美元支持相关基础理论的研究。美国国防部和各军事部门都对WSNs给予高度重视，把WSNs作为一个重要研究领域，设立了一系列的军事WSNs 研究项目。英特尔公司、微软公司等信息工业界巨头也纷纷设立或启动相应的行动计划。世界很多国家都纷纷展开了该领域的研究工作。
我国最近几年也开始重视WSNs技术的研究。国家自然科学基金委员会资助了很多WSNs研究项目，包括重点项目和面上项目。在“中国未来20年技术预见研究”报告中，有7项技术课题直接论述了传感器网络。2006年初发布的《国家中长期科学与技术发展规划纲要》为信息技术确定了3个前沿方向，其中有两个与WSNs研究直接相关。
1.3 研究内容
本课题在介绍无线传感器网络及其特点的基础上，对无线传感器网络通信协议进行研究。其中考虑到节能是无线传感器网络设计中最重要的方面，着重对影响能耗的网络层路由协议和数据链路层MAC协议进行了分析。
第二章无线传感器网络
2.1 无线传感器网络及其特点
计算机网络自产生之日起，尤其是上世纪90年代初的迅猛发展，使人们的生活发生了极大的改变。通信技术日新月异。近年来，无线通信更是大行其道，各种无线通信应用层出不穷。无线通信和有线通信相比较，无需对网络通信的物理通道进行配置，具有很大的灵活性，并节约了网络设施的成本，这使得它比有线通信具有更光明的前景。全球无线通信应用的规模，将很快超过有线网络应用的规模。随着集成电路技术的发展，芯片越做越小，功能却越来越强。这为生产大量廉价的、体积很小的、具有多种功能的器件提供了保证。
在无线通信技术及芯片制造技术的双重作用下，同时伴随着各种实际应用的需求，无线传感器网络的产生也就很自然了。这是一种新型的无线通信架构。现在美国的UARPA和NSF都已经设立了专项的基金对无线传感器网络的研究进行资助。美国的许多大学都有针对无线传感器网络的研究小组，而其中又以UCB，UCLA，USC的研究最为领先。
以前的监控系统经常是将少量的大功率的，具有很强数据分析能力的传感装置安放在离目标有一定距离的观测点进行监控，这样获得的数据很不准确，需要传感装置具有较强的处理分析能力，从混杂的信号中分析出有用的信息。现在，可以将体积小、耗能少、造价低、但是功能却很强的传感器，高密度的分布在观测区域，从而获得全面的、精确度相当高的数据，这从根本上改变了传统监控系统的模式。
无线传感器网络就是由大量的能与物理环境进行交互，同时具有数据处理功能和无线通信功能的新型传感器构成的互连系统，该系统可以完成复杂的监控任务。这里的传感器，并不是传统意义上的单纯的对物理信号进行感知并转化为数字信号的传感器，它是将感应模块，数据处理模块和无线通信模块集成在一块很小的物理单元上，功能比传统的传感器大了许多，不仅能够对环境信息进行感知，而且具有数据处理及无线通信的功能。将这类传感器节点高密度的分散在某个环境里，通过无线通信进行连接，它们就从整体上构成了一种特殊的网络。每个节点都有自己控制的一个区域，通过感知设备，如声学光学设备，化学分析装置，电磁感应装置等，对它周围的物理环境进行监控，当然也可以通过配置一些功能单元来实现特定的与环境交互的功能。
无线传感器网络的特点具有以下几个特点：
1、无线传感器网络是通过无线方式连通的。无线的连接具有很强的灵活性，电磁波可以进行“无介质传输”，它不需要有固定的事先建立好的节点之间的连接，而且即便网络节点的位置发生了变化，也不会太大的影响网络的连通，适合于动态的网络环境。最重要的一点是在很多复杂的环境下，根本无法事先建立节点之间的连接。比如说某些恶劣的自然环境里，生物无法生存，人类不能亲自的深入到这些地方，只能通过飞机将大量的传感器节点随机的投放到监控区。这时，无线通信方式是唯一可用的方式。
2、无线传感器网络是一种分布式的传感系统。通过在某一区域分散了大量的传感器节点，
各个节点对其附近的有限的区域进行观测，全部的节点从整体上实现了对整个区域的监控。一个区域的空间越大，它各个部分的环境信息的差异也会越咀显，这时，单单依靠一两个传感器在少量的几个点测得的环境信息根本不可能代表整个区域的情况。由于传感器节点的成本相对来说比较低，可以安置大量的传感器节点，使得它们覆盖了被测区域的各个角落，这样所获得的信息综合起来，就会比较精确的反映整个区域的情况。节点的冗余度越高，获得信息的精确度也会越高。
3、无线传感器网络通过广播的方式进行通信，不同于传统的网络应用的端到端的信息传送。
4、无线传感器网络应该是一种自组织网络。与传统的有线网络相比，对无线传感器网络进行人工干预的机会可能很少。很多情况下，比如说在复杂的环境里，无法对网络进行人工的配置，这就需要各个节点可以相互协调建立之间的连接，完成网络的初始化，启动监测的任务。而且由于各种不可预测的环境变化，网络节点的分布，节点之间的连接情况，甚至网络节点的工作状态都会发生不可知的变化。所有的这些，都要求无线传感器网络具有自我调节的能力，即各个传感器节点能够感知到网络结构的变化，通过相互协调，适应网络的这种动态性，维护应用的正常运行。
5、无线传感器网络对系统的能量以及带宽资源的利用率要求很高。当传感器节点被用于某个无线传感器网络应用任务之后，几乎没有机会对它们的能量进行更新，各个节点所携带的电池的容量是有限的，是不可再生的资源，电能势必将会慢慢的耗尽，系统将会失去工作能力。所以，无线传感器网络需要高效的利用这些能量，以延长网络的“生命”，完成更多的工作。
6、无线传感器网络是以数据为中心的。不同于传统的具有中央控制节点的系统，无线传感器网络里并不是将各个节点的数据都传送到中央节点统一处理。由于传感器网络是高密度网络，很多节点会探测https://www.doczj.com/doc/23577611.html,同一个物理现象，因此传感器节点发送的数据就会存在冗余。每个节点都有数据处理的能力，把来自多条路由的数据进行聚合，消除冗余，让传输的数据最小化，从而达到节省能量的目的。
2.2 无线传感器的拓扑结构
图 2-1 无线传感器网络拓扑结构一
传统意义上的这种环境监控系统，大多采用c/s结构的，即存在着一个主要的数据处理中心
控制节点，其他的各个监控点都和这个中心控制节点连接起来，所有的数据都直接传送到该节点，进行集中的分析处理。无线传感器网络不同于这种传统的网络结构，无线传感器网络里各个节点的地位都是相同的，它们只与邻近的节点进行通信。无线传感器网络所处的外部环境往往是复杂多变的，不是人类所能到达的，无线传感器网络所处各个节点能够根据网络结构的变化，自适应的维护网络的通信。网络中的大量的节点协调工作，实现较高层次的对环境的监控任务。
图2-1为无线传感器网络拓扑图，每个节点都对其附近的物理环境进行监控，节点在无线通信可以的范围内，与它的邻节点存在通信信道。实际中大量节点的控制范围将会覆盖整个区域。整个网络可以对整个监控区域进行复杂度很高的监控任务。
如上展示了目前大家比较认同的无线传感器网络的拓扑结构。大量的传感器节点分布在监控区域。用户利用任务管理节点，经过某些途径，如Internet或卫星通信等等，与传感器节点中的某些节点（sink）建立连接。通过这些Sink节点，向传感器集合发送监控任务，并接受返回信息。所有的节点都有能力采集数据并采用多跳的路由方式将数据返回给Sink节点。采用多跳方式的最大理由主要是短距离的数据传输最能节省节点能量。
随着研究的深入，许多学者对无线传感器网络的路由拓扑设计综合考虑之后提出各种路由以及组网方案，研究证明单纯多跳的方式未必是最佳的方式，要根据传感器网络的具体应用，具体情况，譬如网络规模，节点分布等等因素综合起来考虑。即传感器节点收集的数据既可通过单跳方式直接传送到 Sink 节点，也可通过多跳中继方式将监测数据传到Sink节点，或者通过上述介绍的本地数据收集节点传送给Sink节点。最终借助长距离或临时建立的Sink链路将整个区域内的数据传送到远程中心进行集中处理。
例如图2-2，监测区域中被划为分多个子控制区域，每个小区域中有一个本地处理节点，负责收集该控制区域节点的数据，再送往Sink节点。
图 2-2 无线传感器网络拓扑结构二
2.3 无线传感器网络的应用
无线传感器网络是一种基于特定应用的系统，针对不同的应用，要进行不同的系统设计。目
前，实用的无线传感器网络系统不是很多，还没有一种统一的标准来定义无线传感器网络的架构，毕竟，从这个概念的提出到现在，才仅仅几年左右的时间。尽管如此，人们还是看到了无线传感器网络具有广阔的应用前景。由于它的成本低，适应性强，功能强大等特点，在军事、环保、生产、医药、智能空间等领域都将大有用武之地。
在军事领域，传感器节点由于具有的体积小的特点，隐蔽性较强，可以通过一些方法，比如利用飞机进行投放，将大量的具有侦察功能的传感器布置在敌军的控制区域，来对敌军的情况进行监控。
在环保方面，可以利用无线传感器网络来对某地区的环境数据进行采集，尤其是对于一些不适合生物生存，工作人员无法亲临进行观察的区域，如高温，高腐蚀，强烈的辐射等等不利的环境。比如，在被污染了的河流底部投放大量的具有化学分析功能的传感器节点，来对河水的污染情况进行数据采集；可以在被怀疑受到核辐射污染的地区安放大量的传感器，来对各个位置的辐射强度进行测量。
在对珍稀动物的保护方面，无线传感器网络也起到了很大的重用。比如可以利用飞机向充满着未知危险的热带雨林投放大量的传感器节点，这些节点都具有光学成像设备，并可以对某些珍惜物种进行识别，利用无线传感器网络，生物学家就可以无需进入危险的雨林，实现对珍稀物种的分布统计。
在工业生产领域，可以在生产线的各个环节安放传感器节点来对整个生产线过程进行监控。
目前，人们研究的较多的是在“智能空间”方面的应用。如“活动徽章系统”就体现了无线传感器网络的基本思想。它通过在每个建筑物里安放大量的传感器，这些节点构成了一个监控系统，而建筑物里的工作人员，每个人身上都佩戴了一个会周期性发送信号的徽章，传感器节点能够接收到这个徽章发送的信号。这样，当大楼里的接待员要将某个电话转接给某人时，就可以通过这个监控系统来确定某人的具体位置，将电话转接到离他最近的分机上。活动办公室系统里，设定好的无线传感器网络将监控物体定位在误差很低。“移动病人系统”应用于医院中，能够很好的监控病人的活动，尤其对于病情突发性很强的病人，可以避免意外的发生。
第三章无线传感器网络通信协议概述
无线传感器网络协议包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层上的协议。
1、物理层
物理层的研究主要涉及无线传感器网络采用的物理媒体、频段选择以及调制方式。目前，无线传感器网络采用的传输媒体主要有：无线电、红外线、光波等。
无线电传输是目前无线传感器网络采用的主流传输方式，需要解决的问题有：频段选择、节能的编码方式、调制算法设计等。目前对无线传感器网络物理层的研究迫切需要解决的问题有：在降低硬件成本方面需要研究集成化，全数字化、通用化的电路设计方法；在节能方面需要设计需要具有高数据率、低符号率的编码、调制算法。
2、数据链路层
数据链路层用于建立可靠的点到点或点到多点的通信链路，主要涉及媒介访问控制(MAC)协议。现有的蜂窝电话网络 Ad-hoc 网络中的MAC协议主要关心如何满足用户的需求、节省带宽资源以及如何在节点告诉移动的环境中建立彼此的连接，功耗是第二位的，这些协议并不适合无线传感器网络。
3、网络层
针对无线传感器网络的特点与通信需求，国内外科研人员设计了多种路由协议。从网络拓扑结构的角度可以分为两类：平面路由协议和聚集型路由协议。同时对于无线的自组织的传感器网络而言，网络拓扑控制具有特别重要的意义，通过拓扑控制自动生成的良好的网络拓扑结构，能够提高路由协议和MAC协议的效率，可为数据融合、时间同步和目标定位等很多方面奠定基础，有利于节省节点的能量来延长网络的生存期。拓扑控制可以分为节点功率控制和层次性拓扑结构形成两个方面。除了传统的功率控制和层次型拓扑控制，人们也提出了启发式的节点唤醒和休眠机制。同时传感器网络拓扑结构动态变化，网络资源也在不断变化，这些都对网络协议提出了更高的要求。传感器网络协议负责使各个独立的节点形成一个收集数据并传输的网络，因而在网络层相关技术的研究的同时，经常将网络拓扑设计以及网络层协议和数据链路层协议结合起来考虑进行研究。网络拓扑决定了网络的设计架构，网络层的路由协议决定监测信息的传输路径；数据链路层的介质访问控制用来构建底层的基础结构，控制传感器节点的通信过程和工作模式。
4、传输层
现阶段对传输控制的研究主要集中于错误恢复机制。目前对无线传感器网络传输控制的研究还很少，如何在拓扑结构、信道质量动态变化的条件下，为上层应用提供节能，可靠、实时性高的数据传输服务是今后研究的重点。
5、应用层
应用层与具体应用场合和环境密切相关，因此其设计不可能是通用的，必须针对具体应用的需求进行设计。尽管如此，应用层的主要任务是获取数据并进行初步处理，这一点是共同的。以数据为中心和面向特定应用的特点要求无线传感器网络能够脱离传统网络的寻址过程，快速有效地组织起各个节点的信息并融合提取出有用信息直接传送给用户。然而网络节点实现数据采集计
算或传输功能，都需要消耗能量，所需消耗的能量和产生的数据量、采样频率、传感器类型以及应用需求有关。同时，在短时间产生大数据量如果不加处理直接传输，会造成网络拥塞，导致网络寿命缩短。所以，考虑采用能效高的网络通信协议和数据局部处理策略，如数据融合技术，是一种可行的解决思路。
由于节能是无线传感器网络设计中最重要的方面，而且大量的研究显示：网络层上的路由协议和数据链路层上的MAC协议对无线通信模块的能量消耗起着至关重要的影响。
第四章路由协议
传统的无线网络路由协议设计的主要目的是为网络提供高的服务质量和高效的利用带宽，而对于节能的考虑只是一个次要的方面；但是传感器网络路由协议设计的首要目标是高效节能，延长整个的网络生命周期。路由协议的任务是在传感器节点和Sink节点之间建立路由，从而为用户可靠地传递数据。由于传感器网络资源严重受限，因此路由协议的设计必须遵守执行计算简单、节点保存信息少等原则。
4.1路由协议的分类
无线传感器路由协议从路由的表现形式、与应用的相关程度等不同的角度有以下两种分类方法：
(1) 单跳路由协议与多跳路由协议；
(2) 平面路由协议与层次路由协议；
几种典型路由协议与类别所属关系如表4-1：
表 4-1 典型路由协议研究
分类方式直接传输泛洪定向扩散LEACH TEEN
单跳○○○
多跳○○
平面式○○○
层次式○○
4.1.1 平面型路由协议
平面型协议多是以数据为中心的，基于数据查询服务的策略，对监测数据按照属性命名，对相同属性的数据在传输过程中进行融合，从而减少冗余数据的传输。这类协议同时集成了网络层路由任务和应用层数据管理任务。优点是不存在特殊节点，路由协议的鲁棒性较好，网络流量平均地分散在网络中。缺点是缺乏可扩展性，限制了网络的规模。只适用于规模较小的传感器网络。
平面型路由协议典型代表主要有：Flooding，Gossiping，SPIN，DD。
泛洪Flooding协议和Gossiping协议[1，2]是两个最为经典的传统网络路由协议，可以应用到WSNs中。这两个协议都不要求维护网络的拓扑结构，不需要维护路由信息，也不需要任何算法，但是扩展性很差。
1、泛洪(Flooding)
泛洪https://www.doczj.com/doc/23577611.html,是一种古老的传统泛洪式路由技术，它不需要维护网络的拓扑结构和路由计算，接收到消息的节点以广播形式转发数据包给所有的邻节点，这个过程重复执行，直到数据包到达目的地或者预先设定的最大跳数。对于自组织的无线传感网络，泛洪法是一种较直接的简单的实现方法，但存在消息“内爆”(implosion) 和“重叠”(overlap) 的问
题，也没有考虑能量方面的限制。
下面通过分析一些简单的例子说明泛洪法的能量效率很低。如图4-1中的“内爆”，源节点S 只需要两次发送就能将消息传播到目的节点D，但是使用泛洪法将产生4次数据发送，而且目的节点D会收到3个数据副本。又如图4-1中的“重叠”，处于同一观测环境的两个相邻的同类传感器节点A和B同时对一个事件C做出反应，二者采集的数据性质相同，数值相近，这两个节点的邻居节点C将收到两个数据副本。
图 4-1 内爆与重叠
在Flooding协议中，节点产生或收到数据后向所有相邻节点广播。数据包直到过期或到达目的地才停止传播。因此，消息的“内爆”(implosion)(节点几乎同时从邻节点收到多份相同数据)和“重叠”(overlap)(节点先后收到监控同一区域的多个节点发送的相同数据)和资源利用盲目(节点不考虑自身资源限制，在任何情况下都转发数据)是其固有的缺陷为了克服这些缺陷[3]，文献提出了Gossiping策略[3]。节点随机选取一个相邻节点转发它接收到的分组，而不是采用广播形式。这种方法避免了消息“内爆”现象，但数据传输的时延增加了。
2、SPIN
传感器协商SPIN(Sensor Protocols tor Information via Negotiation)协议[4]是以数据为中心的、具有能源调整功能的、自适应路由协议。SPIN使用三种类型的信息进行通信，即ADV．REQ和DATA信息。在传送DATA信息前，传感器节点仅广播该包含DATA数据描述机制的ADV信息，当接收到相应的REQ请求信息时，才有目的地发送DATA信息。使用基于数据描述的协商机制和能量自适应机制的SPIN协议，能够很好地解决传统的泛洪flooding和Gossiping协议所带来的信息内爆、信息冗余和资源浪费等问题。与flooding和Gossiping协议相比有效地节约了能量。但其缺点是：当产生或收到数据的节点的所有相邻节点都不需要该数据时，将导致数据不能继续转发，以致较远节点无法得到数据，当网络中大多节点都是潜在sink点时，问题并不严重。但当sink点较少时，则是一个很严重的问题：且当某sink点对任何数据都需要时，其周围节点的能量容易耗尽，虽然减轻了数据内爆，但在较大规模网络中，信息内爆仍然存在。
3、定向扩散协议DD
定向扩散(Directed Diffusion)是一种以数据为中心的信息传播协议，运行基于属性的命名机制来描述数据，并通过向所有节点发送对某个命名数据的“兴趣”(任务描述符)来完成数据收集。网络中的每个节点只了解给它发送请求的相邻节点，节点通过建立一个梯度来转发“兴趣”给它的相邻节点，梯度指向“兴趣”数据包来自的节点，当“兴趣”到达了源节点，一个临时的梯度场就建立了，传感器网络就会"加强"梯度最大的路径，一旦源节点采集到和“兴趣”相匹配的数
据信息，就以事件驱动的方式，沿着梯度最大的方向传输数据到Sink 节点。梯度最大的路径也就是功耗最低的路径。
兴趣的扩散：用命名机制描述的数据就构成了一个“兴趣”，首先由Sink 节点产生，然后按照一定的数据率扩散到网络中的每个节点。每个节点都有一个“兴趣”缓存，缓存中的每项都对应着不同的“兴趣”。缓存中的每个“兴趣”包含如下几个字段：时间字段指示最近收到匹配“兴趣”的时间信息，梯度字段指示相邻节点所需的数据率和数据发送方向，持续时间字段指示“兴趣”大致的生存周期。当一个节点接收到一个“兴趣”时，它首先在缓存中检查是否存在相同的“兴趣”，如果没有相同的“兴趣”存在，那就根据接收到的“兴趣”信息在缓存中创建一个新的“兴趣”，包含的信息有数据率和一个指向“兴趣”来源的梯度；如果有相同的“兴趣”存在，但是没有“兴趣”来源的梯度信息，节点会以指定的数据率增加一个梯度，并更新“兴趣”的时间信息和持续字段；如果该节点都包含了“兴趣”的梯度信息，那么只是简单进行时间信息和持续字段的更新。节点接收到一个“兴趣”之后，把“兴趣”发送给与自己相邻的节点。如果一个节点是最近才收到过此"兴趣"，那么就不再予以接收。(如图4-2兴趣扩散)
梯度的建立：网络中的节点从相邻节点接收到一个“兴趣”时，它无法判断此“兴趣”是否自己已经处理过，或者是否和另一个方向的邻节点所发来的“兴趣”相同。因此，“兴趣”在整个网络扩散的时候，梯度的建立情况如图4-3梯度建立。
增强路径：梯度建立完之后，需要通过路径增强形成一条梯度值最大的路径用于数据传输，而其他路径作为备选路径以增加网络可靠性。Sink
节点以一个更高的数据率再次将“兴趣”发送给相邻节点。相邻节点收到“兴趣”后，通过查看“兴趣”缓存，发现自己已经接收过相同的“兴趣”，并且当前新数据率更高，该节点以同样的方法继续加强它的相邻节点，直到到达源节点，最后会形成一条梯度值最大的路径。如果已建立的路径出现断路，路径中加强过的节点会触发和启动路径加强以修复失败的路径。同时 Sink 节点可以用负加强的方式，降低冗余路径上节点和 Sink 节点之间的梯度值，从而切断冗余路径，数据以后就通过增强后的路径发往
Sink 节点( 如图4-4数据传输)。
图4-2 兴趣扩散 图4-3 梯度建立
图 4-4 数据传输
定向扩散采用相邻节点间通信的方式来避免维护全局拓扑，采用查询驱动数据传送模式和局部数据聚集而减少网络数据流，因此是一种能量效率高的协议。它的缺点是：在需要连续数据传送的应用中(如环境监测等)不能很好的应用；数据命名只能针对于特定的应用预先进行，初始查询的扩散开销大。
4.1.2 层次型路由协议
在层次型路由协议中，网络通常被划分为簇(cluster)，每个簇由一个簇首(cluster head)和多个簇成员(cluster member)组成。这些簇首形成高一级的网络，在高一级网络中又可以分簇，再次形成更高一级的网络，直至最高级。分级结构中，簇首不仅负责所管辖簇内信息的收集和融合处理，还负责簇间数据的转发。
层次型路由协议中每个簇的形成通常是基于传感器节点的保留能量和与簇首的接近程度，同时为了延长整个网络的生存期．簇头的选择需要周期更新。层次路由的优点是便于管理，适合大规模的传感器网络环境，可扩展性较好，能够有效的利用稀缺资源(比如：无线带宽等)，可以对系统变化做出快速反应，并提供高质量的通信服务。缺点是簇头的可靠性和稳定性对整个网络性能影响较大，簇的维护开销较大。
层次型路由协议典型代表主要有：LEACH，TEEN，PEGASIS。
1、低功耗自适应分簇路由算法(LEACH)
LEACH(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)算法是一种自组织、自适应的分簇协议，它通过随机选择簇首，将中继通信业务平均的分配到整个无线传感网络。LEACH定义了“轮”(round)的概念，每一轮由初始化和稳定工作两个阶段组成。在初始化阶段，随机地产生簇首，成为簇首的节点向周围广播信息，其他节点根据接受到广播信息的强度来选择它所要加入的簇，并告知相应的簇首，从而动态的形成簇。在稳定工作阶段，簇内节点把数据发给簇首，由簇首对数据进行必要的融合处理并把结果发送到Sink 节点。由于簇首需要完成数据融合、与Sink 节点通信等工作，因此簇首的能量消耗非常高。各节点需要等概率地轮流担任簇首，这样才能使网络中所有节点比较均衡地消耗能量，有利于延长整个网络的生存期。
在网络建立初期每个节点从 0 到 1 的随机数中任意选择一个数值，若当前轮中这个数值小于设定的阈值 T(n)( 如下)：
T(m)=???
????∈-，其他，β0)mod (12G n r p p
则该节点成为本轮的簇首节点。其中 p 为期望的簇首节点数在所有传感节点数的百分比；r 是当前轮数，G 是在最后的 1/p 轮中未成为簇首节点的节点集。根据这样的阈值，在整个 1/p 轮中每个节点都会成为簇首，并保证每轮的簇首节点数为 (n 为所有传感节点总数)。在第一个轮(round 0)中r=0，各个节点以 p 的概率成为簇首，成为簇首的节点在往后的 1/p- 1 次轮中不在担当簇首，未担当过簇首的节点成为簇首的概率增加。依次递推至第1/p- 1 轮，此前未担当过簇首的节点在本轮中阀值 T=1，将肯定成为簇首。之后，所有的节点再次恢复成为簇首的能力。
LEACH 协议的特点是分层和数据融合，相对泛洪、定向扩散等平面式路由协议它是第一个在无线传感器网络中提出的层次式路由协议，其后的大部分层次式路由协议都是在它的基础上发展而来的。采用LEACH 协议可以使因能量耗尽而失效的节点呈随机分布状态，因而与一般的多跳路由协议和静态聚类算法相比，LEACH 可以将网络生存周期延长15%。但是LEACH 协议中动态分簇也带来了拓扑变换和大量广播等额外开销。
2、基于能量效率的阈值敏感传感器网络协议(TEEN)
节能的阈值敏感路由协议TEEN(Thresholdsensitive Energy Eficient sensor Network protocol )用类似LEACH 的初始化簇的算法，只是在数据传送阶段使用不同的策略。TEEN 中定义了硬、软两个门限值，以确定是否需要发送监测数据。在每轮簇头轮换的时候将两个阈值广播出去，当监测数据第一次超过设置的硬阈值时，节点把这次数据设为新的硬阈值，并在接下来的时隙内发送它。之后，只有监测数据超过硬阈值并且监测数据的变化幅度大于软阈值时，节点才会传送最新的监测数据，并将它设为新的硬阈值。通过调节两个阈值的大小，可以在监测精度和系统能耗之间取得合理的平衡TEEN 。利用过滤的方式大大地减少数据传送的次数，从而达到比LEACH 算法更节能的目的。
TEEN 协议的优点是：第一，对于突发事件能够及时响应；第二，对于持续的突发事件，相邻两次数据之差在不大于阈值时，无需不断地发送数据，从而得以减少通信流量。缺点是不适用于需要持续采集数据的应用环境。
3、PEGASIS
PEGASIS(Power Eficient Gathering in Sensor Information Systems)协议是使用动态选举簇头的方式，在LEACH 基础上改进而来的。为避免频繁选举簇头的通信开销，采用无通信量的簇头选举方法，且网络中所有节点只形成一个簇，称为链。采集到的数据以点到点的方式传送、融合。并最终被送到sink 该协议假定WSNs 中的所有节点是静态、同构的，要求每个节点都知道网络中其他节点的位置。通过贪心算法选择最近的邻节点形成链。因为PEGASIS 中每个节点都以最小功率发送数据分组，并且通过数据融合降低了收发过程的次数，从而降低了整个网络的功耗。研究结果表明，PEGASIS 支持的传感器网络的生命周期是LEACH 的近两倍。PEGASIS 的缺点是链中远距离的节点会引起过多的数据延迟，而且簇头的惟一性使得簇头会成为瓶颈，且要求节点都具有与sink 点通信的能力；如果链过长，数据传输时延将会增大，不适合实时应用；成链算法要求节点
知道其他节点位置，开销非常大。
4.1.3 直接(单跳)和多跳传输协议
单跳协议：是一种最原始的协议，它不需要维护网络的拓扑结构和路由计算，所有节点以单跳方式将数据包发给Sink节点，是最直接的实现方法。远离Sink节点的节点需要较大的传输功率，这将迅速耗费该节点的能量并导致整个网络生存周期的缩短。
多跳协议：实际的运用中发射机的功率是固定的，即数据单跳的传输距离是固定的。此时远离Sink节点的节点发送的数据按照预定的路由经过中间结点到达Sink节点。如图4-5多跳网络拓扑n个节点按直线排列，节点间距为r，数据从源节点穿过n个中继节点到达Sink节点。
图 4-5 多跳网络拓扑
在多跳传输协议中节点将数据发送至下一跳相邻节点直至Sink节点，需要经过n次发送和接收。只有在源节点与Sink节点之间距离较长，或者数据处理耗能较小的情况下多跳传输协议才能体现出更好的能量有效性。在多跳传输协议中，靠近Sink节点的节点成为其它节点向Sink节点传输数据的中继节点，导致自身能量容易耗尽。一旦某个中继节点能量耗尽，会加重其余中继节点的能量负荷，造成Sink节点周围节点雪崩式死亡，导致网络割裂，大幅缩短整个网络的生存期。
4.2典型路由协议的比较
定向扩散、LEACH 和TEEN协议在设计中充分考虑了能源的有效利用，成倍地提高了整个网络的生存周期，但是无线传感器网络的应用千差万别，不同的路由协议在不同的环境表现出各自的特色和优势，因此不能绝对的判断哪种协议最优。从信息处理、路由优化方式和网络体系结构等不同方面对前述几种典型的路由协议进行了一个综合比较，如表4-2所示：
表 4-2 典型路由协议综合比较
路由优化能力无无有无无
网络生存周期短短长长长
路由健壮性差好好较好较好
资源有效性不好不好较好好好
数据融合无无有有有
元数据描述无无有无无
4.3路由协议下一步研究方向
针对不同的无线传感器网络应用，目前还缺乏一种普遍适用的路由算法。定向扩散和LEAC H 协议分别从“以数据为中心”和“聚类分簇”两个方面给出了提高能量使用效率从而提高无线传感器网络生存周期的方向。如本文介绍的TEEN和PEGASIS协议，就是在LEACH协议的基础上研究出的。LEACH协议可以将网络生存周期延长15%。但是LEACH协议中动态分簇也带来了拓扑变换和大量广播等额外开销。TEEN协议便利用过滤的方式大大地减少数据传送的次数，比LEACH 算法更节能。而PEGASIS协议通过数据融合降低了收发过程的次数，降低了整个网络的功耗，其支持的传感器网络的生命周期又是LEACH的近两倍，PEGASIS的缺点是开销大。所以设计者需要针对不同的应用环境，根据不同的数据通信模式和组网结构，设置相适应的特定路由协议。
第五章 MAC协议
5.1 MAC协议研究进展
近年来，无线传感器网络(WSNs)作为国内外一个新兴的研究方向，引了许多研究者和机构的广泛关注，无线传感器网络具有与传统无线网络不同的特点，且与应用高度相关。无线传感器网络主要的一个设计目标是有效地使用网络节点的受限资源(能量、内存和计算能力)，以最大化网络的服务寿命，传统网络的介质访问控制(MAC)协议，并不能直接应用于无线传感器网络。随着无线通信、微电子机械制造技术和传感技术的发展，无线传感器网络引起了人们的广泛关注WSNs、由部署在监测区域内，大量集成有感知、数据处理和无线通信及能量供应模块的微型传感器节点所组成。在目标入侵监测、日标跟踪、环境监测、战场侦察、生物医疗、抢险救灾以及工业加工过程的监控等领域，WSNs都具有广阔的应用前景[5]。
WSNs网络是一种特定的Ad hoc网络，网络中的节点自组织成网络，不需要任何基础设施。与WSNs网络最为相似的是移动自组织网络(Mohile Adho networks，MANET)，尽管二者都是无线自组织多跳网络，具有相似之处，但差异很大WSNs网络节点不移动或很少移动，而MANET网络节点移动性较强；WSNs网络的节点计算、存储和通信能力有限；WSNs网络节点采用电池供电，节点因能量耗尽和环境影响而易失效；WSNs网络通信能耗高，数据处理能耗低，而这些差异在MANET网络中并不重要；WSNs一般独立组网，主要用于监测功能，是以数据为中心的网络，而MANET则能为分布式应用提供互联、计算能力；WSNs网络节点数量可能达到成千上万，分布更为密集，远大于MANET的几十个节点；WSNs网络流量具有One-many的特点；WSNs是与应用高度相关的网络，节点协作共同完成监测任务，数据相关性较大；WSNs节点一般没有统一的编址。
WSNs网络的上述特点，使得针对传统无线网络和MANET网络研究的通信协议，并不能有效地直接应用于WSNs网络，基于WSNs网络的能量限制，为了延长网络的寿命，能量有效性成为WSNs网络应用中首要的一个设计指标，能量高效的WSNs网络通信协议，是日前的一个热点研究领域。介质访问控制协议(Medium access control，MAC)处于WSNs网络通信协议的底层部分，以解决WSNs网络中节点以怎样的规则共享媒体才能取得满意的网络性能问题。WSNs网络的吞吐量、延迟等性能，与所采用的MAC协议直接相关。近年来，研究人员己经提出了众多专用于WSNs 网络的MAC协议。本章首先简单分析了影响WSNs网络MAC协议设计的相关问题，讨论了MAC 协议的分类方法；然后着重研究与论述了当前较为重要的一些MAC协议的核心实现机制和特点，并比较了这些MAC协议在性能上的差异。最后，在现有研究的基础上提出了关于WSNs网络MAC 协议的未来发展趋势和研究策略。
5.2 MAC协议的主要问题
为了研究和比较现有WSNs网络MAC协议的性能，对WSNs网络MAC协议的性能指标、节点间通信时造成能量浪费的潜在因素以及WSNs网络中可能的通信模式等问题进行分析。
5.2.1 MAC协议的性能指标
WSNs网络的强大功能，是通过众多资源受限的网络节点协作实现的。由于节点无线通信的广播特征，节点间信息传递在局部范围，需要MAC协议协调其间的无线信道分配；在整个网络范围内，需要路由协议选择通信路径。WSNs网络的MAC协议设计，需要根据应用的要求考虑以下的网络性能指标[6]。
l)能量有效性：能量有效性是WSNs网络MAC协议最重要的一项性能指标。由于WSNs网络的节点一般采用电池提供能量，并且电池能量难以补充和更换。因此，在设计WSNs网络时，有效利用节点的能量，尽量延长网络节点的生存时间，是设计网络各层协议都要考虑的一个重要问题。在节点的能量消耗中，无线收发装置的能量消耗占绝大部分，而MAC层协议直接控制无线收发信装置的行为，因此MAC协议的能量有效性直接影响网络节点的生存时间和网络寿命。
2)可扩展性：可扩展性是指一个MAC协议适应网络大小、拓扑结构、节点密度不断变化的能力。由于节点数目、节点分布密度等在WSNs网络生存过程中不断变化，节点位置也可能移动，还有新节点加入网络的问题，所以WSNs网络的拓扑结构具有动态性。一个好的MAC协议也应具有可扩展性，以很好地适应这种动态变化的拓扑结构。
3)冲突避免：冲突避免是MAC协议的一项基本任务。它决定网络中的节点何时、以何种方式访问共享的传输媒体和发送数据。在WSNs网络中，冲突避免的能力直接影响节点的能量消耗和网络性能。
4)信道利用率：信道利用率反映了网络通信中信道带宽如何被使用。在蜂窝移动通信系统和无线局域网中，信道利用率是一项非常重要的性能指标。因为在这样的系统中，带宽是非常重要的资源，系统需要尽可能地容纳更多的用户通信，相比之下，WSNs网络中处于通信中的节点数量是由一定的应用任务所决定的，信道利用率在WSNs网络中处于次要的位置。
5)延迟：延迟是指从发送端开始向接收端发送一个数据包，直到接收端成功接收这一数据包所经历的时间。在WSNs网络中，延迟的重要性取决于网络的应用。
6)吞吐量：吞吐量是指在给定的时间内发送端能够成功发送给接收端的数据量，网络的吞吐量受到许多因素的影响，如冲突避免机制的有效性、信道利用率、延迟、控制开销等。和数据传输的延迟一样，吞吐量的重要性也取决于WSNs网络的应用。在WSNs网络的许多应用中，为了获得更长的节点生存时间，允许适当牺牲数据传输的延迟和吞吐量等性能指标。
7)公平性：公平性通常指网络中各节点、用户、应用，平等地共享信道的能力。在传统的语音、数据通信网络中，它是一项很重要的性能指标，因为网络中每一个用户，都希望拥有平等发送、接收数据的能力。但是在WSNs网络中，所有的节点为了一个共同的任务相互协作，在某个特定的时刻，存在一个节点相比于其他节点拥有大量的数据需要传送。因此，公平性往往用网络中某一应用是否成功实现来评价，而不是以每个节点平等发送、接收数据的能力来评价。
以上性能指标反映了一个MAC协议的特性，与传统网络的MAC协议重点考虑节点使用带宽的公平性、提高带宽利用率以及增加网络的实时性等注重的因素正好相反，能量有效性是设计WSNs网络MAC协议首要考虑的性能指标，其次是协议的可扩展性和适应网络拓扑变化的能力。而其他的网络性能指标如延迟、信道利用率等，需要根据应用进行折中。所以传统网络的MAC 协议，并不适用于WSNs网络。
5.2.2 能量浪费的主要原因
为了分析和评价MAC协议的能量有效性，需要分析是哪些因素导致了能量损耗。WSNs网络中造成能量浪费的主要因素有以下几个方面[6，7]：
1)空闲侦听(Idle listening) 网络中的节点，由于不能预知它的邻节点什么时候会向其发送数据，所以将其无线收发模块始终保持在接收模式，这是节点能量浪费的主要来源。原因在于典型的无线收发模块处于接收模式时消耗的能量，比其处于睡眠模式时要多几个数量级。
2)消息碰撞(Message collision) 当两个节点传送的数据包发生冲突时，两个数据包被损坏。这时节点消耗在发送和接收数据上的能量被浪费掉了，这就需要重传发送的数据，从而消耗节点更多的能量。
3)窃听(Overhearing) 无线信道是一个共享媒体，一个节点可能会接收到发送给其他节点的消息，这时节点消耗在接收数据上的能量被浪费掉了。因此从节能考虑，这时应将其无线传输模块关闭。
4)控制报文开销(ControlPacketOvethead) 在MAC协议的头字段和控制消息包(ACK/RTS/CTS)中没有包含有效的数据，因此可认为是一种损耗，为了提高能效应该尽可能减少控制消息。
5)发送失效(Overemitting) 在目的节点没有准备好接收时，发送节点发送了消息，造成能量的浪费。
5.2.3 通信模式
传感器网络是与应用高度相关的，不同的网络结构、不同的应用场景和目的，其业务特征呈现多样性，需要采用不同的通信模式，以更有效地交换业务。基于不同的业务特征，MAC协议对不同通信模式的支持，可以有效减少节点能耗。所以对不同通信模式的支持与否，也是衡量MAC协议能量有效性的重要因素。Kulkarni等定义了WSNs网络的三种通信模式[7]：广播(Broadeast)、会聚(Converge-east)和本地通信(Loeal，ssip)；Demirkol等定义了多播(Multicast)的通信模式[8]。上述各种通信模式的基本定义如下[6，7]：
l)广播模式通常在由基站向整个网络节点发送消息时使用。广播的消息可能为查询信息、节点的程序更新信息和控制信息等。注意，广播模式和广播分组不同，广播分组的接收节点是仅在发送节点通信范围内的节点；而广播模式要求所有的网络节点都能处于接收状态。
2)会聚模式指的是WSNs网络中的节点在感知到感兴趣的事件时，所有监测到事件的节点都把所感知的信息发送给信息中心，即一组节点同一个特定的节点进行通信，这个特定的日的节点可以是一个簇头节点、数据融合中心或基站。
3)本地通信指的是监测到同一个事件的节点之间，在本地的相互通信，即节点把信息发送给通信范围内的邻居节点，这种模式主要用于本地的信息处理。
4)多播模式指的是节点把信息发送给一组特定的节点，例如在簇头节点发送信息时，通信的接收者往往只是整个簇成员的一部分节点。
1. 传感器网络的三个基本要素：传感器、感知对象、用户(观察者) 2. 传感器网络的基本功能：协作式的感知、数据采集、数据处理、发布感知信息 3. 无线传感器节点的基本功能：采集数据、数据处理、控制、通信 4. 传感节点中处理部件用于协调节点各个部分的工作的部件。 5. 基站节点不属于传感器节点的组成部分 6. 定向扩散路由机制可以分为三个阶段：兴趣扩展阶段、梯度建立阶段、路径加强阶段 7. 无线传感器网络特点：大规模网络、自组织网络、可靠的网络、以数据为中心的网络、应用相关的网络 8. NTP时间同步协议不是传感器网络的的时间同步机制。 9. IEEE 802.15.4标准主要包括：物理层。介质访问控制层 10. 从用户的角度看，汇聚节点被称为网关节点。 11. 数据融合的内容主要包括：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 13. 传感器网络的电源节能方法：_休眠（技术）机制、__数据融合 14. 分布式系统协同工作的基础是时间同步机制 15. 无线网络可以被分为有基础设施的网络与没有基础设施的网络，在无线传感器网络，Internet 网络，WLan 网络，拨号网络中，无线传感器网络属于没有基础设施的网络。 16. 传感器网络中，MAC层与物理层采用的是IEEE制定的IEEE 802.15协议 17. 分级结构的传感器网络可以解决平面结构的拥塞问题 18. 以数据为中心特点是传感器网络的组网特点，但不是Ad-Hoc的组网特点 19. 为了确保目标节点在发送ACK过程中不与其它节点发生冲突，目标节点使用了SIFS帧间间隔 20. 典型的基于竞争的MAC协议为CSMA
无线传感器网络的关键技术有路由协议、MAC协议、拓扑控制、定位技术等。路由协议: 数据包的传送需要通过多跳通信方式到达目的端,因此路由选择算法就是网络层设计的一个主要任务。路由协议主要负责将数据分组从源节点通过网络转发到目的节点,它主要包括两个方面的功能: 1、寻找源节点与目的节点间的优化路径。 2、将数据分组沿着优化路径正确转发。 无线传感器与传统的无线网络协议不同之处,它受到能量消耗的制约,并且只能获取到局部拓扑结构的信息,由于这两个原因,无线传感器的路由协议要能够在局部网络信息的基础上选择合适路径。传感器由于它很强的应用相关性,不同应用中的路由协议差别很大,没有通用的路由协议。无线路由器的路由协议应具备以下特点: （1）能量优先。需要考虑到节点的能量消耗以及网络能量均衡使用的问题。（2）基于局部拓扑信息。WSN为了节省通信能量,通常采用多跳的通信模式,因此节点如何在只能获取到局部拓扑信息与资源有限的情况下实现简单高效的路由机制,这就是WSN的一个基本问题。 （3）以数据为中心。传统路由协议通常以地址作为节点的标识与路由的依据,而WSN由于节点的随机分布,所关注的就是监测区域的感知数据,而不就是具体哪个节点获取的信息,要形成以数据为中心的消息转发路径。（4）应用相关。设计者需要针对每一个具体应用的需求,设计与之适应的特定路由机制。 现介绍几种常见的路由协议(平面路由协议、网络分层路由协议、地理定位辅助路由协议): 一、平面路由协议 平面路由协议中,逻辑结构时平面结构,节点间地位平等,通过局部操作与反馈信息来生成路由。当汇聚点向某些区域发送查询并等待来自于这些区域内传感器所采集的相关数据,其中的数据不能采用全局统一的ID,而就是要采用基于属性的命名机制进行描述。平面路由的优点就是结构简单、鲁棒性(即路由机制的容错能力)较好,缺点就是缺乏对通信资源的优化管理,对网络动态变化的反应速度较慢。其中典型的平面路由协议有以下几种: 1、1、洪泛式路由(Flooding): 这就是一种传统的网络通信路由协议。这种算法不要求维护网络的拓扑结构与相关路由的计算,仅要求接受到信息的节点以广播形式转发数据包。例如:S节点要传送一段数据给D节点,它需要通过网络将副本传送给它每一个邻居节点,一直到传送到节点D为止或者为该数据所设定的生存期限为零为止。优点在于:实现简单;不需要为保持网络拓扑信息与实现复杂路由发现算法消耗计算资源;适用于鲁棒性较高的场合。但同时也有相应的缺点:一个节点可能得到一个数据的多个副本;存在部分重叠,如果相邻节点同时对某件事作出反应,则两个节点的邻居节点将收到两份数据副本;盲目使用资源,无法作出自适应的路由选择。 为克服Flooding算法这些固有的缺陷,S、Hedetniemi等人提出闲聊式(Gossiping)策略。这种算法采用随机性原则,即节点发送数据时不再采用广播形式,而就是随机选取一个相邻节点转发它接收到的数据副本(避免了消息爆炸的结果)。
项目三了解无线传感器协议栈 项目三了解ZigBee无线传感器网络协议栈知识目标1.掌握zigbee无线传感器网络的协议栈和协议的区别等知识。 2.掌握Z-Stack协议栈的OSAL分配机制。 3.了解Z-Stack协议栈的OSAL运行机制。 4.掌握Z-Stack协议栈的OSAL常用函数。 项目三了解ZigBee无线传感器网络协议栈技能目标1.掌握 Z-Stack协议栈的运行机制。 2.掌握Z-Stack协议栈中OSAL的添加新任务的方法。 项目三了解ZigBee无线传感器网络协议栈在实际zigbee无线传感器网络工程的开发过程中首先借助TI提供的协议栈中例程SampleApp，接着根据需要完成的功能，查看支持Z-Stack协议栈的硬件电路图，再查阅数据手册（CC2530的数据手册、Z-Stack协议栈说明、Z-Stack协议栈API函数使用说明等）文件，然后再进行协议栈的修改。 最后，还需要烧录器下载到相应的硬件，实现zigbee无线传感器网络的组建和开发。 设计思路3.1.1协议与协议栈协议定义的是一系列的通信标准，通信双方需要共同按照这一标准进行正常的数据收发；议栈是协议的具体实现形式。 通俗的理解为代码实现的函数库，以便于开发人员调用。
3.1Z-Stack协议栈3.1.1协议与协议栈协议栈是指网络中各层协议的总和，一套协议的规范。 其形象地反映了一个网络中文件传输的过程由上层协议到底层协议，再由底层协议到上层协议。 使用最广泛的是因特网协议栈，由上到下的协议分别是应用层（Http、Tel、DNS、Email等），运输层（TCP、UDP），网络层（IP），链路层（WI-FI、以太网、令牌环、FDDI等）。 3.1Z-Stack协议栈3.1.1协议与协议栈3.1Z-Stack协议栈3.1.1协议与协议栈Zigbee协议栈开发的基本思路如下。 ①借助TI提供的协议栈中例程SampleApp进行二次开发，用户不需要深入研究复杂的zigbee协议栈，这样可以减轻开发者的工作量。 ②Zigbee无线传感器网络中数据采集，只需要用户在应用层加入传感器的读取函数和添加头文件即可实现。 ③如果考虑节能，可以根据数据采集周期（zigbee协议栈例程中已开发了定时程序）进行定时，定时时间到就唤醒zigbee终端节点，终端节点唤醒后，自动采集传感器数据，然后将数据发送给路由器或者直接发给协调器，即监测节点定时汇报监测数据。 ④协调器（网关）根据下发的控制命令，将控制信息转发到具体的节点，即控制节点等待控制命令下发。 3.1Z-Stack协议栈3.1.2使用Z-Stack协议栈传输SampleApp.c 中定义了发送函数static voidSampleApp_SendTheMessage(void)。 该函数通过调用AF_DataRequest来发送数据。
第3章 低功耗无线传感器网络协议栈整体设计 本章的目标是对低功耗环境测控网络协议栈进行整体设计。首先对环境测控系统进行需求分析明确其适用场景和网络设备类型；然后，根据需求分析确定协议栈的设计目标，并选择适合的网络拓扑结构和协议栈的分层架构。协议栈的网络层和MAC 层将作为本章的设计的重点。 3.1 网络需求分析 3.1.1 应用场景介绍 本课题来源于研究生校企合作项目，所设计的低功耗无线传感器协议栈主要应用于环境测控系统中。该系统长期无人值守，其温度、湿度等环境参数由连接无线节点的传感器实时采集并上传至汇聚节点，汇聚节点再通过有线的方式传输至面向用户的管理终端。多个子系统采集的数据最后由各自的管理终端传送至云端处理中心进行数据的保存，整个系统框图如图3.1所示。 云端处理中心 二级中继 汇聚节点 图3.1 环境测控系统框图 图中的环境测控无线网络是执行数据采集和设备控制的主体，也是协议栈发挥作用的区域。一个环境测控无线网络负责一个区域，区域之间有一定的距离，
因此无线网络之间不存在干扰，但无线网络的运行方式一致。该项目处于初期开发阶段，所以本文设计的协议栈只应用于单个环境测控无线网络中。 该课题所涉及的环境测控系统处于室内，人员进出频率低。网络中节点数不超过65个，包含一个汇聚节点。点对点通信的距离要求达到20米。传感器节点以10秒为周期采集并发送环境数据。考虑到室内可能会出现一些特殊设备、隔断等障碍影响通信距离，并使得部分节点处于屏蔽的位置，因此网络通过设置中继节点来扩展通信距离，经过中继后的通信距离要求60米及以上。由于成本等原因，课题设定数据包最多经过两级中继传递，每级中继最多4个，中继数量不超过8个。同时，系统中存在少量控制节点，控制节点连接室内的控温设备来调节室内温度。控制节点由工作人员从软件端下达命令进行开关，因此不具备周期性。该课题要求除汇聚节点、中继节点之外的所有节点能在1000mA/h电池的支持下工作一年以上。为保证数据采集的有效性和传输的可靠性，该课题要求多节点共享信道的丢包率在5%以内。此外，由于环境的特殊性，人员不能随时到场，还要求该环境测控网络中的节点具有安装简单、组网快速、配置容易的特点。以上需求总结如表3.1所示。 表3.1 环境测控系统需求指标 表3.1明确了该环境测控无线网络的要求。通过需求指标能使协议栈的设计更有约束性，设计方向也会更加明确。
无线传感器网络面临的安全隐患及安全定位机制 随着通信技术的发展，安全问题显得越来越重要。在现实生活中，有线网络已经深入到千家万户：互联网、有线电视网络、有线电话网络等与人们生活的联系越来越紧密，已经成为必不可少的一部分，有线网络的安全问题已经能够得到有效的解决。在日常生活中，人们可以放心的使用这些网络，利用它来更好的生活和学习。然而随着无线通信技术的不断发展，无线网络在日常生活中已占据重要的地位，如无线LAN技术、3G技术、4G技术等，同时也有许多新兴的无线网络技术如无线传感器网络，Ad-hoc等有待进一步发展。随着人们对无线通信的依赖越来越强烈，无线通信的安全问题也面临着重要的考验。本章首先介绍普通网络安全定位研究方法，随后介绍无线传感器网络存在的安全隐患以及常见的网络攻击模型，分析比较这些攻击模型对定位的影响，最后介绍已有的一些安全定位算法，为后续章节的相关研究工作打下基础。 3.1 安全定位研究方法 不同的定位算法会面临着不同的安全方面的问题，安全定位的研究方法可以采用图3-1所示的流程来进行。 图3-1安全定位方法研究流程图
Figure 3-1 Flowchart of security positioning research method 在研究中首先要找出针对不同定位算法的攻击模型，分析这些攻击对定位精度所造成的影响，然后从两方面入手来解决这个安全问题或隐患：一方面改进定位算法使得该定位算法不易受到来自外界的攻击，另一方面可以设计进行攻击检测判断及剔除掉受到攻击的节点的安全定位算法或者把已有的安全算法进行改进使之能够应用于无线传感器网络定位，还可以从理论上建立安全定位算法的数学模型，分析各种参数对系统性能的影响，最后根据这个数学模型对算法进行仿真，并把仿真结果作为反馈信息，对安全定位算法进一步优化和改进，直到达到最优为止。 3.2 安全隐患 由于无线传感器网络随机部署、网络拓扑易变、自组织成网络和无线链路等特点，使其面临着更为严峻的安全隐患。在传感器网络不同的定位算法中具有不同的定位思想，所面临的安全问题也不尽相同。攻击者会利用定位技术的弱点设计不同的攻击手段，因此了解各定位系统自身存在的安全隐患和常见的攻击模型对安全定位至关重要。 影响无线传感器网络定位的原因大致可以分为两类：其一，节点失效（如节点被破坏、电量耗尽）、环境毁坏（通信干扰）等引起的定位误差；其二，恶意攻击[30]，攻击者主要是通过内部攻击和外部攻击两种方式来增大无线传感器网络的定位误差或使节点定位失效。 采用不同的定位算法，系统存在不同的安全隐患。按照定位算法的分类将安全隐患大致分为：基于测距的定位的安全隐患和基于无需测距定位的安全隐患。 3.2.1 基于测距定位的安全隐患 基于测距的定位技术需要测量未知节点和参考节点之间的距离或方位信息。攻击者主要针对定位系统位置关系的测量阶段和距离估计阶段进行攻击。在测距阶段，攻击者通过改变测距所需要的参数或者产生干扰和欺骗以增大误差，达到攻击的目的。 基于测距定位的攻击手段主要有以下几种：（1）通过移动、隔离信标节点来
无线传感器网络安全技术综述 摘要：本文总结了无线传感器网络面临的安全问题，并从安全协议、安全算法、密钥管理、认证技术、入侵检测等方面分析了近年来无线传感器网络所用的安全技术。最后分析总结了无线传感器网络未来安全技术研究应该注意的地方。 关键词：安全问题协议算法认证技术入侵检测 1 引言 无线传感器网络在近些年来发展迅速，被认为是新一代的传感器网络，由于其体积小，成本低，功耗低，具有自组织网络，现已经广泛应用于军事、环境监测、交通管制、森林防火、目标定位、医疗保健、工业控制等场景[1]。 大多无线传感器网络节点被部署在无人值守或地方区域，传感器网络受到的安全威胁就变得更为突出，且由于传感器节点体积小，其储存开销、能量开销、通信开销都受到限制，所以传统无线网络的安全机制并不能完全的应用于无线传感器网络中。缺乏有效的安全机制已经成为传感器网络应用的主要障碍. 近些年来，随着无线传感器网络的发展，其安全技术也有了很大的进步。虽然传感器网络安全技术研究与传统网络有着很大的区别，但他们的出发点有相同的敌方，均需要解决信息机密性、完整性、消息认证、信息新鲜性、入侵检测等问题[2]，无线传感器网络的安全协议跟传统网络的安全协议有着其独特性也有其同性。国内外研究人员针对无线传感器网络安全协议、算法、密钥管理、认证技术、体系结构等方面都进行了大量的研究，取得了很多成果。本文将对这些已有的研究成果进行总结分析。 2 无线传感器网络安全概述 无线传感器网路安全要求是基于在传感器节点和网络本身条件限制而言的，如而节点的电池能量、睡眠模式、内存大小、传输半径、时间同步等。部署的环境也是网络安全问题的一个重要因素。 2.1网络受到的威胁和攻击 攻击是一种非法获取服务、信息，改变信息完整性，机密性的行为。无线传感
线传感器网络常用的通信协议（上） 通信协议是无线传感器网络实现通信的基础，无线传感器网络通信协议的设计目的是为了使具体的无线传感器网络通信机制与上层应用分离，为传感器节点提供自组织的无线网络通信功能。 与传统无线网络相比，无线传感器网络的应用环境有诸多不同。无线传感器网络是能量受限的网络，需要使用低功率、短距离的无线通信技术，以节省能源消耗，延长网络寿命。无线传感器网络的通信协议可以采用自定义的通信协议，也可以采用已经形成标准的通信协议，如ZigBee、蓝牙、Wi-Fi，这三种无线通信技术标准都是短距离的无线通信，它们在各方面性能之间有较大差异，ZigBee、蓝牙、Wi-Fi．之间的比较见表5-6。蓝牙技术所能通信的距离非常短，限制了其应用范围；Wi-Fi协议栈所占内存很大、功耗高使其在很多场合不实用。究竟选用什么通信标准，还需要根据系统需求来定。 由表5-6得知，ZigBee是比较适合无线传感器网络应用的，简单阐述自定义通信协议并对ZigBee协议栈进行分析。 1. 自定义通信协议 自定义的通信协议可以采用分层设计，参考OSI参考模型的结构，可以提高系统的灵活性，在保持各层协议之间接口不变的情况下，各层协议可以独立进行开发，并尝试不同的算法。早期提出的一个协议栈包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层，另外还有能量管理平台、移动管理平台和任务管理平台，如图5-23所示。 如图524所示的网络协议栈对原始模型进行了改进，加入了定位和时间同步子层，并用倒L型描述这两个子层。另外还增加了QoS管理及网络管理等功能。 2 ZigBee协议栈
目前已经有多家公司推出支持ZigBee的无线收发芯片、ZigBee开发套件及ZigBee协议栈等，如Microchip的PICDEMZ Demo Kit及其ZigBee协议栈、飞思卡尔的MC13191/92开发者初级套件及其协议栈、Figure8的Z-Stack ZigBee 协议栈等，国内也涌现出了不少专门从事ZigBee开发的公司。在此介绍Microchip的ZigBeel.0版协议栈。 1．Microchip ZigBee协议栈简介 Microchip的ZigBee1.0版协议栈设计得可以随着ZigBee的发展而发展，它具有以下特点。 ①基于ZigBee规范的0.8版本。 ②使用Chipcon CC2420 RF收发器，支持2.4GHz频带。 ③支持简化功能设备(Reduced Device，RFD)和协调器。 ④在协调器节点中实现对邻接表和绑定表的非易失性存储。 ⑤支持非时隙的星型网络。 ⑥可以在大多数PICl8系列单片机之间进行移植。 ⑦协同多任务处理架构。 ⑧不依赖于RTOS和应用。 ⑨支持Microchip MPLAB?C18和Hi-Tech PICC-18TM C编译器。 ⑩易于添加或删除特定模块的模块化设计。 当然，该协议栈也不是完全支持ZigBee标准中的所有规范，它有以下限制。 ①不完全符合ZigBee协议。 ②不支持群集和点对点网络。 ③无安全和访问控制功能。 ④无路由器功能。 ⑤不提供标准的配置文件，但是包含创建配置文件所必需的所有原始函数。
基于ZigBee 协议栈的无线传感器网络的设计 徐振峰，尹晶晶，陈小林，周全 （安徽国防科技职业学院机电工程系，安徽六安237011） 摘要：首先介绍了无线传感器网络的基本拓扑结构与传感器节点的结构，详细说明了基于ZigBee 协议栈的无线传感网络的建立过程，包括协调器启动及建立网络、传感器节点启动及加入网络、传感器节点与协调器之间建立绑定以及传感器节点向协调器发送数据的过程。设计了基于ZigBee 协议栈的无线传感网络系统。以采集温度信息为例，协调器能够接收到传感器节点发来的数据，并能通过RS232串口，将收到的数据发送给PC 机进行显示。实验显示在距离 80m 远处，系统仍能保持良好的通信质量。 关键词：ZigBee 协议栈；无线传感器网络；协调器；传感器节点中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1674－6236（2012）05-0075-03 Design of wireless sensor networks based on ZigBee stack XU Zhen -feng ，YIN Jing -jing ，CHEN Xiao -lin ，ZHOU Quan （Department of Mechanical and Electrical Engineering ，Anhui Vocational College of Defense Technology ，Liu ’an 237011，China ） Abstract:First ，the basic topological structures of wireless sensor network and the structure of sensor node are introduced.The starting -up process of wireless sensor network based on ZigBee stack is explained in details ，including startup and establishing network of coordinator ，startup and joining network of sensor node ，binding between sensor nodes and coordinator ，and the process of terminal nodes sending data to coordinator.The wireless sensor network is designed based on ZigBee stack.Taking sampling temperature information as a example ，the coordinator can collect the information from sensor nodes ，and send them to PC by using RS232.The temperature information can be displayed in PC.The experiment shows that good communication quality of this system can be obtained ，although at the distance of 80meters.Key words:ZigBee stack ；wireless sensor network ；coordinator ；sensor node 收稿日期：2012-01-12 稿件编号：201201050 基金项目：安徽省高校省级优秀青年人才基金项目（2010SQRL202） 作者简介：徐振峰（1981—），男，山东郓城人，硕士，讲师。研究方向：无线传感器网络理论及应用。 无线传感器网络（Wireless Sensor Network ，WSN ）是由部署在监测区域内大量廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成多跳、自组织网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者[1]。 目前能够用于短距离无线传感网络的通信技术主要有5种[2]：Wi-Fi 技术、超宽带通信（Ultra Wideband ，UWB ）技术、近场通信（Near Field Communication ，NFC ）技术、蓝牙以及 ZigBee 技术。其中，ZigBee [3]是基于IEEE802.15.4的一种新兴 短距离无线通信技术，其特点是低功耗、低速率、低复杂度、低成本等。这些特点决定了ZigBee 技术非常适合应用于无线传感网络中，因此ZigBee 技术被认为是最有可能应用于工业监控、传感器网络、家庭监控、安全监控等领域的无线技术。在ZigBee 协议的制定中，IEEE802.15.4无线标准定义了物理层（Physical Layer ，PHY ）和介质访问控制层（Medium Access Control Sub -Layer ，MAC ），而ZigBee 协议栈的网络层和应用 层是由ZigBee 联盟制定的。 支持ZigBee 协议的无线通信芯片主要有TI 公司推出的CC2420、CC2430、CC2530以及Freescale 半导体公司推出的MC13191、MC13192及MC13193等芯片。CC2430是世界上首 个单芯片ZigBee 解决方案，除了保持CC2420所包括的优良射频性能之外，其内部还集成了一个增强型8051内核，这使得 CC2430成为市面上最具有竞争力的ZigBee 无线收发芯片。 文中设计了基于ZigBee 协议栈的无线传感网络，该系统包括一个协调器和四个终端传感节点。以采集温度信息为例，实现了无线通信功能。协调器节点通过RS232串口，将收到的数据发送给PC 机进行处理及显示。 1 无线传感网络的结构 1.1 网络体系结构 无线传感网路中的基本单元是传感器节点，根据其在网 络中的所承担的任务不同，传感器节点可以分为3类：协调器、路由器和传感器节点。在网络中，协调器负责建立网络，允许路由器和传感器节点与其绑定，并接收路由器和传感器节点发送来的数据信息，以及传送给PC 机进行处理、存储等；传感器节点负责感知被测对象的物理信息，并将其无线 电子设计工程 Electronic Design Engineering 第20卷Vol.20第5期No.52012年3月Mar.2012 －75－
无线传感器网络技术试题及答案 一、填空题 1.传感器网络的三个基本要素：传感器、感知对象、用户(观察者) 2.传感器网络的基本功能：协作式的感知、数据采集、数据处理、发布感知信息 3.无线传感器节点的基本功能：采集数据、数据处理、控制、通信 4.传感节点中处理部件用于协调节点各个部分的工作的部件。 5.基站节点不属于传感器节点的组成部分 6.定向扩散路由机制可以分为三个阶段：兴趣扩展阶段、梯度建立阶段、路径加强阶段 7.无线传感器网络特点：大规模网络、自组织网络、可靠的网络、以数据为中心的网络、应用相关的网络 8.NTP时间同步协议不是传感器网络的的时间同步机制。 9.IEEE标准主要包括：物理层。介质访问控制层 10.从用户的角度看，汇聚节点被称为网关节点。 11.数据融合的内容主要包括：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 13.传感器网络的电源节能方法：_休眠（技术）机制、__数据融合 14.分布式系统协同工作的基础是时间同步机制
15.无线网络可以被分为有基础设施的网络与没有基础设施的网络，在无线传感器网络，Internet网络，WLan网络，拨号网络中，无线传感器网络属于没有基础设施的网络。 16.传感器网络中，MAC层与物理层采用的是IEEE制定的IEEE 协议 17.分级结构的传感器网络可以解决平面结构的拥塞问题 18.以数据为中心特点是传感器网络的组网特点，但不是Ad-Hoc的组网特点 19.为了确保目标节点在发送ACK过程中不与其它节点发生冲突，目标节点使用了SIFS帧间间隔 20.典型的基于竞争的MAC协议为CSMA 二、选择题 1.无线传感器网络的组成模块分为：通信模块、（）、计算模块、存储模块和电源模块。A A．传感模块模块C网络模块D 实验模块 2..在开阔空间无线信号的发散形状成（）。A A．球状B网络C直线D射线 3.当前传感器网络应用最广的两种通信协议是（）D A. B. C. D.
无线传感网络设计报告 题目无线传感器网络安全设计 报告人 指导老师 二○一六年十二月 无线传感器网络安全技术 摘要：针对目前库在未来的几十年里，传感器网络作为首要的技术的出现给许多研究拘束人员带来了很多挑战。这些传感器网络由大量的同质节点，这些节点可以用来限制计算机的资源。现实生活中的很多应用在传感器网络的研究文献中被提出来。当传感器网络部署在一个意想不到的或敌对的环境中，安全问题成为一个重要的关注点，因为这些安全问题都来自不同类型的恶意攻击。在本文中，我们目前的关于无线传感器网络安全问题的调查、网络受到的攻击还有相应的对策以及对未来工作范围的都有了很好结论和概述。 关键字：无线传感器网络；安全；威胁；危险 1 引言 传感器网络监控物理或环境条件如温度、声音、压力、湿度等。传感器网络由大量的低功率、低成本的智能设备与极端的资源约束。每个设备是称为传感器节点,每个节点连接到一个有时几个传感器节点。它具有无线通信的能力和一些情报信号处理和数据网络。这些传感器节点通常是在各种随机方向地区收集数据、过程数据并将其传递给中央节点进行进一步处理。每个传感器节点由三个子系统组成:传感器子系统、处理子系统和通信子系统。传感器子系统用于传感环境。处理子系统用于执行当前计算数据感知和负责通信子系统与邻近的传感器节点的信息交换。
传感器网络在许多应用程序中使用。这些应用程序包括： 1)军事应用,如监测出对方是否是友好的和设备、军事影院或战场监测、核、生物和化学攻击检测。 2)环境应用程序等小气候、森林火灾探测、精确农业和洪水检测。 3)应用程序,如跟踪和健康监控，医生对在医院的病人进行药物生理数据的管理、远程监控。 4)家庭应用,如食品自动化的环境,自动抄表等。 5)环境等商业应用控制在工业办公楼和车辆跟踪和检测、库存控制、交通流监测[1]。 2 传感器节点的体系结构 传感器节点是无线传感器的重要组成部分。通过网络可以收集传感器和执行一些计算的信息和其他结果网络中连接节点沟通。 图1:传感器节点的体系结构传感器节点由以下部分组成: a:控制器 它是传感器节点的大脑。它的功能是控制其它部分的传感器节点。它能够处理数据执行任务。由于其低成本,灵活地连接到其他设备,方便编程和低功耗主要在传感器微控制器作为控制器比通用微控制器节点(数字信号桌面处理器,处理器)。 b .收发器 无线传输介质可以像无线电频率(RF),光学(激光)和红外通信以不同的方式。激光有优势它只需要更少的能量,但主要缺点是它大气状况更为敏感。红外是也是一个不错的选择,但它广播有限能力。所以大部分的基础是基于射频通信。收发器的主要功能能够作为发射机和接收机。 c .外部存储器 由于成本和存储容量,使用闪存。 d .电源 电源是最重要的一个单位例如单电池可能是有限的。有些支持清除设备(如太
本栏目责任编辑：冯蕾无线传感器网络攻击与防范 刘勇，侯荣旭 （沈阳工程学院计算中心，辽宁沈阳110136） 摘要：无线传感器网络安全机制的研究一直是传感器网络的研究热点，该文主要介绍了无线传感器网络各层的攻击方式以及各个攻击方式的防范措施。 关键词：无线传感器网络；安全；攻击；防范 中图分类号：TP393文献标识码：A 文章编号：1009-3044(2013)35-7927-02 Wireless Sensor Network Attack and Prevention LIU Yong,HOU Rong-xu (Computer Center,Shenyang Institute of Engineering,Shenyang 110136,China) Abstract:The security mechanism research of wireless sensor network has been a hot research topic of sensor networks,this pa?per mainly introduces the wireless sensor network attack means of each layer and the preventive measures against various attacks. Key words:Wireless Sensor Networks;security;attack;prevention 无线传感器网络(wireless sensor networks)是结合传感器技术、计算和通信的产物，并作为一种全新的信息获取和处理技术在国际上备受关注。由于现代科学的通讯技术和微型制造技术的不断提高，致使传感器不但具有感应外界环境的能力，而且还有独立处理信息和无线通讯的能力，外观上也变得越来越小。无线传感器网络属于自组织多跳式的网络，它可以在一定范围内自行组建网络，一个终端节点可以通过多条路径把信息传送到另一个节点。无线传感器网络通常适用于通讯距离较短和功率较低的通信技术上，但由于传感器网络自身的一些特性，致使其更容易遭受到各种形式的攻击。因此，无线传感器网络的安全面临着巨大挑战。 1无线传感器网络攻击与防范 无线传感器网络要想进入实际应用，安全因素是必须要考虑的，这样就需要可行的安全机制。作为一种特殊的Ad-hoc 网络，无线传感器网络又具有自组网络的多跳性、无中心性和自组织性等独特的特征，所以现有的网络安全机制没有办法用到本领域上。鉴于无线传感器网络面临的诸多威胁，并针对网络安全性能要求，下面我们将对无线传感器网络进行分层分析。 1.1物理层的攻击与防范 物理层的攻击包括物理破坏、信息泄露和拥塞攻击。由于无线传感器网络所处的环境比较恶劣，通常使用者没有办法进行现场监控，所以攻击者就可以利用这一特点轻易对该节点进行破坏或者进一步对节点进行内存重写以甚至替代该节点的攻击。又由于攻击者可以轻易监听暴露在物理空间上的无线信号，这样就造成信息的泄露。再者，攻击者还可以通过在无线传感器网络工作的频段上不断发射无用信号，致使该节点不能正常工作，如果这种攻击节点的密度达到一定程度时，就可以使得整个网络处于拥塞状态而无法进行正常工作。 物理层防范的关键之处在于建立有效的数据加密机制，因为传感器节点在计算能力和存储空间上有一定的局限性限，所以，轻量级的对称加密算法可以有效地被采用，同时非对称密钥加密系统也在探索之中，例如基于椭圆曲线的密钥系统。再者，扩频或者跳频技术也可以有效抵抗电波干扰。 1.2链路层的攻击和防范 数据链路层的攻击包括耗尽攻击、碰撞攻击和链路层DOS 攻击：攻击者可以利用无线传感器网络协议存在的漏洞，持续向一个节点发送数据包，最后使其忙于处理这些无意义的数据包而耗尽资源，从而令合法用户无法访问，这种攻击叫做耗尽攻击。而防止耗尽攻击的方法有限制节点的发送次数和在协议上设置重发次数的上限值等等。攻击者还可以利用数据链路层的媒体接入机制的漏洞进行传输数据包，从而进行碰撞攻击，这会使正常的数据无法传输，最终耗尽节点的能量资源，而防止碰撞攻击可以采用纠错编码、信道监听等手段来完善链路层的协议，具体为，先采用信道监听和重传机制来防止恶意节点数据包的碰撞攻击，再进行控制MAC 层的接入，使网络自动把过多的请求进行忽略，这样就可以不必对每个请求都应答，节省了通信的开销。攻击者还可以利用恶意节点或者被俘节点来不断在网络上发送高优先级的数据包来占据信道，导致其他节点无法传送正常的数据，这种DOS 攻击不但可以存在于数据链路层，还可以存在于物理层、网络层和传输层，对于DOS 攻击，可以采用短包策略或者弱化优先级之间的差异的方法来防止恶意节点发送的高优先级的数据包。 1.3网络层的攻击和防范 在无线传感器网络中，传感器节点大都密集分布在一个区域中，信息需要若干节点的传送才能到达目的地，又因为传感器网收稿日期：2013-09-20 作者简介：刘勇（1973-），男，辽宁沈阳人，高级实验师，硕士，主要研究方向为网络研究。 7927
无线传感器网络MAC协议 摘要近年来，无线传感器网络(WSNs)作为国内外一个新兴的研究方向，吸引了许多研究者和机构的广泛关注。本文从无线传感器网络MAC 协议角度出发，介绍了无线传感器网络的MAC 协议及当前的研究现状，分析了无线传感器网络协议和传统网络协议在设计上的不同点，对已有的MAC 协议进行分类，着重研究和比较了S-MAC和T-MAC无线传感器网络MAC 协议。最后，展望了无线传感器网络MAC协议的进一步研究策略和发展趋势。 关键词无线传感器网络(WSNs)，MAC协议，能量有效性 Abstract In recent years, wireless sensor networks (WSNs), as a new research direction at home and abroad, has attracted the attention of many researchers and organizations. We conduct a deeply research on wireless sensor network MAC protocol,and we propose the difference between WSN and traditional networks, not only given the characteristic of WSN, we also have illustrate the research orientation in this area.Focus on the research and comparison of S-MAC and T-MAC wireless sensor network MAC protocol. Finally, the future research strategies and trends of MAC protocols in WSNs are summarized. Key words Wireless sensor networks (WSNs), MAC protocols, energy-efficiency
无线传感器网络通讯协议 1.协议说明 1)约定一条消息指一条完整的数据包，以消息代码区分； 2)无线传感网协议包含以下三个部分： 协调器与中间服务之间通讯协议 应用层软件与中间服务之间通讯协议 协调器与应用层软件之间通讯协议 3)应用层软件包括桌面应用,Web应用以及嵌入式网关应用软件 4)所有控制指令，除群(组)发消息及上传数据外，均有应答指令，超过若干时间未收到应答或收到应答错误时，主 机根据实际情况重发或放弃。 5)会话ID的定义：会话ID为某个设备的连接。在应用软件层，会话ID用于识别是哪一个设备，在中间服务层用 于将应用软件层发来的消息转发至哪一个设备。 6)协议中*号表示内容可变 7)协议中用到的数据类型列表如下： 缩写说明 Int8 带符号8位整型 Int16 带符号16位整型 Int32 带符号32位整型 Int64 带符号64位整型 uInt8 无符号8位整型 uInt16 无符号16位整型 uInt32 无符号32位整型 uInt64 无符号64位整型 Real32 单精度浮点(32bit) Real64 双精度浮点(64bit) Char 字符型 [] 数组类型 8)协议中的数值型数据如无特别说明，均采用LSB模式，即低字节在前；
1.协调器与应用层软件之间通讯协议 1.1.消息格式定义 z以下消息相当于一类消息的模板，编码时可以把这一类消息统一定义为一个结构体。 1.1.1.节点一般消息 节点一般消息 段名 内容 段长 数据类型 说明 消息头 @ 1 Char 消息长 8 1 uInt8 会话ID * 2 uInt16由设备ID和设备索引组成 消息代码 * 1 uInt8查一般消息代码表 节点地址 * 2 uInt16 校验和 * 1 uInt8除校验和外消息其它字节的累加 1.1. 2.节点一般应答消息 节点一般应答消息 段名 内容 段长 数据类型 说明 消息头 @ 1 Char 消息长 9 1 uInt8 会话ID * 2 uInt16由设备ID和设备索引组成 消息代码 * 1 uInt8填要应答的那条消息的消息代码 节点地址 * 2 uInt16地址为0表示协调器 应答代码 * 1 uInt80x00-正确接收 0x01-错误的消息 0x02-未知的消息 校验和 * 1 uInt8 1.1.3.一般群（组）发消息 一般群(组)发消息 段名 内容 段长 数据类型 说明 消息头 @ 1 Char 消息长 7 1 uInt8 会话ID * 2 uInt16由设备ID和设备索引组成 消息代码 * 1 uInt8查一般群发消息代码表 组号 * 1 uInt80xFF表示群发,其它表示组号 校验和 * 1 uInt8
基于CC2530及ZigBee协议栈设计无线网络传感器节点①章伟聪，俞新武，李忠成 (浙江万里学院智能控制研究所，宁波 315101) 摘 要：针对智能家居、环境监测等的实际要求，设计了一种远距离通讯的无线传感器节点。该系统采用集射频与控制器于一体的第二代片上系统CC2530为核心模块，外接CC2591射频前端功放模块；软件上基于ZigBee2006协议栈，在ZStack通用模块基础上实现应用层各项功能。介绍了基于ZigBee协议构建无线数据采集网络，给出了传感器节点、协调器节点的硬件设计原理图及软件流程图。实验证明节点性能良好、通讯可靠,通讯距离较TI第一代产品有明显增大。 关键词：传感器节点；CC2530；ZigBee；CC2591；无线传感器网络 Wireless Network Sensor Node Design Based on CC2530 and ZigBee Protocol Stack ZHANG Wei-Cong, YU Xin-Wu, LI Zhong-Cheng (Intelligent Control Research Institute, Zhejiang Wanli University, Ningbo 315101, China) Abstract: According to the actual needs of intelligent household, environmental monitoring etc, this paper designed a wireless sensor node of long-distance communication system. This system used the second SoC CC2530 set in RF and controller chips as the core module and externally connected with CC2591 RF front-end power amplifier module. Based on ZigBee2006 in software agreement stack, it realized each application layer function based on ZStack. It also introduced wireless data acquisition networks based on the ZigBee agreement construction, and has given the hardware design schematic diagram and the software flow chart of sensor node, synchronizer node. The experiment proved that the node is good in performance and the communication is reliable. The communication distance has increased obviously compared with the first generation TI product. Key words: sensor node; CC2530; CC2591; wireless sensor networks ZigBee[1]是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术,是基于IEEE802.15.4无线标准研制开发的,关于组网、安全和应用软件的技术标准。其突出优点是应用简单,工作频段灵活,低功耗,低成本,高可靠性,具有自组网和自恢复能力等。 传感器网络节点是无线传感器网络的基本构成单位,主要负责对周围信息的采集和处理,并发送自己采集的数据给相邻节点或将相邻节点发过来的数据转发给协调节点或更靠近协调节点的节点。无线传感器网络的节点通常由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和电源模块构成。但早些设计的传感器节点的处理器模块多数采用TI第一代产品如CC2430, CC2420,CC1110等,存在无线通讯距离短,通讯可靠性不能保证等缺点,一般传输距离都在100M内,有的不到50M[2]。本文采用TI公司最新的第二代片上系统CC2530,相比以前的产品,CC2530具有更卓越的RF性能,可编程的256KB闪存,更小的封装尺寸和IR产生电路,支持多种协议如ZigBee PRO、ZigBee RF4CE等;所设计的传感器节点在视野好的空旷室外传输距离可达400M以上[3]。 ①基金项目:宁波市高校研发资助项目(2009B20081);浙江省教育厅项目(Y200804562);宁波市自然科学基金(2009A610173);宁波市创新创业基金 (2009B31010) 收稿时间:2010-10-19;收到修改稿时间:2010-11-24 184 经验交流 Experiences Exchange