26、无线传感器网络：架构、安全与MAC协议解析

无线传感器网络：架构、安全与MAC协议解析

1. 无线传感器网络的空间多样性与网络架构比较

无线传感器网络（WSN）通过采用网状网络实现空间多样性。在网状网络中，原始消息可以根据流量负载和中间节点的可用性，通过不同路径传递到网关。这种网络还能适应不断变化的通信需求。

在工业自动化领域，传统系统、基于现场总线的系统和基于WSN的系统架构存在差异。过去几十年，不同领域的自动化和控制技术不断发展，测量和控制策略也随着技术升级而快速变化。过程工业有五个层次结构，分别是设备或传感器层（L1）、I/O层（L2）、控制层（L3）、工厂内联网和人机界面层（L4）以及企业层（L5）。

与其他系统相比，无线网络的主要优势在于无需有线连接，这带来了维护成本降低、人力部署减少等好处。然而，无线网络也面临一些挑战，如需要防止窃听、抵抗相邻信道的射频干扰、确保静态或移动传感器的连接稳定性，以及由于能量限制而实现极低的功耗。

2. WSN的安全问题

WSN容易受到外部恶意攻击，如网络钓鱼。由于传感器节点的资源限制、传输线路的特性以及工作环境的不可控性，这种网络很容易受到攻击。在设计WSN时，需要考虑以下安全问题：
- 它是一个无基础设施的能量受限网络，在可用能量、传输范围、存储容量和计算能力方面都存在限制。
- 通常，WSN包含大量节点，为每个节点提供安全保障在实际操作中具有挑战性。
- 攻击者可以轻松窃听网络并插入节点。
- 为众多节点设计软件，以及在网络扩展时添加节点或删除故障节点，对软件工程师来说是一个重大挑战。
- 由于非对称加密成本高昂，WSN通常采用对称加密。

加密技术确保了发送者和接