无线传感器网络中路由协议及其安全性研究

论文摘要

随着微处理器、存储器和无线通信技术的发展,出现了体积更小、价格更低的具有感知、运算和通信能力的微型传感节点。由此类节点协同工作,构成的无线传感器网路（Wireless Sensor Networks, WSN）,采用自组织的方式,获取、处理被监测区域的若干属性数据,为观察者提供数据查询、统计等服务。无线传感器网络被广泛应用在无人值守区域的数据监测（包括环境保护、森林防火、灾难预测、精细农业等）,和军事作战,反恐安全,交通流量控制等领域,关系到人们生产、生活中的重大问题,因此得到学术界的广泛关注。由于无线传感器网络的节点能量不可再生,通信带宽有限,节点存储和运算能力有限,使得Internet中的网络技术不能被移植到无线传感器网络中；无线自组网在能量供给、节点运算能力等方面与WSN也有本质区别。因此必须为WSN建立新的网络体系结构。目前研究者的研究热点集中在通信协议、安全性与可靠性、测试平台与测试工具、数据管理技术、节点定位与拓扑发现和节点系统等。WSN体系结构中网络层的主要任务是实现路由技术。无线传感器网络采用多跳路由的数据传输机制。节点能量供应等方面的限制要求路由算法简便、存储信息量小、节点间通信量小等。平面路由协议中的节点地位平等,可以防止瓶颈的产生。分簇路由协议在能耗方面表现突出。由于WSN采用的开放式的无线通信信道和节点的无人监守,使WSN在安全性方面面临很大挑战。其中针对网络层的攻击可以造成信息中断,篡改,部分被隔离或全网死亡等。因此,在研究路由协议的基础上,设计和提出抵御入侵且提供节点认证的安全路由协议十分必要。本文在介绍了无线传感器网络的基本概念和典型应用的基础上,研究了WSN中的已有路由协议及其安全性,提出了路由协议设计原则,给出了在网络层进行安全性研究的框架。依据框架结构,提出了基于确定度的安全路由协议,它以确定度为依据,选取密钥,动态调整密钥长度和运算复杂度,解决了为不同应用需求提供不同等级安全路由的问题,并在MICAZ无线传感器网络套件上实现了该协议,进行了通信量和能耗分析。在带有入侵检测的安全路由协议中,提出了一个分簇的路由协议。在协议的认证阶段,发动簇内节点,对当选簇头进行分布式地身份验证,降低了对基站的依赖度。NS-2模拟结果表明,此协议在网络连通率,入侵容忍能力、能耗方面均表现良好。在考虑多个QoS指标的前提下,研究并提出了多媒体传感器网络中的安全路由协议。此协议为多媒体传感器节点提供低延迟、高效节能的数据投递服务。在多媒体数据包中加入了伪随机码,以很小的数据冗余和运算开销,保证了多媒体数据的安全性。最后对当前国内外进行无线传感器网络相关问题研究时涉及的仿真、测试手段进行了分析研究,并提出了适合于路由协议研究的测试平台的设计和实现。平台由硬件系统和软件系统两部分组成。自行开发的硬件节点处理器采用ATmega128L,无线收发芯片采用Chipcon公司生产的CC2420,并植入了TinyOS2.0操作系统。软件平台借鉴了中科院软件所的WTS2.0系统。测试平台解决了在模拟环境中因模型简化、缺少突发情况造成的数据偏差问题。为今后的路由协议研究工作提供了先进的测试环境。上述协议和算法以无线传感器网络中路由协议的节能性和安全性为出发点,结合了密码技术、路由发现技术和伪随机码技术等,在网络层的安全框架内占有重要地位。本文通过实验,对文中提出算法和协议的能耗、网络连通率、对入侵的抵御能力等指标进行了测试,并对实验结果进行了分析和评价。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 无线传感器网络概述
• 1.1.1 WSN中的概念
• 1.1.2 WSN的特点
• 1.2 WSN中的路由协议
• 1.2.1 路由协议概况
• 1.2.2 路由协议中的安全性分析
• 1.2.3 课题研究背景
• 1.3 论文工作的内容与意义
• 1.4 本文组织结构
• 第二章 无线传感器网络中的路由安全框架
• 2.1 路由层的攻击模型
• 2.2 WSN中路由协议的安全性分析
• 2.2.1 定向扩散协议
• 2.2.2 LEACH协议
• 2.2.3 TEEN协议
• 2.3 路由安全需求
• 2.4 保障路由安全的策略
• 2.5 安全的路由层框架
• 2.6 小结
• 第三章 基于确定度的安全路由算法
• 3.1 研究背景
• 3.2 问题描述
• 3.3 CBSR算法
• 3.3.1 簇的建立
• 3.3.2 数据传输阶段的安全性设计
• 3.3.3 CBSR的有限状态机
• 3.4 CBSR在Mica2无线传感器网络套件上的实现
• 3.5 性能评价
• 3.6 小结
• 第四章 带有分布式入侵检测的安全路由协议
• 4.1 研究背景
• 4.2 带有分布式入侵检测的分簇路由协议的设计思想
• 4.2.1 设计目标及主要思想
• 4.2.2 随机密钥预分配算法
• 4.2.3 簇头选举算法
• 4.2.4 簇的建立
• 4.2.5 簇内通信
• 4.2.6 安全性分析
• 4.3 带有分布式入侵检测的分簇路由协议的实现
• 4.3.1 DID的物理基础
• 4.3.2 DID协议的实现
• 4.3.3 DID定量的安全性分析
• 4.4 协议的仿真实现与性能测试
• 4.4.1 仿真环境
• 4.4.2 仿真实现
• 4.4.3 性能评价
• 4.5 小结
• 第五章 多媒体无线传感器网络路由协议及其安全性
• 5.1 研究背景
• 5.2 REAR协议的基本思想与总体设计
• 5.2.1 REAR协议概述
• 5.2.2 QoS指标选取
• 5.2.3 REAR协议基本思想
• 5.2.4 REAR协议总体设计
• 5.3 REAR协议的详细设计
• 5.3.1 REAR协议状态机
• 5.3.2 REAR协议中的数据结构
• 5.4 REAR协议的实现与评价
• 5.4.1 协议的实现
• 5.4.2 实验条件设置
• 5.4.3 性能评价
• 5.5 小结
• 第六章 无线传感器网络硬件测试平台的设计与实现
• 6.1 研究背景
• 6.2 无线传感器网络节点-NAC的总体结构设计
• 6.3 无线传感器网络节点硬件详细设计
• 6.3.1 数据处理模块设计
• 6.3.2 传感器模块
• 6.3.3 无线通信模块
• 6.3.4 电源管理模块
• 6.3.5 串口通讯模块
• 6.3.6 CC2420与ATmega128L的ISP接口
• 6.3.7 性能评价
• 6.4 测试平台软件设计
• 6.5 小结
• 第七章 结论与今后工作展望
• 7.1 本文主要贡献
• 7.2 对今后工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士期间发表的论文
• 主要科研经历
• 作者简介
• 附录A DID协议中的数据结构
• 附录B DID在NS-2仿真中的新增变量
• 附录C REAR中的数据结构