无线传感器网络中的关键技术

　　四、定位技术
　　网络中节点定位是无线传感器网络应用的基础，传感器节点须明确自身位置才能为用户提供有用的信息，实现对目标的定位和追踪。另一方面，了解传感器节点的位置信息还能提高路由效率、报告网络的覆盖质量，实现网络的负载均衡等。在一些应用场合中，传感器节点被随机地撒布在特定的区域，事前无法知晓这些传感器的位置，部署完成后需要通过一些定位技术来准确地获取其位置信息。现有的研究工作主要是根据以下三种物理参数来实现网络的定位［6］：
　　Received signal strength （RSS）：基于接收信号强度的计算方法，电磁波的功率与传输功率成正比，与到源距离的平方成反比。根据这一物理定律，通过不同路径到达接收设备的信号强度是估计距离和位置的基础。
　　time of flight （TOF）：基于飞行时间的计算方法，发射器和接收器之间的距离等于发射信号的飞行时间或电磁传播时间乘以传播速度，即光速。当传输时间已知时，距离可以通过测量接收器处的信号到达时间（TOA）来确定，或者根据不同位置的接收时间差异来确定距离。
　　Angle of arrival （AOA）：基于入射角的计算方法，根据电磁波的到达角（AOA）或到达方向（DOA）来确定传感器的位置。
　　此外，还可以利用GPS系统来实现传感器节点的高精度定位，不过这种方法成本较高。
　　五、网络安全技术
　　前面已经介绍无线传感器网络中的安全隐患主要来源于三个方面： 资源非常有限、不可靠的通信以及无人管理。这些特点使得传感器网络容易遭受各种攻击，按照攻击的方式可以划分为：
　　拥塞攻击（Congestion attack）：无线通信环境是一个开放环境，如果该环境中的两个设备节点发送的信号使用同样或相近的频率，则彼此间会产生强烈的干扰，导致都不能正常通信。当攻击者使用一定的设备在无线传感器网络工作的频段上不断发送干扰信号，则在干扰设备的通信覆盖范围内的无线传感器网络节点都不能正常工作。如果攻击范围足够大还可能导致整个无线传感器网络瘫痪。
　　防御策略：使用宽频和跳频通信，被攻击的节点在检测到所在空间遭受攻击以后，网络节点将通过统一的策略跳转到另一个频率进行通信。
　　碰撞攻击（Collision Attack）：恶意节点可以像传感器网络的合法节点一样参与发送数据，恶意节点发送的数据包如果和合法节点发送的数据包中有一个字节的数据在传输过程中发生了冲突，那么整个数据包就会被丢弃。
　　防御策略：针对碰撞攻击可以使用纠错码，可以更正冲突引起的数据包的错位。使用信道监听机制，节点在发送数据前，首先对信道进行一个随机监听，在预测信道空闲的时间区段发送数据，可以降低冲突发生的概率。
　　能量耗尽攻击（Energy exhaustion attack）：利用一些链路层协议中有错包重传机制，恶意节点通过不断制造冲突，导致节点不断重复发送上一数据包，最终耗尽传感器节点的能量。
　　防御策略：对一个节点重传信息次数设置一个门限值，如果重传次数超过门限值，节点将判定自己受到攻击并自动转换到休眠模式。
　　女巫攻击（Sybil attack）：无线传感器中，女巫攻击者可以捏造出很多身份对网络进行攻击。很多无线传感器网络MAC协议通过投票方式从一系列可能的通信链路中选择最佳的传输链路，女巫攻击者可以利用伪造的身份来填满投票箱，来误导投票结果。
　　防御策略：无线电资源测试是对抗女巫攻击的一个有效方法。节点为它的每一个邻居节点分配一个信道广播测试信息，节点通过对信道的监听找出非法节点。另一个防御Sybil攻击的技巧是使用随机密钥预先分配技术，限定有限数量密钥的密匙环，因为一个节点随机生成的身份不会拥有足够的钥匙来分配，因此无法在网络上通信时进行加密或解密消息。
　　丢弃或贪婪破坏攻击：通过一定的技术手段将一个或多个恶意节点伪装成正常节点，网络会错误地将它们当作正常的路由节点来使用。恶意节点在冒充正常节点转发数据时，会随即丢弃一些有用数据包或者将自己伪造的数据包以较高优先级发送，大大增加了网络数据收发的出错率。
　　防御策略：使用多径路由，即使被恶意节点丢弃的数据包也可以采用其他路径到达目的节点。
　　Sinkhole attack：攻击者首先对外公布路由经过某个节点A是低损耗的，引诱某一特定区域内的几乎所有的传感器节点将数据转发给这个被俘获的传感器节点A，再对所有经过被俘获节点A的数据包完全不转发或者选择性转发，使得正常的路由机制被破坏。
　　防御策略：采用通信认证和多路径路由等方式可以有效地抵御Sinkhole attack。
　　虫洞攻击（Wormhole attack）：传感器网络中混入一些恶意节点，某个正常节点A向其他节点广播路由请求数据包，恶意节点B收到A广播的请求后，它将A的广播请求向自己的邻居节点重放，收到恶意节点重放的正常节点C会误认为自己在A节点的广播范围内，即使C节点离A节点还有几跳距离，也会误将A节点作为自己的父节点，造成网络路由混乱。
　　防御策略：在选择路由时检查双向连接可以防御虫洞攻击，此外基于地理位置的路由协议也可以有效防御虫洞攻击。
　　拒绝服务攻击（Dos attack）：攻击者通过欺骗伪装等手段使提供服务资源及文件资源的主机出现错误或者资源耗尽，从而使被攻击的主机无法给正常请求提供服务。Dos攻击是最常见的网络攻击方式。
　　防御策略：
　　（1）监测网络信息流，对异常情况作出及时响应和分析；
　　（2）做好节点身份认证，确保是安全节点后才能允许接入传感器网络；
　　（3）采取安全的路由协议，路由的组建过程中有效剔除出错误路由信息和恶意节点路由；
　　（4）经常检测系统配置信息，注意查看安全日志，并作出分析和记录，可以采用入侵检测系统来检测是否发生了恶意攻击行为。
　　此外，无线传感器网络受到攻击按照攻击的类型可以划分为外部攻击和内部攻击。
　　外部攻击：外部攻击是指不可靠的无线信道和无人值守的操作使得传感器很容易被入侵。无线传感器网络中，数据包在传输过程中常常会发生被伪造和篡改等非法操作（Illegal operation），此外，攻击者通过对信道进行监听和流量分析，查找传感器节点存在的漏洞，利用漏洞攻破传感器节点。
　　防御策略：外部攻击可以通过一些防御方法如密钥管理［7，8］、身份认证［9］等来对数据的机密性和完整性进行识别。
　　内部攻击：内部攻击是指攻击者控制了传感器网络中的一些内部节点，然后采用篡改或者虚假数据注入的方式破坏了这些传感器内部正常的数据。基于密码学、认证和密钥管理等防御方法在应对外部攻击时是有效的，这类方法可以验证数据的机密性和完整性以及对数据进行认证等，然而对于来自内部传感器节点发起的数据的篡改，如果这些异常数据经过传感器加密后再传输给其他传感器节点，因为数据的完整性和机密性没有被破坏，所以很难被防御方法识别出来。
　　防御策略：应用入侵检测系统来检测。
　　信息安全技术主要分为两大类：防御和检测。防御的作用是阻止入侵的发生，与之相关的研究主要集中在密钥管理、身份认证、访问控制、防火墙、隐私问题、安全路由协议等，这类方法主要用来对外部攻击进行检测和识别。一旦设备被入侵，这些防御手段就会失效，这时需要用到对系统内部进行检测的方法，如入侵检测。防御和检测是系统的两道防线。
　　因为传感器网络数据是通过无线信道进行通信的，区别于传统的有线通信，所以防火墙技术很难适用于传感器网络，一些基于密码学的防御方法需要不小的计算量，对于密集型通信的传感器网络来说，用这些密码学方法对所有通信数据在传输过程中都进行加密是不现实的，安全技术中入侵检测技术则比较灵活，而且是资源友好的，所以非常适合于传感器网络。入侵检测技术主要分为两类［10，11］： Misuse入侵检测系统（或者基于签名的入侵检测系统）和异常检测系统：
　　Misuse入侵检测系统：首先专家给一些已知的攻击行为建立攻击的签名库，然后利用检测系统对数据进行分析和匹配，查看数据中是否存在和签名库匹配的攻击签名。这种方法虽然能够快速从数据中鉴别出签名库中已知的攻击行为，但是对于新型的攻击却无法识别。
　　异常检测系统：异常检测方法的第一步是建立监测数据的正常剖面，建立正常刨面的方法包括基于规则的方法，统计学的方法，数据挖掘和机器学习方法等，然后可以将异常确定为偏离正常剖面的测量值。因此，异常检测能够检测出现在系统中的新型安全攻击或入侵。不过，异常检测方法的问题是会出现高水平的假警报。
　　六、能量获取技术
　　因为传感器的电量非常有限，传感器节点的电量使用完后如果不及时补充电量，将无法工作并且退出无线传感器网络。当前传感器网络补充电量的方式主要有三种方法：更换电池、能量搜集方法和无线充电方法。
　　更换电池：这种方法需要给传感器网络配备维护人员来更换电池，但是考虑到很多传感器网络部署在条件恶劣的野外，而且覆盖区域广、部署比较隐蔽等特点，人工维护的效率低，而且维护成本高。
　　能量搜集方法：传感器节点通过自身配备的能量转换模块，如太阳能、风能、热能等发电模块，从环境中收集能量来延长其生命期的方法。但是，由于环境能量密度低，为了达到一定的能量获取率，传感器节点需要配备体积较大的能量转换器，并且能量转换效率低，此外，因为能量获取的效率受环境和气候等因素影响，如太阳能电池在阴天发电效率低，所以发电过程不可控且难以精确预测。
　　无线充电方法：传感器节点一旦部署好后一般不能移动，这类方法给网络中配备主动性的充电电源节点，可以为任意传感器节点进行无线充电以延长其生命期。 采用这类方法需要在网络中部署静态的充电站，或者移动充电节点和服务站节点。由静态或移动充电节点主动为传感器节点提供高效、及时的充电服务， 充电过程可控、可预测。
　　无线充电技术最早起源于19世纪末，Tesla首次在实验中实现无线充电；20世纪末期，移动设备的广泛使用进一步刺激了无线充电技术的发展，多种可行的方案， 如电感耦合技术（inductive coupling）、电磁辐射技术（electromegnetic radiation）及磁耦合谐振技术（magnetic resonant coupling）等被提出来，其中，磁耦合谐振技术由于其高效率、无需对准、全方向、允许阻挡及不受环境影响等优势， 受到各界广泛关注。
　　无线可充电传感器网络中充电规划分类
　

　　无线可充电传感器网络中的充电规划问题是当前研究的热点，具有重要的研究意义和应用背景，目前还处在研究的起步阶段。相信随着硬件技术的成熟和相关理论的发展， 无线充电方案最终将得到普遍应用。