无线传感器网络GEAR路由协议安全性研究

论文摘要

无线传感器网络是现代通信技术的一个重要的分支,也是目前研究的热点领域之一,随着传感器技术、微电子技术、无线通信技术的飞速发展,它已逐渐成为学术界与工业界的研究和应用热点技术,为信息获取与处理技术提供了全新的方式。通过传感器实时监测、采集各种环境或监测对象的信息,并以无线自组织网络的通信方式传送给用户。近年来,无线传感器网络逐步应用于民用、商用、工业以及军事等各个领域,其安全性变的越来越重要,因此如何保证无线传感器网络的通信安全也是无线传感器网络技术的研究热点之一。本文主要基于无线传感器网络中综合性能较好的GEAR路由协议来开展研究,针对GEAR协议不能抵御虚假路由、女巫攻击和选择性转发等弱点,设计了一种改进的安全路由协议GT-GEAR,相关研究工作及取得的具体成果有:（1）针对GEAR路由协议在解决路由空洞问题时时常出现短暂的路由环现象,使分组转发跳数增加,浪费更多的网络能量。GT-GEAR路由协议基于反馈避免的思想提出一种改进的解决路由空洞问题的方案,该方案能够有效地解决短暂路由环现象,从而减少分组转发跳数,节省网络能量,弥补了因增强GEAR安全性而需要的能耗。（2） GT-GEAR协议采用了对密钥预分配方案,并将网络划分成正三角形的网格模型,再利用网格的形式管理密钥。在该方案的网格模型中每对相邻单元与1个Blom矩阵相关联,因此该方案能很好的抵御虚假路由和女巫攻击,增强网络的抗攻击能力,同时减小了每个节点的存储开销。（3）针对选择性转发攻击,GT-GEAR路由协议增加了节点的信誉度的评价机制。在转发节点选择下一跳时综合考虑节点可信值、综合代价和节点的剩余能量,将该综合值最高的节点作为路由的下一跳,从而均衡了网络的能量消耗,并有效地抵御选择性转发攻击。论文从理论上对改进的GT-GEAR路由协议的安全性能进行了综合分析,并在相同的密钥预分配方案下,使用不同的网格对GT-GEAT协议分别进行仿真分析,结果表明:在网络安全连通率降低不明显的前提下,改进协议中节点的存储开销较小,网络抗攻击能力增强。然后在分别使用1个源节点与多个源节点的情景下,针对路由开销与分组投递率两个性能参数,分别对GT-GEAR与GEAR协议进行仿真,结果表明GT-GEAR协议比GEAR在性能上具有更好的表现。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 课题研究背景与意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 论文的主要工作与成果
• 1.4 论文的组织结构
• 2 无线传感器网络 GEAR 路由协议及其安全性分析
• 2.1 无线传感器网络简介
• 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 无线传感器网络的研究热点
• 2.1.4 无线传感器网络的应用
• 2.2 GEAR 路由协议的基本原理
• 2.2.1 分组发往目标区域阶段
• 2.2.2 在目标区域内散布数据分组
• 2.2.3 GEAR 路由协议中路由空洞的改进
• 2.3 GEAR 路由协议的特点
• 2.4 GEAR 路由协议的安全性分析
• 2.5 本章小结
• 3 无线传感器网络安全路由协议研究策略
• 3.1 无线传感器网络安全
• 3.1.1 无线传感器网络的安全需求和安全机制
• 3.1.2 无线传感器网络的攻击类型
• 3.2 无线传感器网络的认证机制
• 3.2.1 无线传感器网络的实体认证机制
• 3.2.2 无线传感器网络信息认证机制
• 3.3 无线传感器网络的密钥管理方案
• 3.3.1 预共享密钥模型
• 3.3.2 随机密钥预分布方案
• 3.3.3 对密钥预分配方案
• 3.3.4 其他的密钥管理方案
• 3.4 典型的GEAR 路由协议的改进协议
• 3.4.1 TD-GEAR 路由协议
• 3.4.2 E-GEAR 路由协议
• 3.4.3 其它的改进协议
• 3.5 本章小结
• 4 GT-GEAR 路由协议的设计
• 4.1 GT-GEAR 路由协议的设计目标及其设计思想
• 4.2 安全引导方案的设计
• 4.2.1 对密钥预分配方案
• 4.2.2 密钥管理方案
• 4.2.3 改进的密钥预分配过程
• 4.3 GT-GEAR 安全路由可信模型设计
• 4.3.1 简单的可信模型
• 4.3.2 可信模型的建立
• 4.3.3 邻居节点综合代价值的更新
• 4.4 GT-GEAR 安全路由协议的路由过程
• 4.5 本章小结
• 5 GT-GEAR 协议的安全性能分析与仿真
• 5.1 改进路由协议的性能分析
• 5.1.1 GT-GEAR 协议安全性能分析
• 5.1.2 GT-GEAR 协议安全性能证明
• 5.2 仿真软件介绍
• 5.2.1 NS2 简介
• 5.2.2 NS2 的原理
• 5.2.3 NS2 的仿真流程
• 5.3 GT-GEAR 路由协议的仿真分析
• 5.3.1 网络性能参数
• 5.3.2 网络仿真参数设置
• 5.3.3 仿真结果与分析
• 5.4 本章小结
• 6 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 作者在攻读学位期间发表的论文目录