无线传感器网络中可靠安全数据传输问题研究

发布时间：2019-09-02 06:50

【摘要】：多数应用中,无线传感器网络会被部署在恶劣动态的环境下,其数据传输必然面临着内部可靠性和外部安全性等问题。其中,前者主要来自实际拓扑变化、动态链路、人为干扰以及数据包碰撞等造成随机性的丢包错包现象,降低数据传输的可靠性、时效性等;而后者主要来自恶劣的军事战场或者商业应用中一些潜在的入侵攻击等安全威胁,破坏数据的完整性、机密性、认证性以及可用性。这些问题在一般意义上可统称为可靠性问题。本文主要针对无线传感器网络中数据传输的可靠性问题,从内部可靠性和外部安全性两方面进行开展研究的。其主要研究工作如下:(1)研究了无线传感器网络中数据传输的内部可靠性问题。基于无线信道的广播特性,提出了一种更为一般化的协作汇聚拓扑模型GCCT,其中每跳的上行链路中具有特定数目的中继节点协作来转发数据包。GCCT融入多种协作关系来保证逐跳传输的可靠性,将时间上的重传冗余转化为空间冗余,在保证可靠性的同时减小网络传输延迟。同时,提出了一种简化的分析模型,给出了 GCCT可靠性与能耗的理论分析。(2)在GCCT的基础上,设计了分布式的路径宽度受限的编织多路径协作传输机制WC-BMR及其改进机制MCWC-BMR,拓宽了原有传统汇聚树的传输路径,使得网内所有源节点到汇聚节点Sink的传输以编织交叉的形式限制在其主路径(源节点到Sink的最短路径)附近,解决了 GCCT中路径扩散的缺陷。传输路径的宽度可随着链路的异构分布与动态变化而得到自适应的调整。同时,给出的分布式时间调度策略可以有效避免协作多路径传输中相邻两跳间信道干扰或碰撞。MCWC-BMR引入了 WC-BMR中存在的欠协作拓扑的检测算法,即识别由于网络部署或节点故障等造成前后两跳传输的可靠性过度依赖主路径的拓扑,并设计了实时的分布式协作机制。(3)结合网络编码技术,,设计了基于分布式压缩冗余控制的多路径网络编码机制DCRC-NC,实现对每一跳的冗余水平乃至局部节点的冗余水平进行自适应调整。编码因子被引入以追踪上一跳产生的编码包被混入下一跳新产生的编码包的情况,帮助节点压缩不必要的冗余。针对同一跳内节点间链路的可靠性,分别给出了理想情况的集中式算法和考虑实际丢包的分布式算法。其中,分布式算法依据实时的局部网络传输状态调节节点的编码行为,其性能随着同跳内链路丢包的减小而逐渐趋近于前者集中式算法。(4)针对无线传感器网络的多对一的传输需求,设计了机会式汇聚网络编码协议ConvergeCode。不同于链路层的ACK反馈,正常数据包亦可作为隐式反馈,告知下游节点有哪些数据包已被解码,还有哪些需要后续补救,并帮助节点管理缓存空间。受益于树结构,局部显式反馈避免了从Sink发出的全局泛洪式反馈的高昂资源开销。逐跳的隐式反馈和局部的显式反馈帮助节点实时、高效地调整其编码冗余,适应无线环境的动态变化。同时,当网内数据流变得稀疏时,ConvergeCode可退化为端到端的机会路由模式,尽可能保证传输可靠性。(5)研究了无线传感器网络中数据传输的外部安全性问题。深入研究了动态丢包环境下的自修复密钥管理机制,来解决已有机制中颁布密钥消息的广播通信效率低下、缺乏广播认证、密钥颁布次数受限、访问多项式的灾难性漏洞以及易受合谋攻击等问题。在提出的安全模型中,合谋攻击抵抗能力是从旧节点撤销到新节点加入的密钥颁布间隔而不是传统的合谋节点数目来定义。还引入了灾难性攻击PF-Attack,用来攻破访问多项式的安全性。最后,提出了两种基于滑动修复窗口和改进的访问多项式的自修复密钥管理机制,允许实时地更新组管理节点和组成员之间的共享对密钥,实现丢包环境下安全密钥的颁布与维护。(6)研究了自修复密钥管理机制中影响密钥修复性能和通信开销的滑动修复窗口大的自适应选择。定义了自修复密钥管理机制的安全性指标,如节点密钥同步、安全关联以及安全服务性能。分析并建立了广播链路的丢包率和滑动窗口对网络安全性能的数学模型。接着设计了动态的滑动窗口选择机制,采用查表方式来优化计算和存储开销。
【图文】：

典型体,无线传感器网络,输送网络,多跳网络

．．ＷＳＮ的典型网络系统是由传感节点巧ｅｎｓｏｒ邋ｎｏｄｅ）、汇聚节点（Ｓｉｎｋ）、输送网（Ｔｒａｎｓｐｏｒｔｉｎｇｎｅｔｗｏｒｋ）、客户终端（Ｃｌｉｅｎｔ）四部分组成，如图１．２．１所示。大规模传感节Ｗ随机抛撤或人工放置等方式被部署在监测区域内部或者周围，自组织地形成智能信收集与传输的无线多跳网络，实时或周期性地捕获被监测对象的属性信息。输送网络＾＾ｉ多种传输方式，比如汇聚树协议［１３－１５］、移动Ｓｉｎｋ［ｉ６－ｉｓ］Ｗ及分簇数据收集［１９－２１］，，将这些

多路径,多路径路由,不相交,示例

点发送数据。相比于单路径路由，多路径路由增加了无线冗余链路，在提、吞吐量、均衡负载、容错恢复Ｗ及信息安全等方面具有明显的优势点到目的节点的多条路径之间的相交关系，多路径路由可Ｗ分为不相交多路多路径路由ｔｗｉ，如图１．３．１所示。前者中每条路径都是相互独立的，而后点或者公共链路。逡逑
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP212.9;TN929.5

【引证文献】