安全關鍵無線傳感器網(wǎng)絡高效可信協(xié)議研究.pdf

1、安全關鍵無線傳感器網(wǎng)絡要求無線傳感器網(wǎng)絡具有嚴格的可靠性、實時性和安全性保證，確保數(shù)據(jù)高效、及時、可靠、安全的傳輸。其潛在應用涵蓋工業(yè)過程監(jiān)測控制、智能交通管理系統(tǒng)及智能醫(yī)療等安全關鍵系統(tǒng)，具有重要而廣泛的應用前景。
　　安全關鍵無線傳感器網(wǎng)絡的動態(tài)性、運行環(huán)境的開放性等因素為無線傳感器網(wǎng)絡高效可信協(xié)議設計帶來了巨大挑戰(zhàn)，設計協(xié)議時需要考慮資源有限性、網(wǎng)絡拓撲隨機性等不確定性因素，克服能耗分配不均衡、網(wǎng)絡生存時間短、安全評估性不足

2、等缺點，進而設計出高效、實時、安全、可靠的無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)議體系架構，本論文著重解決和深入探討了傳輸高效性、網(wǎng)絡容錯性、網(wǎng)絡安全性和隱私保護性四方面存在的主要問題。四個方面具體研究內容如下:
　　(1)基于蟻群優(yōu)化的高效數(shù)據(jù)收集協(xié)議。數(shù)據(jù)收集協(xié)議高效性影響著無線傳感器網(wǎng)絡的能耗分布，直接關系到網(wǎng)絡生存時間的長短?，F(xiàn)有方法缺乏動態(tài)拓撲結構設計和維護的有效方法，導致維護拓撲結構能耗較大，另外還存在節(jié)點能耗不均的現(xiàn)象。本文設計了一類基于

3、蟻群優(yōu)化的無線傳感器網(wǎng)絡高效數(shù)據(jù)收集算法(Data Aggregation based onAnt Colony Algorithm，DAACA)，將蟻群優(yōu)化理論與數(shù)據(jù)收集路由協(xié)議相結合。運用蟻群優(yōu)化中信息素指導收集節(jié)點和下一跳節(jié)點的選取，進而建立能量感知的動態(tài)網(wǎng)絡拓撲結構，均衡節(jié)點間能耗，減少傳輸跳數(shù)。設計信息素調整方法，動態(tài)調整網(wǎng)絡拓撲結構，不斷優(yōu)化數(shù)據(jù)收集樹。在此基礎上，設計了三種啟發(fā)式算法，從全局、信息素閾值和蟻群系統(tǒng)三個角度優(yōu)

4、化信息素的調整方法，進一步實現(xiàn)高效傳輸和能耗節(jié)約。實驗結果表明，DAACA的網(wǎng)絡生存時間更長、平均能耗更低、數(shù)據(jù)包傳輸跳數(shù)更少。
　　(2)跳躍式傳輸實時容錯路由協(xié)議。實時容錯路由協(xié)議能使網(wǎng)絡不會因為失效節(jié)點而出現(xiàn)傳輸中斷、數(shù)據(jù)丟失、網(wǎng)絡擁塞等現(xiàn)象，是實現(xiàn)網(wǎng)絡可信傳輸?shù)幕A?，F(xiàn)有實時容錯協(xié)議對可能存在的擁塞造成的影響估計不足、缺乏較為有效的反饋機制、傳輸成功率低。本文提出了一種面向安全關鍵無線傳感器網(wǎng)絡的實時容錯路由協(xié)議(Dyna

5、micjuMping Real time Fault tolerant protocol，DMRF)，網(wǎng)絡正常傳輸時，數(shù)據(jù)包以逐跳的形式從源節(jié)點發(fā)往Sink節(jié)點。當遭遇到網(wǎng)絡擁塞、失效節(jié)點、空區(qū)域或者數(shù)據(jù)包剩余時間百分比小于閾值時，采用跳躍式傳輸數(shù)據(jù)，避免上述情況造成的傳輸中斷現(xiàn)象，減少傳輸延遲，增加傳輸成功率。實驗結果表明，DMRF能夠有效防止失效節(jié)點、網(wǎng)絡擁塞、空區(qū)域造成的影響，是一種低復雜度、高效率、低功耗的實時容錯路由協(xié)議。

6、r>　　(3)網(wǎng)絡脆弱性評估與自私節(jié)點防護。安全關鍵無線傳感器網(wǎng)絡易遭受各類網(wǎng)絡攻擊、節(jié)點異常行為難以控制。為了減小攻擊帶來的破壞，常用的方法是對網(wǎng)絡進行脆弱性評估，加強對脆弱節(jié)點的保護。然而現(xiàn)有的評估算法對脆弱性和攻擊破壞性評估不夠準確。限制節(jié)點行為方面，現(xiàn)有方法雖然能夠檢測出自私節(jié)點，但缺乏對節(jié)點自私行為的控制。本文面向安全關鍵無線傳感器網(wǎng)絡從網(wǎng)絡脆弱性評估和自私節(jié)點防護兩個方面確保網(wǎng)絡的安全運行。網(wǎng)絡脆弱性評估方面，本文提出了節(jié)點

7、俘獲攻擊下靜態(tài)網(wǎng)絡和動態(tài)網(wǎng)絡的脆弱性評估方法，從攻擊者的角度分析出網(wǎng)絡的脆弱環(huán)節(jié)，將網(wǎng)絡的脆弱性評估轉化為攻擊者攻擊破壞性評估。靜態(tài)網(wǎng)絡中，根據(jù)節(jié)點、鏈路、路徑、路由間共享密鑰關系，分別從攻擊圖、矩陣和攻擊效率三個不同角度建模并評估攻擊的破壞性。在動態(tài)網(wǎng)絡中，建立連通支配集作為網(wǎng)絡的虛擬骨架，分析攻擊網(wǎng)絡骨架中節(jié)點造成的破壞，從集中式和分布式兩個角度實施攻擊，以達到破壞最大化。節(jié)點自私行為限制方面，運用博弈理論設計節(jié)點的交互方式，限制節(jié)

8、點行為，從簇內和簇間兩個角度對節(jié)點行為建模并限制自私行為，防止自私節(jié)點對網(wǎng)絡造成影響。實驗表明，在脆弱性評估方面，本文攻擊方法能夠獲得更高的攻擊效率和更大的破壞性，進而更加準確地評估網(wǎng)絡的脆弱性。自私節(jié)點防御方面，能夠有效控制節(jié)點行為，使自私節(jié)點與正常節(jié)點行為無異，進而均衡網(wǎng)絡能量消耗，延長網(wǎng)絡生存時間。
　　(4)基于混合聚類的無線傳感器網(wǎng)絡隱私保護算法。安全關鍵無線傳感器網(wǎng)絡中，一旦數(shù)據(jù)包中關于節(jié)點位置、身份等重要信息的敏感數(shù)

9、據(jù)被截獲，節(jié)點的位置隱私和數(shù)據(jù)隱私將遭到破壞?，F(xiàn)有隱私保護方法雖能用時空匿名的方法隱藏節(jié)點的精確位置信息，但忽視了數(shù)據(jù)與位置間內在關聯(lián)關系，因此為了保護節(jié)點的位置信息，需要從位置隱私和數(shù)據(jù)隱私兩方面同時采取措施。本文提出了一種面向安全關鍵無線傳感器網(wǎng)絡的混合聚類隱私保護協(xié)議(Enhanced ClusterCloak，ECC)，能夠同時保護節(jié)點的位置隱私和數(shù)據(jù)隱私。位置隱私保護方面，采用K均值聚類，迭代劃分區(qū)域，滿足K匿名的前提下，保證