无线传感器网络实用教程

1、无线传感网络的组成：数据获取网络、数据分布网络、控制管理中心

2、传感器网络的特点：大规模网络、自组织网络、多跳路由、动态性网络、以数据为中心的网络、兼容性应用的网络。

3、传感器节点的限制：电源能量有限、通信能力有限、计算和存储能力有限

4、传感器网络的关键技术：网络拓扑控制、网络协议、网络安全、时间同步、定位技术、数据融合、数据管理、无线通信技术、嵌入式操作做系统、应用层技术。 5、无线传感器网络体系结构概述

无线传感器网络是由大量的秘籍部署在监控区域的智能传感器节点构成的一种网络应用系统

传感器节点数量众多，采用随机投放方式，通过局部的数据采集、预处理以及节点间的数据交互来完成全局任务。无线传感器网络可以在独立的环境下运行，也可以通过网关连接到现有的网络基础设施上。

6、无线传感器网络软件体系结构：网络适配层、基础软件层、网络中间件、配置中间件、功能中间件、管理中间件、安全中间件。

7、无线传感器网络的协议栈包括：物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层，能量管理、移动管理、任务管理等平台。

8、定位和时间子层在协议栈中的位置比较特殊，他们既要依赖于数据传输通道进行协作定位和时间同步协商，同时又要为各层网络协议提供信息支持，如基于时分复用的MAC协议、基于地理位置的路由协议等都需要定位和同步信息。 9、无线传感器网络通信体系结构

（1）无线传感器网络中的节点数目众多，传感器网络可扩展性要强； （2）自组织传感器网络最大的特点是能量受限，所以节能是设计的主要考虑目标之一； （3）传感器网络节点受损概率较高，因此网络健壮性保障是必须的； （4）网络拓扑结构变化快。 10、路由协议分类

（1）根据传输过程采用路径的多少，分为单路径路由协议、多路径路由协议；

（2）根据节点在路由过程中是否有层次结构、作用是否有差异，可分为平面路由协议和层次路由协议；

（3）根据路由建立时机与数据发送的先后关系，分为主动路由协议、按需路由协议、混合路由协议；

（4）根据是否以地理位置来标识目的地、路由计算中是否利用地理位置信息，可分为基于地理位置的路由协议和非基于位置的路由协议；

（5）根据是否以数据来标识目的地，可分为基于数据的路由协议和非基于数据地址的路由协议；

（6）根据节点是否编址、是否以地址标识目的地，可分为基于地址的路由协议和基于非地址的路由协议；

（7）根据路由选择是否考虑QoS约束，可分为保证QoS的路由协议和不保证QoS的路由协议；

（8）根据数据在传输过程中是否进行聚合处理，可分为数据聚合的路由协议和非数据聚合的路由协议；

（9）根据路由是否由源节点指定，可分为源站路由协议和非源站路由协议； （10）根据路由建立时机是否与查询有关，可分为查询驱动的路由协议和非查询驱动的路由协议。

11、平面路由协议：Flooding协议及Gossiping协议、DD路由协议、Rumor协议、SPIN协议、EAR协议、GBR协议、HREEMR协议、SMECN协议、GEM协议、SCBR协议、SAR协议。 12、层次路由协议：LEACH协议、PEGASIS协议、TEEN协议、GAF协议、GEAR协议、SPAN协议、SOP协议、MECN协议、EARSN协议。 13、MAC研究现状和趋势

MAC协议研究也侧重于能耗因素及相应节能策略，而其他方面并没有突破传统自组网MAC协议的设计策略，因而针对应用需求或业务特点量身设计，或者与节能策略相结合以进一步提高能量有效性或在多个其它特殊需求中权衡取舍，逐渐成为MAC协议研究的另一趋势。

14、影响WSN的MAC协议的因素

a) WSN的MAC协议设计主要问题：能量有效性、可扩展性、冲突避免、信道利用率、

延迟、吞吐量、公平性；

b) 能耗因素分析：空闲侦听、消息碰撞、窃听、控制报文开销、发送失效、在控制节

点间的信道分配时如果控制消息过多也会消耗较多网络能量； c) 通信模式：广播模式、会聚模式、本地通信、多播模式。 15、MAC协议特点

a) 采用基于TDMA的接入方式；

b) 利用分群结构群首局部集中控制的机制； c) 与多跳转发相关的资源分配策略； d) 冗余相关数据的隐聚合。 16、WSN的MAC协议设计策略

a) 由于不同场合对网络的要求不同，MAC协议的设计面临着各种各样与应用相关的

业务特性和需求因此并不存在一种通用MAC协议； b) 能量高效仍是MAC协议设计的关键因素；

c) 由于最初WSN被假定为是由静态节点组成的，但随着应用需求要求节点具有自主

移动性，对MAC协议移动性设计也提出了更高的要求；

d) MAC协议的设计应考虑到网络安全的因素，引入一定的安全机制，对现有安全协

议进行优化。

17、WSN的MAC协议分类

a) 根据采用分布式控制还是集中控制，可分为分布式执行的协议和集中控制的协议； b) 根据使用的信道数，可分为单信道、双信道、多信道； c) 根据信道的分配方式，可分为基于TDMA的时分复用固定式、基于CSMA的随机竞

争方式和混合式三种；

d) 根据接受节点的工作方式，可分为侦听、唤醒、调度三种。 18、拓扑控制算法

a) 平面网络中的拓扑控制——功率控制：概率分析法、计算几何法； b) 层次型网络中的拓扑控制结构：采用支配集的层次型网络、采用簇结构的层次型结

构；

c) 层次型拓扑结构与功率控制相结合：基于引导信号的功率控制、Ad hoc网络设计算

法、CLUSTERPOW；

d) 其他一些启发式算法：基于地理位置的拓扑算法（GAF）、STEM算法、可变的自适

应拓扑算法（ASCENT）、在传感器覆盖率的基础上关闭节点。

19、拓扑控制的设计目标

a) 覆盖：覆盖可以看成是对传感器网络服务质量的度量，最重要的因素是网络对物理

世界的感知能力； b) 连通：传感器节点感知到的数据一般要以多跳的方式传送到汇聚节点，这就要求拓

扑控制必须保证网络的连通性；

c) 网络生命周期：网络只有在满足一定的覆盖质量、连通质量、某个或某些其他服务

质量时才是存活的； d) 吞吐能力：通过功率控制减小发射半径和通过睡眠调度减小工作网络的规模，在节

省能量的同时，也可以在一定程度上提高网络的吞吐能力；

e) 干扰和竞争：减小通信干扰、减少MAC层的竞争和延长网络的生命周期基本上是一致的。

f) 网络延迟：低发射功率由于缓解了竞争而减小了网络延迟。

g) 拓扑性质：希望具有连通性、对称性、平面性、稀疏性、节点度的有界性、有限伸展性，还要考虑如负载均衡、简单性、可靠性、可扩展性等其他方面。 20、拓扑控制的研究现状

a) 功率控制：与路由协议结合的功率控制、基于节点度的功率控制、基于方向的功率

控制、基于邻近图的功率控制；

b) 睡眠调整：非层次型网络的睡眠调度算法、层次型网络的睡眠调度算法。

21、拓扑模型：单位圆图、准规则单位圆图、Gabriel图、相关邻近图、最小生成树、其它常用的拓扑模型。

22、传感器节点定位的基本概念

WSN的定位问题一般指对于一组未知位置坐标的网络节点，依靠有限的位置已知的锚节点，通过测量未知节点至其余节点的距离或跳数，或者通过估计节点可能处于的区域范围，结合节点间交换的信息和锚节点的已知位置，来确定每个节点的位置。 23、WSN定位算法的特点

a) 自组织性：传感网络的节点随机分布，不能依靠全局的基础设施协助定位；

b) 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，

算法必须具有良好的容错性；

c) 能量高效：尽可能地减少算法的复杂性，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； d) 分布式计算：每个节点尽量计算自身位置，不能将所有信息传送到某个节点进行集

中计算。

24、传感器节点定位的基本术语

a) 邻居节点：是指传感器节点通信半径内的所有其他节点，也就是说，在一个节点通

信半径内，可以与其直接通信的所有其他点； b) 跳数：是指两个节点之间间隔的跳段总数；

c) 跳段距离：是指两个节点间隔的各跳段距离之和；

d) 接受信号强度指示：是指节点接收到无线信号的强度大小；

e) 到达时间：是指信号从一个节点传播到另一个节点所需要的时间； f) 到达时间差：两种具有不同传播速度的信号从一个节点传播到另一个节点所需要的

时间之差；

g) 到达角度：是指节点接收到的信号相对于自身轴线的角度； h) 视线关系：是指两个节点间没有障碍物间隔，能够直接通信； i) 非视线关系：是指两个节点之间存在障碍物；

j) 基础设施：是指协助传感器节点定位的已知自身位置的固定设备。

25、传感器节点定位的评价指标：定位精度、规模、锚节点密度、节点密度、容错性和自适应性、功耗、代价。 26、测距方法：（公式自己复习）

a) 接收信号强度指示法（RSSI）； b) 到达时间法（TOA）； c) 到达时间差法（TDOA）； d）到达角法（AOA）。 26、常用定位计算法：（公式自己复习）

a) 三边定位与求解； b) 三角定位与求解； c) 极大似然估计法。 27、消息传递过程

a) Send Time：取决于系统调用开销和处理器当前负载； b) Access Time：取决于网络当前负载状况；

c) Transmission Time：取决于消息长度和发送速率； d) Propagation Time：取决于节点间距离； e) Reception Time：与c）对应；

f) Receive Time：接收节点重新组装消息并传递给上层应用所需的时间。 28、算法设计的影响因素

a) 传感器节点需要彼此并行操作和协作去完成复杂的传感任务。数据融合是这种并行

操作的一种实例，其主要是将不同的节点收集的数据融合为一个有意义的结果； b) 许多节能方案是利用时间同步来实现的。时间同步是TDMA信道调度的基础。 29、算法性能指标：能量效率、可扩展性、精确度、健壮性、寿命、有效范围、成本和尺寸、直接性。

30、经典时间同步算法

a) 基于参考广播的时间同步协议； b) WSN时间同步协议；

c) Tiny-Sync算法和Mini-Sync算法； d) LTS算法。

30、基于前同步思想的同步算法

a) 延时测量时间同步协议； b) 泛红时间同步协议FTSP； c) HRTS和BTS； d) 其他同步思想。

31、基于后同步思想的时间同步协议

a) 单脉冲同步机制；

b) 结合“后同步”思想的RBS时间同步机制。 32、无线传感器网络的安全问题分析

a) 物理层的攻击与防御：拥塞攻击、物理破坏；

b) 数据链路层的攻击与防御：碰撞攻击、耗尽攻击、非公平竞争；

c) 传感器网络网络层面临的安全威胁：虚假路由信息、选择转发、女巫攻击、槽洞攻

击、虫洞攻击、Hello flood攻击、告知收到欺骗； d) 传输层的攻击与防御； e) 应用层的攻击与防御。

33、无线传感器网络安全要求：数据保密性、数据认证、数据完整性、数据实时性、密钥管理、真实性、扩展性、可用性、自组织性、鲁棒性。 34、无线传感器网络的路由安全

a) 无线传感器网络路由协议受到的攻击；

b) 攻击对策：链路层加密和认证、多路径路由行程、身份确认、双向连接确认和广播

认证。

35、密钥管理

密钥管理是数据加密技术中的重要一环，它处理密钥从生成到销毁的整个生命周期的有关问题，涉及系统的初始化、密钥的生成、存储、备份恢复、装入、验证、传递、保管、使用、分配、保护、更新、控制、丢失、吊销、和销毁等多方面内容，也包括密钥的行政管理制度和管理人员的素质。

Eschenauer和Gligor提出了一种分布式传感器网络中的密钥管理方案； Chan等提出一种传感器网络中的随机密钥预分方案； Jolly等提出一种节能的密钥管理协议；

Perring等提出一种传感器网络安全协议SPINS；

Satia和Jajodia提出一种局部加密和认证协议LEAP；

Du和Deng提出传感器网络中的一种密钥对预分发方案，主要通过使用矩阵和连接图的方法实现密钥的分发；

Liu和Ning在基础多项式的密钥预分发方案的基础上，给出了建立密钥对的通用框架；

Wadaa等提出一种可扩密钥管理方案。

36、身份认证

为保证信息的安全传递，通过公钥基础设施，可以将公钥与合法拥有着的身份绑定起来，从而建立并维护一个可信的网络环境。非对称加密机制具有很高的计算、通信和存储开销，这决定了在资源受限的传感器上使用数字签名和公钥证书机制是不可行的，必须建立一套综合考虑了安全性、效率和性能并进行合理折中的传感器网络身份认证方案。

37、攻防技术：DoS攻击、Sybil攻击、Sinkhole攻击、Wormhole攻击、Hello泛洪攻击、选择转发攻击。

38、工业无线通信协议

a) IEEE 802.11系列标准：IEEE 802.11无线局域网包括物理层和MAC层的内容，而MAC

层以上并未涉及。MAC层协议结合了物理载波侦听多址访问与碰撞退避机制以及基于控制分组RTS，CTS握手对话的CSMA/CA机制。

b) IEEE 802.15.1标准：IEEE 802.15.1是一种蓝牙通信标准，主要应用于无限个域网，

具有近距离通信、低能耗、低成本的特点。

c) IEEE 802.15.4是用于低速无线个域网LR-WPAN的物理层和媒体访问控制层的规范，

是ZigBee，Wireless HART及MIWI规范的基础。

d) IEEE 802.15.4a中采用的关键技术：多维度多存取技术（MDMA）、Chirp扩频技术。

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