分簇的无线传感器网络安全路由协议解析.docx

分簇的无线传感器网络安全路由协议解析.docx

《分簇的无线传感器网络安全路由协议解析.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《分簇的无线传感器网络安全路由协议解析.docx（49页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

分簇的无线传感器网络安全路由协议解析

武汉理工大学

硕士学位论文

一种基于分簇的无线传感器网络安全路由协议

姓名：

张涛

申请学位级别：

硕士

专业：

计算机科学与技术

指导教师：

李腊元

20100501

摘要

无线传感器网络（ＷＳＮｓ）是信息科学领域中一个全新的发展方向，同时也是新兴学科与传统学科进行领域间交叉的结果。

无线传感器网络经历了智能传感器、无线智能传感器、无线传感器网络３个阶段。

智能传感器将计算能力嵌入到传感器中，使得传感器节点不仅具有数据采集能力，而且具有滤波和信息处理能力；无线智能传感器在智能传感器的基础上增加了无线通信能力，大大延长了传感器的感知触角，降低了传感器的工程实施成本；无线传感器网络则将网络技术引入到无线智能传感器中，使得传感器不再是单个的感知单元，而是能够交换信息、协调控制的有机结合体。

无线传感器网络的一个重要特点是资源受限。

与传统网络相比，具有能量有限、计算能力有限、存储空间有限和通信能力有限等特点。

因此在研究应用于无线传感器网络的各种技术时，考虑的关键问题是低能耗和低成本。

然而，已有的适用于传感器网络的路由协议大多是对有限的节点资源和特定应用的网络特性进行的最优化设计，并没有考虑安全路由的问题。

随着无线传感器网络在军事等领域的广泛应用，在设计了满足低能耗需求的路由协议后，对路由协议安全性的研究已成为新的热点。

本文首先介绍了ＤＤ、ＬＥＡＣＨ、ＧＥＡＲ等经典的路由协议，在对其路由算法的性能及安全性进行比较分析的基础上，发现以ＬＥＡＣＨ为代表的分簇路由协议在能耗和安全性方面有着比较好的性能。

接着详细分析了ＬＥＡＣＨ分簇路由协议，并且虚拟了一个在ｗｉｎｄｏｗｓ平台上运行的ＵＮＩＸ模拟环境，使用ＮＳ２仿真工具对ＬＥＡＣＨ协议进行了仿真。

然后，分别从能量消耗和安全性两个角度建议性的提出了对ＬＥＡＣＨ协议的两种改进方案。

第一种改进方案是提出了结合集中式的ＬＥＡｃＨ—Ｃ协议和分布式的ＬＥＡｃＨ协议两者的优点的ＩＬＥＡＣＨ协议，通过对簇头节点的产生区域进行限定，保证了簇头数目的最优化以及簇头的合理分布，以节点剩余能量为主要依据来选择簇头节点。

第二种改进方案是针对分簇路由协议不能抵御ＨＥＬＬＯｆｌｏｏｄ、选择性转发等攻击的问题，在ＬＥＡＣＨ协议的基础上，提出了一种安全路由协议ＣＳＲＰ，通过引入适用于无线传感器网络的安全引导方案，保证了数据的完整性、新鲜性以及认证性；同时引入双向评测机制，对恶意节点进行检测，有效的提高了网络的安全性能。

本文通过仿真平台验证了ＩＬＥＡｃＨ

协议具有较好的能量优化特性，以及在有恶意节点的情况下，与ＬＥＡＣＨ协议相比较，ＣＳＲＰ具有较好的抗捕获能力，而且增加的能量消耗较小。

本文得到了国家自然科学基金项目（批准号：

６０７７３２１１，６０６７２１３４，６０９７００６４）、国家软件开发环境重点实验室开放基金课题（批准号：

ＳＫＬＳＤＥ一２００９ＫＦ一２—０２）、新世纪优秀人才支持计划（批准号：

ＮＣＥＴ－０８一０８０６）、霍英东高校青年教师基金基础性研究课题（批准号：

１２１０６７）、武汉市科技攻关项目（批准号：

２０１０１０６２１２０７）、教育部博士点基金项目（批准号：

２００６０４９７１０５）和湖北省杰出青年人才基金（批准号：

２００８ＣＤＢ３３５）的资助。

关键字：

无线传感器网络：

低能耗；分簇路由协议；安全引导方案；双向评测机制ｎ

Ａｂｓｔｒａｃｔ

Ｗｉｒｅｌｅｓｓｓ黜ｏｒｎｅ嘶ｒ！

ｋｉｓａｎｅｗｄｉｒＩ删ｏｎｉｎｔＩ圮丘ｅｌｄ０ｆｉＩｌｆ．０ｍａｔｉｏｎｓｃｉｅｎａｅ．ｂｕｔａｌｓｏⅡ地ｃｒｏｓｓｉｎｇ仃ｅＩｌｄｂｅｔｗｅｅｎａ：

Ｉｌｅｒｇ．ｍｇｄｉｓｃｉｐｌｉｎｅｓａ皿ｄ缸．ａｄｉｔｉｏｎａｌａｃａｄｅｍｉｃ飘ｌｂｊｏｃｔｓ．ｎｗａｌｔｔｌｌｒｏｕ曲Ⅱ】＿ｒ。

∞ｓｔａｇＩｅｓ：

懿ｎａｒｔｓｅｒｌｓｏ娼，ｗｉｒｃｌｅｓｓ＆ｎａｒｔｓｅｌｌｓｏｒｓ，ｗｉｒｄｅｓｓｓ髓ｓｏｒｎｅ咐耐ｋｓ．Ｓｍａｒｔｓｅｎｓｏ璐’ｎｏｄｅｎｏｔｏｍｙｈａｓｄａｔａａｃｑｕｉＳｉｔｉｏｎｃａ：

ｐａｂｉｌｉｔｙ，ｂｕｔａｌｓｏｆｉｌｔ耐ｎｇ

ａｎｄｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｄａｔａｃａｐａｂｉｌ时ｂｅｃａｕｓｅｏｆ也ｅ伽曲ｃｄｄｅｄｃｏｍｐｕｔｉｎｇｐｏｗ既Ｗｉｒｅｌｅｓｓ

ｓＩＩｌａｒｔｓａ塔。

瑙ｈａｖｅｂｅｅｌｌｉＩｌｃｒｅ邪ｅｄ、丽ｒｅｌｃｓｓｃｏｍ加ｌ】ｎｉｃａｔｉｏｎｃａ＿ｐａｃｉ钾ｗｈｉｃｈ蜀．髓ｔｌｙｅｘ硼ｅｄｓ廿塔ｏｒ觚ｔ锄ａｍｄｒｅｄｕｃｏｄｐｒ讲ｅｃｔｉｎｌｐｌａ：

Ｉｌａ删ｏｎｃｏｓｔｓ．

Ｉｎ、—恤ｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｆｋｓ，ｔ１１ｅｓｅｌｌｓｏｒｓａｒｅ∞ｌｏｎｇｅｒａｓｉＩｌ皿ｅｍｉｔ＇ｂｕｔａｎｏｒ擘：

乏ｍｉｃ

ｃｏｍｂｉＩｌａｔｉｏｎｎｌａｔ

ｃ孤ｅｘｃｈａｌｌｇｅ础Ｆｏｍ撕０１１．ｎｈａｓａｎｉＩｎｐｏｒｔ觚ｔｆ．ｃａｔｌｌｒｅｏｆｒｃｓ０１】“蟹．ｃｏｎｓ仃ａｉｌｌｅｄｃｏｍｐａｒｏｄｗｉｔｌｌ砌ｉｔｉｏｎａｌｎｅ眦ｏｒｋＳ锄ｃｈ豁％锄Ⅸｃｏｍｐｕｎｎｇ

ｐｏｗ％ｓｔｏｒａｇｅ，ｃ０删咖ｍｃ织０ｎｃ印ａｃｌｔ），ａｎｄ∞ｏｎ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｃ，ｍｅｋｅｙｉｓ跚ｅｔ０ｃ０璐ｉｄｅｒｉｓｌｏｗｐｏｗｅｒｃ（ｍ趴ｍｌｐｔｉｏｎ锄ｄｌｏｗｃｏｓｔｗｈｉｌｅ

Ｓｔ眦蛳ｎｇａｖ蜀ＩｒｉｅｔｙｏｆｗｉｒｅｌｅＳｓｓａｌｓｏｒ玳婀ｙｏ出ｔｅｃ．ｈ【ｌｏｌｏｇｙ．ＨｏｗｅⅥ冯廿ｌｅｅｘｉｓｔｉｎｇ

ｒｏｕｔｉｎｇｐｒｏｔｏｃｏｌｓｆｂｒｓｅｎｓｏｒｎｅ觚ｏｒｋｄｉｄｎｏｔｆｏｃｕｓｏｄｏｎ

ｃｏＩ玛ｉｄ眺ｇｔｈｅｓｅ础ｔ弘ＡｓｍｅｒｏｕｔｉＩｌｇｐｒｏｔｏｃｏｌｔ０ｍ∞“ｏｗｐｏｗｅｒｒｃｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｈ舔ｄｅｓｉ印ｅ也ｉｔ’ｓＣ０ｍ言ｓｐｏｎｄｉｎｇｏｎｓ洲ｔｙ

ｓｔｕｄｉｅｓｈａＶｅｂｅｃｏｍｅａｎｅｗｈｏｔＳｐＩｏｔ．ｎｌｉｓｐａｐｅｒｉ１１们ｄｕｃ销ｓｏｍｅｃｌａｓｓｉｃｒｏｕｔｉｎｇｐｒｏｔｏｃｏｌｓｓｕｃｈ必ＤＤ．ＬＥＡＣＨ，

ＧＥＡＲ．ＬＥＡＣＨ，弱ｔｈｅ

ｒ印ｒｅｓ删ｖｅｃｌｕｓｔｅｒｒｏｕｔｉｎｇｐｒｏｔｏｃｏｌ，ｗ私ｆｏｕｎｄｔ０ｈａｖｅａ９００ｄｐ幽肌ａ１１ｃｅｉＩｌ饥ｅ圆，ｃｏ咖ｍｐｔｉｏｎａｎｄｓｅｃｌｌｒｉｔｙｂ嬲ｅｄ∞Ｃｏｍｌ，删ｉｖｅａＩｌａｌｙｓｉｓ．

ＴｈｅＩｌ，、Ⅳｅｇｉｖｅ也ｅ觚ａｌｙ豇ｓｏｆ

ＬＥＡＣＨｉｎｄｅｔａｉｌ，锄ｄａｃｌｌｉｅ、，ｅｔ１１ｅｓｉＩＩｍｌａｔｉｏｎｏｆＬＥＡＣＨｉｎＮＳ２ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｐｌａｔｆｏｍ．Ｌａｔｅｒ＇ｗｅｄ髓ｃｒｉｂｅｔｌｌｃｉＩＩｌｐｒｏｖ锄ｅｎｔ锄ｄ

ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎａｂｏｕｔＬＥＡＣＨ如Ｉｒ∞ｅｒ霉Ⅳｃｏｎｓ切ｍｐｔｉｏｎ撒ｌｄｓｏ刚ｔｙ：

Ｂ嬲ｅｄｏｎｎｌｅ

懿“＝ｌｌｓｉＶｅａ腑ｌｙｓｉｓ

ｏｆｔｙｐｉｃａｌｍｕｔｉｎｇｐｒｏｔｏｃｏｌｓ，跚ｃｈ嬲ＬＥＡＣＨ锄ｄＬＥＡＣＨ．Ｃ，觚ｉｎｌｐｒｏｖｅｄｃｌｕＳｔｅ曲ｇ－ｂ鹊ｅｄ

ｒｏｕｔｉｎｇｐｒｏｔｏｃｏｌｎ锄ｅｄＩＬＥＡＣＨｗ勰ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｅ０ｐｔｉｍａｌｍｍｌｂｅｒ锄ｄｍｅ

ｒ黜ｎｅｄｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｗｅｒｅ伽【ｓｕｒｅｄｂｙｌｉｌｎｉｔｉｎｇｔｌｌｅｆｏｍｌａｔｉｖｅｚｏｎｅｏｆｃｌｕｓｔｅｒ．ｈｅａｄａｎｄｍｅｃｌｕｓｔｅｒ－ｈｅａｄｉｓｓｅｌｅｃｔｅｄａｃＣ０ｒｄｉｎｇｔｏｔｌｌｅｒｅｓｉｄｌ【ｌａｌｅｎａ帮：

Ｔｈｅｓｅｃｏｎｄｓｃｈｅｍｅｉｓｔｌｌａｔｗｅｐｒｃｓｅｎｔｅｄａｓｅｃｕ代ｃｌｕｓｔｅｒ－ｂａｓｅｄｒｏｕｔｅｒｐｒｏｔｏＣｏｌｎａｍｅｄ

ＣＳＲＰ＇ｗｈｉｃ：

ｈａｄｄｒｅｓｓｅｄｍｅｐｒｏｂｌｅⅡｌｓｏｆｉｎａｄｅｑｕａｔｅ

ｃｏｎｓｉｄｅ删ｏｎｆｂｒｓｅ训付ａｎｄｌｉｍｉｔｅｄｅｎｅｒｇｙｉｎ、矾ｒｄｅｓｓＳｅ邶０ｒＮ酏ⅣｏｒｋＳ．ＣＳＲＰ，ｗｌｌｉｃｈ

ｉｓｂａＳｅｄｏｎＬＥＡＣＨ，ｔａｌｏ胬ｓａＶｉｎｇｏｆｅ１１ｅ嚼，ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ雏ｄｉｍｌ）ｒ０Ｖｉｎｇｏｆｒｏｕｔｉｎｇｓｅ砌ｔ），懿ｉｔｓｄｅｓｉ盟ｔａｒｇｅｔｓ．：

Ｋｅｙｄｉｓ仃ｉｂｕｔｉｏｎｓｃｈａｎｅｗ１１ｉｃｈ

ａｒｅｓｕｉｔａｂｌｅｆ．０ｒＷｉｒｅｌｅｓｓＳｅｒｌｓｏｒＮｅｔｗｏｔｋＳｉｓａｄｄｅｄｔ０ＣＳＲＰｔｏｅｎｓｕｌ旧ｔｈｅｄａｔａｉｎｔ卿田、ｆ｝ｅｓｌｌＩｌｅｓｓ锄ｄａｕｔｈｅｎｔｉｃａｔｉｏｎ．Ｍｅａｎｗｌｌｉｌｅ＇ｂｉ．ｄｉｒｌ舭ｎａｌ

ｅｖａｌｕａｔｉｏｎｎ础觚ｉｓｎｌｉｓｕｓｏｄｔｏｄｅｌ【ｅｃｔｍａｌｉｃｉｏｕｓｎｏｉＩｅｓａｎｄｅｎｈａｎｃｅｔｈｅｎｅＭｏｒｋｓｅ硎ｔｙ：

Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｓｔｈａｔｍｅｐｒｏｐｏｓｅｄ

ｐｒｏｔｏｃｏｌＣＳＲＰｈａｓｂｅ【ｔｔｅｒｐｅｒｆ．ｏｎｎａｎｃｅｍａＩｌＳＬＥＡＣＨｉｎｔｅ玎ｎｓ

ｏｆ雒ｔｉ．ｃａｐｔｕｒｅａｂｉｌｉｔｙｗｈｉｌｅｔｈｅｒｅｅｘｉｓｔｓｍａｌｉｃｉｏｕｓｎｏｄｅｓ．Ｆｕｒｔｈｅ姗ｏｒ岛ｔｌｌｅｅｎｅｆｇｙｃｏｎＳｌ蚰ｐｔｉｏｎｒｉｓｅｓｓｌｏｗｌｙＩＩＩ

武汉理工大学硕士学位论文

Ｔｈｉｓ也岱缸缸ｓｕｐｐｏｒｔｅｄｂｙＮａｔｉｏｎａｌＮａｔＩＩｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｏｆＣｈｉｎ－＠ｏ：

６０７７３２ｌｌ，６０６７２１３７，６０９７００６４），ｏｐ锄ＦｕｎｄｏｆｔｈｅｓｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆ

Ｓｏ伽’ｒａ№ＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔＥｎＶｉｍｎｍｅｎｔ科ｏ：

Ｓｌ江ＳＤＥ－２００９ＫＦ．２－０２），Ｎｅｗ

ＣｅｎｎＩｒｙＥｘｃｅＵ蚰ｔＴａｌ蚰ｂｉｎ吼ｉｖ盯ｓ姆＠ｏ：

ＮＣＥＴ．＆０８０６），ＦｏｋＹｊｎｇ－１ｒｏⅡｇＥｄｕｃ娟蚰Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｆｂｒ１Ｙ．ｏｕｎｇ１＇ｅａｃｈｅｒｓｉｎＨｉｇｈｅｒＥｄｕｃａ值ｏｎＩｎｓｔｉｔＩｌｔｉｏｎｓｏｆＣｈｉｎａ＠ｏ：

２０１０１０６２１２０Ａ

ＮＳＦｏｆＷｕｈ锄ＭｕｎｉｃｉｐａＵ哆讲ｏ：

２０１０１０６２１２０７），ＳｐｅｃｉａＩｉｚｅｄＲｅｓｅａＫｈＦ衄ｄｆｏｒｔｈｅＤｏｃｔｏｒａｌＰｍｇｒａｍｏｆＨｉｇｈｅｒＥｄｕｃａｔｉｏｎｏｆＣｈｉｎａ＠ｏ：

２００６０４９７１０５）ａｎｄ也ｅＮａ廿仰ａｌＳｃｊ蛆ｃｅＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｏｆＨｕＢｅｉＰｒｏＶｉｎｃｅ科ｏ：

２００８ＣＤＢ３３５）．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：

ＷｉｒｅｌｃｓｓＳ删Ｎ咖ｏｆｋＳ；Ｌ０ｗＥｎ唧Ｃ删ｔｉｏｎ；ＣｌｕｓｔｅｒＲｏｕｔｉＩｌｇ

Ｐｒｏｔｏｃｏｌｓ；ＫｅｙＤｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎＳＣｈｅｍｅ；Ｂｉ．ｄｉ删ｉｏｎａｌＥｖａｌｕ撕ｏｎＲ鼯ｕＩｔｓⅣ

独创性声明

本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。

与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。

签名：

垂蝤

日期：

玉班，￡：

窭！

学位论文使用授权书本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。

同时授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息服务。

（保密的论文在解密后应遵守此规定）研究生（签名）：

避导师（签名！

拙期趔．庆６

第１章绪论

１．１课题来源及研究意义

１．１．１课题来源

本文得到了国家自然科学基金项目（批准号：

６０７７３２１ｌ，６０６７２１３４，６０９７００６４）、国家软件开发环境重点实验室开放基金课题（批准号：

ＳＫＬＳＤＥ一２００９ＫＦ－２—０２）、新世纪优秀人才支持计划（批准号：

ＮｃＥＴ一０８—０８０６）、霍英东高校青年教师基金基础性研究课题（批准号：

１２１０６７）、武汉市科技攻关项目（批准号：

２０１０１０６２１２０７）和教育部博士点基金项目（批准号：

２００６０４９７１０５）的资助。

１．１．２课题研究的目的及意义

目前，无线传感器网络已成为国际上备受关注的热点研究领域，它涉及到多学科高度交叉，其中综合了许多关键技术，比如嵌入式技术、传感器技术、现代网络通信技术等。

无线传感器网络具有网络自组织、以数据为中心、成本低廉等诸多优点，具有潜在的巨大应用前景和极高的学术研究价值，在许多领域都有重要的应用，比如国防安全、工农业现代化、城市公共管理、医疗卫生、反恐反暴、抢险救灾、环境安全监测、危险远程控制等，已引起了世界各国国防部、学术界和工业界的广泛关注。

无线传感器网络的关键技术之一是路由技术，目前，针对无线传感器网络的特点也提出了一些路由算法，但这些路由算法当时并未考虑到安全问题，只是对节点有限的能量和网络特性的应用进行了一定程度的改善。

从总体而言，对于无线传感器网络安全问题的研究工作还处于起步阶段，各种安全路由协议在能耗和安全性这两个方面难以平衡。

但是，无线传感器网络有极大的发展潜力和广阔的应用空间，值得我们对其进行深入的研究。

可以预计，随着无线传感器网络技术的迅速发展，它必将广泛的应用到人们生活中。

１．２无线传感器网络概述

信息的生成、获取、存储、传输、处理及其应用是现代信息科学的六大组成部分，其中信息的获取是信息技术产业链上重要的环节之一，没有它就没有信息的传输、处理和应用，信息化也就成了无水之源、无本之木。

随着现代微电子技术、纳米材料、无线通信技术、信号处理技术、计算机网络技术等的进步以及互联网的迅猛发展，传统的传感器信息获取技术从独立的单一化模式向集成化、微型化，进而向智能化、网络化方向发展，成为信息获取最重要和最基本的技术之一。

１．２．１传感器网络体系结构

１．２．１．１传感器网络结构

传感器网络结构如图卜１所示，传感器网络系统通常包括传感器节点、汇聚节点和管理节点。

大量传感器节点随机部署在监测区域内部或附近，能够通过自组织方式构成网络。

传感器节点

图卜ｌ传感器网络体系结构

网络开始运行的时候，部署于监测区域内的传感器节点收集附近的数据信息，并做初步的数据融合处理，然后通过单跳或多跳方式传输到汇聚节点，由汇聚节点将各条路径上收集来的数据信息进行数据冗余压缩，最后通过外部通信网络（卫星网络或有线网络等）将采集到的信息传输到管理服务器。

当然整个通信过程是相互的，管理服务器也可以通过外部通信网络向整个监测区域中的传感器节点发出必要的管理配置命令。

２

武汉理工大学硕士学位论文

１．２．１．２传感器节点结构

作为传感器网络最基本的组成单位，传感器节点一般由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块等组成，如图卜２所示。

传感器节点在工作阶段，首先会由硬件内部的传感器模块进行周围环境数据采集，并转换成相应的数字模拟信号，然后传送到处理器模块部分，由ＭＣＵ处理器部分进行必要的数据加工，形成规定的消息格式，最后由无线通信模块进行消息数据的广播发送，整个过程中由能量供应模块进行能量控制管理。

传感器模块处理器模块

无线通信模块处理器

传感器—＋ＡＣ／ＤＣ一．－’存储器

斗网络一－＋ＭＡＣ—＋收发器▲▲▲

Ｉｌ

Ｉ

能量供应模块图卜２传感器节点结构

１．２．２传感器网络协议栈

无线传感器网络的通信系统中采用的是分层协议栈的结构，在提供强大功能的同时保持系统能够的灵活性。

整个协议栈如图卜３所示，分为５层。

图卜３传感器网络协议栈

１）物理层：

提供简单但健壮的信号调制和无线收发技术，主要是涉及到无３

武汉理工大学硕士学位论文

线物理信道的检测、能量检测、频率选择、信号的收发控制等。

２）数据链路层：

建立稳定可靠的点到点数据通信链路，维护链路通信质量。

主要负责解决媒体访问控制（ＭｅｄｉｕｍＡｃｃｅｓｓＣｏｎｔｒ０１，ＭＡＣ）和差错分析控制这两类问题。

３）网络层：

主要负责整个无线传感器网络的路由选择、维护，确保数据信息能够正确地从源节点传输到目的节点，同时还要尽量优化路径、节省能量、保证安全。

４）传输层：

传输层是两台计算机经过网络进行数据通信时，第一个端到端的层次，具有缓冲作用。

它利用网络层提供的服务，并通过传输层地址提供给高层用户传输数据的通信端口，使系统间高层资源的共享不必考虑数据通信方面和不可靠的数据传输方面的问题。

它的主要功能是：

对一个进行的对话或链接提供可靠的传输服务，在通向网络的单一物理连接上实现该连接的复用，在单一连接上提供端到端的序号与流量控制、差错控制及恢复等服务。

无线传器网络的传输层一般是用于网络内部和网络外部的Ｉｎｔｅｒｎｅｔ网络链接。

５）应用层：

负责时间同步、节点定位、Ｑｏｓ、移动性控制、能量管理、配置管理、安全管理、远程管理，包括一系列基于监测任务的应用层软件。

１．２．３无线传感器网络的特点

无线传感器网络不同于传统的移动通信网络，有以下的特点：

节点自身硬件配置受限、节点自身能量受限、部署区域位置受限、动态的网络拓扑、节点众多、自身安全性差、面向应用等。

这些特点也就决定了无线传感器网络自身应用的特点，特别是能量和安全问题近年来受到很多研究者的注意，因为一旦网络出现部分节点死亡或被破坏的问题，就可能会产生信息收集盲点，严重的可能造成整个网络的瘫痪，对于无线传感器网络来说，最大化地均衡各节点的能量消耗以延长网络的生存期并同时保持网络通信的安全性是无线传感器网络协议的重要研究内容。

无线传感器网络的结构特点【ｌ】如下：

１）网络节点自身硬件配置受限。

传感器节点相比正常的计算机通信节点，其通信能力、计算能力、存储容量、体积大小往往受到很大限制。

一方面因为传感器节点是大规模部署应用的，所以要求节点的价格尽可能地降低。

另一方面虽然随着现代加工工艺的进步，传感器节点的集成能力有了很大的提高，但是相比正常的通信计算机，它们还是存在较大的差距，特别是传感器节点在能４

武汉理工大学硕士学位论文

量方面的限制一直是困扰无线传感器网络发展的瓶颈。

由于在现实部署环境中，传感器节点的更换有时是不易实现的，传感器节点的能量往往得不到更换，一旦自身因能量耗尽而死亡的话，就有可能造成节点附近信息收集的失败，严重的时候可能影响整个网络的运行。

因此如何减少传感器网络的能量消耗从而最大化网络生命周期，一直是无线传感器网络的重要研究内容。

２）动态的网络拓扑。

拓扑结构是指网络中各个站点相互连接的形式，在无线传感器网络中，传感器节点可能因为能量耗尽或故障等原因退出网络，也有可能由于工作需要有新节点加入网络，也有可能网络中网络信道改变或者网络需要重新分割并构等，这都要求无线传感器网络有良好的动态重构能力，以适应网络拓扑的变化。

同时传感器网络中节点可能具有移动性，而节点的移动方式和速度可能会受到环境的影响而难以预测，这就会造成节点、监测对象和观察者之间路径的不断变化，这也要求传感器网络必须具有动态的重构能力，能够实时地保证网络的连通性。

３）传感器节点众多、分布广。

在无线传感网络中，由于节点自身收集数据和数据通信的局限性，以及要求对目标区域的覆盖率高等特点，所以在网络部署时，会在目标区域中投放大量的传感器节点，这样就可以达到数据采集的全面覆盖，同时也保证了网络的容错性及抗打击性，使得网络不会因为部分节点的死亡退出从而出现目标区域收集盲点。

４）网络的安全性差【２】。

由于无线传感器网络是一种特殊无线网络，它有其自身的特点，同时由于它早期的重心放在数据采集和网络生命周期上，而没有对安全问题采取足够的重视，使得无线传感器网络的安全性非常差。

由于在无线传感器网络中，采点本身是集信息采集、路由通信、数据融合于一身的，同时整个的无线感器网络中所有的节点均是身份对等的，没有特定的网络中心，这就使得传统有线网络中的安全认证机制不能简单地复制应用于无线传感器网络中。

在无线传感器网络中很容易受到窃听、无线干扰、主动入侵等网络攻击，这些都是无线传感器网络要考虑的问题，特别是在一些信息机密性比较高的网络应用中。

５）应用相关性【３１。

无线传感器网络是一种和具体应用密切相关的网络技术，对于不同的应用要求，可能会涉及到不同的网络硬件、软件和网络应用协议，例如一些网络应用注重于网络中的数据收集，而对其安全性要求不高；而有的网络应用中可能对于网络的安全性要求较高而对于信息的实时性要求不高：

或者有的网络应用要求与具体的物理位置密切相关，而有的网络应用却忽略网络５

武汉理工大学硕士学位论文

中的具体物理位置。

由于网络应用的目的不同，传感器网络的具体设计就会有不同的特点，针对某一特定的网络应用设计特定的传感器网络是无线传感器网络的一个显著特点。

６）以数据为中心及数据流量的不确定性【Ｉ】。

由于无线传感器网络的应用特点，它是具有明确目的的网络应用，因此收集目的数据是网络的重要目标。

根据任务的要求，网络中各节点要能够将收集到的数据快速的汇总到信息采集中心，在这过程中可能会涉及到简单的数据融合，因为无线传感器网络中各节点部署的随机性，这就有可能造成节点收集的信息冗余高，而为了减少不必要的通信能量消耗，数据融合是非常重要的一步，有效的数据融合可以大大减小邻近节点收集到的冗余数据，节省不必要的通信，延长网络的生命期，还可以减轻数据收集终端的数据处理负载；同时由于节点分布的不可预知性，采集到的信息量就可能不均衡，这同时也会造成数据流量的不均衡。

１．３无线传感器网络的应用

近年来，人们对沟通的需求使无线通信呈指数级发展。

随着万维网的发展，电子邮箱和数据文件传输等因特网服务的数据交换量不断增长，无线数据网成为无线通信领域的发展前沿。

服务传送所需的通信容量不断增加，这一点可以从网络数据吞吐量需求的不断增加可以看出来。

与此同时，还存在许多其他潜在的无线网络应用。

这些应用降低了对数据吞吐量的要求，它们包括家庭自动化和电子消费产品、智能农业和健康监测、工业控制和监视、安全与军事感知等。

１．３．１家庭自动化和消费电子

家庭是无线传感器网络的一个巨大应用空间。

无线传感器网络在家庭中的主要应用时个人电脑的外设，比如无线键盘和鼠标。

这些应用设备充分利用了无线传感器网络必须具备的低成本和低能耗的优点。

玩具市场也是无线传感器网络的一个巨大应用空间。

比如，可以这样实现玩具的语音识别和合成功能：

把合适的模／数和数／模转换器、麦克风和喇叭装在玩具里，再通过无线传感器网络与电脑无线连接，由电脑完成语音识别与合成。

通过这样的方式，就可以极大地降低玩具的成本，但同时玩具的性能却得６

武汉理工大学硕士学位论文

到了提升，功能也更加完善。

无线传感器网络在家庭中的另一个主要应用时常见于汽车的遥控无钥开门功能的延伸。

首先由无线锁、门窗传感器和无线电灯控制器组成无线传感器网络，而主人将持有一个带按钮的类似于钥匙链的装置。

当主人按下按钮时，系统会将所有门窗锁上，并将大部分室内灯光熄灭，同时将室外安全灯打开。

当所有这些成功完成后，主人会听到嘀嘀的确认声．如果有一个门没锁上，这个装置上的指示灯就会显示哪里出了问题。

１．３．２智能农业与环境感知

无线传感器网络在智能农业领域的应用比如说降雨量的测量。

大型农牧场范围比较大，而降雨是偶发的并且可能只发生在农场中的部分地区。

因为考虑到灌溉费用较高，所以了解哪些地方有降雨哪些地方没有降雨，哪些地方需要灌溉哪些地方不需要灌溉就显得比较重要。

这正是无线传感器网络理想的应用场合，因为一方面，网络中传输的数据量很小，允许的数据消息延迟也可以长达几分钟；另一方面，网络节点必须很廉价，功耗也必须低到足以在整个作物生长期内维持正常运行。

１．３．３健康检测

健康检测室无线传感器网络应用有希望快速发展的一个市场。

无线传感器网络在健康监测方面的应用主要有两类。

一类是运动员身体机能监测，如通过可穿戴传感器测量运动员的脉搏和呼吸速率，然后将这些信息传送给个人电脑以备分析。

另一类是家庭健康监测，如监测糖尿病患者每天的血