無線傳感器網(wǎng)絡中可靠安全數(shù)據(jù)傳輸問題研究.pdf

1、多數(shù)應用中，無線傳感器網(wǎng)絡會被部署在惡劣動態(tài)的環(huán)境下，其數(shù)據(jù)傳輸必然面臨著內(nèi)部可靠性和外部安全性等問題。其中，前者主要來自實際拓撲變化、動態(tài)鏈路、人為干擾以及數(shù)據(jù)包碰撞等造成隨機性的丟包錯包現(xiàn)象，降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?、時效性等;而后者主要來自惡劣的軍事戰(zhàn)場或者商業(yè)應用中一些潛在的入侵攻擊等安全威脅，破壞數(shù)據(jù)的完整性、機密性、認證性以及可用性。這些問題在一般意義上可統(tǒng)稱為可靠性問題。
　　本文主要針對無線傳感器網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?/p>

2、問題，從內(nèi)部可靠性和外部安全性兩方面進行開展研究的。其主要研究工作如下:
　　(1)研究了無線傳感器網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?nèi)部可靠性問題?；跓o線信道的廣播特性，提出了一種更為一般化的協(xié)作匯聚拓撲模型GCCT，其中每跳的上行鏈路中具有特定數(shù)目的中繼節(jié)點協(xié)作來轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。GCCT融入多種協(xié)作關系來保證逐跳傳輸?shù)目煽啃裕瑢r間上的重傳冗余轉(zhuǎn)化為空間冗余，在保證可靠性的同時減小網(wǎng)絡傳輸延遲。同時，提出了一種簡化的分析模型，給出了GCCT可靠性

3、與能耗的理論分析。
　　(2)在GCCT的基礎上，設計了分布式的路徑寬度受限的編織多路徑協(xié)作傳輸機制WC-BMR及其改進機制MCWC-BMR，拓寬了原有傳統(tǒng)匯聚樹的傳輸路徑，使得網(wǎng)內(nèi)所有源節(jié)點到匯聚節(jié)點Sink的傳輸以編織交叉的形式限制在其主路徑（源節(jié)點到Sink的最短路徑）附近，解決了GCCT中路徑擴散的缺陷。傳輸路徑的寬度可隨著鏈路的異構分布與動態(tài)變化而得到自適應的調(diào)整。同時，給出的分布式時間調(diào)度策略可以有效避免協(xié)作多路徑傳輸

4、中相鄰兩跳間信道干擾或碰撞。MCWC-BMR引入了WC-BMR中存在的欠協(xié)作拓撲的檢測算法，即識別由于網(wǎng)絡部署或節(jié)點故障等造成前后兩跳傳輸?shù)目煽啃赃^度依賴主路徑的拓撲，并設計了實時的分布式協(xié)作機制。
　　(3)結合網(wǎng)絡編碼技術，設計了基于分布式壓縮冗余控制的多路徑網(wǎng)絡編碼機制DCRC-NC，實現(xiàn)對每一跳的冗余水平乃至局部節(jié)點的冗余水平進行自適應調(diào)整。編碼因子被引入以追蹤上一跳產(chǎn)生的編碼包被混入下一跳新產(chǎn)生的編碼包的情況，幫助節(jié)點壓

5、縮不必要的冗余。針對同一跳內(nèi)節(jié)點間鏈路的可靠性，分別給出了理想情況的集中式算法和考慮實際丟包的分布式算法。其中，分布式算法依據(jù)實時的局部網(wǎng)絡傳輸狀態(tài)調(diào)節(jié)節(jié)點的編碼行為，其性能隨著同跳內(nèi)鏈路丟包的減小而逐漸趨近于前者集中式算法。
　　(4)針對無線傳感器網(wǎng)絡的多對一的傳輸需求，設計了機會式匯聚網(wǎng)絡編碼協(xié)議ConvergeCode。不同于鏈路層的ACK反饋，正常數(shù)據(jù)包亦可作為隱式反饋，告知下游節(jié)點有哪些數(shù)據(jù)包已被解碼，還有哪些需要后續(xù)

6、補救，并幫助節(jié)點管理緩存空間。受益于樹結構，局部顯式反饋避免了從Sink發(fā)出的全局泛洪式反饋的高昂資源開銷。逐跳的隱式反饋和局部的顯式反饋幫助節(jié)點實時、高效地調(diào)整其編碼冗余，適應無線環(huán)境的動態(tài)變化。同時，當網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)流變得稀疏時，ConvergeCode可退化為端到端的機會路由模式，盡可能保證傳輸可靠性。
　　(5)研究了無線傳感器網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐獠堪踩詥栴}。深入研究了動態(tài)丟包環(huán)境下的自修復密鑰管理機制，來解決已有機制中頒布密鑰

7、消息的廣播通信效率低下、缺乏廣播認證、密鑰頒布次數(shù)受限、訪問多項式的災難性漏洞以及易受合謀攻擊等問題。在提出的安全模型中，合謀攻擊抵抗能力是從舊節(jié)點撤銷到新節(jié)點加入的密鑰頒布間隔而不是傳統(tǒng)的合謀節(jié)點數(shù)目來定義。還引入了災難性攻擊PF-Attack，用來攻破訪問多項式的安全性。最后，提出了兩種基于滑動修復窗口和改進的訪問多項式的自修復密鑰管理機制，允許實時地更新組管理節(jié)點和組成員之間的共享對密鑰，實現(xiàn)丟包環(huán)境下安全密鑰的頒布與維護。