7.4 Describe a WSN application for each of the following categories: time-driven, eventdriven, and query-driven.
（译）为以下每一种类型描述一个WSN应用程序:时间驱动、事件驱动和查询驱动。
时间驱动型传感器网络适用于传输速率固定，通过对无线节点设置固定的时间实现周期性的监测采集数据，并通过经常性的启动接收器和传感器来监测基础环境，最后实现数据上传到基站。常规能源下时间驱动EH-WSN的最佳路由
事件驱动：只有当突发事件发生后才会开启收发器采集数据，并将数据发送到 基站，而平常节点的收发器大部分时间处于休眠状态，只需周期性采集少量数据。能量高效的事件驱动型大规模农业监测
查询驱动：地下无线传感器节点的查询驱动路由协议，检测和跟踪使用常规钻探和采矿工具未注意到的全面事件
7.5 For the network topology shown in Figure 7.22, identify the optimal routes for source A to sink M according to the following criteria (describe how you compute the cost for the optimal route). The numbers X/Y along each link indicate the latency (X) and energy cost (Y) for transmitting a single packet over the link. The number Z under each node indicates the node’s remaining energy capacity.
(a) Minimum number of hops
(b) Minimum energy consumed per packet
© Maximum average energy capacity (eliminate hops that would result in a higher average but unnecessarily add to the route length!)
(d) Maximum minimum energy capacity
(e) Shortest latency
（译）对于图7.22所示的网络拓扑，根据以下标准确定从源A到接收M的最佳路由(描述如何计算最佳路由的成本)。每个链路上的数字X/Y表示在链路上传输单个数据包的延迟(X)和能量消耗(Y)。每个节点下的数字Z表示节点的剩余能量容量。
(a)最小跳数 答：A-E-G-J-M 4跳(3个中继节点)。
(b)每包的最低能源消耗 答：A-E-F-G-H-K-M. 最低能量消耗为：2+1+1+2+1+2=9.
©最大平均能量容量(消除会导致更高平均但不必要地增加路径长度的跳数!)
答： A-E-G-H-K-M (7+4+6+5)/4 = 5.5.
(d)最大最小能源容量 答：最大最小路径相同A-E-G-H-K-M。
最小能源容量：4
(e)最短的延迟 答：A-E-G-J-L-M 总延迟是9.
7.6 A WSN is modeled as a 5 × 5 grid as shown in Figure 7.23, with the base station placed at the center of the network (left topology) or at the bottom left corner (right topology). Assume that each node can communicate with only its immediate neighbors on the grid and that packet transmission or forwarding over a link costs exactly one unit of energy (packet reception and processing costs are neglected).
（译）WSN建模为如图7.23所示的5×5网格，基站位于网络的中心(左拓扑)或左下角(右拓扑)。假设每个节点只能与网格上的近邻进行通信，并且数据包传输或在链路上转发的成本正好是一个单位的能量(忽略了数据包接收和处理的成本)。
(a) For both topologies, find an energy optimal graph of routes, that is, the energy cost for each packet traveling through the network is a minimum.
（译）(a)对于两种拓扑结构，找出路由的能量最优图，即通过网络的每个数据包的能量消耗最小。
(b) Consider the graphs shown in Figure 7.24. What is the average and total load in the network, when the per-node load is defined as the number of routes a node has to service (including its own)? Do not include the base station in your calculations.
（译）(b)考虑图7.24所示的图表。当每个节点的负载被定义为一个节点必须服务的路由数(包括它自己)时，网络的平均和总负载是多少?不要在计算中包括基站。
括它自己)时，网络的平均和总负载是多少?不要在计算中包括基站。
总负载：66 平均负载：2.75
总负载：68 平均负载：2.83（坐标3.1的2应该是3）
© What is the lifetime of the network topologies in Figure 7.24 when during every second, each node generates and transmits its own packet and forwards all packets received during the previous second? Assume that each node has an initial energy budget of 100. Each transmission costs 1 unit of energy (there is no cost for reception, etc.). Consider the lifetime of a network to have expired once the first node depletes its energy budget. Compare the results and derive design principles for the network topology to optimize the lifetime of the network with respect to placement of the base station and the construction of routing trees.
（译）©图7.24中的网络拓扑的生命周期是什么，在每一秒钟，每个节点产生和传输它自己的数据包，并转发在前一秒钟收到的所有数据包?假设每个节点的初始能量预算为100。每个传输花费1单位的能量(没有接收费用等)。考虑当第一个节点耗尽其能量预算时，网络的生命周期已过。比较结果并推导出网络拓扑结构的设计原则，以优化基站的布置和路由树的构造。
答：生命周期可以理解为，一个网络的发展，到衰退的一个过程。
答：此拓扑图中，负载能力最大的节点每秒需要5单位的能量来传输数据包，所以此拓扑的生命周期是100/5=20s；100/3=33.3s；100/2=50s；100/4=25s
(d) Assume that the first topology in Figure 7.24 is used and each sensor transmits exactly one packet to the base station. Then the topology is switched to the second one and each sensor transmits one packet to the base station in the bottom left corner. Then the topology is switched back to the first one and the process is repeated. Explain why the network lifetime changes and what other design principle can be derived from this insight. (To facilitate the comparison, focus on the case where each node has already reached its maximum load.)
（译）(d)假设使用了图7.24中的第一个拓扑，并且每个传感器准确地向基站传输一个数据包。然后将拓扑切换到第二拓扑，每个传感器向左下角的基站发送一个数据包。然后拓扑切换回第一个拓扑，重复这个过程。请解释为什么网络生命周期会发生变化，以及从这种见解中可以导出哪些其他设计原则。(为了便于比较，请关注每个节点已经达到最大负载的情况。)
答：重复的切换基站，以降低单个基站和距离基站较远节点的负载，均衡能力的消耗，整个网络的生命周期将会增长。从这样的设计理念中，可以导出，将两个基站升级成多个基站，并加入时间片的概念，升级的多个基站轮流充当有效基站，只有在自己的时间片内成为基站并服务整个网络。
7.7 Flooding is a simple strategy for distributing data to one specific node or all sensor nodes in a network. Answer the following questions:
（译）洪泛是一种简单的策略，用于将数据分布到网络中的一个特定节点或所有传感器节点。回答以下问题:
(a) Explain the three challenges of flooding described in this chapter.
(b) Which of these can be addressed by gossiping and how can they be addressed?
© For the topologies shown in Figure 7.22 and Figure 7.23, what are good choices for the maximum hop count? Explain your answer.
(d) How do sequence numbers contribute to reducing unnecessary transmissions? Are sequence numbers alone sufficient and, if not, what other information is needed to use them correctly?
（译）(a)解释本章所述的洪泛法的三个挑战。
答：（1）接收数据包的节点将此数据包转发给所有邻居，而不管这些邻居是否已收到此数据包的副本。这一问题称为implosion problem。内爆问题。
（2）来自监控相似物理环境的传感器的数据产生的冗余问题。这一问题称为overlap problem。重叠问题。
（3）泛洪时不考虑所有节点上的可用资源。这一问题称为resourceblind。
(b)哪些问题可以通过流言传播协议来解决，如何解决?
答: 流言传播只解决了implosion problem问题，即它使用概率方法来决定是否转发数据。
©对于图7.22和图7.23所示的拓扑，对于最大跳数有哪些好的选择?解释你的答案。
答：上面两张图的最大跳数最好都是8，这个数要足够大，满足任意两个节点都可在该跳数内找到连接。但不能太大以避免过度转发。（上面两个图中，距离最远的点之间需要8跳连接）
(d)序列号如何有助于减少不必要的传输?只有序号是充分的吗?如果不是，还需要什么其他信息来正确使用它们?
答：序列号允许节点区分数据包彼此，即识别新数据包或重复。单是序列号通常是不够的，它们需要与其他信息（如发送节点的标识）组合使用。只有这样，才能唯一地标识数据包。
7.18 Table 7.3 summarizes the routing information of all nodes in a WSN, that is, each row indicates the routing knowledge of that particular node. For example, the first row shows that node A knows that it can reach nodes B and C via 1 hop and nodes D and E via 2 hops. Given this information, draw the network topology and determine the landmark radius for each node.
（译）表7.3总结了一个WSN中所有节点的路由信息，即每一行表示该节点的路由知识。例如，第一行显示节点A知道它可以通过1跳到达节点B和C，节点D和E可以通过2跳到达。根据这些信息，绘制网络拓扑并确定每个节点的地标半径。
7.20 Figure 7.25 shows a number of nodes as small dots. Each node has a radio range of 2 units. How would the gray node positioned at (0, 0) route a packet to the gray node at position (9, 9) using GPSR? Indicate the visited nodes.
（译）7.20图7.25将许多节点显示为小点。每个节点的无线电范围为2个单位。定位在(0,0)的灰色节点如何使用GPSR将数据包路由到位于(9,9)的灰色节点?指示访问的节点。
7.23 Consider the topology in Figure 7.26. Node A wishes to forward a packet toward destination L via one of its neighbors (its communication range is indicated with the circle). Which neighbor will A choose with each of the following forwarding strategies:
(a) greedy forwarding
(b) nearest with forwarding progress
© most forwarding progress within radius
(d) compass routing
考虑图7.26中的拓扑。节点A希望通过它的一个邻居(它的通信范围用圆圈表示)将一个数据包转发到目的地L。对于以下每一种转发策略，A将选择哪个邻居:
(a)贪婪转发：（减少到G的最短距离） G使到目的地L的距离最小化。
(b)最近的进展情况：找最近但增益的 E节点正向L前进，但也是最近邻。
©半径内转发进度最多找增益最大的：在A的传输半径内，G的转发进度也最大。
(d)指南针路由：（找夹角最小的）F是连接源和目的地的线与连接源与邻居的线之间角度最小的邻居。
7.28 Figure 7.27 shows a sensor network topology, where each node’s transmission range is two units. The node at position (0,0) wants to disseminate a packet to all nodes within the rectangle. Show how GFPG routes the packet toward the region and how it distributes it to all receivers within the rectangle. Clearly indicate which nodes (inside and outside the geocast region) will receive the packet.
（译）图7.27显示了传感器网络拓扑，其中每个节点的传输范围为两个单元。位于(0,0)位置的节点希望向矩形内的所有节点传播一个包。显示GFPG如何向该区域路由数据包，以及它如何将其分配到矩形内的所有接收器。清楚地指示哪个节点(在geocast区域内部和外部)将接收数据包。
8.3 Give two examples for accidental causes of power consumption in wireless sensor networks.
（译）8.3在无线传感器网络中，给出两个意外功耗原因的例子。
答：例如，基于实地部署的观察结果显示，一些节点过早地耗尽了他们的电池，因为意外地监听到了信道导致通信子系统的运行时间比原来更长的预期，同样一些节点过早地耗尽了它们的电池因为他们漫无目的地试图与一个已经不再存在的网络建立联系访问他们。
例如，大量的能量被空闲处理或通信子系统浪费了。漫无目的地感知媒体或当相邻节点彼此通信时，监听会消耗大量的能量。
9.3 Consider two nodes, where the current time at node A is 1100 and the current time at node B is 1000. Node A’s clock progresses by 1.01 time units once every 1 s and node B’s clock progresses by 0.99 time units once every 1 s. Explain the terms clock offset, clock rate, and clock skew using this concrete example. Are these clocks fast or slow, and why?
（译）考虑两个节点，节点A当前时间为1100，节点B当前时间为1000。节点A的时钟每1秒前进1.01个时间单位，节点B的时钟每1秒前进0.99个时间单位。使用这个具体例子解释术语时钟偏移、时钟频率和时钟脉冲相位。这些时钟是快还是慢，为什么?
答：时钟偏移：两个节点的本地时间之间的差值；时钟速率（The clock rate indicates the frequency at which a clock progresses）表示一个时钟在行进中的频率；始终偏差：是两个时钟的频率差。时钟A：dC/dt=1.01>1,是典型的快时钟；时钟B：dC/dt=0.99<1，是典型的慢时钟
9.8 Node A issues a synchronization request simultaneously to nodes B, C, and D (Figure 9.11). Assume that nodes B, C, and D are all perfectly synchronized to each other. Explain why the offsets between node A and the three other nodes may still differ.
（译）节点A同时向节点B、C、D发出同步请求(图9.11)。假设节点B、C和D彼此完全同步。解释为什么节点A和其他三个节点之间的偏移量仍然不同。
答：算法的同步误差会随着跳距累计 另外是节点之间 具有通信延迟。通信延迟的确定性有四个主要因素：发送延迟、访问延迟、传播延迟和接收延迟。由于这些延迟可能依赖于各种参数，包括节点之间的距离、系统呼叫接口延迟、上下文切换和 MAC 协议的特征，因此偏移量和延迟的测量将不准确，因此影响时钟同步的质量。
9.15 Compare the TPSN and RBS time synchronization protocols.
（译）比较TPSN和RBS时间同步协议。
答：TPSN（Timing-sync Protocol for Sensor Networks）：传感器网络时间同步协议：通过树来组织网络，有在网络部署阶段执行的层次发现阶段和同步阶段组成，但是不确定的同步消息会影响同步时间的准确性，相比于RBS，TPSN不能处理这样的错误信息
RBS（Reference-Broadcast Synchronization）参考广播同步：依赖于一组接收者之间的广播消息来使它们彼此同步。RBS的强大之处在于通过关键路径分析来消除了由发送方引起的不确定性同步错误。
9.16 Compare the broadcast approach used by RBS with the pair-wise synchronization approach by TPSN and other protocols for the following scenarios:
(a) synchronization messages experience send and access delays with high variance and all other delays are negligible;
(b) synchronization messages are sent using acoustic signals and the distances between nodes are unknown;
© synchronization messages experience send and access delays without variance and all other delays are negligible;
(d) synchronization messages experience significant receive delays that may differ from node to node.
答：（译）下面将RBS使用的广播方法与TPSN和其他协议使用的两两同步方法进行比较:
(a)同步消息经验发送和访问的高方差延迟和所有其他延迟可以忽略;
(b)同步信息是用声信号发送的，节点之间的距离是未知的;
答：此种情况使用RBS可以针对声学信号慢的特定来消除延迟差异
©同步信息经验发送和访问延迟无差异，所有其他延迟可以忽略不计;
答：此种情况使用TPSN协议，因为该协议较简单
(d)同步消息在不同节点之间会经历显著的接收延迟。
答：此种情况使用RBS可以有效消除延迟导致的同步差异
9.17 Two nodes A and B use RBS to receive periodic acoustic synchronization signals from a reference node. Node A’s clock shows 10 s when it receives the last synchronization beacon, while node B’s clock shows 15 s. Node A detects an event at time 15 s, while node B detects the same event at time 19.5 s. Assume that node A is 100 m away from the synchronization source and node B is 400 m away from the synchronization source. Which node detected the event sooner and by how much? Assume a signal speed of 300 m/s.
（译）两个节点A和B使用RBS从一个参考节点接收周期性的声学同步信号。当节点A收到最后一个同步信标时，节点A的时钟显示10秒，而节点B的时钟显示15秒。节点A在时间15秒检测到一个事件，而节点B在时间19.5秒检测到相同的事件。假设节点A距离同步源100 m，节点B距离同步源400 m。哪个节点更快地检测到事件，并且检测到多少?假设信号速度为300米/秒。B
答：15-10=5, 19.5-15=4.5。
B先检测到事件，300×4.5/400=3.3=3个
10.2 A node’s position in two-dimensional space is (x, y) = (10, 20) with a maximum error of 2 in the x direction for 95% of all measurements and a maximum error of 3 in the y direction for 90% of all measurements. What is the accuracy and the precision of this location information?
（译）节点在二维空间中的位置为(x, y) =(10,20)， 95%的测量值x方向的最大误差为2,90%的测量值y方向的最大误差为3。这个位置信息的精度和精确度是多少?
答：这个位置在X上的精度为10，精确度为95%；在Y上的精度为20，精确度为95%
10.5 Time of Arrival (ToA) is one example of a ranging technique. Answer the following questions (assume a propagation time of 300 m/s):
(a) What is the advantage of two-way ToA over one-way ToA?
(b) In a synchronized network with unknown synchronization error, an anchor node periodically broadcasts an acoustic signal to sensor nodes in its range. At time 1000 ms on the anchor node’s clock, the anchor node issues a beacon, which is received by node A at time 2000 ms (on node A’s clock). What is the distance that A can now compute?
© Instead of computing the distance itself, node A also responds with an acoustic signal issued at time 2500 ms, which is received by the anchor node at time 3300 ms. What is the distance computed by the anchor node? What can you say about the synchronization of anchor node and node A?
（译）到达时间(ToA)是测距技术的一个例子。回答以下问题(假设传播时间为300m /s):
(a)双向往返比单向往返有什么优势?
答：双向往返测距时，不需要高时钟同步的发送者和接收者，因为时间差计算在一个节点内进行。比起单向往返来说，测量的距离更精确点。
(b)在有未知同步错误的同步网络中，锚节点定期向其范围内的传感器节点广播一声信号。在锚节点时钟上1000ms时，锚节点发出一个信标，节点a在2000ms时(在节点a时钟上)收到该信标。A现在可以计算的距离是多少?
答：在同步网络的情况下，此传播为单向往返，忽略同步中所存在的微小时差且声学信号的传播速度为（300m/s），则距离S=（2000-1000）x300 = 300m
©节点A不自行计算距离，而是响应一个2500毫秒发出的声信号，锚节点在3300毫秒时接收到该声信号。锚节点计算的距离是多少?关于锚节点和节点A的同步你能说些什么呢?
答：在同步网络的情况下，此传播为双向往返，忽略同步中所存在的微小时差且声学信号的传播速度为（300m/s），则距离S=（3300-1000）-（2500-2000）x300 = 540m
10.10 Consider the two-dimensional topology in Figure 10.10. The sensor node in the center can select three of the six anchor nodes as basis for trilateration. Which nodes should the sensor node select? Justify your answer, that is, what guideline for anchor selection should be considered? What would this guideline be in three-dimensional space?
（译）考虑图10.10中的二维拓扑。中间的传感器节点可以选择六个锚节点中的三个作为三边测量的基础。传感器节点应该选择哪些节点?证明你的答案，即锚的选择应该考虑什么准则?这条线在三维空间中是什么?
答：传感器节点应该选择B2，B6，（B3、B4、B5）任选1个
准则：二维空间中，锚点的位置必须满足被测量传感器在以锚点为中心的一个圆的圆周的某个地方，需要三个非共线锚点的距离，即三个圆的交点。
在三维空间中，上述的锚点至少需要四个非共面锚点
10.11 Two nodes A and B do not know their own positions, but they can hear beacons in their proximities. Node A can hear beacons located at (4, 2) and (2, 5). Node B can hear beacons located at (2, 5) and (3, 7). All nodes have a radio range of 2 units. (a) Are either (3, 3.5) or (3, 4.5) possible locations for node A? (b) Are either (2, 6) or (4, 5) possible locations for node B?
（译）两个节点A和B不知道自己的位置，但它们能听到附近的信标。节点A可以听到位于(4,2)和(2,5)的信标，节点B可以听到位于(2,5)和(3,7)的信标，所有节点的无线电范围为2单位。(a)节点a的可能位置是(3,3.5)还是(3,4.5)?(b)节点b的可能位置是(2,6)还是(4,5)? 答：A是(3,3.5)，B是(2,6)
10.15 Figure 10.11 shows a network topology with three anchor nodes. The distances between anchors A1 and A2, anchors A1 and A3, and anchors A2 and A3 are 40 m, 110 m, and 35 m, respectively. Use the Ad Hoc Positioning System to estimate the location of the gray sensor node (show each step of your process).
（译）图10.11显示了一个具有三个锚节点的网络拓扑。锚A1与A2、锚A1与锚A3、锚A2与锚A3之间的距离分别为40 m、110 m、35 m。使用Ad Hoc定位系统来估计灰度传感器节点的位置(显示流程的每一步)。
答：已知A1到A2距离40m，A1到A3距离110m，A2到A3距离35m。
那么估计灰色节点到三个点之间的距离。
先计算每个节点的两条邻边上平均每跳距离是多少。
A 1 ： ( 40 + 110 ) ÷ ( 2 + 5 ) = 21.43
A 2 ： ( 40 + 35 ) ÷ ( 2 + 3 ) = 15
A 3 ： ( 110 + 35 ) ÷ ( 5 + 3 ) = 18.125
由于灰色节点距离A1为2跳，距离A2为2跳，距离A3为3跳。
因此我们可以使用A1或A2上的平均每跳距离。
若使用A2上的平均每跳距离，则距离：
A1 为 2 × 15 = 30 m
A2 为 2 × 15 = 30 m
A3 为 3 × 15 = 45 m
11.9 Consider routing attacks such as selective forwarding, sinkhole, blackhole, Sybil,
rushing, and wormhole attacks. Describe briefly each type of attack and discuss how
these attacks could take place in the following types of networks:
(a) A network using a table-based routing protocol such as OLSR.
(b) A network using an on-demand routing protocol such as DSR.
© A network using a location-based routing protocol such as GEAR.
（译）考虑路由攻击，如虚假路由信息攻击、选择性转发攻击、污水池攻击、女巫攻击、黑洞攻击、虫洞攻击、确认攻击等。简述每一种攻击，并讨论这些攻击如何在下列类型的网络中发生:
(b)使用按需路由协议(如DSR)的网络。
答：
黑洞攻击，选择性转发：恶意节点丢弃用于请求路由得数据信息，会导致源节点不断地发送路由请求，导致网络生命周期地提前。
The rushing attack，天坑攻击：导致更多地错误地路由信息被返回
A Sybil attack：如果该恶意节点为目的节点，将导致多条错误路由被返回，如果该恶意节点使中间节点，则会导致路由信息数量地增多，降低网络生命周期
虫洞攻击会加剧天坑攻击和黑洞攻击地严重性
©使用基于位置的路由协议(如GEAR)的网络。
答：
黑洞攻击、选择转发攻击：只能导致部分节点不能收到应收到地数据包。
The rushing attack：会导致该GEAR协议所使用地算法地失效。
A Sybil attack，天坑攻击：使得GEAR协议所使用地算法对目标区域地能量和地理感知错误，导致数据报的错误转发。通过虫洞攻击的配合，将加剧网络内数据包的恶意无休止扩散，导致网络的崩溃
答：路由攻击专业术语解释：
黑洞攻击：在这种类型的攻击中，攻击者试图成为网络中一个或多个路由的数据转发器。然后，恶意节点可以简单地删除应该通过该节点的所有数据流量，因此，通过改转发器的数据流量永远不会到达目的地，就像是被吞噬了一般。
选择性转发：类似于黑洞攻击，只丢弃符合某些条件的数据包，而不是不加选择地丢弃所有数据包。选择性转发攻击比黑洞攻击更难探测或反应，因为它们更难区分由于移动性或信道错误造成的数据包丢失。
The rushing attack（仓促处理攻击）：for example, as found in protocols such as AODV and DSR. 在这种类型的攻击中，恶意节点会立即将传入的路由请求消息转发给它的邻居，因此不考虑任何协议规则(例如，在转发前指定特定的超时或排队过程)就“匆忙处理”这些消息。节点成为源和目的地之间选择路由的一部分的可能性增加。（因为不会加以处理就转发消息，导致源误认为此节点能到达目的地）
天坑攻击：天坑攻击(Karlof和Wagner 2003)是黑洞攻击的另一种变体。为了吸引尽可能多的流量，恶意节点试图将自己定位在尽可能多的网络流的路径上。因此，流量被吸引到这个天坑，为攻击者提供了一个机会，以中断或篡改尽可能多的流量。
A Sybil attack（仿造身份攻击）：在基于位置的路由协议中，攻击者声称同时处于多个位置。如果很多节点认为该恶意节点是自己的邻居，则很有可能选择该节点作为自己网络流量的转发节点。
虫洞攻击：这种攻击在网络中通过比典型的传感器节点更多的可用资源的节点来执行；例如，两个协作的攻击者可能试图通过在他们之间拥有一个带外(通常是富带宽的)通信通道来欺骗网络的其余节点。对于网络的其他部分，节点彷佛是一个快速的、高带宽的链路，这是许多路由技术所需要的。伪造一条通往网络网关的有效且较短的路径，从而吸引大量流量并启用各种其他攻击，如黑洞攻击或天坑攻击。
