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无线传感器网络基于多路径的可靠性路由算法研究

作　者: 王登第
导　师: 柴乔林
学　校: 山东大学
专　业: 计算机应用技术
关键词: 传感器网络多路径路由 RelnForM路由算法能耗均衡 OMNET++仿真
分类号: TP212.9
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

随着传感器技术、微机电系统、现代网络和无线通信等技术的进步,无线传感器网络孕育而生。经过近几年的研究和发展,无线传感器网络已经在环境监测、医疗监护、城市交通管理、仓储管理、军事侦察等领域初显成效。随着无线传感器网络的深入研究和广泛应用,无线传感器网络将逐渐深入到人类生活的各个领域。随着研究的深入,作为研究传感器网络中数据传输方法的重点技术,多路径可靠传输协议为近年来研究的热点。本文对目前提出的各种多路径可靠性路由算法进行了详细阐述,并分析了其研究现状与不足。在此基础上,通过总结传统可靠性路由算法的不足之处,以均衡网络能耗和延长网络生命周期为目的,提出了基于能量选择的ReInForM路由算法。该路由算法通过引入节点能耗量化评估机制,将邻居节点集合中待选节点按其能耗进行排序,在保证传输可靠性的前提下,优先选择能量消耗少,剩余能量多的节点,从而优化路由算法。新算法解决了在恶劣通信环境下,高可靠性路由算法的能耗均衡问题。新算法在均衡路由能耗,减少失效节点个数,延长网络生存时间方面取得了较好的效果。由于信息感知传输是无线传感器网络的固有要求,本文通过分析传统可靠性路由算法无差别的对待所有数据分组,不能使包含重要信息的数据分组优先传递到汇聚节点,在不重要的数据上耗费过多能量的缺点。针对此缺点本文通过引入传感器网络区分服务的机制,提出针对ReInForM路由算法的适应性转发方案,在保证网络数据传输的可靠性要求的前提下,优化传输机制,节约节点能量消耗,均衡网络负载,延长网络生命周期。针对传感器节点本身的脆弱性,使得传感器网络很容易受到假冒攻击,影响传输的可靠性。对此,本文提出了一种假冒攻击源检测方案。该方案利用基于身份的签名技术,结合节点报警规则,构造了基于邻居节点相互认证的单个试图假冒攻击源测定算法,以此为基础,扩充为针对局部区域内的多个试图假冒攻击源测定算法。该方案也提出了成功假冒攻击源测定算法,其中采用了汇聚节点监控排查恶意区域、普通节点认证转发报警消息机制。该方案适用于假冒攻击状况复杂,网络安全性要求较高的环境。最后,本文使用OMNET++仿真器对提出的两个多路径由算法和假冒攻击源检测算法进行仿真实验,并对实验结果进行详细地研究和分析,验证了上述算法的可行性和有效性。

全文目录

摘要  12-14
ABSTRACT  14-16
第一章绪论  16-21
  1.1 研究背景  16-17
  1.2 研究目的与意义  17-18
  1.3 论文组织  18-21
第二章无线传感器网络概述  21-31
  2.1 无线传感器网络概念  21
  2.2 无线传感器网络体系结构  21-23
    2.2.1 无线传感器网络结构  21-23
    2.2.2 无线传感器节点结构  23
  2.3 无线传感器网络通信协议理论  23-25
  2.4 无线传感器网络的特点  25-28
  2.5 无线传感器网络的性能评价  28-29
  2.6 本章小结  29-31
第三章无线传感器网络数据传输可靠性问题研究  31-56
  3.1 可靠数据传输的基本问题  31-33
    3.1.1 无线传感器网络可靠性定义  31-32
    3.1.2 影响传输可靠性的因素  32-33
  3.2 提高传输可靠性的方法  33-38
    3.2.1 链路重传机制  33-36
    3.2.2 纠错码机制  36-37
    3.2.3 多路径机制  37-38
  3.3 无线传感器网络多路径路由研究  38-54
    3.3.1 多路径路由相关概念  38-40
    3.3.2 多路径路由协议举例  40-49
    3.3.3 ReInForM多路径路由算法  49-54
      3.3.3.1 ReInForM路由协议的基本思想  49
      3.3.3.2 路由参数约定  49-50
      3.3.3.3 详细的ReInForM路由过程  50-52
      3.3.3.4 ReInForM路由算法流程图  52-53
      3.3.3.5 ReInForM路由算法分析  53-54
  3.4 无线传感器网络可靠路由协议设计准则  54-55
  3.5 本章小结  55-56
第四章基于能量选择的ReInForM路由算法研究  56-63
  4.1 改进算法的提出  56
  4.2 基于能量选择的ReInForM路由算法  56-62
    4.2.1 参数定义  57
    4.2.2 节点能耗评估机制  57-61
      4.2.2.1 估算EC(N_j)的值  57-59
        4.2.2.1.1 采用各路径能量消耗加权平均方式估算  57-58
        4.2.2.1.2 采用节点最小跳数方式估算  58-59
      4.2.2.2 计算EM(N_i,N_j)的值  59-60
      4.2.2.3 计算C_(N_iN_j)值  60-61
    4.2.3 E-ReInForM路由算法的基本过程  61-62
  4.3 E-ReInForM路由算法分析  62
  4.4 本章小结  62-63
第五章基于区分服务的ReInForM路由算法研究  63-71
  5.1 改进算法的提出  63-64
  5.2 基于区分服务的改进算法  64-69
    5.2.1 传感器网络的差异化服务  64-65
    5.2.2 传感器网络的区分服务  65-66
    5.2.3 基于区分服务的ReInForM路由算法  66-69
      5.2.3.1 网络部署环境  66
      5.2.3.2 基于区分服务的ReInForM路由算法的基本过程  66-67
      5.2.3.3 D-ReinForM路由算法的详细步骤  67-69
  5.3 算法分析  69-70
  5.4 本章小结  70-71
第六章传感器网络假冒攻击源检测方案  71-81
  6.1 传感器网络假冒攻击源检测方案的提出  71
  6.2 相关背景  71-74
    6.2.1 目前假冒攻击源检测方案  72-74
    6.2.2 基于身份的数字签名技术  74
  6.3 模型假设与参数定义  74-76
    6.3.1 网络模型假设  75
    6.3.2 网络拓扑结构建立  75-76
    6.3.3 恶意节点行为  76
  6.4 假冒攻击入侵检测机制描述  76-79
    6.4.1 节点报警规则  76-77
    6.4.2 总体检测步骤  77
    6.4.3 试图假冒攻击源测定算法  77-79
      6.4.3.1 假冒两跳以外节点  78
      6.4.3.2 假冒一跳节点  78
      6.4.3.3 假冒两跳节点  78-79
  6.5 成功假冒攻击源测定算法  79-80
  6.6 本章小结  80-81
第七章仿真实验  81-114
  7.1 仿真工具OMNET++简介  81-83
  7.2 仿真协议栈设计  83-95
  7.3 E-ReInForM路由算法仿真结果分析  95-100
    7.3.1 仿真场景和参数设置  95-97
    7.3.2 仿真结果分析  97-100
      7.3.2.1 网络整体能量消耗比较  97-98
      7.3.2.2 网络失效节点个数比较  98-99
      7.3.2.3 网络关键节点能量状况比较  99-100
    7.3.3 E-ReInForM路由算法小结  100
  7.4 D-ReInForM路由算法仿真结果分析  100-107
    7.4.1 仿真场景和参数设置  100-102
    7.4.2 仿真结果分析  102-106
      7.4.2.1 网络整体消耗能量比较  102-103
      7.4.2.2 网络整体失效节点个数比较  103-104
      7.4.2.3 H~-节点集合失效节点个数比较  104-105
      7.4.2.4 网络关键节点能量状况比较  105-106
      7.4.2.5 数据分组传输延迟比较  106
    7.4.3 D-ReInForM路由算法小结  106-107
  7.5 假冒攻击源检测算法结果分析  107-113
    7.5.1 仿真场景和参数设置  107-109
    7.5.2 仿真结果分析  109-113
      7.5.2.1 单个假冒源试图攻击检测结果  109-111
        7.5.2.1.1 算法有效性分析  109-110
        7.5.2.1.2 算法复杂度分析  110
        7.5.2.1.3 单个假冒源试图攻击测定算法与Krontiris算法比较  110-111
      7.5.2.2 多个假冒源试图攻击检测结果  111-112
        7.5.2.2.1 算法有效性分析  111
        7.5.2.2.2 算法复杂度分析  111-112
      7.5.2.3 成功假冒源攻击检测结果  112-113
        7.5.2.3.1 算法有效性分析  112-113
        7.5.2.3.2 算法复杂度分析  113
    7.5.3 假冒攻击源检测算法小结  113
  7.6 本章小结  113-114
第八章总结与展望  114-116
参考文献  116-125
致谢  125-126
攻读学位期间发表的学术论文  126-127
学位论文评阅及答辩情况表  127

无线传感器网络基于多路径的可靠性路由算法研究

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