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1、 第第4章章 无线传感器网络技术无线传感器网络技术物联网导论：第物联网导论：第4章章 无线传感器网络技术无线传感器网络技术信息科学与工程学院信息科学与工程学院宁波大学宁波大学宁波大学宁波大学 Ningbo UniversityNingbo University无线传感器网络与物联网的区别：无线传感器网络与物联网的区别：(1)物联网以互联网为基础，无线网络为补充；传感网以无线网为基础物联网以互联网为基础，无线网络为补充；传感网以无线网为基础 (2)物联网解决物联网解决“是谁是谁”，传感网解决，传感网解决“怎样怎样”无线传感器网络与传统网络的区别无线传感器网络与传统网络的区别：“收集和处理信息为目
2、的收集和处理信息为目的”“通信为目的通信为目的”物联网导论：第物联网导论：第4章章 无线传感器网络技术无线传感器网络技术信息科学与工程学院信息科学与工程学院宁波大学宁波大学宁波大学宁波大学 Ningbo UniversityNingbo University4.1 无线传感器网络概述无线传感器网络概述4.1.14.1.1 无线传感器网络介绍无线传感器网络介绍 4.1.24.1.2 传感器网络体系结构传感器网络体系结构 4.1.34.1.3 传感器网络的发展传感器网络的发展 物联网导论：第物联网导论：第4章章 无线传感器网络技术无线传感器网络技术信息科学与工程学院信息科学与工程学院宁波大学宁波大
3、学宁波大学宁波大学 Ningbo UniversityNingbo University4.1.1无线传感器网络介绍无线传感器网络介绍无线传感器网络（无线传感器网络（Wireless Sensor Network,WSN）是由是由部署在监测区域内大量的微型传感器节点通过部署在监测区域内大量的微型传感器节点通过无线电通信形无线电通信形成成的一个的一个多跳多跳的的自组织网络系统自组织网络系统，其，其目的目的是协作地感知、采是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域内被监测对象的信息，并发送给观察集和处理网络覆盖区域内被监测对象的信息，并发送给观察者。者。“智能尘埃智能尘埃”无线数据网络无线数据网络：专为
4、数据传输而设计，如：专为数据传输而设计，如IEEE502.11、蓝牙、蓝牙热点问题：无线自组织网络技术热点问题：无线自组织网络技术无线传感网络无线传感网络：逻辑上的信息世界与客观上的物理世界融合在一起，改变人与自然界逻辑上的信息世界与客观上的物理世界融合在一起，改变人与自然界的交互方式的交互方式无中心节点的全分布系统无中心节点的全分布系统物联网导论：第物联网导论：第4章章 无线传感器网络技术无线传感器网络技术信息科学与工程学院信息科学与工程学院宁波大学宁波大学宁波大学宁波大学 Ningbo UniversityNingbo University无线传感器网络具有以下的特点：无线传感器网络具有以
5、下的特点：（1）大规模网络）大规模网络（2）自组织网络）自组织网络（3）多跳路由）多跳路由 （4）动态性网络）动态性网络（5）可靠的网络）可靠的网络（6）以数据为中心的网络）以数据为中心的网络（7）应用相关的网络）应用相关的网络物联网导论：第物联网导论：第4章章 无线传感器网络技术无线传感器网络技术信息科学与工程学院信息科学与工程学院宁波大学宁波大学宁波大学宁波大学 Ningbo UniversityNingbo University传感网与现有无线网络具有明显区别：传感网与现有无线网络具有明显区别：传感网与无线传感网与无线Mesh网络相比，传感网的业务网络相比，传感网的业务量较小，无线量较小
6、，无线Mesh网络业务量较大，主要是网络业务量较大，主要是互联网业务互联网业务(包括多媒体业务包括多媒体业务)；传感网移动性较强，因而能源问题是传感网的传感网移动性较强，因而能源问题是传感网的主要问题，而无线主要问题，而无线Mesh网络是固定的，即使网络是固定的，即使移动其移动性也很小，所以可以直接由电网供移动其移动性也很小，所以可以直接由电网供电，其节点能量不受限制。电，其节点能量不受限制。物联网导论：第物联网导论：第4章章 无线传感器网络技术无线传感器网络技术信息科学与工程学院信息科学与工程学院宁波大学宁波大学宁波大学宁波大学 Ningbo UniversityNingbo Univers
7、ity现实约束（2）通信能力有限（1）电源能量有限(3）计算和存储能力有限传感器节点的现实约束传感器节点的现实约束物联网导论：第物联网导论：第4章章 无线传感器网络技术无线传感器网络技术信息科学与工程学院信息科学与工程学院宁波大学宁波大学宁波大学宁波大学 Ningbo UniversityNingbo University传感器网络的应用前景非常广阔，随着传感器网络的深入传感器网络的应用前景非常广阔，随着传感器网络的深入研究和广泛应用，传感器忘了将逐渐深入到人类生活的各研究和广泛应用，传感器忘了将逐渐深入到人类生活的各个领域。个领域。（1）军事应用）军事应用（2）环境观测和预报系统）环境观测和
8、预报系统（3）医疗护理）医疗护理（4）智能家居）智能家居（5）建筑物状态监控）建筑物状态监控物联网导论：第物联网导论：第4章章 无线传感器网络技术无线传感器网络技术信息科学与工程学院信息科学与工程学院宁波大学宁波大学宁波大学宁波大学 Ningbo UniversityNingbo University4.1.2 传感器网络体系结构传感器网络体系结构物联网导论：第物联网导论：第4章章 无线传感器网络技术无线传感器网络技术信息科学与工程学院信息科学与工程学院宁波大学宁波大学宁波大学宁波大学 Ningbo UniversityNingbo University 传感器节点传感器节点由传感器模块、处理
9、器模块、无线由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四部分组成。通信模块和能量供应模块四部分组成。物联网导论：第物联网导论：第4章章 无线传感器网络技术无线传感器网络技术信息科学与工程学院信息科学与工程学院宁波大学宁波大学宁波大学宁波大学 Ningbo UniversityNingbo University传感器节点基本组成传感器节点基本组成物联网导论：第物联网导论：第4章章 无线传感器网络技术无线传感器网络技术信息科学与工程学院信息科学与工程学院宁波大学宁波大学宁波大学宁波大学 Ningbo UniversityNingbo University传感器节点的网络协议栈传感器节点的
10、网络协议栈物理层提供简单但健壮的信号调制和无线收发技术；物理层提供简单但健壮的信号调制和无线收发技术；数据链路层负责数据成帧、帧检测、媒体访问和差数据链路层负责数据成帧、帧检测、媒体访问和差错控制；错控制；网络层主要负责路由生成与路由选择；网络层主要负责路由生成与路由选择；传输层负责数据流的传输控制，是保证通信服务质传输层负责数据流的传输控制，是保证通信服务质量的重要部分；量的重要部分；应用层包括一系列基于监测任务的应用层软件；应用层包括一系列基于监测任务的应用层软件；能量管理平台能量管理平台管理传感器节点如何使用能源，在各管理传感器节点如何使用能源，在各个协议层都需要考虑节省能量；个协议层都
11、需要考虑节省能量；移动管理平台移动管理平台检测并注册传感器节点的移动，维护检测并注册传感器节点的移动，维护到汇聚节点的路由，使得传感器节点能够动态跟踪到汇聚节点的路由，使得传感器节点能够动态跟踪其邻居的位置；其邻居的位置；任务管理平台任务管理平台在一个给定的区域内平衡和调度监测在一个给定的区域内平衡和调度监测任务。任务。物联网导论：第物联网导论：第4章章 无线传感器网络技术无线传感器网络技术信息科学与工程学院信息科学与工程学院宁波大学宁波大学宁波大学宁波大学 Ningbo UniversityNingbo University4.1.3 传感器网络的发展传感器网络的发展无线传感器网络的基本思想
12、起源于无线传感器网络的基本思想起源于2020世纪世纪7070年代。年代。19781978年，年，DARPADARPA在卡耐基在卡耐基-梅隆大学成立了分梅隆大学成立了分布式传感器网络工作组。布式传感器网络工作组。19801980年年DARPADARPA的分布式传感器网络项目的分布式传感器网络项目（WSNWSN）开启了传感器网络的研究先河。）开启了传感器网络的研究先河。2020世纪世纪8080年代至年代至9090年代，研究主要在军事年代，研究主要在军事领域，成为网络中心战的关键技术，拉开了领域，成为网络中心战的关键技术，拉开了无线传感器网络研究的序幕。无线传感器网络研究的序幕。2020世纪世纪90
13、90年代中后期，年代中后期，WSNWSN引起了学术界、军界和引起了学术界、军界和工业界的广泛关注，开启了现代意义的无线传感器工业界的广泛关注，开启了现代意义的无线传感器网络技术。网络技术。物联网导论：第物联网导论：第4章章 无线传感器网络技术无线传感器网络技术信息科学与工程学院信息科学与工程学院宁波大学宁波大学宁波大学宁波大学 Ningbo UniversityNingbo UniversityWSN的地位可从以下三方面分析：的地位可从以下三方面分析：（1）第四代传感器网络）第四代传感器网络（2）新一代计算设备）新一代计算设备（3）普适计算的一个重要途径）普适计算的一个重要途径物联网导论：第物
14、联网导论：第4章章 无线传感器网络技术无线传感器网络技术信息科学与工程学院信息科学与工程学院宁波大学宁波大学宁波大学宁波大学 Ningbo UniversityNingbo University4.2 无线传感器网络的技术体系无线传感器网络的技术体系4.2.14.2.1 自组网技术自组网技术 4.2.24.2.2 节点定位技术节点定位技术 4.2.34.2.3 时间同步技术时间同步技术 4.2.44.2.4 安全技术安全技术 物联网导论：第物联网导论：第4章章 无线传感器网络技术无线传感器网络技术信息科学与工程学院信息科学与工程学院宁波大学宁波大学宁波大学宁波大学 Ningbo Univers
15、ityNingbo University物联网导论：第物联网导论：第4章章 无线传感器网络技术无线传感器网络技术信息科学与工程学院信息科学与工程学院宁波大学宁波大学宁波大学宁波大学 Ningbo UniversityNingbo University4.2.1自组网技术自组网技术 移动自组织移动自组织(Ad-Hoc)网络网络是一种多跳的临时性自治是一种多跳的临时性自治系统，它的原型是美国早在系统，它的原型是美国早在1968年建立的年建立的ALOHA网网络和之后于络和之后于1973提出的提出的PR(Packet Radio)网络。网络。IEEE在开发在开发802.11标准时，提出将标准时，提出将
16、PR网络改名为网络改名为Ad-Hoc网络，也即今天我们常说的移动自组织网络。网络，也即今天我们常说的移动自组织网络。作为一种分布式网络，移动自组织网络是一种自治、作为一种分布式网络，移动自组织网络是一种自治、多跳网络，整个网络没有固定的基础设施，能够在不多跳网络，整个网络没有固定的基础设施，能够在不能利用或者不便利用现有网络基础设施能利用或者不便利用现有网络基础设施(如基站、如基站、AP)的情况下，提供终端之间的相互通信。由于终端的发的情况下，提供终端之间的相互通信。由于终端的发射功率和无线覆盖范围有限，因此距离较远的两个终射功率和无线覆盖范围有限，因此距离较远的两个终端如果要进行通信就必须借
17、助于其它节点进行分组转端如果要进行通信就必须借助于其它节点进行分组转发，这样节点之间构成了一种发，这样节点之间构成了一种无线多跳网络无线多跳网络。物联网导论：第物联网导论：第4章章 无线传感器网络技术无线传感器网络技术信息科学与工程学院信息科学与工程学院宁波大学宁波大学宁波大学宁波大学 Ningbo UniversityNingbo University与其他传统通信网络相比，自组织网络具与其他传统通信网络相比，自组织网络具有以下有以下显著特点显著特点：(1)(1)无中心和自组织性。无中心和自组织性。(2)(2)动态变化的网络拓扑。动态变化的网络拓扑。(3)(3)受限的无线传输带宽。受限的无线
18、传输带宽。(4)(4)安全性较差。安全性较差。(5)(5)多跳路由。多跳路由。物联网导论：第物联网导论：第4章章 无线传感器网络技术无线传感器网络技术信息科学与工程学院信息科学与工程学院宁波大学宁波大学宁波大学宁波大学 Ningbo UniversityNingbo University4.2.2节点定位技术节点定位技术 在传感器网络节点定位技术中，根据节点在传感器网络节点定位技术中，根据节点是否已知自身的位置，把传感器节点分为信标是否已知自身的位置，把传感器节点分为信标节点和未知节点。节点和未知节点。物联网导论：第物联网导论：第4章章 无线传感器网络技术无线传感器网络技术信息科学与工程学院信
19、息科学与工程学院宁波大学宁波大学宁波大学宁波大学 Ningbo UniversityNingbo University4.2.2节点定位技术节点定位技术邻居节点（邻居节点（neighbor node）跳数（跳数（hop count）跳段距离（跳段距离（hop distance）基础设施（基础设施（infrastructure）到达时间（到达时间（Time Of Arrival，TOA）到达时间差（到达时间差（Time Difference Of Arrival，TDOA）接收信号强度指示（接收信号强度指示（Received Signal Strength Indicator，RSSI）到达角度
20、（到达角度（Angle Of Arrival，AOA）视线关系（视线关系（Line of Sight，LOS）非视线关系（非视线关系（No LOS，NLOS）物联网导论：第物联网导论：第4章章 无线传感器网络技术无线传感器网络技术信息科学与工程学院信息科学与工程学院宁波大学宁波大学宁波大学宁波大学 Ningbo UniversityNingbo University 已知已知A、B、C三个节点的坐标三个节点的坐标以及它们到未知节点以及它们到未知节点D的距离，假的距离，假设节点设节点D的坐标为的坐标为(x,y)，那么，那么，存在下列公式：存在下列公式：可以得到节点可以得到节点D的坐标为：的坐标为
21、：1）三边测量法）三边测量法物联网导论：第物联网导论：第4章章 无线传感器网络技术无线传感器网络技术信息科学与工程学院信息科学与工程学院宁波大学宁波大学宁波大学宁波大学 Ningbo UniversityNingbo University 已知已知A，B，C三个节点的坐三个节点的坐标标，节点，节点D相对于节点相对于节点A，B，C的角度分别为：的角度分别为：ADB，ADC，BDC，假设节点，假设节点D的的坐标为坐标为（x，y）。）。对于节点对于节点A，C和角和角 ADC，如果弧段如果弧段AC在在 ABC内，那么内，那么能够惟一确定一个圆，设圆为能够惟一确定一个圆，设圆为O1(XO1,yO2)，半
22、径为，半径为r1，那么，那么 =AO1C=2-2ADC2）三角测量法）三角测量法物联网导论：第物联网导论：第4章章 无线传感器网络技术无线传感器网络技术信息科学与工程学院信息科学与工程学院宁波大学宁波大学宁波大学宁波大学 Ningbo UniversityNingbo University 并存在下列公式：并存在下列公式：由式能够确定圆心 点的坐标和半径。同理对A，B，ADB和B，C，BDC分别确定相应的圆心、半径、圆心 和半径。最后利用三边测量法，确定D点坐标。物联网导论：第物联网导论：第4章章 无线传感器网络技术无线传感器网络技术信息科学与工程学院信息科学与工程学院宁波大学宁波大学宁波大学
23、宁波大学 Ningbo UniversityNingbo University3）极大似然估计法）极大似然估计法 极大似然估计法如图，已知极大似然估计法如图，已知1，2，3等等n个节点的坐标和它个节点的坐标和它们到节点们到节点D的距离，假设节点的距离，假设节点D的坐标为（的坐标为（x,y）。那么，存在下列公式：从第一个方程开始分别减去最后一个方程，得：物联网导论：第物联网导论：第4章章 无线传感器网络技术无线传感器网络技术信息科学与工程学院信息科学与工程学院宁波大学宁波大学宁波大学宁波大学 Ningbo UniversityNingbo University线性方程表示方式为：AX=b，其中：
24、使用标准的最小均方差估计方法可以得到节点D的坐标为：物联网导论：第物联网导论：第4章章 无线传感器网络技术无线传感器网络技术信息科学与工程学院信息科学与工程学院宁波大学宁波大学宁波大学宁波大学 Ningbo UniversityNingbo University在传感器网络中，定位算法通常有以下几种分类：在传感器网络中，定位算法通常有以下几种分类：（1）基于距离的定位算法和距离无关的定位算法）基于距离的定位算法和距离无关的定位算法（2）递增式的定位算法和并发式的定位算法）递增式的定位算法和并发式的定位算法（3）基于信标节点的定位算法和无信标节点的定）基于信标节点的定位算法和无信标节点的定位算法
25、位算法 在基于距离的定位中，测量节点间距离或方在基于距离的定位中，测量节点间距离或方位时采用的方法有位时采用的方法有TOA，TDOA，RSSI和和AOA等等物联网导论：第物联网导论：第4章章 无线传感器网络技术无线传感器网络技术信息科学与工程学院信息科学与工程学院宁波大学宁波大学宁波大学宁波大学 Ningbo UniversityNingbo University2.基于基于TOA的定位的定位 设两个节点间时间同步，发送节点的扬声器模块在发送伪设两个节点间时间同步，发送节点的扬声器模块在发送伪噪声序列信号的同时，无线电模块通过无线电同步消息通知噪声序列信号的同时，无线电模块通过无线电同步消息通
26、知接收节点伪噪声序列信号发送的时间，接收节点的麦克风模接收节点伪噪声序列信号发送的时间，接收节点的麦克风模块在检测到伪噪声序列信号后，根据声波信号的块在检测到伪噪声序列信号后，根据声波信号的传播时间和传播时间和速度计算速度计算发送节点和接收节点之间的距离。节点在计算出距发送节点和接收节点之间的距离。节点在计算出距离多个邻近信标节点的距离后，可以利用三边测量算法或极离多个邻近信标节点的距离后，可以利用三边测量算法或极大似然估计算法计算出自身位置。大似然估计算法计算出自身位置。物联网导论：第物联网导论：第4章章 无线传感器网络技术无线传感器网络技术信息科学与工程学院信息科学与工程学院宁波大学宁波大
27、学宁波大学宁波大学 Ningbo UniversityNingbo University3.基于基于TDOA的定位的定位 在基于到达时间差在基于到达时间差TDOA的定位机制中，发射节点同时的定位机制中，发射节点同时发射两种不同传播速度的无线信号，接收节点根据两种信发射两种不同传播速度的无线信号，接收节点根据两种信号号到达的时间差到达的时间差以及已知以及已知这两种信号的传播速度这两种信号的传播速度，计算两，计算两个节点之间的距离，再通过已有基本的定位算法计算出节个节点之间的距离，再通过已有基本的定位算法计算出节点的位置。点的位置。发射节点同时发射无线射频信号和超声波信号，接收节发射节点同时发射无
28、线射频信号和超声波信号，接收节点记录两种信号到达的时间点记录两种信号到达的时间，已知无线射频信号和超声波，已知无线射频信号和超声波的传播速度的传播速度，那么两点之间的距离为，那么两点之间的距离为(T2-T1)S，其中，其中S=C1C2/(C1-C2)。物联网导论：第物联网导论：第4章章 无线传感器网络技术无线传感器网络技术信息科学与工程学院信息科学与工程学院宁波大学宁波大学宁波大学宁波大学 Ningbo UniversityNingbo University4.基于基于AOA的定位的定位 在基于到达角度在基于到达角度AOA的定位机制中，接收节点通过天线的定位机制中，接收节点通过天线阵列或多个超
29、声波接收机感知发射节点信号的到达方向，阵列或多个超声波接收机感知发射节点信号的到达方向，计算接收节点和发射节点之间的相对方位或角度，再通过计算接收节点和发射节点之间的相对方位或角度，再通过三角测量法计算出节点的位置。三角测量法计算出节点的位置。接收节点通过麦克风阵列，感知发射节点信号的到达方接收节点通过麦克风阵列，感知发射节点信号的到达方向。下面以每个节点配有两个接收机为例，简单阐述向。下面以每个节点配有两个接收机为例，简单阐述AOA测定方位角和定位的实现过程，定位过程可分为三个阶段。测定方位角和定位的实现过程，定位过程可分为三个阶段。物联网导论：第物联网导论：第4章章 无线传感器网络技术无线
30、传感器网络技术信息科学与工程学院信息科学与工程学院宁波大学宁波大学宁波大学宁波大学 Ningbo UniversityNingbo University节点结构图示节点结构图示(1)相邻节点之间方位角的测定相邻节点之间方位角的测定方位角图示方位角图示(2)相对信标节点的方位测量相对信标节点的方位测量物联网导论：第物联网导论：第4章章 无线传感器网络技术无线传感器网络技术信息科学与工程学院信息科学与工程学院宁波大学宁波大学宁波大学宁波大学 Ningbo UniversityNingbo University方位角测量方位角测量三角测量法图示三角测量法图示三角测量法转化为三边测量法三角测量法转化为
31、三边测量法(3)利用方位信息计算节点的位置利用方位信息计算节点的位置物联网导论：第物联网导论：第4章章 无线传感器网络技术无线传感器网络技术信息科学与工程学院信息科学与工程学院宁波大学宁波大学宁波大学宁波大学 Ningbo UniversityNingbo University5.基于基于RSSI的定位的定位 在基于接收信号强度指示在基于接收信号强度指示RSSIRSSI的定位中，已知发的定位中，已知发射节点的发射信号强度，接收节点根据收到信号的强射节点的发射信号强度，接收节点根据收到信号的强度，计算出信号的传播损耗，利用度，计算出信号的传播损耗，利用理论理论和和经验经验模型将模型将传输损耗转化
32、为距离，再利用已有的算法计算出节点传输损耗转化为距离，再利用已有的算法计算出节点的位置。的位置。虽然在实验环境中虽然在实验环境中RSSIRSSI表现出良好的特性，但表现出良好的特性，但是在现实环境中，温度、障碍物、传播模式等条件是在现实环境中，温度、障碍物、传播模式等条件往往都是变化的，使得该技术在实际应用中仍然存往往都是变化的，使得该技术在实际应用中仍然存在困难。在困难。物联网导论：第物联网导论：第4章章 无线传感器网络技术无线传感器网络技术信息科学与工程学院信息科学与工程学院宁波大学宁波大学宁波大学宁波大学 Ningbo UniversityNingbo University4.2.3时间
33、同步技术时间同步技术 在分布式系统中，不同的节点都有自己的本地时钟。由在分布式系统中，不同的节点都有自己的本地时钟。由于不同节点的晶体振荡器频率存在于不同节点的晶体振荡器频率存在偏差偏差，以及温度变化和电，以及温度变化和电磁波干扰等，即使在某个时刻所有节点都达到时间同步，它磁波干扰等，即使在某个时刻所有节点都达到时间同步，它们的时间也会逐渐出现偏差，而分布式系统的协同工作需要们的时间也会逐渐出现偏差，而分布式系统的协同工作需要节点间的时间同步，因此时间同步机制是分布式系统基础框节点间的时间同步，因此时间同步机制是分布式系统基础框架的一个关键机制。架的一个关键机制。传感器网络的时间同步机制的主要
34、性能参数如下：传感器网络的时间同步机制的主要性能参数如下：（1 1）最大误差）最大误差（2 2）同步期限）同步期限（3 3）同步范围）同步范围（4 4）可用性）可用性（5 5）效率）效率（6 6）代价和体积）代价和体积物联网导论：第物联网导论：第4章章 无线传感器网络技术无线传感器网络技术信息科学与工程学院信息科学与工程学院宁波大学宁波大学宁波大学宁波大学 Ningbo UniversityNingbo University4.2.3时间同步技术时间同步技术 两种同步机制两种同步机制 1.1.网络时间协议网络时间协议NTP 在传统网络中提出了多种网络时间同步机制，在传统网络中提出了多种网络时间
35、同步机制，C/S模式是其中一种常用的时间同步模式。时间服模式是其中一种常用的时间同步模式。时间服务器周期性地向客户端发送时间同步消息，同步消务器周期性地向客户端发送时间同步消息，同步消息中包含服务器的当前时间。息中包含服务器的当前时间。通常的扩展是客户端产生时间同步请求消息，通常的扩展是客户端产生时间同步请求消息，服务器回应时间同步应答消息，通过测量这两个分服务器回应时间同步应答消息，通过测量这两个分组总的往返时间来估计单程的延迟，从而计算从服组总的往返时间来估计单程的延迟，从而计算从服务器给分组打上时标到客户端接收到分组打上时标务器给分组打上时标到客户端接收到分组打上时标之间的时间间隔，获得
36、相对精确的时间同步。之间的时间间隔，获得相对精确的时间同步。物联网导论：第物联网导论：第4章章 无线传感器网络技术无线传感器网络技术信息科学与工程学院信息科学与工程学院宁波大学宁波大学宁波大学宁波大学 Ningbo UniversityNingbo University假设时间请求消息和时间应答消息在网上传播的时间相同，即 =，则可解得：4.2.3时间同步技术时间同步技术假设客户端时钟比服务器时钟快，下列关系式成立。=物联网导论：第物联网导论：第4章章 无线传感器网络技术无线传感器网络技术信息科学与工程学院信息科学与工程学院宁波大学宁波大学宁波大学宁波大学 Ningbo UniversityN
37、ingbo University4.2.3时间同步技术时间同步技术 为了详细分析时间同步为了详细分析时间同步误差，在从发送节点到接收误差，在从发送节点到接收节点之间的关键路径上，把节点之间的关键路径上，把消息传输延迟细分为四个部消息传输延迟细分为四个部分。分。第一，发送时间；第一，发送时间；第二，访问时间；第二，访问时间；第三，传播延迟；第三，传播延迟；第四，接收时间。第四，接收时间。物联网导论：第物联网导论：第4章章 无线传感器网络技术无线传感器网络技术信息科学与工程学院信息科学与工程学院宁波大学宁波大学宁波大学宁波大学 Ningbo UniversityNingbo University4
38、.2.3时间同步技术时间同步技术 2.RBS机制的基本原理机制的基本原理 RBS时间同步机制通过接收节点对时间同步机制通过接收节点对时抵消发送时间和访问时间。发送节时抵消发送时间和访问时间。发送节点广播一个信标分组，广播域中两个点广播一个信标分组，广播域中两个节点都能够接收到这个分组。每个接节点都能够接收到这个分组。每个接收节点分别根据自己的本地时间记录收节点分别根据自己的本地时间记录接收到信标分组的时刻，然后交换它接收到信标分组的时刻，然后交换它们记录的信标分组接收时间。两个接们记录的信标分组接收时间。两个接收时间的差值相当于两个接收节点间收时间的差值相当于两个接收节点间的时间差值，其中一个
39、接收节点可以的时间差值，其中一个接收节点可以根据这个时间差值更改它的本地时间根据这个时间差值更改它的本地时间，从而达到两个接收节点的时间同步。，从而达到两个接收节点的时间同步。物联网导论：第物联网导论：第4章章 无线传感器网络技术无线传感器网络技术信息科学与工程学院信息科学与工程学院宁波大学宁波大学宁波大学宁波大学 Ningbo UniversityNingbo University4.2.4安全技术安全技术 传感器网络的安全和一般网络安全的出发点是相同的，传感器网络的安全和一般网络安全的出发点是相同的，都要解决如下问题：都要解决如下问题：（1 1）机密性问题。）机密性问题。（2 2）点到点的
40、消息认证问题。）点到点的消息认证问题。（3 3）完整性鉴别问题。）完整性鉴别问题。（4 4）新鲜性问题。）新鲜性问题。（5 5）认证组播）认证组播/广播问题。广播问题。（6 6）安全管理问题。）安全管理问题。物联网导论：第物联网导论：第4章章 无线传感器网络技术无线传感器网络技术信息科学与工程学院信息科学与工程学院宁波大学宁波大学宁波大学宁波大学 Ningbo UniversityNingbo University4.2.4安全技术安全技术 传感器网络安全问题的解决思路和方法与传统网传感器网络安全问题的解决思路和方法与传统网络安全问题不同，这主要是由网络自身的特点决定的：络安全问题不同，这主要
41、是由网络自身的特点决定的：（1 1）有限的存储空间和计算能力）有限的存储空间和计算能力（2 2）缺乏后期节点布置的先验知识）缺乏后期节点布置的先验知识（3 3）布置区域的物理安全无法保证）布置区域的物理安全无法保证（4 4）有限的带宽和通信能量）有限的带宽和通信能量（5 5）不仅是点到点的安全，更是整个网络的安全）不仅是点到点的安全，更是整个网络的安全（6 6）应用相关性）应用相关性物联网导论：第物联网导论：第4章章 无线传感器网络技术无线传感器网络技术信息科学与工程学院信息科学与工程学院宁波大学宁波大学宁波大学宁波大学 Ningbo UniversityNingbo University4.
42、2.4安全技术安全技术网络层次网络层次攻击方法攻击方法防御手段防御手段物理层物理层拥塞攻击（拥塞攻击（jamming）宽宽频频（跳跳频频）、优优先先级级消消息息、低低占空比、区域映射、模式转换占空比、区域映射、模式转换物理破坏（物理破坏（tampering）破坏证明、节点伪装和隐藏破坏证明、节点伪装和隐藏链路层链路层碰撞攻击（碰撞攻击（collision）纠错码纠错码耗尽攻击（耗尽攻击（exhaustion）设置竞争门限设置竞争门限非公平竞争（非公平竞争（unfairness）使用短帧策略和非优先级策略使用短帧策略和非优先级策略网络层网络层丢丢 弃弃 和和 贪贪 婪婪 破破 坏坏（neglec
43、t and greed）使用冗余路径、探测机制使用冗余路径、探测机制汇聚节点攻击（汇聚节点攻击（homing）使用加密和逐跳认证机制使用加密和逐跳认证机制方向误导攻击（方向误导攻击（misdirection）出口过滤；认证、监视机制出口过滤；认证、监视机制黑洞攻击（黑洞攻击（black holes）认证、监视、冗余机制认证、监视、冗余机制传输层传输层洪泛攻击（洪泛攻击（flooding）客户端谜题客户端谜题失步攻击（失步攻击（desynchronization）认证认证 传感器网络在网络协议栈的各个层次中可能受到的攻传感器网络在网络协议栈的各个层次中可能受到的攻击方法和主要防御手段。击方法和主
44、要防御手段。物联网导论：第物联网导论：第4章章 无线传感器网络技术无线传感器网络技术信息科学与工程学院信息科学与工程学院宁波大学宁波大学宁波大学宁波大学 Ningbo UniversityNingbo University4.3 无线传感器网络的通信协议无线传感器网络的通信协议物联网导论：第物联网导论：第4章章 无线传感器网络技术无线传感器网络技术信息科学与工程学院信息科学与工程学院宁波大学宁波大学宁波大学宁波大学 Ningbo UniversityNingbo University4.3.1无线传感器网络的路由协议无线传感器网络的路由协议路由路由是把信息从信息源穿过网络传递到目的地的行为。是
45、把信息从信息源穿过网络传递到目的地的行为。路由技术路由技术:决定最优路径和传输数据包。决定最优路径和传输数据包。路由器路由器是网络间的连接设备，它的重要工作之一是路是网络间的连接设备，它的重要工作之一是路径选择。径选择。路由路由包含两个基本的动作：确定最佳路径和通过网络包含两个基本的动作：确定最佳路径和通过网络传输信息。传输信息。路由协议负责将数据分组从源节点通过网络转发到目路由协议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：寻找源节点和的节点，它主要包括两个方面的功能：寻找源节点和目的节点间的优化路径，将数据分组沿着优化路径正目的节点间的优化路径，将数据分组沿着优
46、化路径正确转发。确转发。物联网导论：第物联网导论：第4章章 无线传感器网络技术无线传感器网络技术信息科学与工程学院信息科学与工程学院宁波大学宁波大学宁波大学宁波大学 Ningbo UniversityNingbo University4.3.1无线传感器网络的路由协议无线传感器网络的路由协议（1 1）路径选择）路径选择 为了帮助选路，路由算法初始化并维护包含路径信息的为了帮助选路，路由算法初始化并维护包含路径信息的路由表，路径信息根据使用的路由算法不同而不同。路由算路由表，路径信息根据使用的路由算法不同而不同。路由算法根据许多信息来填充路由表。目的法根据许多信息来填充路由表。目的/下一跳地址告
47、知路由器下一跳地址告知路由器到达该目的地的最佳方式是把分组发送给代表到达该目的地的最佳方式是把分组发送给代表“下一跳下一跳”的的路由器，当路由器收到一个分组，它就检查其目标地址，尝路由器，当路由器收到一个分组，它就检查其目标地址，尝试将此地址与其试将此地址与其“下一跳下一跳”相联系。相联系。（2 2）交换）交换 交换算法相对而言较简单，对大多数路由协议而言是相交换算法相对而言较简单，对大多数路由协议而言是相同的，多数情况下，某主机决定向另一个主机发送数据，通同的，多数情况下，某主机决定向另一个主机发送数据，通过某些方法获得路由器的地址后，源主机发送指向该路由器过某些方法获得路由器的地址后，源主
48、机发送指向该路由器的物理地址的数据包，其协议地址是指向目的主机的。的物理地址的数据包，其协议地址是指向目的主机的。物联网导论：第物联网导论：第4章章 无线传感器网络技术无线传感器网络技术信息科学与工程学院信息科学与工程学院宁波大学宁波大学宁波大学宁波大学 Ningbo UniversityNingbo University4.3.1无线传感器网络的路由协议无线传感器网络的路由协议无线传感器网络的路由协议具有以下特点：无线传感器网络的路由协议具有以下特点：（1 1）能量优先。）能量优先。（2 2）基于局部拓扑信息。）基于局部拓扑信息。（3 3）以数据为中心。）以数据为中心。（4 4）应用相关。）
49、应用相关。针对传感器网络路由机制的上述特点，在根据具体应用设针对传感器网络路由机制的上述特点，在根据具体应用设计路由机制时，要满足下面的传感器网络路由机制的要求：计路由机制时，要满足下面的传感器网络路由机制的要求：（1 1）能量高效。）能量高效。（2 2）可扩展性。）可扩展性。（3 3）鲁棒性。）鲁棒性。（4 4）快速收敛性。）快速收敛性。物联网导论：第物联网导论：第4章章 无线传感器网络技术无线传感器网络技术信息科学与工程学院信息科学与工程学院宁波大学宁波大学宁波大学宁波大学 Ningbo UniversityNingbo University4.3.1无线传感器网络的路由协议无线传感器网络
50、的路由协议 根据不同应用对传感器网络各种特性的敏感度不同，根据不同应用对传感器网络各种特性的敏感度不同，将路由协议分为四种类型。将路由协议分为四种类型。四种类型四种类型的路由协议分别是：的路由协议分别是：（1 1）能量感知路由协议。）能量感知路由协议。（2 2）基于查询的路由协议。）基于查询的路由协议。（3 3）地理位置路由协议。）地理位置路由协议。（4 4）可靠的路由协议。）可靠的路由协议。物联网导论：第物联网导论：第4章章 无线传感器网络技术无线传感器网络技术信息科学与工程学院信息科学与工程学院宁波大学宁波大学宁波大学宁波大学 Ningbo UniversityNingbo Univers