919652-无线传感器网络课件-第八章 数据管理

应用相关 ：由于应用环境区别很大，传感网路
由机制由应用确定
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设计无线传感器网络路由机制的要求
(1) 能量高效 (2) 可扩展性 (3) 鲁棒性：路由机制有一定的容错能力。 (4) 快速收敛性 ：路由表更新，并将分组
发送到新的接口所用的时间。
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路由协议分类
根据不同应用对传感器网络各种特性的敏感度不同，可以将 路由协议分为四种类型：
(1)能量感知路由协议。早期传感网络路由协议仅考虑能量 因素，如能量路由算法和能量多路径路由算法。
(2)基于查询的路由协议。实时监测应用中，以数据查询为 主，通信流量主要是查询节点和传感器节点之间的命令 和数据传输，同时传感器节点通常进行数据融合。
(3)地理位置路由协议。目标跟踪应用中，需要知道节点的 地理位置，以此作为路由依据。
通常采用微型电池。
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3.无线传感器网络的协议体系
❖ 图a是早期协议栈模型，与互联网五层协议栈 对应
❖ 图b是细化后的协议栈模型
时间同步和定位子层既要依赖于数据传输通道进 行协作定位和时间同步协商，又要为其他各层提 供信息支持，如基于时分复用的MAC协议，基于 地理位置的路由协议等。
b右边诸多机制一部分融入到协议中，另一部分
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MAC协议分类标准:
❖ 缺乏统一的分类标准，采用以下几种： 采用分布式控制还是集中控制 使用单一共享信道还是多个信道 采用固定分配信道方式还是随机访问信道方式
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采用第三种标准的MAC协议分类:
(1) 采用无线信道的时分复用方式，给每个传感器节点分配固 定的无线信道使用时段，从而避免节点之间的相互干扰。 包括基于分簇网络的MAC协议、DEANA协议、基于周期性 调度的协议、TRAMA协议、DMAC协议等。

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5.3 无线传感器网络安全防护技术
5.3.5 入侵检测、容侵容错技术
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5.3.5 入侵检测、容侵容错技术
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5.3.5 入侵检测、容侵容错技术
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5.3.5 入侵检测、容侵容错技术
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5.3.5 入侵检测、容侵容错技术
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5.3.5 入侵检测、容侵容错技术
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5.3.5 入侵检测、容侵容错技术
SinkHole 虚假路由信息、选择性转发、Hello消息洪泛攻击、Sybile攻
击、SinkHole
基于位置的路由协议
虚 假 路 由 信 息 、 选 择 性 转 发 、 环 路 攻 击 、 Sybile 攻 击 、 SinkHole
基于数据可靠的路由协议 虚假路由信息、Hello消息洪泛攻击、Sybile攻击
随热烈的鼓掌声响起，特鲁索娃身着一席蓝衣踏上冰面。她双膝着地，双臂平行斜放在身前，垂眼望向自己的手掌，沉静自若，落落 大方，显得端庄而优雅。
5.4.2
物联网及其安全性
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5.4.2
物联网及其安全性
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随热烈的鼓掌声响起，特鲁索娃身着一席蓝衣踏上冰面。她双膝着地，双臂平行斜放在身前，垂眼望向自己的手掌，沉静自若，落落 大方，显得端庄而优雅。
Leach分层结构路由协议
选择性转发、Hello消息洪泛攻击、Sybile攻击
一个WSN节点不仅是一个主机，而 且是一个路由器。WSN路由协议的 首要任务是在一对节点中建立正确、 有效的路由，实时地发送消息。
如果路由被误导，整个网络可 能陷于瘫痪。无线传感器网络 中主要的路由协议容易遭受的 攻击，如表5-3所示。
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5.4.1 车载传感网络及其安全性
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5.4.1 车载传感网络及其安全性

2020/12/11
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以数据为中心
在无线传感器网络中，人们通常只关心某 个区域内某个观测指标的数值，而不会去 具体关心单个节点的观测数据。 用户使用传感器网络查询事件时，直接将 所关心的事件通告给网络，而不是通告给 某个确定编号的节点。网络在获得指定事 件的信息后汇报给用户。
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网络的通信保密和安全性十分重要，信道 加密、抗干扰、用户认证和其他安全措施 都需要特别考虑。
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无线传感器网络的特征
深入研究表明，无线传感器网络有着与无 线自组网络明显不同的技术要求和应用目 标。无线自组网络以传输数据为目的，致 力于在不依赖于任何基础设施的前提下为 用户提供高质量的数据传输服务；而无线 传感器网络以数据为中心，将能源的高效 使用作为首要设计目标。
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无线传感器网络的体系结构概述
应用服务接口
网络管理接口
安
全
/
拓 扑 控
服 务 质 量
移 动
/ 能
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无线传感器网络的特征
作为Internet在无线和移动范畴的扩展和延伸，无线自组网络 （Ad-hoc Network）由若干采用无线通信的节点动态地形成一个 多跳的移动性对等网络，从而不依赖于任何基础措施。
无线传感器网络与 无线自组网络的共 同特点：
分布式 自组织 拓扑变化 多跳路由 安全性差
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多跳路由
由于节点发射功率限制，节点的覆盖范围 有限，通常只能与它的邻居节点通信。
多跳路由是由普通网络节点协作完成，没 有专门的路由设备。每个节点既可以是信 息的发起者，也可以是转发者。

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• 现代微型传感器
–感知能力＋计算能力＋通信能力 –体积小 –能耗小 –由六部分组成
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传感器节点
• 传感器模块：信息采集、数据转换 • 处理器模块：控制、数据处理、网络协议 • 无线通讯模块：无线通信，交换控制信息和收发
采集数据 • 能量供应模块：提供能量
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传感器网络的三要素
– 每个传感器仅具有有限的存储器和 计算资源，难以处理巨大的实时数 据流
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传感器节点的限制
• 以数据为中心
– 传感器网络不是通常的网络
• 用户感兴趣的是数据而不是网络和传感器硬件
– 用户很少询问“A节点到B节点的连接是如何实现的？” – 用户经常询问“网络覆盖区域中那些地区出现毒气？”
– 传感器网络中传感器节点密集，数量 巨大，可能达到几百、几千万，甚至 更多
– 传感器网络可以分布在很大区域，也 可以分布在险恶环境下
– 传感器数量大、分布广的特点使得网 络的维护十分困难甚至不可维护
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传感器节点的限制
• 感知数据流无限
– 传感器网络每个传感器都产生无限 的流式数据，并具有实时性
• 传感器传输1位信息需要的电能足以执行 3000条计算指令
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传感器节点的限制
• 计算能力有限
– 传感器网络中传感器通常都具有嵌入式处 理器和存储器，具有计算能力
– 但是，处理器性能、存储器容量和能源都 很有限，导致传感器的计算能力十分有限
精传感器数量大、分布范围广
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传感器节点的限制 • 需要多种多样的感知 器

数据命名方法 以数据为中心的数据存储方法的性能 数据中心存储方法 一维分布式索引
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数据命名方法
层次命名方法
CHINA/Universities/DLUT/CS/cameral
“属性－值”命名方法
type=camera value=image.jpg location=“CS Dept, Dalian University of Technology, Dalian, China” 数据的命名方法隐含地定义了数据能够被存取的方式。
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数据模型
数据模型
现有的研究主要是对传统的关系模型、对象关系模 型或时间序列模型的有限扩展。
将感知数据视为分布在多个节点上的关系，将传感 器网络看成是一个分布式数据库
采用时间序列和概率模型表示感知数据的时间特性 和不确定性
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数据模型
研究实例(一)
TinyDB系统的数据模型是对传统的关系模型的简单扩 展。它把传感器网络数据定义为一个单一的、无限长 的虚拟关系。
编号 1 2
最低温度 10 4
地点 北京 哈尔滨 南京 精选ppt课件…
温度 10 4 14
湿度(%) 时间(s) 20 2005.10.31 15 2005.10.31 14 2005.11.01 21
查询语言
主要查询模式
快照查询 连续查询 基于实践的查询 基于生命周期的查询 基于准确率的查询
节能
由于通讯消耗的能量比计算要大；因此，为 了减少能量消耗应该尽可能减少通讯量。
分散计算
集中计算和存储会存在性能瓶颈和单个节点 故障，因此，分散计算要求同时提高系统性 能和容错能力。

❖ (1)能量高效 ❖ (2)可扩展性 ❖ (3)鲁棒性 ❖ (4)快速收敛性
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路由协议分类
❖ 根据不同应用对传感器网络各种特性的敏感 度不同，可以将路由协议分为四种类型：
(1)能量感知路由协议。如能量路由算法和能量多 路径路由算法。
(2)基于查询的路由协议。如定向扩散路由协议和 Boulis等人提出的谣传路由协议。
❖ 能量供应模块为传感器节点提供行所需的能量， 通常采用微型电池。
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3.协议栈
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8.3 无线传感器网络的特点
1．大规模网络 2．自组织网络 3．动态性网络 4．可靠的网络 5．应用相关的网络 6．以数据为中心的网络
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8.4 无线传感器网络的应用
1．军事应用 2．环境观测和预报系统 3．医疗护理 4．智能家居 5．建筑物状态监控 6．其他方面的应用
目标跟踪
协助路由
进行网络管理
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定位算法需要具备以下特点
❖ (1)自组织性：传感器网络的节点随机分布，不能依 靠全局的基础设施协助定位。
❖ (2)健壮性：传感器节点的硬件配置低、能量少、可 靠性差，测量距离时会产生误差，算法必须具有较 好的容错性。
❖ (3)能量高效：尽可能地减少算法中计算的复杂性， 减少节点间的通信开销，以尽量延长网络的生存周 期。通信开销是传感器网络的主要能量开销。
❖ 采用固定分配信道方式还是随机访问信道方式
(1)采用无线信道的时分复用方式，给每个传感器节点分配固定的无线 信道使用时段，从而避免节点之间的相互干扰。包括基于分簇网络 的MAC协议、DEANA协议、基于周期性调度的协议、TRAMA协议、 DMAC协议等。

第1章 无线传感器网络概述
与当前流行的短距离无线通信技术相比，UWB具有抗干扰能力强、传输速 率高、带宽极宽、发射功率小等优点，具有广阔的应用前景，在室内通信、 高速无线LAN、家庭网络等场合才能得到充分应用。
当然，UWB技术也存在自身的弱点。主要是占用的带宽过大，可能会干扰 其他无线通信系统，因此其频率许可问题一直在争论之中。另外，有学者认 为，尽管UWB系统发射的平均功率很低，但由于其脉冲持续时间很短，瞬时 功率峰值可能会很大，这甚至会影响到民航等许多系统的正常工作。但是学 术界的种种争论并不影响UWB的开发和使用，2002年2月美国通信协会(FCC) 批准了UWB用于短距离无线通信的申请。
第1章 无线传感器网络概述
短距离无线通信技术的范围很广，在一般意义上，它是指集信息采集、信 息传输、信息处理于一体的综合性智能信息系统，并且其传输距离限制在一 个较短的范围内（通常是几米以内）。通过各类集成化的微型传感器协作进 行实时感知、采集和监测各类感兴趣的研究和应用信息。
低成本、低功耗和对等通信，是短距离无线通信技术的三个重要特征和优 势。
第1章 无线传感器网络概述
1.2 无线传感器网络发展历程
早在20世纪70年代就出现了将传统传感器采用点对点传输、连接传感控制 器而构成传感器网络雏形，人们把它归结为第一代传感器网络。随着相关学 科的不断发展，传感器网络同时还具有获取多种信息信号的综合能力，采用 串/并接口（如RS-232、RS-485）与传感控制器相连，构成了有信息综合和处 理能力的传感器网络，这是第二代传感器网络。在20世纪90年代后期和21世 纪初，用具有智能获取多种信息信号的传感器，采用现场总线连接传感控制 器，构成局域网络，成为智能化传感器网络，这是第三代传感器网络。第四 代传感器网络正在研究开发，用大量的具有多功能、多信息信号获取能力的 传感器，采用自组织无线接入网络，与传感器网络控制器连接，构成无线传 感器网络。

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课程目录
8.1 从传感网到多媒体传感网
8.2 无线多媒体传感器网络的体系结构
8.3 8.4
覆盖优化 视频编码
8.5
视频传输
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8.4
视频编码
8.4.1 视频编码简介
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8.4
视频编码
8.4.1 视频编码简介
压缩编码技术应用的前提是视频数据中存在大量的冗余
时间上的冗余
空间上的冗余 编码冗余 心理视觉冗余
节点功能强大 控制管理困难 能量受限严重
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课程目录
8.1 从传感网到多媒体传感网
8.2 无线多媒体传感器网络的体系结构
8.3 8.4
覆盖优化 视频编码
8.5
视频传输
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8.2 无线多媒体传感器网络的体系结构 8.2.1 网络组成
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8.2 无线多媒体传感器网络的体系结构 8.2.2 通信协议架构
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无线传感器网络技术导论
第八章 无线多媒体传感器网络
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课程目录
8.1 从传感网到多媒体传感网
8.2 无线多媒体传感器网络的体系结构
8.3 8.4
覆盖优化 视频编码
8.5
视频传输
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8.1 从传感网到多媒体传感网
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8.1 从传感网到多媒体传感网 无线多媒体传感器网络在继承无线传感网特性下，又有新的特点：
应用层通常与具体的应用相结合，以满足用户的需求。常见的一 些需求包括数据查询、事件告警、实时监控等。在无线多媒体传感器 网络中，多媒体业务的编解码是当前研究的重点，比较有前景的技术 是分布式编码。另外，智能查询、网络编码、数据分析也是研究的热 点方向。
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课程目录

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这里介绍在Windows平台下自动安装TinyOS。 TinyOS自动安装程序的下载地址如下： /tos/dist1.1.0/tinyos/windows/tinyos-1.1.0-lis.exe。 TinyOS 1.1.0安装向导提供的软件包包括如下工具： TinyOS1.1.0、TinyOS Tools 1.1.0、NesC 1.1.0、Cygwin、 Support Tools、Java 1.4 JDK & Java COMM 2.0、 Graphviz、AVR Tools、avr-binutils 2.13.2.1、avr-libc 20030512cvs、avr-gcc 3.3-tinyos、avarice 2.0.20030825cvs和avr-insight cvs-pre6.0-tinyos。
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具体的实验目标包括： (1) 掌握安装TinyOS操作系统； (2) 事件驱动的传感器数据获取； (3) 发送与接受消息； (4) PC机显示数据。
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4、实验所需软件 操作系统：安装有Cygwin的Windows 2000/XP操作系统， 或者安装有GCC编译器的Linux操作系统。 下载并安装以下软件： ① Cygwin (); ② WinAVR (); ③ nesC (); ④ Java JDK (/j2se/1.4.1); ⑤ TinyOS (/projects/tinyos).
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序
设备名称
用途
5、实验设备
号
除了采用普通计 算机以外，还 1
需要的实验硬
件设备清单如
图：
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用于传感器网络节点的 MIB510 编 编程，以及充当无线通 程板

8.1
无线传感器网络数据管理的基本概念
8.1.1 以数据为中心的无线传感器网络数据库
用户能获取网络整体情况，并发布查询甚至控制命令。
对 无 线 传 感 网 络 的 要 求
命令能被解析和优化，并发布到数据源区域。
命令能快速、准确传达到指定区域，并被执行。
感知数据信息能够以最有效的方式传送回控制中心。
8.2
无线传感器网络数据管理的关键技术 无线传感器网络数据存储结构
8.2.1
一、网外集中式存储方案 二、网内分层存储方案
三、网内本地存储方案
四、以数据为中心的网内存储方案
8.2
无线传感器网络数据管理的关键技术 无线传感器网络数据存储结构
8.2.1
两类传感器节点： 一类是大量的普通节点， 另一类是少量的有充足 资源的簇头节点。
①无线传感器网络处理的是无限、连续、实时、流式的数据。 ②节点上的存储、计算和能量资源非常有限。 ③数据传输路径上的中间传感器节点有对本身采集的数据和其 他节点转发来的数据进行融合、缓存、转发的能力，可以减 少冗余数据在传输中耗费的网络资源。 无线传感器网络与分布式数据库相比具有的特殊性 ④邻居节点采集的数据通常具有相似性，是从不同监测点得到 的同一事件的相关数据，所以数据存在冗余性。 ⑤网络中的数据源是大规模分布的传感器节点，节点采用与IP 地址类似的全局编址或局部标识，标识与节点物理位置无关。
TEXT 数据获取技术
TEXT 数据存储技术
TEXT 数据查询技术
TEXT 分析挖掘技术
数据管理系统
传感器网络和 感知数据模型 技术元数据管 理技术、传感 器数据处理策 略、面向应用 的感知数据管 理技术
面向无线传感 器网络的查询 数据存储策略、 语言、数据融 存取方法和索 合方法、分布 引技术 式查询优化处 理技术