无线传感器网络底层安全的混合MAC协议研究

论文摘要

无线传感器网络是新兴的下一代传感器网络,是一门快速发展的高新技术,在安全监控、环境监测、健康医疗、前沿军事、精细农业、智能家居等诸多领域具有广阔的应用前景,这种新的数据采集与处理技术方兴未艾,正逐渐成为各大科研机构、企业的研究热点。高效的MAC协议是保证无线传感器网络正常运作,高效通信的关键。无线传感器网络的无线信道分配机制主要有随机竞争机制、TDMA机制、FDMA机制以及CDMA机制。基于随机竞争的MAC协议存在空闲侦听和数据碰撞等能耗问题;基于TDMA的MAC协议则存在时间同步和扩展性差问题;基于FDMA和CDMA的MAC协议实现复杂,传感器节点需要较高的处理能力。因而设计一种混合型协议,通过多种机制的优化组合,达到最大的应用性能,成为目前无线传感器网络MAC协议研究的一个发展趋势。本文提出一种基于分簇的底层安全TDMA/CSMA混合MAC协议（STC-MAC）,该协议簇内节点利用TDMA机制实现信道分配,避免碰撞串扰问题,从而达到低延迟快速上传数据;簇头节点则采用CSMA机制,避免多跳同步问题,增强可扩展性;同时,针对底层安全提出了一种可预警的攻击应对机制,正确快速识别攻击行为。为了验证STC-MAC的性能,本文采用了一种层次化、组件自治的仿真平台——J-Sim,对该平台下的无线传感器网络相关组件进行了扩展。针对MAC协议的能量有效性和底层可能遭受的攻击行为,进行了一系列的仿真实验,输出了相关的能耗图。通过与802.11 MAC能耗仿真结果对比和底层攻击仿真结果分析,可以得出STC-MAC有着较好的能量有效性和攻击应对能力。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 插图索引
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 传感器节点
• 1.1.2 无线传感器网络
• 1.1.3 无线传感器网络协议栈
• 1.1.4 与传统无线网络的区别
• 1.2 无线传感器网络关键技术
• 1.3 国内外发展现状
• 1.4 研究意义
• 1.4.1 无线传感器网络的应用价值
• 1.4.2 无线传感器网络MAC协议的研究意义
• 1.5 本文的主要工作
• 1.6 本文的组织结构
• 第二章 无线传感器网络MAC协议
• 2.1 无线传感器网络MAC协议的性能指标
• 2.2 基于CSMA机制的MAC协议
• 2.3 基于TDMA机制的MAC协议
• 2.4 其他混合型MAC协议
• 2.4.1 CSMA/TDMA混合机制
• 2.4.2 CSMA/CDMA混合机制
• 2.4.3 TDMA/FDMA混合机制
• 2.5 小结
• 第三章 基于分簇的底层安全STC-MAC协议
• 3.1 相关概念
• 3.1.1 分层结构管理
• 3.1.2 底层攻击行为
• 3.2 设计目标
• 3.3 时间帧设计
• 3.3.1 休眠机制
• 3.3.2 时间同步与信道使用
• 3.4 信道分配机制设计
• 3.4.1 初始化阶段
• 3.4.2 通信阶段
• 3.4.3 重组阶段
• 3.5 底层安全设计
• 3.5.1 攻击行为判定
• 3.5.2 攻击行为应对
• 3.6 小结
• 第四章 J-SIM仿真平台扩展
• 4.1 J-SIM概述
• 4.1.1 自治组件架构
• 4.1.2 无线传感器网络模型
• 4.2 无线传感器网络模型实现与扩展
• 4.2.1 目标节点
• 4.2.2 传感器节点
• 4.2.3 汇聚节点
• 4.2.4 能量输出接口
• 4.2.5 STC-MAC组件
• 4.3 小结
• 第五章 STC-MAC协议仿真实验与分析
• 5.1 仿真设定
• 5.1.1 仿真场景设定
• 5.1.2 能量模块设定
• 5.2 仿真流程
• 5.3 仿真输出
• 5.4 仿真结果与分析
• 5.4.1 能量有效性仿真与分析
• 5.4.2 底层攻击仿真与分析
• 5.5 小结
• 第六章 总结与展望
• 参考文献
• 成果目录
• 致谢