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图2.3 传感器网络协议栈
2.2 传感器网络特征
2.2.1 与现有无线网络的区别
无线传感器网络的组成和应用场景都与传统的网络有很大的不同。与无线自组网有相似之处，但也存在很大的差别。无线传感器网络是集成了监测、控制以及无线通信的网络系统，节点数目很庞大（成千上万），节点的分布密集；由于环境影响和能量耗尽，节点很容易出现故障，环境干扰和节点故障易造成网络拓扑结构的变化；通常情况下，大多数传感器节点是固定不动的。另外，传感器节点具有的能量、处理能力、存储能力和通信能力都非常有限。对于传统的无线网络的首要设计目标是提供高服务质量和高效率的带宽利用。其次才考虑节约能源；而无线传感器网络的很重要的设计目标是能源的高效利用，这也是无线传感器网络与传统网络的重要区别之一。
2.2.2 传感器节点的限制
（1）安全路由
通常，在无线传感器网络中，大量的传感器节点密集分布在一个区域里，消息可能需要经过若干节点才能到达目的地，而且传感器网络具有动态性和多跳结构，要求每个节点都应具有路由功能。由于每个节点都是潜在的路由节点，因此更易受到攻击，使网络不安全。网络层路由协议为整个无线传感器网络提供了关键的路由服务，安全的路由算法会直接影响无线传感器网络的安全性和可用性。安全路由协议一般采用链路层加密和认证、多路径路由、身份认证、双向连接认证和认证广播等机制，有效提高网络抵御外部攻击的能力，增强路由的安全性。
（2）安全协议
在安全保障方面主要有密钥管理和安全组播两种方式。1）密钥管理：无线传感器网络有诸多限制，例如节点能力限制，使其只能使用对称密钥和Hash技术；电源能力限制，应使其在无限传感器网络中尽量减少通信，因为通信的耗电将大于计算的耗电；传感器网络还应考虑汇聚等减少数据冗余的问题。在部署节点前，将密钥预先配置在节点中，通常，预配置的密钥方案通过预存的秘密信息计算会话密钥，由于节点存储和能量的限制，预配置密钥管理方案必须考虑节省存储空间和减少通信开销。2）安全组播：无线传感器网络可能设置在敌对环境中，为了防止供给者向网络注入伪造信息，需要在无线传感器网络中实现基于源端认证的安全组播。
（3）能量问题
传感器的节点分布众多，并且需要进行监测、数据处理等活动，而无线传感器网络中的节点一般用电池供电，可使用的电量非常有限，并且对于有成千上万节点的无线传感器网络来说，更换电池非常困难，甚至是不可能的，但是却要求无线传感器网络的生存时间长达数月甚至数年，因此，如何在不影响功能的前提下，尽可能节约无线传感器网络的电池能量成为无线传感器网络软硬件设计中的核心问题。现在已有一些解决方法，在大多数网络应用中，由于传感器节点监测事件的偶发性，没有必要让所有单元均工作在正常状态下，可采用休眠模式，能自适应的休眠和唤醒，进行突发工作，节省能量。还可将所有功耗单元有机组合，形成不同状态，让传感器节点能根据需要在不同状态间切换，这样既可以满足系统需要，又节省了能源。还可以动态调节电压以节省能量，根据负载状态动态调节供电电压，形成一个闭环控制系统，节省能量。总之，在满足系统要求的情况下，采用各种方法降低耗电量非常必要。
（4）容错机制
任何一个实用的网络都必须有很好的容错机制，无线传感器网络也是如此。在实际应用中，由于传感器节点经常处于非常恶劣的自然环境中，有时甚至会长时间离线工作。同时，传感器多为嵌入式系统装置，自身出现故障的可能性较高，而且有时节点的电池会没电。此外，传感器网络中节点数量大、分布广的特点也使网络文护十分困难甚至无法文护。为了保障系统性能，传感器网络必须具有很强的容错性能。现在有很多容错机制，例如可采用局部恢复、多径多备份及利用编码理论等，但采用这些措施都要付出一定的代价。可针对不同的应用环境和要求，采用不同的容错机制。
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