无线传感器网络.docx
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无线传感器网络
简介
介绍
传感器网络实现了数据的采集、处理和传输三种功能。
它与通信技术和计算机技术共同构成信息技术的三大支柱。
无线传感器网络（WirelessSensorNetwork,WSN）是由大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，以协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内被感知对象的信息，
并最终把这些信息发送给网络的所有者。
无线传感器网络所具有的众多类型的传感器，可探测包括地震、电磁、温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等周边环境中多种多样的现象。
潜在的应用领域可以归纳为:
军事、航空、防爆、救灾、环境、医疗、保健、家居、工业、商业等领域。
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定义
WSN是wirelesssensornetwork的简称，即无线传感器网络。
无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给观察者。
传感器、感知对象和观察者构成了无线传感器网络的三个要素[2]。
发展历史
中国物联网校企联盟认为，传感器网络的发展历程分为以下三个阶段：
传感器→无线传感器→无线传感器网络（大量微型、低成本、低功耗的传感器节点组成的多跳无线网络）
第一阶段:
最早可以追溯至越战时期使用的传统的传感器系统。
当年美越双方在密林覆盖的“胡志明小道”进行了一场血腥较量，“胡志明小道”是胡志明部队向南方游击队输送物资的秘密通道，美军对其进行了狂轰滥炸，但效果不大。
后来，美军投放了2万多个“热带树”传感器。
“热带树”实际上是由震动和声响传感器组成的系统，它由飞机投放，落地后插入泥土中，只露出伪装成树枝的无线电天线，因而被称为“热带树”。
只要对方车队经过，传感器探测出目标产生的震动和声响信息，自动发送到指挥中心，美机立即展开追杀，总共炸毁或炸坏4.6万辆卡车。
第二阶段:
二十世纪80年代至90年代之间。
主要是美军研制的分布式传感器网络系统、海军协同交战能力系统、远程战场传感器系统等。
这种现代微型化的传感器具备感知能力、计算能力和通信能力。
因此在1999年，商业周刊将传感器网络列为21世纪最具影响的21项技术之一。
第三阶段:
21世纪开始至今，也就是9·11事件之后。
这个阶段的传感器网络技术特点在于网络传输自组织、节点设计低功耗。
除了应用于反恐活动以外，在其它领域更是获得了很好的应用，所以2002年美国国家重点实验室－－橡树岭实验室提出了“网络就是传感器”的论断。
由于无线传感网在国际上被认为是继互联网之后的第二大网络，2003年美国《技术评论》杂志评出对人类未来生活产生深远影响的十大新兴技术，传感器网络被列为第一。
在现代意义上的无线传感网研究及其应用方面，我国与发达国家几乎同步启动，它已经成为我国信息领域位居世界前列的少数方向之一。
在2006年我国发布的《国家中长期科学与技术发展规划纲要》中，为信息技术确定了三个前沿方向，其中有两项就与传感器网络直接相关，这就是智能感知和自组网技术。
当然，传感器网络的发展也是符合计算设备的演化规律。
2特点
大规模
为了获取精确信息，在监测区域通常部署大量传感器节点，可能达到成千上万，甚至更多。
传感器网络的大规模性包括两方面的含义：
一方面是传感器节点分布在很大的地理区域内，如在原始大森林采用传感器网络进行森林防火和环境监测，需要部署大量的传感器节点；另一方面，传感器节点部署很密集，在面积较小的空间内，密集部署了大量的传感器节点。
传感器网络的大规模性具有如下优点：
通过不同空间视角获得的信息具有更大的信噪比；通过分布式处理大量的采集信息能够提高监测的精确度，降低对单个节点传感器的精度要求；大量冗余节点的存在，使得系统具有很强的容错性能；大量节点能够增大覆盖的监测区域，减少洞穴或者盲区。
自组织
在传感器网络应用中，通常情况下传感器节点被放置在没有基础结构的地方，传感器节点的位置不能预先精确设定，节点之间的相互邻居关系预先也不知道，如通过飞机播撒大量传感器节点到面积广阔的原始森林中，或随意放置到人不可到达或危险的区域。
这样就要求传感器节点具有自组织的能力，能够自动进行配置和管理，通过拓扑控制机制和网络协议自动形成转发监测数据的多跳无线网络系统。
在传感器网络使用过程中，部分传感器节点由于能量耗尽或环境因素造成失效，也有一些节点为了弥补失效节点、增加监测精度而补充到网络中，这样在传感器网络中的节点个数就动态地增加或减少，从而使网络的拓扑结构随之动态地变化。
传感器网络的自组织性要能够适应这种网络拓扑结构的动态变化。
动态性
传感器网络的拓扑结构可能因为下列因素而改变：
①环境因素或电能耗尽造成的传感器节点故障或失效；②环境条件变化可能造成无线通信链路带宽变化，甚至时断时通；③传感器网络的传感器、感知对象和观察者这三要素都可能具有移动性；④新节点的加入。
这就要求传感器网络系统要能够适应这种变化，具有动态的系统可重构性。
可靠性
WSN特别适合部署在恶劣环境或人类不宜到达的区域，节点可能工作在露天环境中，遭受日晒、风吹、雨淋，甚至遭到人或动物的破坏。
传感器节点往往采用随机部署，如通过飞机撒播或发射炮弹到指定区域进行部署。
这些都要求传感器节点非常坚固，不易损坏，适应各种恶劣环境条件。
由于监测区域环境的限制以及传感器节点数目巨大，不可能人工“照顾”每个传感器节点，网络的维护十分困难甚至不可维护。
传感器网络的通信保密性和安全性也十分重要，要防止监测数据被盗取和获取伪造的监测信息。
因此，传感器网络的软硬件必须具有鲁棒性和容错性。
以数据为中心
互联网是先有计算机终端系统，然后再互联成为网络，终端系统可以脱离网络独立存在。
在互联网中，网络设备用网络中惟一的IP地址标识，资源定位和信息传输依赖于终端、路由器、服务器等网络设备的IP地址。
如果想访问互联网中的资源，首先要知道存放资源的服务器IP地址。
可以说现有的互联网是一个以地址为中心的网络。
传感器网络是任务型的网络，脱离传感器网络谈论传感器节点没有任何意义。
传感器网络中的节点采用节点编号标识，节点编号是否需要全网惟一取决于网络通信协议的设计。
由于传感器节点随机部署，构成的传感器网络与节点编号之间的关系是完全动态的，表现为节点编号与节点位置没有必然联系。
用户使用传感器网络查询事件时，直接将所关心的事件通告给网络，而不是通告给某个确定编号的节点。
网络在获得指定事件的信息后汇报给用户。
这种以数据本身作为查询或传输线索的思想更接近于自然语言交流的习惯。
所以通常说传感器网络是一个以数据为中心的网络。
例如，在应用于目标跟踪的传感器网络中，跟踪目标可能出现在任何地方，对目标感兴趣的用户只关心目标出现的位置和时间，并不关心哪个节点监测到目标。
事实上，在目标移动的过程中，必然是由不同的节点提供目标的位置消息。
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集成化
传感器节点的功耗低，体积小，价格便宜，实现了集成化。
其中，微机电系统技术的快速发展为无线传感器网络接点实现上述功能提供了相应的技术条件，在未来，类似“灰尘”的传感器节点也将会被研发出来。
具有密集的节点布置
在安置传感器节点的监测区域内，布置有数量庞大的传感器节点。
通过这种布置方式可以对空间抽样信息或者多维信息进行捕获，通过相应的分布式处理，即可实现高精度的目标检测和识别。
另外，也可以降低单个传感器的精度要求。
密集布设节点之后，将会存在大多的冗余节点，这一特性能够提高系统的容错性能，对单个传感器的要求得到了大大降低。
最后，适当将其中的某些节点进行休眠调整，还可以延长网络的使用寿命。
协作方式执行任务
这种方式通常包括协作式采集、处理、存储以及传输信息。
通过协作的方式，传感器的节点可以共同实现对对象的感知，得到完整的信息。
这种方式可以有效克服处理和存储能力不足的缺点，共同完成复杂任务的执行。
在协作方式下，传感器之间的节点实现远距离通信，可以通过多跳中继转发，也可以通过多节点协作发射的方式进行.
自组织方式
之所以采用这种工作方式，是由无线传感器自身的特点决定的。
由于事先无法确定无线传感器节点的位置，也不能明确它与周围节点的位置关系，同时，有的节点在工作中有可能会因为能量不足而失去效用，则另外的节点将会补充进来弥补这些失效的节点，还有一些节点被调整为休眠状态，这些因素共同决定了网络拓扑的动态性。
这种自组织工作方式主要包括：
自组织通信，自调度网络功能以及自管理网络等。
无线传感器
无线传感器网络中，节点的唤醒方式有以下几种：
（1）全唤醒模式：
这种模式下，无线传感器网络中的所有节点同时唤醒，探测并跟踪网络中出现的目标，虽然这种模式下可以得到较高的跟踪精度，然而是以网络能量的消耗巨大为代价的。
（2）随机唤醒模式：
这种模式下，无线传感器网络中的节点由给定的唤醒概率p随机唤醒。
（3）由预测机制选择唤醒模式：
这种模式下，无线传感器网络中的节点根据跟踪任务的需要，选择性的唤醒对跟踪精度收益较大的节点，通过本拍的信息预测目标下一时刻的状态，并唤醒节点。
（4）任务循环唤醒模式：
这种模式下，无线传感器网络中的节点周期性的出于唤醒状态，这种工作模式的节点可以与其他工作模式的节点共存，并协助其他工作模式的节点工作。
其中由预测机制选择唤醒模式可以获得较低的能耗损耗和较高的信息收益[3]。
功能
WSN并不界定网路型态，也就是可以是star、mesh、P2P或综合以上型态的网路，但都一定具备下列的功能：
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1.Sensors/microcontroller：
侦测、搜集以及处理环境中的资料，例如侦测温度、湿度等等。
2.Radiofrequency：
节点或gateway用以收发资料。
3.Software：
包含在节点端的嵌入式系统以及使用者端的管理程式，软体确保资料感测的功能进行顺利以及提供容易阅读的介面。
应用相关
传感器网络用来感知客观物理世界，获取物理世界的信息量。
客观世界的物理量多种多样，不可穷尽。
不同的传感器网络应用关心不同的物理量，因此对传感器的应用系统也有多种多样的要求。
无线传感器网络
不同的应用对传感器网络的要求不同，其硬件平台、软件系统和网络协议必然会有很大差别。
所以传感器网络不能像因特网一样，有统一的通信协议平台。
对于不同的传感器网络应用虽然存在一些共性问题，但在开发传感器网络应用中，更关心传感器网络的差异。
只有让系统更贴近应用，才能做出最高效的目标系统。
针对每一个具体应用来研究传感器网络技术，这是传感器网络设计不同于传统网络的显著特征。
无线传感网络有着许多不同的应用。
在工业界和商业界中，它用于监测数据，而如果使用有线传感器，则成本较高且实现起来困难。
无线传感器可以长期放置在荒芜的地区，用于监测环境变量，而不需要将他们重新充电再放回去。
无线传感网络的应用包括视频监视，交通监视，航空交通控制，机器人学,汽车，家居健康监测和工业自动化。
在环境监控中一个典型的应用就是传感网（SensorWeb，或SW）。
传感器网络可以用来监视有效利用电力，如日本的例子。
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3结构
传感器网络系统通常包括传感器节点EndDevice、汇聚节点Router和管理节点Coordinator。
大量传感器节点随机部署在监测区域内部或附近，能够通过自组织方式构成网络。
传感器节点监测的数据沿着其他传感器节点逐跳地进行传输，在传输过程中监测数据可能被多个节点处理，经过多跳后路由到汇聚节点，最后通过互联网或卫星到达管理节点。
用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据。
传感器节点
处理能力、存储能力和通信能力相对较弱，通过小容量电池供电。
从网络功能上看，每个传感器节点除了进行本地信息收集和数据处理外，还要对其他节点转发来的数据进行存储、管理和融合，并与其他节点协作完成一些特定任务。
汇聚节点
汇聚节点的处理能力、存储能力和通信能力相对较强，它是连接传感器网络与Internet等外部网络的网关，实现两种协议间的转换，同时向传感器节点发布来自管理节点的监测任务，并把WSN收集到的数据转发到外部网络上。
汇聚节点既可以是一个具有增强功能的传感器节点，有足够的能量供给和更多的、Flash和SRAM中的所有信息传输到计算机中，通过汇编软件，可很方便地把获取的信息转换成汇编文件格式，从而分析出传感节点所存储的程序代码、路由协议及密钥等机密信息，同时还可以修改程序代码，并加载到传感节点中。
管理节点
管理节点用于动态地管理整个无线传感器网络。
传感器网络的所有者通过管理节点访问无线传感器网络的资源。
无线传感器测距
在无线传感器网络中，常用的测量节点间距离的方法主要有TOA（TimeofArrival），TDOA（TimeDifferenceofArrival）、超声波、RSSI（ReceivedSignalStrengthIndicator）和TOF（TimeofLight）等[5]。
4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操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操纵后，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。
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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操纵后（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。
但当攻击者通过操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）
DoS攻击主要用于破坏网络的可用性，减少、降低执行网络或系统执行某一期望功能能力的任何事件。
如试图中断、颠覆或毁坏传感网络，另外还包括硬件失败、软件bug、资源耗尽、环境条件等[4]。
这里我们主要考虑协议和设计层面的漏洞。
确定一个错误或一系列错误是否是有意DOS攻击造成的，是很困难的，特别是在大规模的网络中，因为此时传感网络本身就具有比较高的单个节点失效率。
DoS攻击可以发生在物理层，如信道阻塞，这可能包括在网络中恶意干扰网络中协议的传送或者物理损害传感节点。
攻击者还可以发起快速消耗传感节点能量的攻击，比如，向目标节点连续发送大量无用信息，目标节点就会消耗能量处理这些信息，并把这些信息传送给其它节点。
如果攻击者捕获了传感节点，那么他还可以伪造或伪装成合法节点发起这些DOS攻击，比如，它可以产生循环路由，从而耗尽这个循环中节点的能量。
防御DOS攻击的方法没有一个固定的方法，它随着攻击者攻击方法的不同而不同。
一些跳频和扩频技术可以用来减轻网络堵塞问题。
恰当的认证可以防止在网络中插入无用信息，然而，这些协议必须十分有效，否则它也会被用来当作DOS攻击的手段。
比如，使用基于非对称密码机制的数字签名可以用来进行信息认证，但是创建和验证签名是一个计算速度慢、能量消耗大的计算，攻击者可以在网络中引入大量的这种信息，就会有效地实施DoS攻击
5网络协议栈
WSN协议栈多采用五层协议：
应用层、传输层、网络层、数据链路层、物理层。
与以太网协议栈的五层协议相对应。
另外，协议栈还应包括能量管理器、拓扑管理器和任务管理器。
这些管理器使得传感器节点能够按照能源高效的方式协同工作，在节点移动的传感器网络中转发数据，并支持多任务和资源共享。
各层协议和管理器的功能如下：
·物理层提供简单但健壮的信号调制和无线收发技术；
·数据链路层负责数据成帧、帧检测、媒体访问和差错控制；
·网络层主要负责路由生成与路由选择；
·传输层负责数据流的传输控制，是保证通信服务质量的重要部分；
·应用层包括一系列基于监测任务的应用层软件；
·能量管理器管理传感器节点如何使用能源，在各个协议层都需要考虑节省能量；
·移动管理器检测并注册传感器节点的移动，维护到汇聚节点的路由，使得传感器节点能够动态跟踪其邻居的位置；
·任务管理器在一个给定的区域内平衡和调度监测任务。
经过十几年发展，已出现了大量的WSN协议，如MAC层的S-MAC、T-MAC、BMAC、XMAC、ContikiMAC等，路由层的AODV、LEACH、DYMO、HiLOW、GPSR等。
不过这些均属于私有的协议，均针对特定的应用场景进行优化，适用范围较窄，由于缺乏标准，推广十分困难，对产业化十分不利。
面对这种情况，国际标准化组织参与到无线传感器网络的标准制定中来，希望通过共同努力，制定出适用于多行业的、低功耗的、短距离无线自组网协议。
WSN相关的标准有：
①IEEE802.15.4,属于物理层和MAC层标准，由于IEEE组织在无线领域的影响力，以及TI,ST,Ember,Freescale,NXP等著名芯片厂商的推动，已成为WSN的事实标准。
②Zigbee,该标准在IEEE802.15.4之上，重点制定网络层、安全层、应用层的标准规范，先后推出了Zigbee2004,Zigbee2006,Zigbee2007/ZigbeePRO等版本。
此外，Zigbee联盟还制定了针对具体行业应用的规范，如智能家居、智能电网、消费类电子等领域，旨在实现统一的标准，使得不同厂家生产的设备相互之间能够通信。
值得说明的是，Zigbee在新版本的智能电网标准SEP2.0已经采用新的基于IPv6的6Lowpan规范，随着智能电网的建设，Zigbee将逐渐被IPv6/6Lowpan标准所取代。
与zigbee类似的标准还有z-wave、ANT、Enocean等，相互之间不兼容，不利于产业化的发展。
③ISA100.11a,国际自动化协会ISA下属的工业无线委员会ISA100发起的工业无线标准。
④WirelessHART,国际上几个著名的工业控制厂商共同发起的，致力于将HART仪表无线化的工业无线标准。
⑤WIA-PA,中国科学院沈阳自动化所参与制定的工业无线国际标准。
此外，互联网标准化组织IETF也看到了无线传感器网络（或者物联网）的广泛应用前景，也加入到相应的标准化制定中。
以前许多标准化组织认为IP技术过于复杂，不适合低功耗、资源受限的WSN，因此都是采用非IP技术。
在实际应用中，如Zigbee需要接入互联网时需要复杂的应用层网关，也不能实现端到端的数据传输和控制。
IETF和许多研究者发现了存在的这些问题，尤其是Cisco的工程师基于开源的uIP协议实现了轻量级的IPv6协议，证明了IPv6不仅可以运行在低功耗资源受限的设备上，而且，比zigbee更加简单，彻底改变了大家的偏见，之后基于IPv6的无线传感器网络技术得到了迅速发展。
IETF已经完成了核心的标准规范，包括IPv6数据报文和帧头压缩规范6Lowpan[8]、面向低功耗、低速率、链路动态变化的无线网络路由协议RPL[9]、以及面向无线传感器网络应用的应用层标准CoAP[10]，相关的标准规范已经发布[11]。
IETF已组织成立了IPSO联盟，推动该标准的应用，并发布了一系列白皮书。
IPv6/6Lowpan已经成为许多其它标准的核心，包括智能电网zigbeeSEP2.0、工业控制标准ISA100.11a、有源RFIDISO1800-7.4（DASH）等。
IPv6/6Lowpan具有诸多优势：
可以运行在多种介质上，如低功耗无线、电力线载波、WiFi和以太网，有利于实现统一通信；IPv6可以实现端到端的通信，无需网关，降低成本；6Lowpan中采用RPL路由协议，路由器可以休眠，也可以采用电池供电，应用范围广，而Zigbee技术路由器不能休眠，应用领域受到限制。
6Lowpan已经有了大量开源软件实现，最著名的是Contiki[12]、TinyOS系统，已经实现完整的协议栈，全部开源，完全免费，已经在许多产品中得到应用。
IPv6/6Lowpan协议将随着无线传感器网络以及物联网的广泛应用，很可能成为该领域的事实标准。
6安全需求
由于WSN使用无线通信，其通信链路不像有线网络一样可以做到私密可控。
所以在设计传感器网络时，更要充分考虑信息安全问题。
手机SIM卡等智能卡，利用公钥基础设施（PublicKeyInfrastructure,PKI）机制，基本满足了电信等行业对信息安全的需求。
同样，亦可使用PKI来满足WSN在信息安全方面的需求。
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（1）数据机密性
数据机密性是重要的网络安全需求，要求所有敏感信息在存储和传输过程中都要保证其机密性，不得向任何非授权用户泄露信息的内容。
（2）数据完整性
有了机密性保证，攻击者可能无法获取信息的真实内容，但接收者并不能保证其收到的数据是正确的，因为恶意的中间节点可以截获、篡改和干扰信息的传输过程。
通过数据完整性鉴别，可以确保数据传输过程中没有任何改变。
（3）数据新鲜性
数据新鲜性问题是强调每次接收的数据都是发送方最新发送的数据，以此杜绝接收重复的信息。
保证数据新鲜性的主要目的是防止重放（Replay）攻击。
（4）可用性
可用性要求传感器网络能够随时按预先设定的工作方式向系统的合法用户提供信息访问服务，但攻击者可以通过伪造和信号干扰等方式使传感器网络处于部分或全部瘫痪状态，破坏系统的可用性，如拒绝服务（DenialofService,DoS）攻
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