无线传感器网络无线传感器网络安全目标是要解决网络的哪些问题

无线传感网络有哪些可以选择的频段，常用的是哪个

目前主流的无线都是由IEEE（美国电气电工协会）所制定，在IEEE认定的三种无线标准IEEE802.11b、IEEE802.11g、IEEE802.11a中，其信道数是有差别的。

●IEEE802.11b 采用2.4GHz频带，调制方法采用补偿码键控（CKK），共有“3”个不重叠的传输信道。

传输速率能够从11Mbps自动降到5.5Mbps，或者根据直接序列扩频技术调整到2Mbps和1Mbps，以保证设备正常运行与稳定。

●IEEE802.11a 扩充了标准的物理层，规定该层使用5GHz的频带。

该标准采用OFDM调制技术，共有“12”个非重叠的传输信道，传输速率范围为6Mbps-54Mbps。

不过此标准与IEEE802.11b标准并不兼容。

支持该的无线AP及无线网卡，在市场上较少见。

●IEEE802.11g 该标准共有“3”个不重叠的传输信道。

虽然同样运行于2.4GHz，但向下兼容IEEE802.11b，而由于使用了与IEEE802.11a标准相同的调制方式OFDM（正交频分），因而能使无线局域网达到54Mbps的数据传输率。

从上我们可以看出，无论是IEEE802.11b还是IEEE802.11g标准其都只支持3个不重叠的传输信道信道，只有信道1、6、11或13是不冲突的，但使用信道3的设备会干扰1和6，使用信道9的设备会干扰6和13……。

在802.11b/g情况下，可用信道在频...目前主流的无线都是由IEEE（美国电气电工协会）所制定，在IEEE认定的三种无线标准IEEE802.11b、IEEE802.11g、IEEE802.11a中，其信道数是有差别的。

●IEEE802.11b 采用2.4GHz频带，调制方法采用补偿码键控（CKK），共有“3”个不重叠的传输信道。

传输速率能够从11Mbps自动降到5.5Mbps，或者根据直接序列扩频技术调整到2Mbps和1Mbps，以保证设备正常运行与稳定。

●IEEE802.11a 扩充了标准的物理层，规定该层使用5GHz的频带。

该标准采用OFDM调制技术，共有“12”个非重叠的传输信道，传输速率范围为6Mbps-54Mbps。

不过此标准与IEEE802.11b标准并不兼容。

支持该的无线AP及无线网卡，在市场上较少见。

●IEEE802.11g 该标准共有“3”个不重叠的传输信道。

虽然同样运行于2.4GHz，但向下兼容IEEE802.11b，而由于使用了与IEEE802.11a标准相同的调制方式OFDM（正交频分），因而能使无线局域网达到54Mbps的数据传输率。

从上我们可以看出，无论是IEEE802.11b还是IEEE802.11g标准其都只支持3个不重叠的传输信道信道，只有信道1、6、11或13是不冲突的，但使用信道3的设备会干扰1和6，使用信道9的设备会干扰6和13……。

在802.11b/g情况下，可用信道在频率上都会重叠交错，导致网络覆盖的服务区只有三条非重叠的信道可以使用，结果这个服务区的用户只能共享这三条信道的数据带宽。

这三条信道还会受到其它无线电信号源的干扰，因为802.11b/g WLAN标准采用了最常用的2.4 GHz无线电频段。

而这个频段还被用于各种应用，如蓝牙无线连接、手机甚至微波炉，这些应用在这个频段产生的干扰可能会进一步限制WLAN用户的可用带宽。

而在同样是54Mbps的传输速率的802.11g与802.11a标准中，802.11a在信道可用性方面更具优势。

这是因为802.11a工作在更加宽松的5GHz频段，拥有12条非重叠信道，而802.11b/g只有11条，并且只有3条是非重叠信道（Channel 1、Channel 6、Channel 11或Channel 13）。

所以802.11g在协调邻近接入点的特性上不如802.11a。

由于802.11a的12条非重叠信道能给接入点提供更多的选择，因此它能有效降低各信道之间的冲突。

但事物的两面性在IEEE802.11a上表现无遗，802.11a也正因为频段较高，使得802.11a的传输距离大打折扣，其无线AP的覆盖范围只有802.11b/g的一半左右或更低，以实际情况来说，如果一个802.11b无线AP的室内覆盖可达80米，那么802.11a就只能达到30米左右。

此外，由于设计复杂，基于802.11a标准的无线产品的成本要比802.11b高的多。

信道数占优不向下兼容的802.11a最终在市场上失败也就不难理解。

当然，802.11g以54Mbps的高速和向下兼容802.11b的优势击败了802.11a，但随无线设备的普及化802.11b/g目前也面临困窘。

802.11a支持12条非重叠信道，因此其总带宽为54Mbps*12=648Mbps。

而802.11g只支持3条非重叠信道，其总带宽仅为54Mbps*3=162Mbps。

也就是说，当接入的客户端数目较少时，你也许分辨不出802.11a和802.11g的速度差别，但随着客户端数目的增加，数据流量的增大，802.11g便会越来越慢，直至带宽耗尽，更不用说802.11b了。

很多人认为intel新推出的迅驰2代中使用的英特尔PRO/无线2195A/B/G三频无线网卡新增支持802.11a标准，看做是一种市场的倒退或止步不前，但我们通过以上以上分析，你会发现Intel或许也正面对这种802.11b/g所带来的信道和带宽困惑，至少目前从国外无线普及较早的国外用户的反馈来看，事实正是如此。

此外，虽然目前一些厂商已在开发一种可在双频工作的能够兼容802.11a（5GHz）和802.11g（2.4GHz）的无线局域网方案，但一个双频接入点通常需要两个独立的射频模块及相应独立的数据处理能力，这将导致成本在独立型设备上的居高不下。

而意法半导体（STMicroelectronics）的频段交错技术等方案其采用频段交错技术的接入点在两个频段之间交替工作，而不是同时工作在两个频段内，虽然能降低成本，但其仍比普通的单频接入节点的成本要高。

所以，Intel在新一代迅驰中兼容802.11a标准，可以看做是一种新无线标准尚未出台前的一种无奈的对此有强列需求的用户短期解决方案。

此外，为什么说常用的IEEE 802.11b/g工作在2.4～2.4835GHz频段，这些频段被分为11或13个信道——为何有的是11个信道有的又是13个信道呢？这是各国各地区的标准不同，北美/FCC标准，其采用2.412～2.462GHz，共有11信道，其中1、6、11信道为不重叠的传输信道信道；欧洲/ETSI标准，其采用2.412～2.472GHz，共有13信道，其中1、6、13信道为不重叠的传输信道信道；小日本，其采用2.412～2.484GHz，14信道，除此而外，还有法国4信道、西班牙2信道等非主流标准。

如果无线网卡支持，在安装驱动进行地区信道标准选择时，一般建议选择FCC（北美）或ETSI（欧洲）标准即可。

什么是无线传感网络？

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，其目的是协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内感知对象的监测信息，并报告给用户。

它的英文是Wireless Sensor Network, 简称WSN。

大量的传感器节点将探测数据，通过汇聚节点经其它网络发送给了用户。

在这个定义中，传感器网络实现了数据采集、处理和传输的三种功能，而这正对应着现代信息技术的三大基础技术，即传感器技术、计算机技术和通信技术。

【资料来源】：中国自动化网CA800

无线传感器网络组网的流程是什么？

无线传感器网络通常采用电池供电，放置在没有基础结构的地方，节点的通信能力十分有限。

这就要求传感器节点具有自组织的能力，自动形成转发监测数据的多跳无线网络。

本文提出一种简单、易实现的自组织协议，选用MSP430F149单片机设计微型传感器节点，并实现了一种低功耗无线网络。

无线传感器网络具有非常广阔的应用前景[1]。

文献[2]给出一种传统的洪泛算法（Flooding），也是最早、最简单的路由协议。

节点以广播的形式发送消息，接收到消息的节点再以广播形式转发数据包给所有的邻节点，这个过程重复执行，直到数据包到达目的地或者达到预先设定的最大跳数。

文献 [3]提出了最具代表性的层次型自组织算法（LEACH，Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)。

LEACH是MIT的Heinzelman等人为无线传感器网络设计的低功耗自适应聚类路由算法，主要通过随机选择聚类首领、平均分摊中继通信业务来实现。

文献[4]给出以数据为中心的自组织算法SPIN（Sensor Protocols for Information Via Negotiation）。

它的主要思想是通过高层的描述方式——元数据来命名传感数据。

在发送真实的数据之前，传感器节点广播采集数据的描述信息元数据，当有相应的请求时，才有目的地发送数据信息。

这些研究均在无线传感器网络的自组织算法上取得进展，但是，Flooding存在消息“内爆”和“重叠” 的缺陷；LEACH的动态分簇带来了拓扑变换和大量广播这样的额外开销；SPIN中的元数据没有统一的形式，且其拓扑变化是局部性的，因此不适用于需要高可靠性的应用。

还有很多其他相关算法停留在理论研究阶段。

针对这种研究现状，本文提出一种简单易实现的自组织协议，选用MSP430F149单片机设计了微型传感器节点，并实现了一种低功耗无线网络。

1 自组织协议

　　在协议中，通过定义数据包的格式和关键字来实现节点的自组织。

1.1 协议格式

　　自组织协议格式如下：

其中，Pre表示前导码，这些字符杂波不容易产生，通过测试和试验发现，噪声中不容易产生0x55和0xAA等非常有规律的信号；Key表示关键字，用来区分各种情况下的数据，接收节点会根据这些关键字分别进入不同的数据处理单元；From表示源地址，是发送数据的节点自身信息；Final表示数据的目标地址；Data表示有效数据，这些数据随着字符Key的不同采用不同的格式，可携带不同的信息；Check表示检验位，可避免接收错误的数据包；Flag表示数据包的结束标志位。

　　根据协议格式中的Key，可以将节点通信时捎带的数据包分为自组网信息、环境突变信息、上位机的控制命令、广播信息等。

节点在发送状态突变时的数据包格式如下：

　　其中，0x55和0xAA为数据前导码，0xFF为传感器节点在感测到其状态突变时向外发送数据的关键字，0x11表示发送节点的地址， 0x00为数据包要到达的目标地址，0x01表示数据包在网络传输中的跳数，接着的0x01表示节点在当前网络中的级别，0x15表示节点当时采集的温度，0x20表示节点当时采集的电源电压值，0x03表示节点的状态量, 0x00…0x00为11个字节的有效数据，可记录数据包经过节点的地址，0x3A为前面核心数据和的低8位，作为数据包的检验码，0xBB为数据包的结束标志。

　　接收节点需要向发送节点做出应答，应答状态突变时的数据包格式如下：

　　其中，0xFF就表示应答状态突变的关键字，后面分别是发送节点和接收节点的地址。

1.2 自组网过程

　　网络包含一个与上位机相连接的基站节点和若干传感器节点。

基站节点上电初始化后就进入低功耗模式。

传感器节点随机布放，上电初始化后，传感器节点首先会向基站节点发出请求分配级别的命令，然后进入低功耗状态并打开定时器。

若在设定时间内收到基站节点分配的级别，该传感器节点就会向基站节点发送自组织信息的数据包。

如果在设定时间内没有收到基站节点分配的级别，该节点会从低功耗状态唤醒，再次发送请求分配级别的命令，如此循环。

当传感器节点发出请求基站分配级别的命令达到设定上限后，但仍然没有确定自己在网络中的级别时，该节点就会向全网发出广播命令，然后进入低功耗状态并打开定时器。

定时时间到，节点重新回到发射广播命令状态。

当传感器节点发射广播的次数达到设定值时，该节点就会将接收到的应答信息进行整理，确定自己在网络中的级别，并确定上级、同级和下级节点的相关信息。

该节点再向上级节点发送包含这些信息的数据包，直到数据包传送到基站节点，从而确定整个网络的拓扑结构。

节点的自组织流程如图1所示。

图1 节点的自组织流程

2 硬件研制

　　为了验证提出的自组织协议，本文选用了片上资源丰富的MSP430F149单片机作为处理器，研制了一种微型传感器节点[5]。

2.1 总体方案

　　系统由基站节点和传感器节点组成。

节点硬件选择了支持低功耗工作模式的MSP430F149单片机和nRF905射频模块，使用32 768 Hz的低频晶振，采用2节5号电池供电。

在设计节点的过程中，拨码开关、蜂鸣器、LCD指示灯的设计极大方便了实验的调试。

2.2 节点设计

　　图2为传感器节点的框图，该节点使用电池供电，体积小巧，只有打火机般大小。

图2 传感器节点框图

　　MSP430系列单片机是TI公司生产的一种混合信号控制器，其突出优点是低电源电压、超低功耗，可采用电池工作，有很长的使用时间[6]。

　　nRF905是挪威Nordic VLSI公司推出的单片射频收发器，低电压工作，功耗非常低，工作于433/868/915 MHz三个ISM(工业、科学和医学)频道，频道之间的转换时间小于650 μs[7]。

ShockBurstTM工作模式，能自动处理字头和CRC(循环冗余码校验)。

通过SPI串口与微控制器通信，使用非常方便；内建空闲模式与关机模式，易于实现节能。

nRF905适用于无线数据通信、无线开锁等诸多领域。

　　天线的设计是整个系统设计的一个非常重要的环节。

系统功耗的高低以及网络性能的好坏与天线的设计都有密切关系。

天线部分的设计采用整体PCB环行差分天线。

与传统的鞭状天线相比，不仅节省空间，降低生产成本，机构上也更稳固可靠。

　　因为本文主要研究无线传感器网络的自组网和低功耗技术，所以只选择了MSP430系列单片机的内部集成热敏二极管来测量节点的工作温度，但预留了大量外接传感器接口，外接传感器的信号能以中断方式唤醒节点。

2.3 系统功耗

　　传感器节点采用电池供电，功耗的高低直接影响整个网络的生命期。

系统的功耗不仅与选择的元器件有关，还与整个网络的控制策略有关。

采用不同的控制策略，系统的工作时间就会不同。

若希望节点工作一年的时间（365×24=8 760小时），则理论上要求平均工作电流约为263 μA（2 300÷8 760）。

发射数据到接收应答的工作时间约为50 ms，这样可推算出每次工作前的平均休眠时间为2.3 s[8]。

实际应用中，可以根据网络的反应速度和信息的采样率来选择系统工作和休眠的时间。

3 软件开发

　　低功耗系统的设计是一种综合硬件和软件为一体的技术，必须在使用低功耗芯片的同时，采用智能的控制策略。

例如,让系统在需要工作时全速运行；而当整个系统处理完事件就进入低功耗模式，等待外部事件的唤醒。

　　系统软件包括基站节点软件、传感器节点软件和上位机处理软件。

3.1 基站节点软件

　　基站节点的主程序比较简单，初始化后就进入低功耗模式，等待外部事件唤醒。

外部事件包括串口中断事件、接收到数据事件和定时器的中断事件。

　　图3给出了基站节点的串口中断流程。

图3 基站节点串口中断流程

　　为了防止串口通信过程中丢失数据，软件设计上加了握手协议。

当基站节点每发送一个数据包给上位机时，上位机都会向基站节点发送应答信号，直到数据包发送给上位机。

接收到数据包后，节点会从低功耗模式中唤醒,根据接收到的数据中标志位的不同字符分别进入不同的处理单元。

　　当多个传感器节点同时与某个传感器节点通信时，存在挣抢信道的现象。

为了避免多个传感器节点同时与某个传感器节点通信造成数据丢失，软件上采用一定的退避机制。

一方面，利用射频芯片nRF905的CD（载波侦听）信号来产生随机延时，以避免同时发送信号；另一方面，当一个传感器节点与某个传感器节点建立了通信通道时，其他发送数据的节点会增加发射数据的次数。

3.2 传感器节点软件

　　传感器节点初始化后，首先发送请求基站节点分配级别的命令，同时打开一个定时唤醒的定时器；然后进入低功耗模式，等待外部事件的唤醒。

若传感器发送请求基站节点分配级别的次数达到设定上限，仍未确定节点在网络中的级别，则该节点就会向周围传感器节点广播信息。

当广播次数达到设定值时，传感器节点就根据收到的信息确定自己的级别以及与该节点有直接联系的节点的信息，并把这些信息发送给基站节点。

传感器节点的外部中断事件包括接收到数据事件、定时器中断事件、状态突变事件。

　　当传感器节点检测到状态突变后，会从低功耗状态唤醒，并及时采集此时的环境参数（包括状态量、温度值及节点电压值），将这些数据发送出去。

该数据包通过单跳或多跳到达基站节点并在上位机软件上显示。

3.3 上位机处理软件

　　为了监测整个网络情况，需要在主机上建立良好的人机交互界面。

采用Visual Basic(VB)来设计人机界面。

利用VB的MSComm控件实现上、下位机的串口通信，利用其他控件实现对无线传感器网络的分析、显示和操作。

　　上位机主程序主要完成一些变量和控件初始化，然后等待串口数据。

数据的接收和发送都是由中断程序完成的，其流程如图4所示。

图4 上位机的串口中断流程

　　上位机接收到完整的数据包后，会根据数据包中的关键字进行不同的处理。

发送数据时，根据保存的网络数据计算中转数据的路径。

为节约基站节点的能量，网络中有很多的数据处理是在上位机中进行的。

4 实验结果

　　系统研制完成后，需要设计实验来考核自组网效果及网络性能。

实验中，首先关注的问题是随机分布的传感器节点在自定义的组织协议下的组网情况。

为了考核自组织效果，首先让基站节点通过串口与上位机相连并打开上位机处理软件；然后打开传感器节点的电源，并通过人工安放或者随机撒播方式布置好传感器节点。

　　借助上位机的处理软件，可以非常清楚地看到整个网络的拓扑结构和网络节点的环境参数。

当上位机处理软件检测到网络内的传感器节点后，会在上位机上进行显示并保存传感器节点的数据。

图5为系统演示的11个传感器节点自由组网时界面的显示情况。

组网时间约3 min。

　　图5中的黑色曲线为数据的传输路径。

当鼠标点击某个节点，会弹出该节点的信息采集卡。

信息采集卡反映了节点的状态量、温度值、电压值以及剩余能量，通过采集卡可直接对该节点进行远程控制。

图5 网络拓扑及数据传输路线图

　　在检测网络性能的实验中，让传感器节点一级一级分布下去。

通过上位机软件可以很清楚地看到所投放的传感器节点可组成的最大跳数的网络拓扑结构。

当网络组成后，可通过上位机界面对网内各个节点进行远程控制；当各个节点发生状态突变时，会以中断形式唤醒节点，以能量优先的原则逐级传送到基站节点，并在上位机界面上进行相应显示。

　　当新的传感器节点加入到网络中，系统会及时反映新加入节点。

当系统检测到传感器节点由于电源电压低于工作电压，或人为破坏引起失效时，会从网络中删除该节点的拓扑结构及相关信息，检测方法有手动刷新和定时采样两种。

网络内传送的数据都保存在网络数据库中，便于查寻。

通过上位机软件还能够对网络进行复位，让所有传感器节点进行重新组网。

结语

　　本文首先提出了一种无线传感器网络的自组织协议，然后选用MSP430F149和nRF905设计了微型传感器节点，并实现了一种低功耗无线网络，其特点如下：

① 利用无线通信携带的信息自动生成多级网状网络，并按能量优先的原则自动生成数据的传输路径。

　　② 采取应答和退避机制，防止多个传感器节点向一个节点发送数据时所导致的数据丢失。

　　③ 无线通信的双向性，不仅被动显示各个传感器节点的信息，还可主动对每个传感器节点进行远程控制。

　　④ 使用支持低功耗工作模式的硬件，配合软件上的智能控制策略来实现系统低功耗，尽可能延长网络寿命。

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无线传感器网络安全目标是要解决网络的哪些问题

无线通信和低功耗嵌入式技术的飞速发展，孕育出无线传感器网络(Wireless Sensor Networks, WSN)，并以其低功耗、低成本、分布式和自组织的特点带来了信息感知的一场变革，无线传感器网络是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点，通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络。

信息安全 很显然，现有的传感节点具有很大的安全漏洞，攻击者通过此漏洞，可方便地获取传感节点中的机密信息、修改传感节点中的程序代码，如使得传感节点具有多个身份ID，从而以多个身份在传感器网络中进行通信，另外，攻击还可以通过获取存储在传感节点中的密钥、代码等信息进行，从而伪造或伪装成合法节点加入到传感网络中。

一旦控制了传感器网络中的一部分节点后，攻击者就可以发动很多种攻击，如监听传感器网络中传输的信息，向传感器网络中发布假的路由信息或传送假的传感信息、进行拒绝服务攻击等。

对策：由于传感节点容易被物理操纵是传感器网络不可回避的安全问题，必须通过其它的技术方案来提高传感器网络的安全性能。

如在通信前进行节点与节点的身份认证;设计新的密钥协商方案，使得即使有一小部分节点被操纵后，攻击者也不能或很难从获取的节点信息推导出其它节点的密钥信息等。

另外，还可以通过对传感节点的合法性进行认证等措施来提高节点本身的安全性能。

根据无线传播和网络部署特点，攻击者很容易通过节点间的传输而获得敏感或者私有的信息，如：在使用WSN监控室内温度和灯光的场景中，部署在室外的无线接收器可以获取室内传感器发送过来的温度和灯光信息;同样攻击者通过监听室内和室外节点间信息的传输，也可以获知室内信息，从而非法获取出房屋主人的生活习惯等私密信息。

[6] 对策：对传输信息加密可以解决窃听问题，但需要一个灵活、强健的密钥交换和管理方案，密钥管理方案必须容易部署而且适合传感节点资源有限的特点，另外，密钥管理方案还必须保证当部分节点被操纵后（这样，攻击者就可以获取存储在这个节点中的生成会话密钥的信息），不会破坏整个网络的安全性。

由于传感节点的内存资源有限，使得在传感器网络中实现大多数节点间端到端安全不切实际。

然而在传感器网络中可以实现跳-跳之间的信息的加密，这样传感节点只要与邻居节点共享密钥就可以了。

在这种情况下，即使攻击者捕获了一个通信节点，也只是影响相邻节点间的安全。

但当攻击者通过操纵节点发送虚假路由消息，就会影响整个网络的路由拓扑。

解决这种问题的办法是具有鲁棒性的路由协议，另外一种方法是多路径路由，通过多个路径传输部分信息，并在目的地进行重组。

传感器网络是用于收集信息作为主要目的的，攻击者可以通过窃听、加入伪造的非法节点等方式获取这些敏感信息，如果攻击者知道怎样从多路信息中获取有限信息的相关算法，那么攻击者就可以通过大量获取的信息导出有效信息。

一般传感器中的私有性问题，并不是通过传感器网络去获取不大可能收集到的信息，而是攻击者通过远程监听WSN，从而获得大量的信息，并根据特定算法分析出其中的私有性问题。

因此攻击者并不需要物理接触传感节点，是一种低风险、的获得私有信息方式。

远程监听还可以使单个攻击者同时获取多个节点的传输的信息。

对策：保证网络中的传感信息只有可信实体才可以访问是保证私有性问题的最好方法，这可通过数据加密和访问控制来实现;另外一种方法是限制网络所发送信息的粒度，因为信息越详细，越有可能泄露私有性，比如，一个簇节点可以通过对从相邻节点接收到的大量信息进行汇集处理，并只传送处理结果，从而达到数据化。

拒绝服务攻击（DoS） 专门的拓扑维护技术研究还比较少，但相关研究结果表明优化的拓扑维护能有效地节省能量并延长网络生命周期，同时保持网络的基本属性覆盖或连通。

本节中，根据拓扑维护决策器所选维护策略 在无线传感器网络的研究中，能效问题一直是热点问题。

当前的处理器以及无线传输装置依然存在向微型化发展的空间，但在无线网络中需要数量更多的传感器，种类也要求多样化，将它们进行链接，这样会导致耗电量的加大。

如何提高网络性能，延长其使用寿命，将不准确性误差控制在最小将是下一步研究的问题。

采集与管理数据 在今后，无线传感器网络接收的数据量将会越来越大，但是当前的使用模式对于数量庞大的数据的管理和使用能力有限。

如何进一步加快其时空数据处理和管理的能力，开发出新的模式将是非常有必要的。

无线通讯的标准问题 标准的不统一会给无线传感器网络的发展带来障碍，在接下来的发展中，要开发出无线通讯标准。