无线传感器网络课堂教学方法探索

第一篇：无线传感器网络课堂教学方法探索

无线传感器网络课堂教学方法探索

摘 要：针对无线传感器网络课程知识点讲解难、原理演示难和案例应用难的问题，提出一套无线传感器网络课程教学方法，包括课前知识探究、比较讲解、仿真演示和创新案例设计等方法。

关键词：物联网工程；无线传感器网络；课堂教学方法；创新案例；比较讲解

文章编号：1672-5913（2017）05-0066-03

中图分类号：G642

0 引 言

物联网是继计算机、互联网和移动通信之后的又一次信息产业的革命性发展，目前被正式列为国家重点发展的战略性新兴产业之一[1]。近年来，物联网专业在全国很多高校开设，但是作为一个新兴专业，有其独有的特征，如知识范围涵盖广等。对于其专业课程教学特别是像无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）这类核心课程更需要在教学方法、教学思路上进行改革和

创新[2]。无线传感器网络课程的地位

物联网专业在全国很多高校开设，培养方案和课程体系可能有差别，但无线传感器网络一般会被设置成核心课程或必修课程[3]。无线传感器网络是一门理论性和实用性都较强的课程，多学科高度交叉，知识点涵盖范围广，在课堂教学上对教师的要求较高，需要学生掌握的内容也较多和复杂[4]。无线传感器网络教学中存在的问题

（1）知识点讲解难，知识点涵盖了传感器、嵌入式计算、网络与通信、分布式信息处理等技术，在课堂讲解中，学生对于不熟悉的知识点往往觉得晦涩难懂，最终放弃听讲。

（2）原理演示难，无线传感器网络中很多原理在课堂教学中较难演示，学生只能在理论上接受，不能建立形象化理解。

（3）案例应用难，无线传感器网络可以在很多领域进行应用实验，但学生往往难以找到突破口，不能很好的将所学知识应用在实际需要中，一方面是不善于寻找需求，另一方面是对所学知识不能够融会贯通，举一反三。无线传感器网络教学方法探讨

3.1 课前知识探究

物联网专业学生需要有较广的知识面和较深的专业技能，课上所学内容是有限的，需要学生对知识进行广泛涉猎，但往往他们又是迷茫的，不知从何学起以及学些什么。“课前知识探究”是建立教师引导性的知识学习过程，在这个过程中，教师抽取出下次课堂教学中的前提内容，即学生需要提前了解的内容，让学生进行探究。学生凭借已有的知识、生活经验和学习方法自主探索，从而激发学习兴趣，增强学好课程的信心。最后以多种形式进行总结汇报，如写成科技综述、PPT课堂汇报等。这种预习不再是单纯为掌握知识和技能的学习活动，而是为了学生综合素质的培养和提升。

主要过程如下：教师布置任务，多以“主题”形式展现；学生根据已有知识进行独立思考；学生通?^知网、百科、文库、技术论坛等网络资源库进行更全面的信息获取；形成汇报文件，以PPT讲稿呈现；课堂10分钟讲解。

比如在学习“传感器网络数据融合技术”前，让学生提前总结整理“数据融合”的概念由来、发展历程、工作原理以及应用等信息，下次课堂讲解预留10分钟让学生通过PPT进行演示讲解。课前知识探求充分调动学生自主学习的能力，同时也锻炼了分析、总结能力和基本的科学素养。学生通过这种探求方式获取的知识要比教师直接课堂讲授掌握得更牢固、更深刻。

3.2 比较讲解法

比较讲解法不是一个普遍适用的方法，但对于无线传感器网络课堂教学有着独特的良好效果，主要原因是无线传感器网络与计算机网络在层次结构、知识框架以及应用特征上都具有参照性，而计算机网络又是学生已经学习过的、较为熟悉的课程。教师在讲解中通过比较突显所需掌握知识的特征、难点和重点。主要过程如下：①通过比较法引入新概念，有些概念间有许多相似之处，了解一些概念之后，另一些概念可用比较法引入，使教学难度降低，并能把规律揭示出来；②通过对比图或者表讲解异同，帮助学生理解两者的差别，深化记忆。

如图1所示是开放式系统互联网络参考模型（OSI）和无线传感器网络体系结构模型的对比图。在协议、安全以及应用等各个方面都可以通过比较讲解法进行课堂教学。

通过比较学习会发现很多知识有相同点和不同点，若不去比较，可能会把相关知识的概念、原理、现象等混为一谈，这不利于对知识进行深刻理解和准确应用；善于比较则可以抓住知识的本质特征和知识间的内在联系，从而达到准确理解、记忆和应用知识的目的。

3.3 仿真演示法

WSN是一门实用型课程，在课堂上需要形象、立体地向学生展示所学知识，比如数据是如何在网络中传输的，路由方式是怎样的。在课堂上只是讲解路由协议或者算法，学生对知识的理解不深刻。仿真演示可激发学生求知欲望，提高学习兴趣，调动学习积极性，激发求知欲。我校使用了ATOS-SensorSim无线传感器网络仿真系统，如图2所示。

它是一款功能强大、配置简便的WSN专业模拟系统，具备算法过程演示、算法分析和调试等功能，通过配置参数，可实现不同参数条件下的算法自动运行、运行过程显示、实验结果统计和实验结果图自动生成。

通过模拟演示，学生直观了解WSN的组织结构、传输过程及算法应用等；学生也可以验证自己所写的路由算法，并对结果自动分析，这种仿真演示法极大提高了学生学习的积极性和学习兴趣。

3.4 创新案例设计

创新案例设计教学法是让学生主动观察生活中的细节，提炼业务需求，自主设计基于WSN的解决方案。在课堂中每讲解一个知识点，就让学生将所学知识应用在自己设计的案例中，具体的设计实施在实验课中完成，整个过程教师给予指导和重要知识讲解。

基本过程如下：学生在具有一定知识储备后提出创意设计思路；教师帮助确定设计思路的可行性；学生学习新知识后将知识应用到创意设计中，完成文档编写或编码；学生课堂讲解知识在自己设计中的应用；提交最终设计方案。

比如设计“基于WSN的智能家居系统”，在学习WSN的物理层概念、主要技术以及设计方法后，学生基本能给出他所要设计的家居系统的物理层解决方案，采用哪种介质传输，哪些设备并给出原因和性能说明。每次课会抽取1～2个学生对自己的设计方案进行讲解。

通过创新案例设计法，建立学生独立解决问题的能力和知识运用能力。在经历过初期的挣扎和迷茫后，大部分学生都能认真、顺利地完成设计。重要的是通过这个过程，学生能充分理解一个系统的产生流程，从需求分析、框架设计、软硬件选择到子部件的设计、集成、测试等让学生深入了解每个环节的工作以及差异，也为将来走上工作岗位打下坚实的基础。结 语

物联网专业是新兴专业，物联网课程的教学应该有其独特性和创新性，无线传感器网络课程作为物联网专业的一门重点课程，更要提高课堂教学效率。我们提出的包含课前知识探究、比较讲解、仿真演示和创新案例设计等4部分的WSN课堂教学方法应用在大学无线传感器网络课程的课堂教学中，取得良好的教学效果，学生的学习积极性和学习效率大大提高。通过课堂教学+实验课实践后的成果参加多项国家级、省部级物联网竞赛并取得优异成绩。

参考文献：

[1] 王靖淇，沈海，常状.智能物联，芯系未来―英特尔助力物联网教育创新[J].计算机教育，2015（13）：109-110.[2] 傅骞.从优化管理到促进创新―物联网教育应用目标发展概述[J].中国电化教育，2014（11）：69-73.[3] 张务农.物联网发展图景中的教育变革与挑战[J].教育发展研究，2015（17）：21-26.[4] 黄旭，蒋云良，顾永跟.物联网工程专业建设中多学科融合的探索与实践[J].高等工程教育研究，2016（2）：86-90.（编辑：郭田珍）

第二篇：无线传感器网络实验感想

无线传感实验感想

本次实验我们进行的是无线传感器网络综合实验。在实验中，我们小组成员学习了无线传输的基本原理，合作完成实验系统的安装、调试与数据分析，在这一过程中我受益良多。

无线传感器网络系统是基于ZigBee技术。ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。

现在无线传感网络技术广泛用于很多方面，如农业物联网、工业自动化以及智能家居等。无线传感的使用使传感器和自动化技术得到了空前的发展，并给人们的生活带来了很大的便利。

我们平时的实验课更多注重对理论的验证，但是没有创新性和自主研发性，虽然这次的实验我们大部分也是照着实验说明书进行连接、烧录程序、演示等，但是此次的实验增加了我对电子设计的浓厚兴趣。只要有兴趣，我相信化兴趣为动力，我肯定能更加努力加强电子专业的学习，努力提高专业素养。

当然实验中还有注重团队的协作，我们分工明确，合作愉快，因此更快、更好地完成了实验。现在的项目工程，凭一己之力几乎不可能完成，所以企业也十分注重员工的团队意识，我们想要进入好的企业，对这块不能等闲视之，必须加以重视。

最后，通过这次的传感器技术实验我不但对理论知识有了更加深的理解，对于实际的操作和也有了质的飞跃。经过这次的实验，我们整体对各个方面都得到了不少的提高，希望以后学校和系里能够开设更多类似的实验，能够让我们得到更好的锻炼。

第三篇：机械 无线传感器实验小结

实验小结

一个下午的实验，或许比我这大学三年多所学的理论知识更加具有实用性。开头，老师用一个混凝土传送车的测量项目，从经济成本和技术手段等方面详细介绍了有线测量的缺点与无线测量的有缺点。印象最深刻的一点是：有线测量的线路布置相当麻烦，且成本高昂，易受外界干扰；无线测量安装方便，随着技术的进步，成本也较低，抗干扰性较好，将是未来科技发展的方向。接下来便是动手操作，其中有两点感触颇深：

第一、从基础做起很重要。

整个实验从学习测量软件开始，实验的相关参数都需要再软件中事先设置妥当。有的同学完全不管不顾就立即开始测量，使得实验数据牛头不对马嘴，直接导致测量失败。学习好测量软件，接下来便是看懂实验原理图，选择正确的传感器进行实验。一开始，我们无从下手，原因在于：无线传感器本身的结构不了解，无法有效的使用起来，输入接入了3

通道，在软件上采集时却使用1通道，一直采集不到

实验数据，或者本该接在同一个传感器的不同通道上的，却找两个传感器来测量。好在，经过摸索和同学

间的讨论，终于弄明白了这些问题，希望以后的同学

们能吸取教训。

第二、细节很重要。

记得千分表加载测应变的实验中，要求输入信号全桥

接入，共4根接入线，其中一对是电源与地线，一对

是中间节点线。刚开始，我们两个接线员一看电路图，想当然认为4个电阻一样大，4根线应该是一样的，变随机接线，导致最后无论怎么调试都没有输入信号，明显是将邻臂接入了电路，使得输入信号互相抵消了，正确的接法应该是采用对臂相加原则，将R1R3或者R2R4 接入，也就说电源线与地线必须正确对于。

经过一下午的努力，终于完成了实验，整理好实验仪器，提交实验数据，走出实验室，顿时感觉成长了好多。

第四篇：无线传感器网络课后习题答案

1-2.什么是无线传感器网络? 无线传感器网络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。目的是协作地探测、处理和传输网络覆盖区域内感知对象的监测信息,并报告给用户。1-4.图示说明无线传感器网络的系统架构。

1-5.传感器网络的终端探测结点由哪些部分组成?这些组成模块的功能分别是什么?(1)传感模块（传感器、数模转换）、计算模块、通信模块、存储模块电源模块和嵌入式软件系统

(2)传感模块负责探测目标的物理特征和现象，计算模块负责处理数据和系统管理，存储模块负责存放程序和数据，通信模块负责网络管理信息和探测数据两种信息的发送和接收。另外，电源模块负责结点供电，结点由嵌入式软件系统支撑，运行网络的五层协议。

1-8.传感器网络的体系结构包括哪些部分?各部分的功能分别是什么?

(1)网络通信协议：类似于传统Internet网络中的TCP/IP协议体系。它由物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层组成。

(2)网络管理平台：主要是对传感器结点自身的管理和用户对传感器网络的管理。包括拓扑控制、服务质量管理、能量管理、安全管理、移动管理、网络管理等。

(3)应用支撑平台：建立在网络通信协议和网络管理技术的基础之上。包括一系列基于监测任务的应用层软件，通过应用服务接口和网络管理接口来为终端用户提供各种具体应用的支持。

1-9.传感器网络的结构有哪些类型?分别说明各种网络结构的特征及优缺点。

（1）根据结点数目的多少，传感器网络的结构可以分为平面结构和分级结构。如果网络的规模较小，一般采用平面结构；如果网络规模很大，则必须采用分级网络结构。（2）平面结构：

特征：平面结构的网络比较简单，所有结点的地位平等，所以又可以称为对等式结构。优点：源结点和目的结点之间一般存在多条路径，网络负荷由这些路径共同承担。一般情况下不存在瓶颈，网络比较健壮。

缺点：①影响网络数据的传输速率，甚至造成网络崩溃。②整个系统宏观上会损耗巨大能量。③可扩充性差，需要大量控制消息。分级结构：

特征：传感器网络被划分为多个簇，每个簇由一个簇头和多个簇成员组成。这些簇头形成了高一级的网络。簇头结点负责簇间数据的转发，簇成员只负责数据的采集。

优点：①大大减少了网络中路由控制信息的数量，具有很好的可扩充性。②簇头可以随时选举产生，具有很强的抗毁性。

缺点：簇头的能量消耗较大，很难进人休眠状态。

1-13.讨论无线传感器网络在实际生活中有哪些潜在的应用。

(1)用在智能家具系统中，将传感器嵌入家具和家电中，使其与执行单元组成无线网络，与因特网连接在一起。(2)用在智能医疗中，将传感器嵌入医疗设备中，使其能接入因特网，将患者数据传送至医生终端。(3)用在只能交通中，运用无线传感器监测路面、车流等情况。2-2.传感器由哪些部分组成?各部分的功能是什么?

2-5.集成传感器的特点是什么? 体积小、重量轻、功能强、性能好。2-7.传感器的一般特性包括哪些指标? 灵敏度、响应特性、线性范围、稳定性、重复性、漂移、精度、分辨（力）、迟滞。2-15.如何进行传感器的正确选型？

1.测量对象与环境：分析被测量的特点和传感器的使用条件选择何种原理的传感器。2.灵敏度：选择较高信噪比的传感器，并选择适合的灵敏度方向。

3.频率响应特性:根据信号的特点选择相应的传感器响应频率，以及延时短的传感器。4.线性范围：传感器种类确定后观察其量程是否满足要求，并且选择误差小的传感器。

5.稳定性：根据使用环境选择何时的传感器或采用适当的措施减小环境影响，尽量选择稳定性好的传感器。6.精度：选择满足要求的，相对便宜的传感器。2-17.简述磁阻传感器探测运动车辆的原理。

磁阻传感器在探测磁场的通知探测获得车轮速度、磁迹、车辆出现和运动方向等。使用磁性传感器探测方向、角度或电流值，可以间接测定这些数值。因为这些属性变量必须对相应的磁场产生变化，一旦磁传感器检测出场强变化，则采用一些信号处理办法，将传感器信号转换成需要的参数值。3-2.无线网络通信系统为什么要进行调制和解调?调制有哪些方法?（1）调制和解调技术是无线通信系统的关键技术之一。调制对通信系统的有效性和可靠性有很大的影响。采用什么方法调制和解调往往在很大程度上决定着通信系统的质量。

调制技术通过改变高频载波的幅度、相位或频率，使其随着基带信号幅度的变化而变化。

解调是将基带信号从载波中提取出来以便预定的接收者(信宿)处理和理解的过程。（2）根据调制中采用的基带信号的类型。可以将调制分为模拟调制和数字调制。

根据原始信号所控制参量的不同，调制分为幅度调制、频率调制和相位调制。3-4.试描述无线传感器网络的物理层帧结构。

3-6.根据信道使用方式的不同。传感器网络的MAC协议可以分为哪几种类型? 时分复用无竞争接入方式、随机竞争接入方式、竞争与固定分配相结合的接入方式。3-7.设计基于竞争的MAC协议的基本思想是什么？

当结点需要发送数据时，通过竞争方式使用无线信道。如果发送的数据产生了碰撞，就按照某种策略重发数据，直到数据发送成功或放弃发送。

3-8.试写(画）出CSMA/CA的基木访问机制。并说明随机退避时间的计算方法。

3-9.IEEE802.11MAC协议有哪两种访问控制方式?每种方式是如何工作的?（1）分布式协调功能（DCF）、点协调功能（PCF），期中DCF是基本访问控制方式。

3-10.通常有哪些原因导致传感器网络产生无效能耗? 空闲侦听、数据冲突、串扰、控制开销 3-11.叙述无线传感器网络S-MAC协议的主要特点和实现机制。

（1）S-MAC协议的适用条件是传感器网络的数据传输量不大，网络内部能够进

行数据的处理和融合以减少数据通信量，网络能容忍一定程度的通信延迟。它的设计目标是提供良好的扩展性，减少结点能耗。

（2）周期性侦听和睡眠机制、流量自适应机制、冲突和串音避免机制、消息传递机制。3-12.简述路由选择的主要功能。

（1）寻找源结点和目的结点间的优化路径。（2）将数据分析沿着优化路径正确转发。

3-14.常见的传感器网络路由协议有哪些类型?并说明各种类型路由协议的主要特点。（1）能量感知路由协议、基于查询的路由协议、地理位置协议、可靠的路由协议。

（2）能量感知路由协议：从数据传输的能量消耗出发，讨论最少能量消耗和最长网络生存期等问题。

基于查询的路由协议：主要用于需要不断查询传感器结点采集的数据，通过减少通信流量来节省能量，即数据融合技术与路由协议的设计相结合。

地理位置协议：主要应用于需要知道目的结点的精确或大致地理位置的问题中，把结点的位置信息作为路由选择的依据，从而完成结点的路由选择功能，并且降低维护路由协议的能耗。可靠的路由协议：应用在对可靠性和实时性等方面有特别要求的问题中。3-15.如何设计传感器网络的定向扩散路由协议? 4-2.传感器网络常见的时间同步机制有哪些? RBS、Ting/Mini-Sync、TPSN 4-3.简述TPSN时间同步协议的设计过程。

TPSN时间同步协议采用层次结构，实现整个网络结点的时间同步。所有结点按照层次结构进行逻辑分级。表示结点到根结点的距离，通过基于发送者-接收者的结点对方式。每个结点与上一级的一个结点进行同步。从而最终所有结点都与根结点实现时间同步。TPSN协议包括两个阶段: 第一个阶段生成层次结构，每个结点赋予一个级别。根结点赋予最高级别第0级。第i 级的结点至少能够与一个第(i-1)级的结点通信;第二个阶段实现所有树结点的时间同步。第1级结点同步到根结点。第i级的结点同步到第(i-1)级的一个结点，最终所有结点都同步到根结点，实现整个网络的时间同步。

4-6.简述以下概念术语的含义:锚点、测距、连接度、到达时间差、接收信号强度指示、视线关系。

锚点：指通过其他方式预先获得位置坐标的结点，有时也称作信标结点。网络中相应的其余结点称为非锚点。测距：指两个相互通信的结点通过测量方式来估计出彼此之间的距离或角度。

连接度：包括结点连接度和网络连接度两种含义。结点连接度是指结点可探测发现的邻居结点个数。网络连接度是所有结点的邻结点数目的平均值，它反映了传感器配置的密集程度。

到达时间差：两种不同传播速度的信号从一个结点传播到另一个结点所需要的时间之差。接收信号强度指示：结点接收到无线信号的强度大小。

视线关系：如果传感器网络的两个结点之间没有障碍物，能够实现直接通信，则称这两个结点问存在视线关系。4-9.RSSI测距的原理是什么?

4-10.简述ToA测距的原理。

4-11.举例说明TDoA的测距过程。

4-12.举例说明AoA测角的过程。

4-13.试描述传感器网络多边定位法的原理。

4-14.简述Min-max定位方法的原理。

4-15.简述质心定位算法的原理及其特点。

★4-16.举例说明DV-Hop算法的定位实现过程。

4-17.什么是数据融合技术?它在传感器网络中的主要作用是什么?（1）数据融合也被称作信息融，是一种多源信息处理技术。它通过对来自同一目标的多源数据进行优化合成，获得比单一信息源更精确、完整的估计或判断。

（2）①节省整个网络的能量②增强所收集数据的准确性③提高收集数据的效率 4-18.简述数据融合技术的不同分类方法及其类型。

(1)依据融合前后数据的信息含量进行分类：无损失融合、有损失融合

(2)依据数据融合与应用层数据语义的关系进行分类：依赖于应用的数据融合、独立于应用的数据融合、结合以上两种技术的数据融合

(3)依据融合操作的级别进行分类：数据级融合、特征级融合、决策级融合 4-19.什么是数据融合的综合平均法?

4-20.常见的数据融合方法有哪些? 综合平均法、卡尔曼滤波法、贝叶斯估计法、D-S证据推理法、统计决策理论、模糊逻辑法、产生式规则法、神经网络方法。

4-21.无线通信的能量消耗与距离的关系是什么?它反映出传感器网络数据传输的什么特点?（1）通常随着通信距离的曾加，能耗急剧增加。

（2）在传感器网络中要减少单跳通信距离，尽量使用多跳短距离的无线通信方式。4-22.简述节能策略休眠机制的实现思想。

当结点周围没有感兴趣的事件发生时，计算与通信单元处十空闲状态，把这些组件关钟或调到更低能耗的状态，即休眠状态。该机制对于延长传感器结点的生存周期非常重要。但休眠状态与工作状态的转换需要消耗一定的能量。并且产生时延。所以状态转换策略对于休眠机制比较重要。如果状态转换策略不合适，不仅无法节能，反而会导致能耗的增加。

4-23.简述传感器网络结点各单元能量消耗的特点

传感器结点中消耗能量的模块有传感器模块、处理器模块和通信模块。随着集成电路工艺的进步。处理器和传感器模块的功耗都很低。无线通信模块可以处于发送、接收、空闲或睡眠状态。空闲状态就是侦听无线信道上的信息，但不发送或接收。睡眠状态就是无线通信模块处于不工作状态。4-24.动态电源管理的工作原理是什么? 当结点周围没有感兴趣的事件发生时，部分模块处于空闲状态。应该把这些组件关掉或调到更低能耗的状态(即休眠状态)。从而节省能量。

4-25.传感器网络的安全性需求包括哪些内容? 结点的安全保证、被动抵御入侵的能力、主动反击入侵的能力。4-26.什么是传感器网络的信息安全?

4-27.简述在传感器网络中实施Wormhole攻击的原理过程

4-28.SPINS安全协议簇能提供哪些功能? SPINS安个协议簇是最早的无线传感器网络的安全框架之一。包含了 SNEP和μTESLA两个安全协议。SNEP协议提供点到点通信认证、数据机密性、完整性和新鲜性等安全服务；μTESLA协议则提供对广播消息的数据认证服务。6-3.低速无线个域网具有哪些特点? 低速无线个域网是一种结构简单、成本低廉的无线通信网络，它使得在低电能和低吞吐量的应用环境中使用无线连接成为可能。与无线局域网相比。低速无线个域网网络只需很少的基础设施。甚至不需要基础设施。IEEE 802.15.4标准为低速无线个域网制定了物理层和MAC子层协议。6-7.简述ZigBee的技术特点

(1)数据传输速率低。数据率只有lokb/s~250kb/s，专注十低速传输应用。

(2)有效范围小。有效似盖范围10~75m之间，具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定。(3)工作频段灵活。使用的频段分别为2.4GHz,868MHz(欧洲)及915MHz(美国)，均为无需申请的ISM频段。

(4)省电。由于工作周期很短。收发信息功耗较低，以及采用了休眠模式，ZigBee可确保两节5号电池支持长达6个月至2年左右的使用时间，当然不同应用的功耗有所不同。

(5)可靠。采用碰撞避免机制。并为需要固定带宽的通信业务预留专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突。MAC层采用完全确认的数据传输机制。每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。

(6)成本低。由于数据传输速率低，并且协议简单。降低了成本，另外使用ZigBee协议可免专利费。

(7)时延短。针对时延敏感的应用做了优化。通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短。设备搜索时延的典型值为30ms.休眠激活时廷的典型值是15ms。活动设备信道接入时延为15ms。(8)网络容量大。一个ZigBee网络可容纳多达254个从设备和一个主设备，一个区域内可同时布置多达100个ZigBee网络。

(9)安全。ZigBee提供了数据完整性检查和认证功能。加密算法采用AES-128，应用层安全属性可根据需求来配置。

第五篇：无线传感器网络综述(网安).

2008.2 80 网络安全技术与应用 无线传感器网络综述 唐启涛

陶滔

南华大学计算机科学与技术学院

湖南

421001 摘要:本文介绍了无线传感器网络的概念、特点、通信结构及其安全需求,并对其应用过程中可能遇到的攻击方式和相 应的抵御方法做了简单介绍。指出了无线传感器网络今后的研究方向及最新研究动态。

关键词:无线传感器网络;网络协议栈;传感器节点;多跳路由 0

引言

近年来随着传感器、计算机、无线通信及微机电等技术 的发展和相互融合,产生了无线传感器网络(WSN, wireless sensor networks。无线传感器网络技术与当今主流无线网络 技术使用同一个标准——802.15.14, 它是一种新型的信息获 取和处理技术。无线传感网络综合了嵌入式计算技术、传感 器技术、分布式信息处理技术以及通信技术,能够协作地实时 监测、感知和采集网络分布区域内的不同监测对象的信息。它的应用极其广泛, 当前主要应用于国防军事、智能建筑、国 家安全、环境监测、医疗卫生、家庭等方面。

无线传感器网络系统(WSNS, wireless sensor networks system通常由传感器节点、聚节点和管理节点组成。它的结 构图如图1。传感器节点负责将所监测的数据沿着其他传感器 节点逐跳地进行传输, 经过多跳路由, 然后到达汇聚节点, 最 后通过卫星或者互联网到达管理节点, 然后, 用户1通过管理 节点对传感器网络进行管理, 发布监测任务及收集监测数据。通过无线传感器网络可以实现数据采集、数据融合、任务的 协同控制等。

图

1无线传感网络系统结构图 1

无线传感器网络特点

目前常见的无线网络包括移动通信网、Ad Hoc 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。(7节点数量多,分布密集

为了对一个区域执行监测,往往需要很多的传感器节点 被放置到该区域。传感器节点分布非常密集,通常利用节点 之间高度连接性来保证系统的抗毁性和容错性。

2无线传感器网络协议栈

无线传感器网络协议栈由以下五部分组成:物理层、数 据链路层、网络层、传输层、应用层,与互联网协议栈的五 层协议相对应,其结构如图

2。

作者简介:唐启涛(1982-,男,南华大学计算机科学与技术学院 2006级硕士研究生,研究方向:计算机网

络与信安全。陶滔(1969-,男,网络教研室主任、副教授,硕士生导师,研究方向:计算机网络安全。2008.2

网络安全技术与应用 图

2无线传感器网络协议栈 2.1物理层

物理层主要负责感知数据的收集,并对收集的数据进行 采样、信号的发送和接收、信号的调制解调等任务。在物理 层中的主要安全问题是建立有效的数据加密机制。由于对称 加密算法的局限性,它不能在 WSN 中很好的发挥作用,因而 如何使用高效的公钥算法是 W S N 有待解决的问题。

2.数据链路层

数据链路层主要负责媒体接入控制和建立网络节点之间 可靠通信链路,为邻居节点提供可靠的通信通道,主要由介 质访问控制层组成。介质访问控制层使用载波监听方式来与 邻节点协调使用信道,一旦发生信道冲突,节点使用相应的 算法来确定重新传输数据的时机。无线传感器网络的介质访 问控制协议通常采用基于预先规划的机制来保护节点的能量。

2.3网络层

网络层的主要任务是发现和维护路由。正常情况下,无 线传感器网络中的大量传感器节点分布在一个区域里,消息 可能需要经过多个节点才能到达目的地,且由于传感器网络 的动态性,使得每个节点都需要具有路由的功能。节点一般 采用多跳路由连接信源和信宿。

2.4传输层

由于无线传感器网络节点的硬件限制,节点无法维持端到 端连接的大量信息传输,而且节点发送应答消息也会消耗大量 能量,因而,目前还没有成熟的关于传感器节点上的传输层 协议的研究。汇聚节点只是传感器网络与外部网络的接口。

2.5应用层

应用层主要负责为无线传感器网络提供安全支持,即实 现密钥管理和安全组播。无线传感器网络的应用十分广泛, 其中一些重要的应用领域有:军事方面,无线传感器网络可 以布置在敌方的阵地上,用来收集敌方一些重要目标信息, 并跟踪敌方的军事动向:环境检测方面,无线传感器网络能 够用来检测空气的质量,并跟踪污染源;民用方面,无线传 感器网络也可用来构建智能家居和个人健康等系统。

3安全性需求

基于无线传感器网络的特殊性,形成了与其他网络系统不 同的网络安全特性, 并能直接应用到实际的无线传感网络中。归纳为以下几个方面: 3.1鲁棒性

传感器网络一般被放置在恶劣环境、无人区域或敌方阵 地中,环境条件、现实威胁和当前任务具有不确定性,它需 要设计具有抵抗节点故障的机制。一种常用方法是部署大量 节点。网络协议应该具有识别发生故障的相邻节点的能力, 并根据更新的拓扑进行相应的调节。

3.2扩展性

WSN 节点会随着环境条件的变化或恶意攻击或任务的变 化而发生变化,从而影响传感器网络的结构。同时,节点的 加入或失效也会导致网络的拓扑结构不断变化,路由组网协 议和 W S N S 必须适应 W S N 拓扑结构变化的特点。

3.3机密性

传感器网络在数据传输过程中,应该保证不泄露任何敏 感信息。应用中,通过密钥管理协议建立的秘密密钥和其他 的机密信息,必须保证只对授权用户公开。同时,也应将因 密钥泄露造成的影响尽可能控制在一个较小范围,不影响整 个网络的安全。解决数据机密性的常用方法是使用会话密钥 来加密待传递的消息。

3.4数据认证

由于敌方能够很容易侵入信息, 接收方从安全角度考虑, 有必要确定数据的正确来源。数据认证可以分为两种,即两 部分单一通信和广播通信。

3.5数据完整性

在网络通信中,数据的完整性用来确保数据在传输过程 中不被敌方所修改,可以检查接收数据是否被篡改。根据不 同的数据种类,数据完整性可分为三类:选域完整性、无连 接完整性和连接完整性业务。

3.6

数据更新

表示数据是最新的,是没有被敌手侵入过的旧信息。网络 中有弱更新和强更新两种类型的更新。弱更新用于提供局部 信息排序,它不支持延时消息;强更新要求提供完整的次序, 并且允许延时估计。

3.7

可用性

它要求 WSN 能够按预先设定的工作方式向合法的系统用 户提供信息访问服务,然而,攻击者可以通过信号干扰、伪 造或者复制等方式使传感器网络处于部分或全部瘫痪状态, 从而破坏系统的可用性。

3.8

访问控制

W S N 不能通过设置防火墙进行访问过滤;由于硬件受 限, 也不能采用非对称加密体制的数字签名和公钥证书机制。WSN 必须建立一套符合自身特点的、综合考虑性能、效率和 安全性的访问控制机制。

4攻击方式及采取的相应措施

无线传感网络可能遭遇多种攻击。攻击者可以直接从物

2008.2 82 网络安全技术与应用 理上将其破坏。另一方面,攻击者可以通过操纵数据或路由 协议报文,在更大范围内对无线传感网络进行破坏。具体的 攻击类别如下: 4.1欺骗、篡改或重发路由信息

攻击者通过向 WSN 中注入大量欺骗路由报文,或者截取 并篡改路由报文,把自己伪装成发送路由请求的基站节点, 使全网范围内的报文传输被吸引到某一区域内,致使各传感 器节点之间能效失衡。对于这种攻击方式的攻击,通常采用 数据加密技术抵御。

4.2选择转发攻击

攻击者在俘获传感器节点后,丢弃需要转发的报文。为 了避免识破攻击点,通常情况下,攻击者只选择丢弃一部分 应转发的报文,从而迷惑邻居传感节点。通常采用多路径路 由选择方法抵御选择性转发攻击。

4.3DoS拒绝服务攻击

攻击者通过以不同的身份连续向某一邻居节点发送路由 或数据请求报文,使该邻居节点不停的分配资源以维持一个 新的连接。对于这种攻击方式,可以采用验证广播和泛洪予 以抵御。

4.4污水池攻击

攻击点在基站和攻击点之间形成单跳路由或是比其他节 点更快到达基站的路由,以此吸引附近的传感器以其为父节 点向基站转发数据。污水池攻击“调度”了网络数据报文的 传输流向,破坏了网络负载平衡。可以采用基于地理位置的 路由选择协议抵御污水池攻击。

4.5告知收到欺骗攻击

当攻击点侦听到某个邻居节点处于将失效状态时,冒充 该邻居节点向源节点反馈一个信息报文, 告知数据已被接受。使发往该邻居节点的数据报文相当于进了“黑洞”。可以调控 全球知识以抵御告知收到欺骗。

4.6

女巫攻击

攻击点伪装成具有多个身份标识的节点。当通过该节点 的一条路由破坏时,网络会选择另一条完全不同的路由,由 于该节点的多重身份,该路由可能又通过了该攻击点。它降 低了多经选路的效果。针对这种攻击方式,可以采用鉴别技 术抵御。

5今后的研究方向

目前,有关传感器网络的研究还处于初步阶段,由于无 线传感网络的体系结构和模型没有形成最后的标准,无线传 感器网络安全研究方面还面临着许多不确定的因素,对于 W S N 而言,仍然存在着如下有待进一步研究的问题。

5.1安全的异常检测和节点废除

在传感器网络中,由于被盗用节点对网络非常有害,因 而希望能即时检测和废除被盗用节点。Chan 提出使用分布式

投票系统来解决这个问题。5.2

安全路由

安全的路由协议应允许在有不利活动的情况下,继续保 持网络的正常通信。传感器网络中的许多类型的攻击方式的 抵御可以通过提高路由的安全设计来实现。如何设计一种高 效、安全的路由有待进一步的研究。

5.有效的加密原语

Perrig 提出了 SPINS 协议族, 通过该协议, 使用有效的 块加密,对于不同块进行不同的加密操作。Karlof

设计了 TinySec,在效率与安全性之间折中。在密钥建立和数字签名 时,如何使用有效的非对称加密机制,是一个值得进一步研 究的方向。

5.4入侵检测问题

在数据认证和源认证之前,有必要设计相应的方案来确 认通信方是不是恶意节点。目前有些无线传感网络都是假设 网络节点具有全网惟一标识,这其实是不符合现实的。

5.5传感器安全方案和技术方案的有机结合

根据 W S N 的特点,其安全解决方案不能设计得过于复 杂,并尽可能的避免使用公钥算法。如何在不明显增加网络 开销的情况下,使性能和效率达到最佳,并设计出相应的协 议和算法有待于进一步的研究。

5.6

管理和维护节点的密钥数据库

在传感器网络中,每个节点需要维护和保持一个密钥数据 库。在网络节点存储能力有限的情况下, 如何保证密钥建立、撤 消和更新等阶段动态地维护和管理数据库需要进一步的研究。

6总结

无线传感器网络在军事和民用领域都有着广泛的潜在用 途,是当前技术研究的热点。本文从无线传感器网络的特点、无线传感网络的协议栈、安全需求、可能受到的安全攻击及 相应的防御方法及今后有待进一步研究的问题等方面对目前 国内外开展的研究进行了较为系统的总结,有助于了解当前无 线传感器网络研究进展及现状。

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