第5章 无线传感器网络的传输协议-郑军

无线传感器网络中的安全通信协议设计与分析无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，简称WSN）是一种由众多分布式节点组成的网络系统，这些节点将传感器、计算和通信功能集成在一起，用于监测和控制环境中的各种事件和物理现象。

安全通信协议设计与分析是保障无线传感器网络安全的重要一环，它涉及到保证网络中的数据传输安全、节点身份验证以及抵御各种网络攻击的能力。

为了保证无线传感器网络的安全通信，首先需要解决数据传输安全的问题。

数据传输过程中可能会受到窃听、篡改和重放等攻击。

传统的加密技术，如对称加密算法和非对称加密算法，可以用于保护数据的机密性。

对称加密算法采用相同的密钥进行加密和解密，具有较高的加密和解密效率，适合用于无线传感器节点资源有限的情况。

非对称加密算法则采用不同的密钥进行加密和解密，具有更高的安全性和密钥管理能力，适合用于节点之间的身份验证和密钥协商。

此外，可以结合哈希算法和消息认证码等技术，保证数据完整性和认证性，避免数据被篡改。

其次，无线传感器网络中的安全通信协议还需要考虑节点的身份验证。

确保节点的身份合法性，可以避免伪造节点对网络进行攻击。

常用的身份验证方法包括数字证书和公钥基础设施（PKI），通过使用数字签名、证书链和信任中心等机制，保证节点的身份和信息的可信度。

此外，还可以利用基于密码哈希函数的身份验证协议，如零知识证明和基于零知识证明的身份验证协议等，实现节点身份的匿名性和隐私保护。

在无线传感器网络中，节点容易受到各种网络攻击，如黑客入侵、拒绝服务攻击和数据欺骗等。

因此，安全通信协议设计与分析还需要考虑抵御这些网络攻击的能力。

针对黑客入侵，可以利用入侵检测和入侵响应技术，实时监测和识别异常节点或攻击行为，及时采取相应的安全措施。

对于拒绝服务攻击，可以通过资源分配、任务调度和负载均衡等策略，提高网络的抗攻击能力。

针对数据欺骗攻击，可以利用信任管理和数据完整性验证等技术，确保数据的可信度和完整性。

无线传感器网络中传输协议的研究与改进随着物联网的发展和应用，无线传感器网络被广泛应用于环境监测、农业、交通、医疗等领域。

无线传感器网络具有低功耗、低成本、自组织等特点，能够实现多种应用场景和需求。

然而，由于传感器节点间通信的距离有限、信号传输容易受到干扰等因素的影响，传输协议的设计对无线传感器网络的性能和能耗有着至关重要的影响。

本文将从传输协议的角度探讨无线传感器网络的研究和改进，以期为无线传感器网络的发展和应用提供一些思路和参考。

一、传输协议的基本原理传输协议是无线传感器网络中数据传输的核心，具有数据传输可靠性、通信能耗等方面的特点。

传输协议通常可以分为MAC层和网络层两个部分，其中MAC层负责节点之间的数据传输，网络层负责路由选择和数据转发。

传输协议的主要功能包括信道访问、能量管理等。

同时，为了提高数据传输的可靠性和效率，对于无线传感器网络中数据包的格式和长度等方面的设定也具有重要的影响。

二、传输协议的研究现状当前，无线传感器网络的传输协议研究主要集中在两个方向，一方面是对传输协议的性能进行实验验证和分析，评估不同协议的适用性和可靠性；另一方面是通过改进算法和优化协议，提高传输协议的性能和效率。

在传输协议的性能分析方面，目前常用的评价指标为数据可靠性、数据传输延迟、网络能耗，其中数据可靠性是衡量传输协议性能的一个重要指标，其次是数据传输延迟和网络能耗。

对于不同的应用场景，可以进一步选择相应的评价指标，进行个性化的评估和分析，从而更好地满足特定应用的需求。

在传输协议的改进方面，目前主要采用的策略包括：协议优化、协议混合、协议设计等。

协议优化采用改进算法的方式，由于传输协议的的架构和设计都是固定的，因此通过算法优化能够实现快速的改进，同时不影响网络架构的整体性。

例如，目前常用的协议有LEACH、PEGASIS等，以及其升级版LEACH-M等，这些协议均有一定的优化算法，能够有效减小能耗和延迟等问题。

物联网中的无线传感器网络与协议随着物联网技术的迅猛发展和智能化需求的不断增长，无线传感器网络成为物联网的重要组成部分。

本文将探讨物联网中的无线传感器网络和相关协议，以及其在各个领域中的应用。

1. 无线传感器网络概述无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）是由大量互相连接的无线传感器节点组成的网络。

这些节点分布在被测区域，能够感知并采集环境参数，通过无线方式进行通信。

2. WSN的节点结构与功能WSN的节点包括传感器、处理器、无线通信模块和能量供应模块。

传感器负责采集环境信息，处理器进行数据处理，无线通信模块实现节点间的通信，能量供应模块提供电源支持。

3. WSN协议栈WSN协议栈包括物理层、数据链路层、网络层和应用层。

物理层负责无线信道的传输，数据链路层处理数据的可靠传输，网络层负责路由选择和网络管理，应用层处理具体的应用需求。

4. WSN协议4.1 IEEE 802.15.4IEEE 802.15.4是一种低速、低功耗的无线通信标准，适用于WSN中的短距离通信。

它定义了物理层和MAC层协议，能有效降低能耗，提供可靠的数据传输。

4.2 ZigBeeZigBee是基于IEEE 802.15.4标准的高层协议栈，提供更高级的网络管理和应用支持。

它广泛用于家庭自动化、工业控制和智能建筑等领域。

4.3 6LoWPAN6LoWPAN（IPv6 over Low-power Wireless Personal Area Networks）将IPv6协议栈应用于WSN中，实现了对WSN节点的独立寻址和互联。

它为WSN的Internet互联提供了技术支持。

4.4 RPLRPL（Routing Protocol for Low power and Lossy Networks）是一种WSN中的路由协议，用于选择优化的传输路径和建立网络拓扑结构。

它提供了能耗优化和网络可靠性的支持。

一种适用于无线传感器网络的跨层高效MAC协议郑国强;孙若玉;李济顺【期刊名称】《传感技术学报》【年(卷),期】2009(022)001【摘要】为了延长网络的寿命,实现能量的高效利用是无线传感器网络应用的主要目标,MAC协议的能效性直接关系到网络的能耗,但采用分层方法的MAC协议无法实现最优的节能效果.本文基于跨层的方法提出了一种能量高效MAC(cross layer energy efficient MAC,CLEE-MAC)协议.该协议在自适应S-MAC(adaptive sensor MAC,AS-MAC)协议基础上,通过利用路由层的路由表信息,改变AS-MAC 协议的控制帧格式,有效解决了AS-MAC协议中因"强迫唤醒"造成的能量浪费问题,延长了网络的寿命.理论分析和仿真验证均表明,随着节点密度的增加,CLEE-MAC 协议的节能增益随网络密度线性增大.【总页数】5页(P95-99)【作者】郑国强;孙若玉;李济顺【作者单位】河南科技大学电子信息工程学院,河南,洛阳,471003;河南科技大学电子信息工程学院,河南,洛阳,471003;河南科技大学省机械设计及传动系统重点实验室,河南,洛阳,471003【正文语种】中文【中图分类】TN915.04【相关文献】1.一种基于跨层优化的低延迟无线传感器网络MAC协议 [J], 王罗;李云;刘占军;赵为粮2.一种能量高效的WSN跨层设计MAC协议 [J], 陈伟;程良伦3.Eμ-MAC:一种高效的混合型无线传感器网络MAC协议 [J], 古连华;程良伦4.一种适用于无线传感器网络的功率控制MAC协议 [J], 李方敏;徐文君;高超5.一种适用于无线传感器网络的混合MAC协议 [J], 吴丽杰;张璐璐;唐珊因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

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.寻找源节点和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和资源有限的情况下实现简单高效的路由机制，这是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和路由的依据，而WSN由于节点的随机分布，所关注的是监测区域的感知数据，而不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，通过局部操作和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，而是要采用基于属性的命名机制进行描述。

平面路由的优点是结构简单、鲁棒性（即路由机制的容错能力）较好，缺点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）：这是一种传统的网络通信路由协议。

引言无线传感器网络（W i r e l e s s S e n s o r Network，WSN）是大量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，并把信息报告给用户。

网络中的传感器节点除了具有信息采集和处理功能外，还具有路由转发和网内处理功能。

无线传感器网络（本文简称传感器网络）通过汇聚节点（sink node）收集传感器节点（sensor node）采集的数据，实现传感器网络与互联网或用户的连接。

无线传感器网络具有许多显著特点，特别是：（1）资源受限 传感器节点通常是微型、成本低廉的嵌入式设备，其存储能力、处理能力、通信带宽和携带的能量都非常有限；（2）要求具有自组织能力很多情况下，传感器节点放置在没有部署信息基础设施的地方；而且，既不能预先精确设定传感器节点的位置，也不能预先知道节点之间的相互邻居关系。

因此，需要节点具有自组织的能力，能够自动进行配置和管理；（3）网络拓扑动态变化 由于环境条件变化可能造成无线通信链路带宽变化，甚至时断时通；或者环境因素或电能耗尽造成传感器节点出现故障或失效；或者传感器网络的传感器、感知对象和观察者这三孙利民 刘俊涛 何庆伟中国科学院软件研究所无线传感器网络的通信协议要素都可能具有移动性等等众多因素，使得传感器网络的拓扑结构不断改变；（4）规模大包括两方面的含义：一方面，有些情况下，需要在大范围部署相当数量的传感器节点，如对森林、草原、湿地的环境监测；而在另外的一些应用场合，传感器节点部署可能很密集——在一个面积不大的区域内，传感器节点数量却十分庞大，如仓库、商场。

上述特点使得已有网络协议往往不能适应传感器网络的要求。

同时，由于传感器网络是应用相关的网络，所以针对不同应用的网络，其拓扑结构、网络规模和需求差别很大。

随着近几年传感器网络成为IT信息技术领域研究的一个非常活跃的热点，人们提出了大量的从底层物理层到高层的通信协议。

无线传感器网络中的协议研究一、前言随着科技的进步，无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）在各种领域中得到了广泛的应用，如环境监测、智能家居、无人机控制等。

其中，WSN 的协议是关键因素之一，它决定了整个网络的可靠性和稳定性。

因此，协议的研究在 WSN 技术的发展过程中占据着重要地位。

二、WSN 协议的分类WSN 协议根据不同的参数可以分为多种类型，如路由协议、传输协议、链路层协议、网络层协议等。

其中，路由协议是 WSN 协议中最为重要和复杂的一种协议，其目的是优化网络中的数据传输，减少能量消耗，增加网络的生命周期。

WSN 的传输协议主要解决数据的收发问题，链路层协议负责处理数据的传输和丢失、重传等问题，而网络层协议则是负责将数据传输到指定的节点。

三、WSN 路由协议研究1. 传统路由协议在 WSN 技术初期，传统路由协议如 AODV、DSDV 等经常被使用。

然而，这些传统路由协议存在一定的问题，例如数据包路由不稳定、能量消耗高等，这些问题限制了 WSN 的发展。

2. 新型路由协议为了解决传统路由协议存在的问题，近年来，研究人员提出了一种新型路由协议 - 汇聚树路由协议（Convergecast Tree routing protocol）。

该协议采用基于树的多路径路由机制，可以有效减少无用数据包的路由，降低网络能量消耗，提高网络的生命周期。

另外，基于混沌理论的路由协议也是近年来研究的热点之一。

与传统的路由协议不同，该协议可以利用混沌动力学的固有特性，提高网络的稳定性和安全性。

四、WSN 传输协议研究1. 拥塞控制协议WSN 的传输协议必须考虑拥塞控制的问题，避免网络过载而导致的数据包丢失等问题。

因此，在 WSN 技术中，拥塞控制协议成为了不可缺少的组成部分。

现有的拥塞控制协议主要有 AQM（Active Queue Management）、RED（Random Early Detection）和 TCP等协议。

专利名称：一种同步无线传感器网络的MAC协议通信方法与装置
专利类型：发明专利
发明人：郑国强,李济顺,亢丙午,李佩佩,孙亚茹,冀保峰,马华红,祁志娟
申请号：CN201410139403.4
申请日：20140408
公开号：CN104302010A
公开日：
20150121
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明涉及一种同步无线传感器网络的MAC协议通信方法与装置，本发明在节点生命期内采用周期调度的工作方式，将节点每个循环周期分为同步时段、忙音侦听/发送时段、信道预约时段、睡眠时段，使得节点在每个时段能根据局部的侦听结果，执行不同的操作，降低节点空闲侦听的时间，实现在一个循环周期的数据多跳预约连续传递，适应数据发送及时性的要求，使得节点周期侦听/睡眠的占空比随着业务的变化动态变化，大大地节省了节点的能量消耗。

同时，通过在信道预约时段的中继节点选择，将信道预约和路由选择结合在一起，减少了控制开销，实现简单。

申请人：河南科技大学
地址：471003 河南省洛阳市涧西区西苑路48号
国籍：CN
代理机构：郑州睿信知识产权代理有限公司
代理人：胡泳棋
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无线传感器网络中的数据交换协议研究近年来，随着科技的发展和各种智能设备的普及，无线传感器网络（Wireless Sensor Network，简称WSN）逐渐成为研究的热点。

WSN是由大量的分布式无线传感器节点（Sensor Node）组成的网络，用于感知、采集和传输数据。

在WSN中，数据交换协议是保证数据传输成功的基础，在数据交换协议方面的研究也备受关注。

一、WSN中的数据交换协议1.1 数据交换协议的定义数据交换协议是一种共识，它为网络中的节点提供了一种特定的通信方法，使网络能够进行数据交换。

它是在各种约束下的一种集成规则，规定了通信网络在数据传输方面的交互行为、数据格式、数据传输时序等。

目的是使通讯双方能够正确理解对方输送的信息，保证数据传输质量，并实现网络间的互联互通。

1.2 WSN中的数据交换协议分类WSN中的数据交换协议分类有很多，常见的有以下几种：（1）定向（Directional）：规定不同节点之间的通信方向。

（2）控制（Control）：用于控制节点的活动状态，包括节点的启动和停止，以及对节点的通信和路由操作等。

（3）数据传输（Data Transmission）：用于控制节点之间的数据传输规则，包括数据的格式和传输时序等。

1.3 数据交换协议在WSN中的作用数据交换协议是WSN中实现数据传输的基石，为WSN提供了创建网络、节点通信、数据采集和传输、网络维护、节点协作和节能等多方面的支持。

二、WSN数据交换协议的研究现状2.1 WSN数据交换协议的种类在WSN中，数据交换协议的种类是非常多的。

其中，有基于路由协议的、基于网络结构的、基于协议栈的、基于数据包交换的等多种类型。

不同类型的协议都具有各自独特的功能和优势，但也存在相应的局限性。

2.2 WSN数据交换协议的研究重点WSN数据交换协议的研究重点主要涉及以下几个方面：（1）定位技术：在WSN中，节点位置的确定对于数据传输和路由选择十分关键。