一种基于区块链技术分组认证的PEGASIS路由扩展协议
发布时间：2021-10-04 22:21
链式无线传感器网络作为一种有着特殊拓扑结构的无线传感器网络,被广泛应用到国边境线、道路交通、井下矿道等狭长区域的监测之中。随着物联网技术的大规模普及,作为其感知层重要组成部分的无线传感器网络也随之被更为广泛、深入地部署。然而,无线传感器网络由于其节点价格较为低廉,其在计算、存储能力和能量方面存在着一定的限制,如何在资源受限的条件下提高网络的安全性成为了研究的热门内容。区块链作为比特币的底层技术之一,依靠数学手段和数据结构保障了其安全性和可靠性,其在物联网设备上的成功应用为无线传感器网络安全提供了新的解决思路。本文首先分析了区块链技术中的核心部分内容,对于区块头的构成以及Merkle树结构、查询进行了深入学习和了解;对已有的非均匀分簇、基于地理位置的分簇等无线传感器网络分簇算法进行了研究,并且分析了链式无线传感器网络中节点的分布特征。考虑到无线传感器节点有限的资源,本文提出了一种基于区块链技术分组认证的PEGASIS路由扩展协议。该扩展协议先引入了基于节点分布的概率模型并利用模型进行分组数目的计算,之后通过Merkle树对组内成员进行区块信息的构建,并通过区块信息构建组内互信,实现分组认...
【文章来源】：江西理工大学江西省
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
全球物联网设备数量
第一章绪论5图1.2中国物联网产业规模随着国内物联网产业规模的不断扩大，物联网产业产值不断提升，无线传感器网络作为物联网感知层的重要组成部分、作为物联网项目的“千里眼”、“顺风耳”，其所需攻克的难题也在不断增加。在无线传感器网络方面，国内学者也做了大量的研究和贡献。考虑到区块链技术中的Merkle树是通过哈希函数将区块内每个叶子节点的交易的哈希值存储至Merkle根的，而且Merkle树的寻址算法较为简便，于是将Merkle树应用到无线传感器网络中，提出了一种基于Merkle树的广播认证策略[15,16]。同时，也有学者考虑到链式无线传感器网络中的通信能耗和拥塞情况，提出了一种基于分组的节点部署方案[17]，该方案充分考虑到非均匀分布下节点的通信半径与能耗的关系，并以此为参考将整个网络中的节点进行分簇，起到了很好的节能、提高通信质量的作用。1.3研究内容本文主要内容是基于Matlab仿真平台，模拟本文方案中提出的机遇区块链技术的PEGASIS路由扩展协议。解决方案是首先根据传统的PEGASIS协议设计出基于区块链技术的安全方案，并针对Merkle可信树的特点来对无线传感器节点存储的信息进行优化和改进。最后在Matlab上对该方案进行仿真并分析结果。由于区块链应用于无线传感器网络安全的研究仍在探索阶段，本文的研究内容和思路可以作为此研究方向的一个参考。针对本文所要实现的结果，主要的研究内容如下所示：1.3.1无线传感器网络路由协议自上世纪90年代开始，无线传感器网络被提出并开始应用于军事领域，并逐渐向着民用领域转变。随着WSNs技术的不断发展、演变，其技术标准的制
第二章无线传感器网络与区块链技术11外部网络的桥梁，所以由基站对数据进行处理直接传输至移动端的管理者，或者接入互联网甚至卫星等传输至PC端，并将管理者下达的监测任务传递至监测区域，实现监管两方的交互。图2.2无线传感器网络结构示意图2.1.2WSNs的特点及应用WSNs作为无线Adhoc网络的一种特殊形式，除了基本的分布式网络、动态的拓扑结构、有限的能耗和存储资源、多跳通信自组织网络和有限的安全性等AdHoc网络所具有的特点之外，还有一些WSNs所独有的特点[40,41]：(1)资源受限明显：考虑到节点的成本及部署情况，节点在被部署于监测区域后将很难进行电池的更换等操作，因此每个节点所具有的用于计算、通信的能量资源是有限且不可补充的。同时，传感器节点所携带的都是计算能力较弱，只能进行简单的与或运算；存储空间较小的集成芯片，存储空间只有几百甚至几十K。相较于其他无线网络中的节点情况，WSNs的节点明显资源受限严重。(2)部署环境复杂：WSNs作为物联网感知层的关键技术，主要应用于目标区域的环境信息监测。监测区域多为无人值守的矿井、国边境线、交通道路沿线等地区，通常监测区域的范围较大且环境复杂多变，且所需部署的WSNs规模较大、节点达到上百甚至更多，这对无线传感器网络的稳定性和安全性提出了较高的要求，并且传统的普适性方案已经出现了弊端，针对不同环境下采取更加适合的协议成为了现行方案。(3)节点密度大、数据存在冗余：由于无线传感器节点的能耗受限，其通信半径也随之受到了限制，节点间的距离也就不能特别远，所以将存在某些区域内存在着大量的无线传感器节点，即节点分布的密度较大。因此在一定区域内大量部署的无线传感器节点所收集的环境信息有概率存在一定的冗余，甚至在距离终端节点较近范围内?
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于联盟链的微电网身份认证协议[J]. 张利华,胡方舟,黄阳,万源华,李晶晶. 应用科学学报. 2020(01)
[2]区块链在电力设备泛在物联网应用的关键技术及方案[J]. 江秀臣,罗林根,余钟民,傅晓飞,盛戈皞,刘亚东,钱勇. 高电压技术. 2019(11)
[3]基于区块链的防护物联网设备DDoS攻击方法[J]. 周启惠,邓祖强,邹萍,王秋生,李艳东,姜海森. 应用科学学报. 2019(02)
[4]认知无线传感器网络分簇路由协议综述[J]. 王继红,石文孝. 通信学报. 2018(11)
[5]基于联盟区块链的分布式能源交易认证模型[J]. 佘维,杨晓宇,胡跃,刘琦,刘炜. 中国科学技术大学学报. 2018(04)
[6]能源互联网中基于区块链的电力交易和阻塞管理方法[J]. 邰雪,孙宏斌,郭庆来. 电网技术. 2016(12)
[7]无线传感器网络中PEGASIS协议的研究与改进[J]. 刘伟强,蒋华,王鑫. 传感技术学报. 2013(12)
[8]一种基于LEACH与PEGASIS协议的分层成链优化路由算法[J]. 严英,郭丽,许建真. 传感技术学报. 2011(09)
[9]Merkle树遍历机制的改进及应用研究[J]. 刘芳,蔡永泉,王朝翔,鄢楚平. 计算机工程与应用. 2012(14)
[10]基于分级Merkle树的无线传感器网络广播认证策略[J]. 蒋毅,史浩山,赵洪钢. 系统仿真学报. 2007(24)
博士论文
[1]无线传感器网络节点认证与安全检测研究[D]. 黄建.中国科学技术大学 2012
硕士论文
[1]无线传感器网络多路径路由协议研究[D]. 李孟杰.吉林大学 2019
[2]基于merkle树的无线传感器网络安全的的研究与应用[D]. 杨志康.北京邮电大学 2018
[3]无线传感器网络多路径路由协议研究[D]. 朱文志.南京航空航天大学 2016
本文编号：3418443
【文章来源】：江西理工大学江西省
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
全球物联网设备数量
第一章绪论5图1.2中国物联网产业规模随着国内物联网产业规模的不断扩大，物联网产业产值不断提升，无线传感器网络作为物联网感知层的重要组成部分、作为物联网项目的“千里眼”、“顺风耳”，其所需攻克的难题也在不断增加。在无线传感器网络方面，国内学者也做了大量的研究和贡献。考虑到区块链技术中的Merkle树是通过哈希函数将区块内每个叶子节点的交易的哈希值存储至Merkle根的，而且Merkle树的寻址算法较为简便，于是将Merkle树应用到无线传感器网络中，提出了一种基于Merkle树的广播认证策略[15,16]。同时，也有学者考虑到链式无线传感器网络中的通信能耗和拥塞情况，提出了一种基于分组的节点部署方案[17]，该方案充分考虑到非均匀分布下节点的通信半径与能耗的关系，并以此为参考将整个网络中的节点进行分簇，起到了很好的节能、提高通信质量的作用。1.3研究内容本文主要内容是基于Matlab仿真平台，模拟本文方案中提出的机遇区块链技术的PEGASIS路由扩展协议。解决方案是首先根据传统的PEGASIS协议设计出基于区块链技术的安全方案，并针对Merkle可信树的特点来对无线传感器节点存储的信息进行优化和改进。最后在Matlab上对该方案进行仿真并分析结果。由于区块链应用于无线传感器网络安全的研究仍在探索阶段，本文的研究内容和思路可以作为此研究方向的一个参考。针对本文所要实现的结果，主要的研究内容如下所示：1.3.1无线传感器网络路由协议自上世纪90年代开始，无线传感器网络被提出并开始应用于军事领域，并逐渐向着民用领域转变。随着WSNs技术的不断发展、演变，其技术标准的制
第二章无线传感器网络与区块链技术11外部网络的桥梁，所以由基站对数据进行处理直接传输至移动端的管理者，或者接入互联网甚至卫星等传输至PC端，并将管理者下达的监测任务传递至监测区域，实现监管两方的交互。图2.2无线传感器网络结构示意图2.1.2WSNs的特点及应用WSNs作为无线Adhoc网络的一种特殊形式，除了基本的分布式网络、动态的拓扑结构、有限的能耗和存储资源、多跳通信自组织网络和有限的安全性等AdHoc网络所具有的特点之外，还有一些WSNs所独有的特点[40,41]：(1)资源受限明显：考虑到节点的成本及部署情况，节点在被部署于监测区域后将很难进行电池的更换等操作，因此每个节点所具有的用于计算、通信的能量资源是有限且不可补充的。同时，传感器节点所携带的都是计算能力较弱，只能进行简单的与或运算；存储空间较小的集成芯片，存储空间只有几百甚至几十K。相较于其他无线网络中的节点情况，WSNs的节点明显资源受限严重。(2)部署环境复杂：WSNs作为物联网感知层的关键技术，主要应用于目标区域的环境信息监测。监测区域多为无人值守的矿井、国边境线、交通道路沿线等地区，通常监测区域的范围较大且环境复杂多变，且所需部署的WSNs规模较大、节点达到上百甚至更多，这对无线传感器网络的稳定性和安全性提出了较高的要求，并且传统的普适性方案已经出现了弊端，针对不同环境下采取更加适合的协议成为了现行方案。(3)节点密度大、数据存在冗余：由于无线传感器节点的能耗受限，其通信半径也随之受到了限制，节点间的距离也就不能特别远，所以将存在某些区域内存在着大量的无线传感器节点，即节点分布的密度较大。因此在一定区域内大量部署的无线传感器节点所收集的环境信息有概率存在一定的冗余，甚至在距离终端节点较近范围内?
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于联盟链的微电网身份认证协议[J]. 张利华,胡方舟,黄阳,万源华,李晶晶. 应用科学学报. 2020(01)
[2]区块链在电力设备泛在物联网应用的关键技术及方案[J]. 江秀臣,罗林根,余钟民,傅晓飞,盛戈皞,刘亚东,钱勇. 高电压技术. 2019(11)
[3]基于区块链的防护物联网设备DDoS攻击方法[J]. 周启惠,邓祖强,邹萍,王秋生,李艳东,姜海森. 应用科学学报. 2019(02)
[4]认知无线传感器网络分簇路由协议综述[J]. 王继红,石文孝. 通信学报. 2018(11)
[5]基于联盟区块链的分布式能源交易认证模型[J]. 佘维,杨晓宇,胡跃,刘琦,刘炜. 中国科学技术大学学报. 2018(04)
[6]能源互联网中基于区块链的电力交易和阻塞管理方法[J]. 邰雪,孙宏斌,郭庆来. 电网技术. 2016(12)
[7]无线传感器网络中PEGASIS协议的研究与改进[J]. 刘伟强,蒋华,王鑫. 传感技术学报. 2013(12)
[8]一种基于LEACH与PEGASIS协议的分层成链优化路由算法[J]. 严英,郭丽,许建真. 传感技术学报. 2011(09)
[9]Merkle树遍历机制的改进及应用研究[J]. 刘芳,蔡永泉,王朝翔,鄢楚平. 计算机工程与应用. 2012(14)
[10]基于分级Merkle树的无线传感器网络广播认证策略[J]. 蒋毅,史浩山,赵洪钢. 系统仿真学报. 2007(24)
博士论文
[1]无线传感器网络节点认证与安全检测研究[D]. 黄建.中国科学技术大学 2012
硕士论文
[1]无线传感器网络多路径路由协议研究[D]. 李孟杰.吉林大学 2019
[2]基于merkle树的无线传感器网络安全的的研究与应用[D]. 杨志康.北京邮电大学 2018
[3]无线传感器网络多路径路由协议研究[D]. 朱文志.南京航空航天大学 2016
本文编号：3418443
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