无线传感器网络路由协议及密钥分配与管理技术的研究

论文摘要

无线传感器网络无论是在国家安全,还是国民经济诸方面均有着广泛的应用前景。未来,微型、高可靠、多功能、集成化的传感器,微型、大容量的能源,高效、高可靠的网络协议和操作系统,面向应用、低计算量的模式识别和数据融合算法,低功耗、自适应的网络结构,及在现实环境中的各种应用模式,会使传感器网络最终成为现实和数字世界的接口,深入人们生活的各方面,像互联网一样改变人们的生活方式。但在目前的科技水平下,生产低成本、低功耗、体积小的传感器节点,都不可避免的具有能量少（不可更换的电池供电）,计算及存储能力有限,仅支持短距离无线通信的特点。如何高效使用能量,最大化网络生存期是传感器网络面临的首要挑战。目前Multi-Sink无线传感器网络逐渐成为传感器网络领域的研究热点。由于现有的路由协议多是针对单sink节点的传感器网络提出的,并不适宜于Multi-Sink网络,因此,本文从如何设计高效,高可靠且适宜于Multi-Sink网络的路由协议的问题入手,尝试着设计了一种用于Multi-Sink无线传感器网络的基于标记的路由协议（MS-TBRP）。该协议的核心思想是根据多个sink节点的分布位置,对网络中所有节点按照距离sink节点的跳数进行标记,形成分层的网络拓扑,使用该协议能够为成千上万的传感器节点建立起到sink节点的能量高效的路由。为满足应用的可靠性和多样性需求,针对MS-TBRP协议本文提出了一些有益的改进措施,另外还提出了一种与MS-TBRP搭配使用的能量高效的MAC协议,并利用MS-TBRP的层次划分对无线传感器网络支撑技术作了改进。有些应用对于无线传感器网络所采集数据传输的安全有很高的要求,考虑到传感器网络的无线通信环境,缺少基础设施支持,以及节点在能量,计算及存储能力方面有限的特点,本文提出了一种用于分布式无线传感器网络的成对密钥分配与管理方法。它具有能量高效,节省节点存储空间等特点,算法本身也很简单。此外,可以根据需要加入新节点,撤销网络中不安全的节点,或是更新节点的密钥以增强网络的安全性,仿真结果证明了该方法具有很好的可扩展性。本文最后对所做的工作进行了总结,并提出了一些需要进一步研究的问题。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 无线传感器网络概述
• 1.1 引言
• 1.2 无线传感器网络体系结构
• 1.3 无线传感器网络中的传感器节点和汇聚节点
• 1.4 无线传感器网络的特点及与传统网络的区别
• 1.5 无线传感器网络设计中的挑战
• 1.6 无线传感器网络的应用现状
• 1.7 本文的结构
• 第二章 无线传感器网络研究背景
• 2.1 设计无线传感器网络路由协议的一般要求
• 2.2 无线传感器网络典型的路由协议分析与比较
• 2.2.1 以数据为中心的路由协议
• 2.2.2 分层路由协议
• 2.2.3 基于位置的路由协议
• 2.2.4 基于网络流的路由协议
• 2.3 无线传感器网络的能量管理概述
• 2.4 Multi-Sink无线传感器网络研究进展
• 2.5 无线传感器网络安全概述
• 2.6 本章小结
• 第三章 一种用于Multi-Sink无线传感器网络的基于标记的路由协议
• 3.1 问题的提出
• 3.2 问题的解决
• 3.3 算法描述
• 3.3.1 MS-TBRP
• 3.3.2 高可靠的MS-TBRP
• 3.3.3 面向多应用的MS-TBRP
• 3.4 与MS-TBRP路由协议配合使用的MAC协议
• 3.4.1 问题的提出
• 3.4.2 研究背景
• 3.4.3 问题的解决
• 3.5 利用MS-TBRP路由算法对Multi-Sink无线传感器网络支撑技术的改进
• 3.5.1 利用MS-TBRP帮助传感器节点的定位
• 3.5.2 将MS-TBRP用于传感器节点的时间同步
• 3.5.3 将MS-TBRP用于传感器节点的数据融合
• 3.6 仿真
• 3.7 本章小结
• 第四章 一种用于分布式无线传感器网络的成对密钥分配与管理方法
• 4.1 问题的提出
• 4.2 研究背景
• 4.3 密钥分配与管理
• 4.3.1 密钥预分配
• 4.3.2 密钥共享与发现
• 3.3.3 加入新节点
• 4.3.4 密钥增强（更新）
• 4.3.5 密钥撤销
• 4.4 可选的加密算法
• 4.5 仿真
• 4.6 本章小结
• 第五章 全文总结
• 5.1 总结与结论
• 5.2 未来研究工作
• 致谢
• 参考文献
• 个人简历
• 在校期间研究成果