無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可生存理論與技術(shù)研究

內(nèi)容概要

　　《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可生存理論與技術(shù)研究》首先從多重覆蓋、多連通拓撲、多路徑傳輸3個方面介紹了容錯的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可生存技術(shù)；考慮到入侵與故障的不同，區(qū)分了容錯和容侵這兩個概念。在此基礎(chǔ)上，討論了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全結(jié)構(gòu)、入侵檢測及生存性定量評估技術(shù)。隨后，以移動節(jié)點的定向補位和播撒節(jié)點作為更新性補償資源，研究了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自再生的可生存技術(shù)。最后，從應(yīng)用出發(fā)，定義系統(tǒng)的關(guān)鍵服務(wù)，根據(jù)關(guān)鍵服務(wù)的需求，設(shè)計了應(yīng)用驅(qū)動、緊急優(yōu)先的MAC協(xié)議，探索在條件受限情況下保證優(yōu)先級任務(wù)的“應(yīng)用可生存技術(shù)”。　　《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可生存理論與技術(shù)研究》可以作為傳感網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等相關(guān)技術(shù)人員的參考資料，也可以作為計算機、通信、網(wǎng)絡(luò)等相關(guān)專業(yè)研究生學(xué)習(xí)可生存技術(shù)的參考書。

作者簡介

王良民，男，生于1977年9月，博士，東南大學(xué)博士后，江蘇大學(xué)計算機科學(xué)系主任，副教授，碩士生導(dǎo)師，江蘇省青藍工程優(yōu)秀青年骨干教師，國家留學(xué)基金資助人員和博士后科學(xué)基金特別資助第一批資助人員，擔(dān)任過國家自然科學(xué)基金、江蘇省自然科學(xué)基金項目評審專家。
    主要研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中信息安全技術(shù)，先后主持了國家自然科學(xué)基金項目、國家博士后科學(xué)基金項目、江蘇省自然科學(xué)基金青年科技創(chuàng)新人才項目、江蘇省博士后科研計劃項目及江蘇大學(xué)高級人才啟動項目。發(fā)表論文近60篇，被SCI、El檢索40余次，申請公開國家技術(shù)發(fā)明專利5項，為TON、SPL、JWCN和CJE等SCI期刊審稿專家，曾任ACM SNA2010的TPC成員。
    廖聞劍，高級工程師，碩士生導(dǎo)師，江蘇省民盟新社會階層人士聯(lián)誼會副會長，江蘇省網(wǎng)絡(luò)信息安全工程技術(shù)研究中心主任，南京市中青年行業(yè)技術(shù)學(xué)科帶頭人。
    主要研究網(wǎng)絡(luò)安全及無線系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)，主持“十一五”國家科技支撐計劃項目子課題，發(fā)改委應(yīng)用示范項目及江蘇省軟件企業(yè)專項引導(dǎo)項目，申請專利1項。在通信領(lǐng)域?qū)W會會議或期刊上發(fā)表論文20余篇。獲得過國家科技進步獎二等獎和公安部科技進步獎二等獎。

書籍目錄

目　錄 第1章　概述　11.1　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)　11.2　可生存性的定義及特點　21.3　可生存與信息安全技術(shù)　31.3.1　以防范入侵為特色的信息保護階段　41.3.2　以入侵檢測為代表的信息保障階段　41.3.3　以容忍入侵為核心的生存技術(shù)階段　41.4　可生存技術(shù)的分類　51.4.1　先應(yīng)式可生存技術(shù)　61.4.2　反應(yīng)式可生存技術(shù)　61.4.3　自再生的生存技術(shù)　71.5　本書的章節(jié)安排　7參考文獻　9第2章　覆蓋與冗余的多重覆蓋　112.1　網(wǎng)絡(luò)覆蓋與覆蓋控制　112.1.1　節(jié)點感知模型　112.1.2　節(jié)點部署方式　122.1.3　相關(guān)術(shù)語　132.2　覆蓋控制算法　152.2.1　算法評價指標(biāo)　152.2.2　目標(biāo)覆蓋　162.2.3　柵欄覆蓋　172.2.4　區(qū)域覆蓋　182.3　典型的k重覆蓋算法　192.3.1　基于圓周覆蓋的k重覆蓋判定算法　202.3.2　基于交叉點覆蓋的k重覆蓋配置協(xié)議　212.3.3　基于k效益的連通k重覆蓋近似算法　222.3.4　基于Voronoi圖的k判定覆蓋算法　222.3.5　基于支配集的k重覆蓋求解算法　232.3.6　基于ε-net的k重覆蓋求解算法　242.4　k-CAPSM：基于感知概率模型的k重覆蓋算法　242.4.1　背景問題與網(wǎng)絡(luò)模型　252.4.2　k-CAPSM的算法描述　262.4.3　算法分析　312.5　小結(jié)　35參考文獻　36第3章　拓撲控制及其生存性　393.1　拓撲控制的基本問題　393.1.1　拓撲控制的研究目標(biāo)　393.1.2　拓撲控制的數(shù)學(xué)模型　403.2　典型的拓撲生成協(xié)議　413.2.1　功率控制　413.2.2　分層結(jié)構(gòu)　433.2.3　節(jié)點輪值　453.3　可生存拓撲研究　463.3.1　容錯拓撲　463.3.2　容忍入侵研究的必要性　473.3.3　可生存拓撲需要研究的問題　483.4　基于時間片的低功耗分簇算法　493.4.1　LEACH協(xié)議分析　493.4.2　算法的實現(xiàn)　513.4.3　仿真實驗分析與相關(guān)工作比較　543.5　節(jié)能的冗余拓撲生成方法　583.5.1　SoRCA的冗余拓撲結(jié)構(gòu)　583.5.2　SoRCA性能分析　593.5.3　改進的SoRCA方法　603.5.4　性能分析　623.6　小結(jié)　64參考文獻　65第4章　多徑路由與可靠數(shù)據(jù)傳輸　694.1　概述　694.1.1　鏈路可靠性技術(shù)　694.1.2　多路徑技術(shù)　704.2　典型的數(shù)據(jù)傳輸路徑可生存研究　714.2.1　ARRIVE　　714.2.2　INSENS　　724.2.3　MVMP　　744.3　基于移動代理的多徑路由協(xié)議　764.3.1　預(yù)備知識　774.3.2　移動代理的引入　784.3.3　多路徑建立過程　794.3.4　仿真實驗與結(jié)果分析　814.4　基于多路徑的數(shù)據(jù)可靠傳輸方法　834.4.1　提高傳輸可靠性　844.4.2　基于冗余路徑的可靠數(shù)據(jù)傳輸方法　844.4.3　分析與實驗　894.5　小結(jié)　91參考文獻　91第5章　容錯與容侵　935.1　概述　935.2　路由攻擊與應(yīng)對　945.2.1　路由攻擊方法　945.2.2　應(yīng)對措施建議　965.3　拓撲攻擊　995.3.1　拓撲攻擊方法　995.3.2　特定協(xié)議的攻擊分析　1015.4　拓撲容錯與容侵　1025.4.1　基本概念　1025.4.2　一個引例　1035.4.3　兩種觀點　1045.4.4　形式化的定義與分析　1055.4.5　容錯度與容侵度　1065.5　伯努利節(jié)點網(wǎng)絡(luò)模型的容錯度與容侵度　1075.6　分析與討論　1095.6.1　傳感器網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)容忍能力分析　1095.6.2　相關(guān)工作比較　1115.7　容侵拓撲的網(wǎng)絡(luò)配置應(yīng)用　1125.8　小結(jié)　113參考文獻　113第6章　安全結(jié)構(gòu)與可生存性　1166.1　三層安全體系　1166.2　密鑰管理技術(shù)　1176.2.1　密鑰管理的目標(biāo)與特點　1186.2.2　對稱密鑰管理方案　1196.2.3　非對稱密鑰管理方案　1256.2.4　廣播中的組密鑰管理方案　1276.2.5　基于混合網(wǎng)絡(luò)的密鑰管理方案　1286.2.6　分析與總結(jié)　1306.3　一種門限方案　1336.3.1　生成主密鑰　1346.3.2　會話密鑰協(xié)商　1356.3.3　安全結(jié)構(gòu)的容侵性　1356.3.4　密鑰更新　1366.4　小結(jié)　136參考文獻　137第7章　攻擊檢測技術(shù)　1437.1　攻擊檢測技術(shù)概述　1437.2　攻擊行為檢測　1447.2.1　Sybil攻擊檢測方法　1447.2.2　Sinkhole攻擊檢測　1577.2.3　基于信任度與丟包行為的選擇轉(zhuǎn)發(fā)攻擊檢測　1647.3　基于信任的惡意節(jié)點檢測方法　1727.3.1　兩種服務(wù)3類攻擊　1727.3.2　信任評估模型　1737.3.3　直接信任評估　1747.3.4　間接信任評估　1767.3.5　模糊信任評估系統(tǒng)　1787.3.6　數(shù)據(jù)篡改攻擊的容忍機制　1807.3.7　仿真實驗與結(jié)果分析　1837.3.8　相關(guān)工作　1887.4　小結(jié)　189參考文獻　190第8章　攻擊條件下的可生存性評估　1948.1　網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)生存性評估模型概述　1948.2　路由安全性評估　1968.2.1　路由攻擊描述　1968.2.2　路由安全評估模型的建立　1988.2.3　應(yīng)用實例與分析　2008.3　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓撲的容侵能力評估　2028.3.1　拓撲容侵能力評估的狀態(tài)變遷模型　2028.3.2　DTMC的容侵指標(biāo)求解及能力評估　2048.3.3　基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的綜合指標(biāo)分析　2088.3.4　拓撲容侵能力分析與評價　2098.4　DoS攻擊下的生存性評估　2138.4.1　基于服務(wù)的WSN簡化結(jié)構(gòu)　2138.4.2　基于服務(wù)的可生存性評估方法　2158.4.3　仿真實驗　2178.5　小結(jié)　220參考文獻　220第9章　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的自再生技術(shù)　2239.1　引言　2239.2　修復(fù)覆蓋洞的移動節(jié)點貼片方法　2249.2.1　網(wǎng)絡(luò)模型與問題描述　2259.2.2　性質(zhì)定理　2269.2.3　覆蓋洞修復(fù)算法PATT　2289.2.4　算法性能分析　2319.3　基于虛擬力的移動節(jié)點優(yōu)化部署方法　2369.3.1　網(wǎng)絡(luò)假設(shè)　2369.3.2　動態(tài)規(guī)劃算法　2379.3.3　虛擬力算法　2389.3.4　實驗和分析　2409.4　播撒方式的替代性資源　2429.4.1　一種基于三色的拓撲生成方法　2439.4.2　拓撲更新方法　2459.4.3　實驗分析與相關(guān)工作　2479.5　小結(jié)　251參考文獻　251第10章　應(yīng)用事件驅(qū)動的MAC協(xié)議　25410.1　引例　25410.2　相關(guān)工作　25610.3　協(xié)議基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)　25810.3.1　超幀結(jié)構(gòu)　25910.3.2　信標(biāo)數(shù)據(jù)包　26010.4　算法　26210.4.1　CAP時隙分配算法　26210.4.2　時隙調(diào)整算法　26410.5　實驗結(jié)果與性能分析　26510.5.1　仿真環(huán)境與參數(shù)設(shè)置　26610.5.2　MAC協(xié)議性能分析　26610.6　小結(jié)　271參考文獻　271

章節(jié)摘錄

　　第2章 覆蓋與冗余的多重覆蓋　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，大量的傳感器節(jié)點組成多跳無線自組網(wǎng)，傳感器節(jié)點負責(zé)感知本地的數(shù)據(jù)，將其融合后的處理結(jié)果發(fā)送給基站，基站再將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給用戶。在這一過程中，涉及傳感器網(wǎng)絡(luò)的許多重要機制，如：覆蓋、數(shù)據(jù)感知、數(shù)據(jù)傳輸及處理等。而這一過程的第一步就是對目標(biāo)區(qū)域進行覆蓋，它是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)配置首先要面臨的關(guān)鍵問題--沒有感知區(qū)域的覆蓋，網(wǎng)絡(luò)的可用性和生存性都無從談起。網(wǎng)絡(luò)覆蓋可在物理上提供節(jié)點級的冗余（多重覆蓋），同時為感知信息的冗余性提供了保障，這構(gòu)成了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可生存性的基礎(chǔ)。鑒于多重覆蓋或者說覆蓋冗余性的重要性和基礎(chǔ)性，本章研究多重覆蓋，為可生存的無　　線傳感器網(wǎng)絡(luò)提供冗余性的基礎(chǔ)。　　2．1 網(wǎng)絡(luò)覆蓋與覆蓋控制　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋控制是指通過對網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點的空間位置分布調(diào)節(jié)實現(xiàn)對被監(jiān)測區(qū)域或目標(biāo)對象物理信息的感知，它從根本上反映了網(wǎng)絡(luò)對物理世界的感知能力。網(wǎng)絡(luò)覆蓋在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中的重要性與網(wǎng)絡(luò)拓撲連接（第3章討論）并列，是網(wǎng)絡(luò)運行必須解決的基本問題。網(wǎng)絡(luò)連接側(cè)重于節(jié)點間通信能力的連接，使得采集的物理信息能夠順利地傳送到網(wǎng)絡(luò)終端；而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的覆蓋受無線傳感器網(wǎng)絡(luò)“感知”任務(wù)特性的影響，其關(guān)注的問題不同于傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋，它反映了傳感器網(wǎng)絡(luò)所能提供的“感知”服務(wù)質(zhì)量，從網(wǎng)絡(luò)感知物理世界的角度，關(guān)注通過網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的位置分布完成滿足應(yīng)用需求的被監(jiān)測區(qū)域物理信息的采集?！　「采w控制的目的是優(yōu)化無線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋，從而合理分配網(wǎng)絡(luò)的空間資源，更好地完成環(huán)境感知、信息獲取任務(wù)，這對提高網(wǎng)絡(luò)生存能力具有重要的意義。高效地覆蓋控制策略，不但可以更大范圍、更精確地對目標(biāo)進行探測、跟蹤，還可以顯著節(jié)約網(wǎng)絡(luò)的能量消耗，延長網(wǎng)絡(luò)的生存時間?！　?hellip;…

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