无线传感器网络多源安全时间同步协议的设计与实现

论文摘要

无线传感器网络是由数目众多资源有限的微小传感器节点自组织构成的多跳无线网络。无线传感器网络具有十分广阔的应用前景,如环境监测、医疗护理、空间探索等。无线传感器网络中,时间同步协议主要负责统一节点之间的时钟,使得数据能够按照事件发生的逻辑顺序被处理,对传感器网络中保证信息的实时性与有效性起着至关重要的作用。本文针对大规模无线传感器网络的应用需求,进行了时间同步协议的设计与实现。由于无线通信环境干扰、传感器节点资源有限等特定条件的约束,无线传感器网络时间同步协议的设计必须考虑时间同步精度、鲁棒性、高效性等要求;目前日益严峻的网络安全形势,使得协议设计时还必须考虑安全性问题。本文对现有主流的无线传感器网络时间同步协议进行了总结、分类与比较,并对协议评价参数和性能影响因素进行了简要的介绍。本文针对现有无线传感器网络单源节点的弊端和鲁棒性、安全性方面存在的问题,设计了一个高效、安全的时间同步协议——无线传感器网络多源安全时间同步协议,并在自研的传感器节点操作系统MILSOS上实现了该协议。本协议旨在提高网络的鲁棒性和安全性。用多个时间源代替了传统的单个时间源,在某些时间源失效的情况下,不会对全网时间同步造成太大的影响;从多个时间源中选择与当前节点距离最短的节点,减少时间同步的累积误差;在协议中加入安全检查机制,有效应对针对报文的外部攻击和针对节点的内部攻击。对大规模无线传感器网络的数据采集与融合、定位技术、传感器节点的定时休眠与唤醒提供了很好的支持。程序模拟结果显示,多个时间源能够大大提高网络的收敛速度。在自研节点上的实际测试结果表明,父节点选择策略能够在保证同步精度的情况下选择最为安全的节点作为父节点;在父节点失效时,其子节点能够重新选择父节点,不会影响下层节点的同步;在网络遭受攻击时,协议的防护措施能够鉴别重放报文和恶意节点;有新节点可以动态加入网络,无须重新启动时间同步过程;MAC层时间戳等机制能够极大地降低协议的传输延迟。总之,协议能够有效应对网络生命周期内出现的各种问题,且实测精度表明协议基本达到了设计目标,并能大大加快网络收敛速度。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 课题研究内容
• 1.3 课题研究主要成果
• 1.4 论文组织结构
• 第二章 相关工作
• 2.1 无线传感器网络的体系结构
• 2.1.1 无线传感器网络的体系结构
• 2.1.2 无线传感器网络的特点
• 2.1.3 无线传感器网络通信协议栈
• 2.2 无线传感器网络研究进展概述
• 2.2.1 国外研究进展
• 2.2.2 国内研究进展
• 2.3 时间同步协议分类与典型协议分析
• 2.3.1 基于Receiver-Receiver 机制的时间同步算法
• 2.3.2 基于Pair-Wise 的时间同步算法
• 2.3.3 基于Sender-Receiver 机制的时间同步算法
• 2.3.4 无线传感器网络时间同步算法对比
• 2.4 时间同步协议安全性研究的相关工作
• 2.4.1 时间同步协议安全问题的重要性
• 2.4.2 针对时间同步协议攻击的类型
• 2.4.3 现有安全策略简介
• 2.5 本章小结
• 第三章 多源安全时间同步协议的设计
• 3.1 时间同步协议设计需要注意的问题
• 3.1.1 时间同步协议性能的评价指标
• 3.1.2 时间同步协议精度的影响因素
• 3.2 时间同步协议基本设计
• 3.2.1 多源时间同步的考虑
• 3.2.2 时间同步的安全性设计
• 3.2.3 误差来源的不确定性分析
• 3.2.4 时间同步协议概述
• 3.3 时间同步协议详细设计
• 3.3.1 主要数据结构
• 3.3.2 协议具体过程
• 3.4 协议性能分析
• 3.4.1 通信开销
• 3.4.2 同步精度
• 3.4.3 存储开销
• 3.4.4 可扩展性
• 3.4.5 收敛速度
• 3.5 本章小结
• 第四章 多源安全时间同步协议的实现
• 4.1 系统开发环境简介
• 4.1.1 硬件平台
• 4.1.2 软件平台
• 4.2 系统整体架构及协议栈
• 4.2.1 系统整体架构
• 4.2.2 网络协议栈设计
• 4.3 协议软件的主要流程
• init（ ））'>4.3.1 模块初始化（module_init（ ））
• time_adv（ ））'>4.3.2 发送时间广播报文（send_time_adv（ ））
• time_adv（ ））'>4.3.3 收到时间广播报文（receive_time_adv（ ））
• time_sync_request（））'>4.3.4 发送时间同步请求报文（send_time_sync_request（））
• time_sync_request（））'>4.3.5 收到时间同步请求报文（recv_time_sync_request（））
• time_sync_reply（））'>4.3.6 收到同步请求应答报文（recv_time_sync_reply（））
• 4.4 本章小结
• 第五章 多源安全时间同步协议的测试
• 5.1 测试环境介绍
• 5.2 大规模无线传感器网络收敛速度模拟
• 5.2.1 模拟过程描述
• 5.2.2 模拟结果分析
• 5.3 单个时间源与多个时间源同步精度测试
• 5.3.1 测试过程描述
• 5.3.2 测试结果分析
• 5.4 协议安全性与抗毁性的测试
• 5.4.1 测试过程描述
• 5.4.2 测试结果分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 结束语
• 参考文献
• 致谢
• 作者在学期间取得的学术成果