一种安全的无线传感网区域概率路由算法

摘要

半导体技术的快速发展引领人类跨入了信息世界的大门，人类对于信息的渴望达到了前所未有的地步。在此背景下，研究人员设计了无线传感器网络。无线传感网的性能很大程度上依赖于路由算法，研究人员希望通过设计高效、稳定的路由算法以延长网络的生命周期，提高网络的可用性。然而受到传感器节点诸多能力的限制，使得在设计路由算法时存在很大困难。
　　本文拟提出的安全无线传感网概率路由算法，是一种基于多项式密钥分配方案的区域概率路由算法，该算法在综合考虑多个因素基础上计算转发概率分布。以计算得到的概率分布值为基础，随机选择下一跳转发节点，这样使得节点在选择下一跳转发节点时能够综合考虑候选节点的当前状态，很大程度可以避免将数据包转发到不合适的节点中，同时该算法使用本文提出的多多项式密钥分配方案协商密钥，使得在通信过程中始终处于加密状态，极大的提高了网络的安全性。
　　本文拟提出的多多项式密钥分配方案，是一种结合q-composite方案和Blundo方案的密钥分配方案。该方案在节点部署前由服务器生成大量多项式，随机选择部分多项式分配给传感器节点。传感器节点在建立通信时，选择相同的多项式，使用节点ID作为参数计算密钥。在本方案中，节点每次计算多个多项式，每次发送数据时随机使用密钥进行加密，这就避免了q-composite方案中密钥容易遭到泄露的缺陷，提高了密钥的安全性。结果表明该方案在安全性和连通性方面有较大的优势，具有较佳的扩展性，但是资源开销方面存在一定不足。
　　最后本文使用C＃语言对提出的安全概率路由算法进行了仿真实验。首先分析了不同配置参数对网络的能量消耗、延迟以及负载均衡的影响，结果表明在大部分情况下配置的参数都能使得网络性能满足期望。当参数配置满足一定关系时，可以使得网络的性能达到最佳。其次本文对数个类似的路由算法进行了对比仿真分析，结果表明，本文拟提出的安全概率路由算法在能量消耗、路由效率、生命周期等方面都具有较大的优势。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．2．密钥分配方案研究现状

1．3 主要研究内容

1．4 本文结构安排

第2章 相关理论与工作

2．1 无线传感器网络概述

2．1．1．无线传感器网络体系结构

2．1．2．无线传感器网络的特点

2．1．3．无线传感器网络的应用

2．2 无线传感器网络路由算法

2．2．1．无线传感器网络路由算法特点

2．2．2．相关路由算法介绍

2．3 密钥分配方案介绍

2．3．1．基于密钥池的随机密钥分配方案

2．3．2．基于多项式的动态密钥分配方案

2．4 本章小结

第3章 多多项式密钥分配方案

3．1 密钥分配流程介绍

3．1．1．密钥分配方案建立阶段

3．1．2．密钥直接协商阶段

3．1．3．密钥间接协商阶段

3．2 密钥分配方案性能分析

3．2．1．连通隆分析

3．2．2．安全l生△析

3．2．3．资源开销分析

3．2．4．扩展性分析

3．3 相关方案对比分析

3．3．1．安全l生!对比分析

3．3．2．连通性对比分析

3．3．3．资源开销对比分析

3．3．4．扩展性对比分析

3．4 本章小结

第4章 安全的区域概率路由算法

4．1 路由算法概述

4．2 计算方法介绍

4．2．1．符号定义

4．2．2．能量消耗计算

4．2．3．性能比较计算

4．2．4．网络生命周期和负载

4．3 相关基本模型介绍

4．3．1．区域的定义

4．3．2．方向角分布

4．3．3．传输距离分布

4．3．4．垂直距离分布

4．3．5．剩余能量分布

4．4 算法流程介绍

4．5 算法性能分析

4．5．1．控制参数上限分析

4．5．2．转发概率分布的期望和方差

4．5．3．转发概率分布随时间变化分析

4．5．4．邻居节点的生命周期分析

4．5．5．邻居节点的负载均衡分析

4．6 本章小结

第5章 仿真实验与结果分析

5．1 实验环境介绍

5．2 仿真实验与分析

5．2．1．控制参数选择分析

5．2．2．MPKDS参数对SZPR的影响分析

5．2．3．对比仿真分析

5．3 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 工作总结

6．2 工作展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果