无线传感器网络面临的挑战有哪些

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 *** 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 *** 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软件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 *** 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 *** 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、匿名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，从而达到数据匿名化。

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。

虽然无线网络传感器的研究工作最初是出于军事目的，但随着研究工作的不断广泛和深入，目前民用系统占据了绝大部分，并已经在包括动植物监测，自然环境观测和预报，保健医疗等方面进行了试探性的应用研究。无线网络传感器面临的主要技术挑战是在资源受限的条件下完成感知、通信和控制功能。这些限制主要包括:有限的能量供应、有限的计算能力、有限的存储空间和有限的通信能力。目前最缺少的关键技术是系统软件对管理和 *** 作这类设备的支持，支持网络传感器系统的 *** 作系统是无线网络传感器的核心。因此，支持网络传感器系统的 *** 作系统有如下发展趋势:(1)低能耗，超微小内核; (2)实时并发;(3)专用特制;(4)对多种无线网络互联方式的支持。随着 无 线 网络传感器应用的日益发展与不断深入，支持无线网络传感器的超微型嵌入式 *** 作系统的研究将成为未来无线网络传感器发展趋势和热点。

传感器网络主要包括三个方面：感应、通讯、计算（硬件、软件、算法）。其中的关键技术主要有无线数据库技术，比如使用在无线传感器网络的查询，和用于和其它传感器通讯的网络技术，特别是多次跳跃路由协议。例如摩托罗拉使用在家庭控制系统中的ZigBee无线协议。

传感器网络与传感器

传感器网络与传感器是什么关系呢？它究竟是一种传感器呢还是一种网络呢？在回答这个问题之前，我们先来看一下传感器网络中传感节点的系统组成吧。如图1所示，一般可以将传感节点分解为传感模块、微处理器最小系统、无线通信模块、电源模块和增强功能模块5个组成部分，其中增强功能模块为可选配置。

图1 传感器网络中传感节点的系统组成

可以把传感模块和电源模块看作传统的传感器，如果再加上微处理器最小系统就可对应于智能传感器，而无线通信模块是为了实现无线通信功能而比传统传感器新增加的功能模块。增强功能模块是可选配置，例如时间同步系统、卫星定位系统、用于移动的机械系统等。

从传感节点的系统组成上看，传感器网络可以看作是多个增加了无线通信模块的智能传感器组成的自组织网络。而从功能上看，传感器和传感器网络大致相同，都是用来感知监测环境信息的，不过显然传感器网络具备更高的可靠性。

传感器网络的发展

传感器网络是怎样发展起来的呢？

最早的传感器网络可以追溯到上世纪70年代美军在越战中使用的“热带树”传感器。为了遏制北越在胡志明小道的后勤补给，美军在这条小道上沿途投放了上万个“热带树”传感器，这是一种振动和声响传感器，当北越车队经过时传感器探测到振动和声响即向指挥中心发送感知信号，美军收到信号后即组织轰炸，有资料显示越战期间美军依靠“热带树”的帮助总共炸坏了4万多辆北越运输卡车。

“热带树”传感器之间没有通信能力，所以实际上还称不上网络的概念。20世纪80年代以来，美国军方陆续与高校开展传感器网络方面的研究合作，旨在建立能够用于军事用途的自组织的无线传感器网络，这期间在硬件、软件、标准化和产品化等方面取得了一系列的重大进展。

2000年，美国加州大学伯克利分校发布了传感器节点专用 *** 作系统TinyOS，后续又推出专用程序设计语言nesC。2001年，伯克利分校又推出Mica系列传感器节点产品。TinyOS和Mica取得了巨大的成功，直到今天它们仍然得到了广泛的应用。

2001年，ZigBee联盟成立，并对无线传感器网络的通信协议进行了全面的标准化，后续多家公司发布了多款符合ZigBee协议标准的芯片和产品。

传感器网络未来的发展趋势

传感器网络未来的发展趋势又如何呢？

传感器网络技术诞生至今也不过几十年的时间，最近更是得到了美国之外欧洲、中国和日韩等国的重视和关注，目前其发展前沿也在不断延伸。总体说来，大致可以将其发展趋势划分为两大类：其一是设计用于完成特殊任务的无线传感器网络，例如无线多媒体传感器网络和无线传感执行网络。其二是设计用于特殊应用环境下工作的无线传感器网络，例如水下环境和地下环境。

无线多媒体传感器网络（WMSN, Wireless Multimedia Sensor Network）在传感器节点上借助多媒体传感单元将音频、视频、图像等多媒体信息传送到管理节点，能够实现对复杂多变环境的监测。

无线传感执行网络（WSAN, Wireless Sensor and Actor Network）在WSN的基础上加入了执行节点（Actor），执行节点根据收集到的监测信息做出决策并执行相关 *** 作，从而在对环境监测的基础上进一步实现对环境的控制。

水声无线传感器网络（UW-ASN, Underwater Acoustic Sensor Network）采用水声无线通信技术实现水下传感器节点之间的通信连接，能够完成海洋采样、环境监测、水下开采、辅助航行等任务。