一种基于安全约束的无线传感器网络路由协议研究

论文摘要

无线传感器网络技术是一种集传感技术、微电子技术、通信技术、网络技术、信息技术等于一体的新兴技术。作为典型的无线传感器网络,其自身的自组织、动态性、易部署等特点使其有着广阔的应用前景,无线传感器网络技术可以应用于军事、安全生产及工业控制、环境地质监测、医疗护理、办公自动化、智能交通、空间探测等众多领域,而随着相关技术的发展,这必将极大地改变人们现有的生产生活方式。正因为无线传感器技术有着如此广的应用范围及将会对社会产生的深刻影响,目前很多国家都对此领域投入了巨大的人力、财力和物力进行相关的基础科学研究。目前无线传感器技术的研究重点主要集中于数据链路层及网络层,而网络层的路由协议研究则是各国学者的研究重点和热点。由于无线传感器网络有其自身的特点,这使得传统的有线及无线网络的路由协议不再简单地适应,而由于现阶段传感器节点技术及能源问题的局限,使得网络中的能耗问题一直是路由协议研究的重点及难点。同时由于无线传感器网络的应用相关性,在某些具体应用中的安全考虑也使得无线传感器网络的安全研究日益成为路由研究中的一个重要方向。此外,像节点定位、数据融合、网络中间件等技术也是无线传感器网络技术研究的重要方向。本文重点分析了无线传感器网络中的分簇式路由LEACH-C协议,指出了LEACH-C协议存在的能耗问题及安全问题,并在LEACH-C的基础上提出了改进思想。对于能耗问题,提出了基于多跳式的改进思想,然后在理论上给于了证明,最后在NS-2仿真平台上进行实验仿真；对于LEACH-C中的安全问题,提出了基于信标的安全认证机制,此认证机制可以充分保证网络中基站及节点的身份合法性及其通信时的安全问题。本文共分7章,各章内容归结如下：第1章详细了介绍无线传感器网络发展历史、发展过程及研究现状,总结了无线传感器网络的特点及相关的应用技术。第2章详细分析了无线传感器网络的框架结构,并具体分析了网络的通信协议栈,介绍了无线传感器网络的物理层、数据链路层、网络层、传输层及应用层的研究现状及存在的问题第3章主要分析了LEACH及LEACH-C协议的实现机制和工作原理,并具体分析了LEACH协议中使用的网络模型。第4章主要介绍了LEACH-C协议中存在的能量问题,并针对此问题提出了自己的改进思想,并从理论上进行证明。第5章主要介绍了LEACH-C协议的安全问题,并针对安全问题提出了基于信标的身份认证的思想,最后详细分析了改进后的安全状况。第6章主要是在NS-2平台上对第4、5章的改进进行了实验仿真。第7章对全文进行了总结,并提出了对未来工作的展望。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 无线传感器网络
• 1.2 无线传感器网络的特点
• 1.3 无线传感器网络的应用技术
• 1.4 无线传感器网络的研究现状
• 第2章 无线传感器网络网络体系结构分析
• 2.1 无线传感器网络框架分析
• 2.2 无线传感器网络的通信协议栈
• 2.3 物理层
• 2.4 数据链路层
• 2.5 网络层
• 2.5.1 平面网络路由协议
• 2.5.2 分级网络路由协议
• 2.5.3 地理位置路由协议
• 2.5.4 安全路由协议
• 2.6 传输层
• 2.7 应用层
• 2.8 本章小结
• 第3章 LEACH及LEACH-C协议原理分析
• 3.1 LEACH协议简介
• 3.2 LEACH协议的物理基础
• 3.3 LEACH协议的网络模型
• 3.4 协议算法过程
• 3.4.1 轮的建立阶段
• 3.4.2 轮的稳定阶段
• 3.5 LEACH-C协议
• 3.6 本章小结
• 第4章 集中式分簇多跳路由协议LEACH-CM
• 4.1 无线传感器节点能耗分析
• 4.2 LEACH-CM协议算法的能耗问题分析
• 4.3 LEACH-CM算法能耗优化性理论证明
• 4.3.1 信号路径模型
• 4.3.2 LEACH-CM算法优化性证明
• 4.4 LEACH-CM协议算法路由过程
• 4.4.1 LEACH-CM网络模型
• 4.4.2 LEACH-CM协议详细路由过程
• 4.5 本章小结
• 第5章 基于信标认证的安全路由协议LEACH-CS
• 5.1 LEACH-C协议的安全性分析
• 5.2 安全防范策略
• 5.2.1 非交互协议原理
• 5.2.2 LEACH-CS安全认证机制
• 5.3 LEACH-CS路由算法过程
• 5.3.1 LEACH-CS网络模型假设
• 5.3.2 LEACH-CS路由协议过程
• 5.4 LEACH-CS性能分析
• 5.5 本章小结
• 第6章 NS-2仿真实验
• 6.1 NS-2简介
• 6.2 NS-2对象模型
• 6.2.1 NS-2架构
• 6.2.2 NS-2原理
• 6.3 实验平台及仿真环境设置
• 6.4 LEACH-CM仿真实验
• 6.5 LEACH-CS仿真实验
• 6.6 本章小结
• 第7章 总结展望
• 7.1 工作总结
• 7.2 未来工作及展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和参加科研项目情况
• 附录A
• A1 安装cygwin
• A2 安装ns2
• A3 安装mit
• 附录B