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基于网络编码的无线传感器网络DD协议研究

作　者: 杨宏章
导　师: 杨铭熙
学　校: 武汉理工大学
专　业: 计算机应用技术
关键词: 无线传感器网络网络编码定向扩散安全仿真同态
分类号: TN915.04
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

无线传感器网络的资源很有限,却集成了监测、控制以及无线通信等多种功能。因此,无线传感器网络资源的节省显得尤为重要。网络编码理论的提出,为提高网络性能、节省网络资源提供了新思路,路由协议中,中继结点先对报文进行编码处理,再将编码的报文发送给后续结点,目的结点能够解码并恢复原始的报文。这种路由建立过程是基于网络编码的。本文首先介绍无线传感器网络、定向扩散路由协议以及网络编码。定向扩散路由协议(Directed Diffusion,简称DD)是一个以数据为中心的传感器网络路由协议。根据该协议的原理和运行机制,找出该协议浪费网络资源的缺点。然后采用网络编码技术,提出了一种新的基于网络编码的定向扩散路由协议(Directed Diffusion based on Network Coding,简称NC-DD),通过对该协议的安全性能进行分析,找出NC-DD存在的威胁,提出了增强安全性的基于网络编码的定向扩散路由协议(secure NC-DD,简称SNC-DD),该协议采用的是同态的签名方案。最后,采用著名的网络仿真平台NS2对新协议NC-DD、SNC-DD的网络性能进行仿真。在NS2已有的定向扩散协议实现的基础上,修改定向扩散路由协议的源文件,重新编译NS2,生成新的仿真平台。数据跟踪文件用来保存仿真过程中产生的数据,编写AWK程序对报文平均的端到端延迟、网络中所有结点的平均剩余能量、网络平均吞吐量进行计算,并用一个命令导向的交互式绘图程式GNUPLOT画出对应的曲线图,从而得到NC-DD的性能分析。用同样的方法和步骤对SNC-DD协议进行网络性能仿真。本文的主要特色与创新之处体现在如下三个方面:(1)利用随机的线性网络编码,提出一种新的基于网络编码的定向扩散路由协议NC-DD。(2)利用同态的签名方案,提出了安全的基于网络编码的定向扩散路由协议SNC-DD,该协议增强了NC-DD对污染攻击的抵抗力。(3)对NS-2仿真平台进行2次扩展,使用扩展后的仿真平台分别对NC-DD、SNC-DD路由协议的网络性能进行了不同网络规模的仿真。结果表明:NC-DD比DD的网络性能好,报文平均端到端延迟、结点的平均剩余能量和网络吞吐量都有改善。SNC-DD在安全性增加的同时,网络吞吐量有所提高,但是报文端到端平均延迟增加。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
第1章绪论  10-14
  1.1 引言  10
  1.2 研究背景及意义  10-12
    1.2.1 研究背景  10-11
    1.2.2 研究意义  11-12
  1.3 研究目的及所做的主要工作  12-13
    1.3.1 研究目的  12
    1.3.2 本文所做的主要工作  12-13
  1.4 论文结构  13-14
第2章背景知识介绍  14-37
  2.1 无线传感器网络  14-17
    2.1.1 传感器网络的特点  14-15
    2.1.2 传感器网络的结点的限制  15-16
    2.1.3 无线传感器网络协议栈结构  16
    2.1.4 无线传感器网络路由协议类型  16-17
  2.2 定向扩散路由协议  17-20
    2.2.1 定向扩散路由协议介绍  17-20
    2.2.2 定向扩散路由协议的缺陷  20
  2.3 网络编码  20-30
    2.3.1 网络编码基本思想和理论基础  20-22
    2.3.2 线性网络编码  22-23
    2.3.3 随机线性网络编码  23-26
    2.3.4 机会主义编码和路由  26-27
    2.3.5 网络编码研究现状  27-30
  2.4 网络编码的安全性问题  30-32
    2.4.1 面临的挑战  30-31
    2.4.2 同态签名算法介绍  31-32
  2.5 网络性能仿真工具  32-37
    2.5.1 NS2仿真平台  32-35
    2.5.2 gawk工具  35
    2.5.3 gnuplot工具  35-37
第3章基于网络编码的定向扩散路由协议  37-46
  3.1 对原始定向扩散路由协议进行改进的指导思想  37-38
  3.2 新协议报文格式设计  38-42
    3.2.1 原始定向扩散路由协议DD报文格式  38-39
    3.2.2 基于网络编码的定向扩散路由协议NC-DD报文格式  39-41
    3.2.3 基于网络编码的定向扩散路由协议报文处理过程  41-42
  3.3 基于网络编码的定向扩散路由协议流程  42-46
第4章安全的基于网络编码的定向扩散路由协议  46-53
  4.1 基于网络编码的定向扩散路由协议安全性分析  46
  4.2 SNC-DD协议中的同态签名方案  46-47
  4.3 安全的基于网络编码的定向扩散路由协议设计  47-48
  4.4 安全的基于网络编码的定向扩散路由协议流程  48-53
第5章 NC-DD、SNC-DD的网络性能仿真  53-66
  5.1 网络性能仿真  53-57
    5.1.1 仿真环境  53
    5.1.2 仿真场景设置  53-54
    5.1.3 结点参数设置  54-55
    5.1.4 编写TCL文件并仿真  55-57
  5.2 仿真结果的统计与分析  57-64
    5.2.1 仿真数据跟踪文件与仿真动画演示程序  57-59
    5.2.2 仿真结果的统计  59-62
    5.2.3 绘图分析  62-64
  5.3 SNC-DD协议的网络性能仿真  64-66
第6章总结及展望  66-68
  6.1 总结  66-67
  6.2 展望  67-68
参考文献  68-73
致谢  73-74
攻读硕士学位期间公开发表的论文  74

基于网络编码的无线传感器网络DD协议研究

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