无限传感器网络
摘要:
随着半导体技术、微系统技术、通信技术、计算机技术的飞速发展，20世纪90年代末在美国发端了现代意义的无线传感器网络技术。
其后，该技术相继被一些重要机构预测为将改变世界的重要新技术，相关研究工作在世界各主要发达国家轰轰烈烈地开展起来。
无线传感器网络在广泛应用之前必须解决好网络安全问题。
本文简要介绍了无线传感器网络的特点、应用领域和未来的研究方向。
探讨了存在的问题和今后发展的方向。
关键字：
无线传感器网络特点应用领域无线传感器网络技术安全路由协议
正文：
无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，其目的是协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内感知对象的监测信息，并报告给用户。
与传统网络相比，无线传感器网络具有一些明显的特征：无中心、自组织、多跳路由、分布密集、动态拓扑的网络、网络的点数量众多、热点使用有限的电池能量。
目前WSN的应用越来越广泛，不仅在智能家居、环境监测和医疗监护等领域已得到了应用，还涉及国防军事、国家安全等敏感领域。
但是由于无线传感
器网络的硬件资源十分有限，必须做到微型化、低功耗、低成本，导致它的数据处理能力、程序空间和内存空间比一般计算机弱得多，通讯能力有限使得安全问题的解决成为一个巨大的挑战。
因此．无线传感器网络的安全问题已成为目前研究的热点和难点。
无线传感网络是当前在际上备受关注的、涉及多学科高度交
叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。
它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等，能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，这些信息通过无线方式被发送，并以自组多跳的网络方式传送到用户终端，从而实现物理世界、计算世界以及类社会三元世界的连通。
WSN以最少的成本和最大的灵活性，连接任何有通信需求的终端设备，采集数据，发送指令。
若把WSN各个传感器或执行单元设备视为“豆子”，将一把“豆子”(可能100粒，甚至上千粒)任意抛撒开，经过有限的“种植时间”，就可从某一粒“豆子”那里得到其他任何“豆子”的信息。
作为无线自组双向通信网络，传感网络能以最大的灵活性自动完成不规则分布的各种传感器与控制节点的组网，同时具有一定的移动能力和动态调整能力。
WSN的发展历程
无线传感器网络是新兴的下一代传感器网络。
最早的代表性论述出现在1999年，题为“传感器走向无线时代”。
随后在美国的移动计算和网络国际会议上，提出了无线传感器网络是下一个世纪面临的发展机遇。
2003年，美国《技术评论》杂志论述未来新兴十大技术
时，无线传感器网络被列为第一项未来新兴技术。
同年，美国《商业周刊》未来技术专版，论述四大新技术时，无线传感器网络也列人其中。
美国《今日防务》杂志更认为无线传感器网络的应用和发展，将引起一场划时代的军事技术革命和未来战争的变革。
2004年(IEEE Spectrum)杂志发表一期专集：传感器的国度，论述无线传感器网络的发展和可能的广泛应用。
可以预计，无线传感器网络的发展和广泛应用，将对人们的社会生活和产业变革带来极大的影响和产生巨大的推动。
无线传感器网络的特点：目前常见的无线网络包括移动通信网、Ad —Hoe网络、无线局域网、蓝牙网络等，与这些网络相比，无线传感器网络具有以下特征：
1.硬件资源有限由于受到价格、硬件体积、功耗等的限制，WSN节点的信号处理能力、计算能力有限，在程序空间和内存空间上与普通的计算机相比较，其功能更弱。
2.电源容量有限由于受到硬件条件的限制，网络节点通常由电池供电，电池能量有限。
同时，无线传感器网络节点通常被放置在恶劣环境或者无人区域，使用过程中，不能及时给电池充电或更换电池。
3.无中心无线传感器网络中没有严格的中心节点，所有节点地位平等，是一个对等式网络。
每一个节点仅知道自己邻近节点的位置及相应标识，无线传感器网络利用相邻节点之间的相互协作来进行信号处理和通信，它具有很强的协作性。
4.自组织网络的布设和展开不需要依赖于任何预设的网络设备，节点通过分层协议和分布式算法协调各自的监控行为，节点开机后就可以快速、自动地组成一个独立的无线网络。
5.多跳路由在无线传感器网络中，节点只能同它的邻居直接通信。
如果想与其射频覆盖范围之外的节点进行数据通信，则需要通过中间网络节点进行路由。
无线传感器网络中的多跳路由是由普通网络节点来完成的，没有专门的路由设备。
6.动态拓扑无线传感器网络是一个动态的网络，节点能够随处移动；一个节点可能会因为电池能量用完或其他故障原因，退出网络运行；
一个节点也可能由于某种需要而被添加到当前网络中。
这些都会使网络的拓扑结构发生变化，因此无线传感器网络具有动态拓扑组织功能。
传感器网络节点结构
如图2，传感器网络节点的基本组成包括如下4个基本单元：传感单元(由传感器和模数转换功能模块组成)、处理单元(包括CPU、存储器、嵌入式操作系统等)、通信单元(由无线通信模块组成)以及电源。
此外，可以选择的其他功能单元包括：定位系统、移动系统以及电源自供电系统等。
WSN的应用
对网络技术的深入研究，得到更先进的网络结构和路由算法；无线设备制造能力的提高，导致无线收／发器件价格越来越低。
这一切足以令众多厂商早早投入精力，研制价格低廉的短程无线模块。
2000
年前后，摩托罗拉公司就已开始尝试研制造价低于1．5美元的窄带无线通信模块；拥有60多家企业成员的ZigBee组织正致力于开发2．5美元~3．5美元的无线网络模块和相应网络协议；市场上高性价比的无线模块不断涌现。
这些都使WSN技术拥有极好的研发环境和推广机会，并取得了可喜成就。
WSN的应用非常灵活广泛，典型应用有：
（a)WSN可用于医疗设备系统中传感器的无线数据连接(如无线心电图和脑电图等)．减轻患者身上医疗设备的负重。
(b)采用WSN建设农业环境自动监测系统，用同一套网络设备完成风、光、水、电、热和农药等的数据采集和环境控制，提高农业集约化生产程度，简化系统复杂性，降低设备成本。
(c)石化、冶金行业对易燃、易爆、有毒物质监测的成本一直居高不下，WSN在把部分操作人员从高危环境中解脱出来的同时，提高险情的反应精度和速度。
(d)欧洲的“DELTA计划”在汽车出厂前就把车载信标集成在车载计算机中，作车辆识别和车辆与路侧设备通信的必选器件，还可构成自动定位和汽车导航等更完整的应用。
(e)WSN多技术组合时，运用M2M(machine to machine，machine to mobile，mobile to machine)概念，把WSN接入移动通信网络，既满足网络接入的要求，又达到低成本和灵活移动的目的，二者的完美结合可实现无所不在的通信环境和便宜实惠的应用效果。
M2M与WSN联合应用最典型的是智能家居系统。
WSN的安全路由协议
WSN中的网络拓扑结构，路由选择，数据的转发等都是由相应的路由协议来完成的。
现有的路由协议主要分为四类：以数据为中心的路由协议(如Directed Diffusion，Flooding，Gossiping，Rumor routing等)，层次路由协议(如LEACH，TEEN，SOP PEGASIS等)，基于地理位置的路由协议(如GEAR，GPSR，TBF等)，能量感知的路由协议(如SPAN，GAF，CEC，AFECA等)。
但是这些路由协议都没有关注路由中的安全问题。
下面将介绍几种现有的安全路由协议。
1.SPINS协议 SPINS（Security Privacy In Sensor Network）协议[12]是一套简单高效的安全协议，为建立WSN安全通信提供了SNEP 和µTESLA两个安全基础协议。
SNEP 提供了数据机密性、双向数据认
证和数据实时性；µTESLA是一个在资源受限情况下提供认证广播的协议。
该协议在很大程度上考虑到了无线通信中各种安全机制，但其仅仅是一个框架，没有完整的密码算法，协议中安全机制过度依赖基站的安全。
2.TRANS协议 TRANS（Trust Routing for Location-aware sensor network）协议[13]是一个建立在地理路由协议之上的安全机制，为无线传感器网络中隔离恶意节点和建立信任路由提出了一个以位置为中心的体系结构。
TRANS的主要思想是使用信任概念来选择安全路径和避免不安全位置。
3.INSENS协议INSENS(Intrusion-Tolerant Routing in Wireless Sensor Networks)协议是一种容忍入侵安全路由协议。
其特征是允许被入侵的节点威胁周围的局部节点，通过冗余机制将其破坏力控制在一定的范围之内。
该协议能够为WSN 安全有效地建立树结构的路由。
整个过程分为三个阶段：1、基站广播路由请求包；2、每个节点单播一个包含邻近节点拓扑信息的路由回馈信息包；3、基站验证收到的拓扑信息，然后单播路由表到每个传感器。
4.基于单向哈希链的LEACH路由协议LEACH路由设计时未考虑安全性，不能抵御
针对网络层的各种攻击，杨寅春等提出了基于单向哈希链算法的安全LEACH协议[15]。
该协议对传感器网络节点进行动态身份验证，从而确保信息由认证节点发出，然后在网络初始化阶段生成共享通信密钥。
但该协议在每一轮的通信中均用不同的身份信息和密钥对每个节点进行身份验证和数据加密，大大增加了网络开销，传输效率降低。
5.基于名誉机制的TEENRM路由协议章国安等在TEEN的基础上引入了名誉机制，提出了一种安全高效的路由协议TEENRM[17]。
该协议在每个节点上构建一个名誉表，在簇首选举前，禁止名誉度值低于限定值的节点参与簇首的选举，以此建立多个安全的簇，能够较好抵御HELLO泛洪攻击与选择转发攻击。
但需要不断交换名誉信息，导致路由的开销增加，造成网络延迟。
6.基于分簇的CSRP路由协议张涛等提出一种基于分簇的安全路由协议CSRP[16]，一定程度上保证了数据的完整性、保密性以及认证性。
该协议是在LEACH基础上，以增强路由安全性同时兼顾网络的能量消耗为目标而设计；并引
入双向评测机制，对恶意节点进行检测，有效地提高了网络的安全性能。
但其只在网络初始化阶段进行一次检测，不能监控运行中的网络攻击。
7.基于动态分簇的SRDC路由协议邓亚平等提出一种基于动态分簇的异构传感器网络安全路由协议SRDC[18]。
该协议在尽可能降低能耗的基础上，通过多种安全机制实现密钥协商、节点认证和组密钥更新，使得节点的抗入侵能力和自我恢复能力大大增强。
但SRDC协议仅限于分簇的能量异构网络，移植性和扩展性能较弱。
结束语
WSN正在快速发展的阶段，在未来具有广阔的应用前景。
但其相关的技术尚不成熟，还未形成一个完善的体系，特别是WSN的安全问题现已引起了国内外众多学者的注意。
WSN安全最基本的内容是密钥管理，对密钥及其算法的研究将是一个任重道远的任务。
路由安全是无线传感器网络得以广泛应用前需要解决的核心问题之一，安全路由协议能有效抵御各种非法入侵和破坏，提高网络的稳定性，可靠性。
本文也就这两个重要的方面对现阶段的WSN技术进行了分析，可以看出在将来的WSN发展中应着眼于如何利用较少的能量和较小的计算量来完成高效的数据加密、身份认证等；并在节点遭到入侵的时候仍然能够完成工作任务。
参考文献：
1..梁娜娜．浅谈无线传感器网络安全机制
2.无线传感器网络安全技术综述
3.无限传感器网络
4.王勍李佳节无线传感器网络概述
5.张留敏，李腊元．无线传感器网络安全路由协议研究
11。
