傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

基于電池供電的傳感器網(wǎng)絡(luò)通常運行在火山地帶、戰(zhàn)區(qū)等人無法接近的惡劣甚至危險的遠程環(huán)境之中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的電源更換或再充電等工作通常無法進行。廣泛分布于被測環(huán)境的傳感器節(jié)點既要負責(zé)收集敏感數(shù)據(jù)，又要完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆酚傻裙δ?；而且，攻擊者還可能會利用侵占節(jié)點向網(wǎng)絡(luò)中注入大量的虛假數(shù)據(jù)包，致使節(jié)點在傳輸這些數(shù)據(jù)包時耗盡能量而失去效用。因此，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點電源的無法替換性使能量消耗問題相對于傳感器網(wǎng)絡(luò)的其他關(guān)鍵技術(shù)而言尤為重要；在不影響性能的前提下，設(shè)計有效的能量消耗控制策略成為傳感器網(wǎng)絡(luò)軟硬件設(shè)計中的核心問題。

1 傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點組成及其能量分析

典型的傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)通常由分布的傳感器節(jié)點、接收發(fā)送器、互聯(lián)網(wǎng)和用戶界面等構(gòu)成。其中，傳感器節(jié)點作為網(wǎng)絡(luò)中的獨立工作實體，其基本的功能子系統(tǒng)包括供電子系統(tǒng)、傳感子系統(tǒng)、計算子系統(tǒng)和通信子系統(tǒng)等，如圖1所示。

1.1 供電子系統(tǒng)

供電子系統(tǒng)由電池和ac－dc轉(zhuǎn)換器等模塊構(gòu)成，其主要任務(wù)是為其他各個子系統(tǒng)供給能源。

電池作用節(jié)點最主要的能量來源，其性能與容量至關(guān)重要。雖然增加電池容量可以延長供電子系統(tǒng)的能量供給時間，但采用有效的再充電技術(shù)或是太陽能等再生性能源則更利于保證供電子系統(tǒng)的能量來源，為其他子系統(tǒng)實現(xiàn)持續(xù)性的能量供應(yīng)。一種新的基于i-bean無線技術(shù)和“能量獲得”技術(shù)、靠感應(yīng)振蕩能量轉(zhuǎn)換器工作的i-bean無線發(fā)射機[3]，在沒有電池供電的情況下，能由在50～100mg力作用下的28～30hz振蕩產(chǎn)生1.2～3.6mv的電壓，并允許在30m距離上以115kbps速率發(fā)送數(shù)據(jù)，為克服遠程無線傳感器網(wǎng)絡(luò)面臨的電池工作時間短等問題提供了一種有效的解決途徑。

1.2 傳感子系統(tǒng)

傳感子系統(tǒng)由一組傳感器和adc控制器等構(gòu)成，主要任務(wù)是負責(zé)采樣/收集被測控對象的敏感信息，并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信息。

理想情況下，傳感子系統(tǒng)自動檢測周期性和非周期性兩類事件時[4]，其能量消耗總量可簡單概括為單次采樣消耗的能量與采樣次數(shù)的乘積。因此，要控制該子系統(tǒng)的能量消耗必須從以下兩個方面進行：一是控制單次數(shù)據(jù)采樣所消耗的能量，二是控制采樣頻率。前者可通過采用低功耗器件，從元器件本身有效控制單次數(shù)據(jù)采樣的能量消耗，對于后者而言，由于傳感器網(wǎng)絡(luò)眾多分布節(jié)點中往往是成組節(jié)點去檢測相同的對象或敏感數(shù)據(jù)，有選擇性地減少單個節(jié)點的采樣頻率并不會對被測數(shù)據(jù)有效性和完整性造成破壞，只要依據(jù)應(yīng)用需求合理設(shè)置節(jié)點采樣任務(wù)的激活原則，就能在保證數(shù)據(jù)準確性的前提下，較好地控制該子系統(tǒng)的能量消耗。

1.3 計算子系統(tǒng)

計算子系統(tǒng)包括微處理器/微控制器、存儲器和i/o接口電路等硬件；負責(zé)控制傳感器、執(zhí)行通信協(xié)議和處理傳感數(shù)據(jù)等軟件算法；是節(jié)點的控制和計算核心。

作為節(jié)點的功能控制中心和數(shù)據(jù)計算中心，計算子系統(tǒng)功能復(fù)雜，與其他各個子系統(tǒng)聯(lián)系緊密，因此計算子系統(tǒng)的功能強弱、性能高低、在不同工作狀態(tài)（活動、空閑和休眠等）的持續(xù)時長以及不同狀態(tài)間的相互切換等，都會嚴重影響整個節(jié)點的能量消耗。低功耗器件、適時休眠和空閑時的降頻技術(shù)，都是硬件上減少計算子系統(tǒng)能量消耗的常用技術(shù)，節(jié)點間的功能輪換則使從網(wǎng)絡(luò)的整體來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的能量消耗相對均衡。

自組織的簇生成、傳輸數(shù)據(jù)的加密/解密以及通信鏈路的建立和維護等，都是通過執(zhí)行相應(yīng)的指令序列來完成的，算法越復(fù)雜，指令條數(shù)就越多，消耗的能量也就越大。然而，算法是有效性、可靠性和復(fù)雜性的矛盾統(tǒng)一體，有效、可靠的算法往往具有較高的復(fù)雜性；簡單算法的有效性、可靠性則可能不適應(yīng)于應(yīng)用需求，應(yīng)用環(huán)境的多樣性和不確定性，使得軟件算法的能量消耗遠比硬件的能量消耗控制困難，既要滿足應(yīng)用環(huán)境的需求，還要盡可能降低軟件算法的復(fù)雜性。

另外，資源受限的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點還易于遭受物理損壞攻擊，使得非對稱密匙管理協(xié)議等其他計算機網(wǎng)絡(luò)中普遍采用的控制機制和數(shù)據(jù)處理算法并不適合于傳感器網(wǎng)絡(luò)。依據(jù)應(yīng)用環(huán)境的需求，傳感器網(wǎng)絡(luò)對各控制和數(shù)據(jù)處理算法往往會有不同層次的要求。因此，每種控制或數(shù)據(jù)處理算法都是傳感器網(wǎng)絡(luò)中的非常具有挑戰(zhàn)性的研究領(lǐng)域，需要根據(jù)節(jié)點能源的發(fā)展水平和技術(shù)特點，大幅度改造現(xiàn)有的成熟算法，或重新設(shè)計新的處理算法，甚至于在必要的時候；還可通過適當(dāng)降低網(wǎng)絡(luò)或節(jié)點的性能來控制節(jié)點能量消耗，以有效延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

1.4 通信子系統(tǒng)

由無線收發(fā)部件構(gòu)成的通信子系統(tǒng)負責(zé)節(jié)點的通信任務(wù)。無線收發(fā)部件采用的調(diào)制模式、數(shù)據(jù)率、發(fā)射功率和操作周期等都是影響通信子系統(tǒng)能量消耗的關(guān)鍵因素，另外，由于通信元器件本身的物理特性等原因，通信子系統(tǒng)即使處于空閑期，也有著與接收期幾乎相近的能量消耗，因此，在沒有通信任務(wù)時，應(yīng)盡可能地使通信子系統(tǒng)進入休眠期，而不是讓其處于空閑期。

短距離無線通信和減少網(wǎng)絡(luò)通信流量是通信子系統(tǒng)能量消耗控制的主要手段。傳感器網(wǎng)絡(luò)中普遍采用的級跳通信就是通過縮短通信距離，降低發(fā)射功率的方法實現(xiàn)能量節(jié)省的；數(shù)據(jù)融合則是通過減少網(wǎng)絡(luò)流量達到降低能量消耗的目的。

數(shù)據(jù)冗余是保證即使個別節(jié)點或部分通信鏈路失效時，基站仍能獲取完整數(shù)據(jù)的有效手段；然而，直接傳輸原始數(shù)據(jù)則會嚴重增加網(wǎng)絡(luò)通信量，造成大量無為的能源消耗。簇首數(shù)據(jù)融合是消除冗余數(shù)據(jù)，減少網(wǎng)絡(luò)通信量的有效手段之一。傳統(tǒng)的簇首數(shù)據(jù)融合方式中 簇首節(jié)點接收簇內(nèi)各節(jié)點傳來的數(shù)據(jù)，然后通過內(nèi)容檢查并消除冗余后將結(jié)果數(shù)據(jù)上傳基站。此種方式僅是降低了數(shù)據(jù)路由過程中的能源消耗，對簇內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓?jié)點能源消耗問題沒有影響。

如圖2所示，基于安全模板的數(shù)據(jù)融合機制，是通過少量數(shù)據(jù)傳輸替代大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒▉砀M一步地降低簇內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)通信量[5]。其中，傳感器節(jié)點并不直接傳輸采集數(shù)據(jù)，而是用從簇首節(jié)點接收到的安全模板生成采集數(shù)據(jù)的組合代碼后再上傳；簇首節(jié)點接收到傳感器節(jié)點上傳的代碼數(shù)據(jù)，檢查冗余后有選擇地向部分傳感器節(jié)點申請傳輸實際數(shù)據(jù)，以有效降低簇內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)通信量。最后，簇首節(jié)點從選定的傳感器節(jié)點接收到無冗余的采集數(shù)據(jù)并直接上傳基站。

基于安全模板的數(shù)據(jù)融合機制是對傳統(tǒng)數(shù)據(jù)融合機制的有益補充，使整個網(wǎng)絡(luò)的能源消耗更加合理，安全模板還可減化數(shù)據(jù)加密算法，更進一步地降低能源消耗。不過，模板種子的更換頻率太慢會嚴重影響到網(wǎng)絡(luò)安全，太快又可能造成不必要的模板數(shù)據(jù)傳輸，頻繁喚醒傳感器節(jié)點進行模板數(shù)據(jù)處理，導(dǎo)致無為的能源消耗。因此，此方法的有效性取決于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)冗余的量，和冗余數(shù)據(jù)傳輸與模板數(shù)據(jù)傳輸/處理的能源消耗比例。

2 能量攻擊防范

傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點無人值守、資源有限的固有特性，使其遭受的攻擊范圍和形式更加多樣化。與常規(guī)的資源消耗攻擊有所不同，能源攻擊即是針對節(jié)點能源的有限性，不以消耗節(jié)點的計算和存儲資源為目的，而是著重消耗節(jié)點的能量。攻擊者利用侵入節(jié)點，向網(wǎng)絡(luò)注入大量的虛假數(shù)據(jù)，致使節(jié)點，尤其是路由節(jié)點，在大量的數(shù)據(jù)通信中耗盡能量失敗，從而導(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)癱瘓。由此而言，入侵者的首要目的是消耗路由節(jié)點的能量，其注入的虛假數(shù)據(jù)的傳送距離越遠，影響的節(jié)點數(shù)就越多，由于入侵者可能獲得侵占節(jié)點的完全控制權(quán)，標(biāo)準的驗證機制對這類網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部攻擊的行為是沒有作用的。

文獻[6]提出的檢出虛假數(shù)據(jù)機制，是在網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置匯流節(jié)點，并由匯流節(jié)點來認證傳感器節(jié)點的身份和整合數(shù)據(jù)報，基站與匯流節(jié)點進行有效的分析和交互驗證后檢出虛假的數(shù)據(jù)報。該機制的重點是由基站檢出入侵者注入的虛假數(shù)據(jù)以防止決策錯誤，而由于其不能減少虛假數(shù)據(jù)報的傳送距離，故不能被用于能量攻擊的防范措施。

為盡早檢出和丟棄由被攻擊節(jié)點注入的虛假數(shù)據(jù)包，以達到安全需要和降低由此產(chǎn)生的能源消耗，文獻[7]將交互驗證的思想進一步擴展，在簇首節(jié)點到基站的數(shù)據(jù)傳送鏈路上各個節(jié)點間建立關(guān)聯(lián)關(guān)系，如圖3所示，從而所有節(jié)點以一種交錯的逐跳方式驗證其要傳遞的數(shù)據(jù)包。只有t＋1（t是設(shè)定的安全上限，取簇內(nèi)的節(jié)點數(shù)）個節(jié)點全部通過認證，數(shù)據(jù)包才能被傳遞到基站，因此，只要被攻擊的節(jié)點數(shù)小于等于t，基站或沒有被攻擊的節(jié)點就能檢測出并丟棄由入侵者注入的虛假數(shù)據(jù)包。

3 結(jié)論

設(shè)計傳感器網(wǎng)絡(luò)軟件、硬件各個層面的能量消耗問題至關(guān)網(wǎng)絡(luò)生命周期。從網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成及其運行過程而言，節(jié)點各個子系統(tǒng)的能量消耗又相互影響，此消彼長，針對單一子系統(tǒng)的能量消耗控制策略并不能從根本上解決問題。因此必須結(jié)合網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用環(huán)境，從器件選擇、數(shù)據(jù)處理算法的有效性和復(fù)雜性、數(shù)據(jù)通信量和網(wǎng)絡(luò)運行機制等方面兼顧各個子系統(tǒng)的功能特點和性能要求，整體上評估能量消耗問題，必要時甚至適當(dāng)降低性能標(biāo)準，以設(shè)計相應(yīng)的消耗控制策略，有效延長網(wǎng)絡(luò)生命周期?？傮w上而言，傳感器網(wǎng)絡(luò)能量消耗控制策略應(yīng)著重從器件本身的功耗特殊性、休眠進入原則、縮短通信距離和減少網(wǎng)絡(luò)流量這幾個方面進行量化和設(shè)計。然而到目前為止，傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量有效性還沒有被模型化和量化，也不具有被普遍接受的標(biāo)準，需要更進一步地深入研究。