无线传感器网络的安全和优化

第一部分 绪论

第1章 无线传感器网络概述 1

1.1 无线传感器网络的概念和特点 1

1.1.1 基本概念 1

1.1.2 无线传感器网络的特点 2

1.2 无线传感器网络的应用 3

1.3 无线传感器网络的发展趋势 4

1.3.1 无线多媒体传感器网络 4

1.3.2 泛在传感器网络 5

1.3.3 具有认知功能的传感器网络 6

1.3.4 基于超宽带（UWB）技术的无线传感器网络 7

1.3.5 基于协作通信技术的无线传感器网络 7

1.4 无线传感器网络的协议分层和关键问题 8

参考文献 11

第二部分 分簇策略和优化

第2章 分簇结构的无线传感器网络 14

2.1 分簇算法的基本概念 15

2.2 分簇算法基本目标及其性能评价 17

2.3 WSN中分簇策略介绍 18

2.3.1 最小ID分簇算法 18

.2.3.2 LEACH及其改进算法 19

2.3.3 GAF及其后期改进算法 20

2.3.4 基于图论的TopDisc算法 21

2.3.5 非均匀分簇思想解决热区问题 22

2.4 小结 23

参考文献 23

第3章 基于图论的能量有效的分簇算法 25

3.1 经典的TopDisc算法 25

3.2 无线传感器网络连通支配集算法 26

3.3 基于团着色算法的分布式分簇算法 29

3.4 基于图论聚合度的分簇策略 32

3.5 基于代数连通度的虚拟骨干网构造方法 34

3.6 小结 35

参考文献 36

第4章 安全可靠的分簇策略 38

4.1 分簇结构中的安全问题 38

4.2 安全分簇策略 39

4.2.1 基于可信度评价的安全分簇 39

4.2.2 移动自组网中一种安全的最高节点度分簇算法 43

4.3 基于分簇结构的安全可靠策略 44

4.3.1 基于可信分簇结构的安全可靠策略 45

4.3.2 基于协同合作的可靠数据传输 46

4.3.3 基于异常节点检测的可靠数据融合方案 46

4.4 小结 46

参考文献 47

第三部分 密钥管理技术

第5章 基于分布式体系结构的密钥管理方案 49

5.1 密钥管理的性能评价 49

5.2 随机密钥预分配方案 50

5.3 q-Composite随机密钥预分配方案 51

5.4 基于多项式的密钥预分配方案 52

5.5 基于Blom的密钥预分配方案 54

5.5.1 Blom密钥预分配方案 54

5.5.2 多密钥空间随机密钥预分配方案 55

5.6 基于对称BIBD的密钥预分配方案 55

5.7 基于填充设计的密钥预分配方案 56

5.8 小结 60

参考文献 60

第6章 基于分簇式的密钥管理 62

6.1 低能耗密钥管理方案 62

6.2 LEAP密钥管理方案 63

6.3 基于横截设计的密钥预分配方案 65

6.4 基于簇的密钥预分配方案 66

6.5 分簇传感器网络中对密钥管理方案 68

6.6 基于ECC的密钥管理方案 70

6.7 小结 71

参考文献 72

第7章 无线传感器网络中组密钥管理 73

7.1 基于本地协作的组密钥分发方案 73

7.2 逻辑密钥层次LKH方案 74

7.3 基于路由信息的组密钥分发方案 76

7.4 基于节点稳定性的层次密钥管理方案 77

7.5 基于对称密钥的组密钥更新方案 80

7.6 小结 81

参考文献 81

第四部分 路由协议和安全

第8章 无线传感器网络的路由协议 82

8.1 无线传感器网络路由协议概述 82

8.1.1 无线传感器网络路由协议的特点 82

8.1.2 无线传感器网络路由协议的设计目标 83

8.1.3 无线传感器网络路由协议的研究现状 84

8.2 无线传感器网络的路由协议 85

8.2.1 基于数据为中心的平面路由协议 85

8.2.2 基于查询的路由协议 87

8.2.3 层次路由协议 89

8.2.4 地理位置路由协议 92

8.2.5 能量感知路由协议 94

8.3 小结 96

参考文献 96

第9章 无线传感器网络组播路由协议 99

9.1 VMRRP 99

9.1.1 源节点初始化 99

9.1.2 邻居节点信息表的建立 100

9.1.3 随机策略 100

9.1.4 路由算法流程 100

9.2 GridMulticast 101

9.2.1 无线传感器网络的网格分布 102

9.2.2 能量消耗模型 102

9.2.3 GridMulticast协议 103

9.3 基于网络编码的组播路由 104

9.3.1 网络编码 104

9.3.2 路由算法 105

9.4 能量平衡的组播路由协议 106

9.5 小结 108

参考文献 108

第10章 无线传感器网络安全路由协议 110

10.1 无线传感器网络路由协议的安全威胁 110

10.1.1 攻击类型 110

10.1.2 典型路由协议的安全威胁 111

10.2 无线传感器网络的安全路由协议 112

10.2.1 SPINS安全协议 112

10.2.2 基于能量优化的安全路由协议 113

10.2.3 INSENSE容侵路由协议 114

10.2.4 高效的匿名路由协议 115

10.2.5 协作式安全路由协议 117

10.3 小结 119

参考文献 119

第五部分 拓扑容错优化

第11章 无线传感器网络拓扑容错优化 121

11.1 无线传感器网络的拓扑控制 121

11.1.1 集中式的拓扑控制 122

11.1.2 分布式的拓扑控制 122

11.1.3 拓扑控制面临的问题 123

11.2 无线传感器网络的容错技术 123

11.3 无线传感器网络的拓扑容错优化 124

11.3.1 无线传感器网络容错拓扑控制 124

11.3.2 小世界模型在无线传感器网络中的应用 127

11.3.3 网络编码技术在无线传感器网络中的应用 128

11.4 小结 128

参考文献 129

第12章 基于小世界的无线传感器网络拓扑优化 131

12.1 小世界网络及其在无线网络中的应用简介 131

12.2 基于小世界模型点集聚系数的簇优化 132

12.2.1 RLOC算法采用的网络模型 132

12.2.2 删除连边优化网络拓扑 133

12.2.3 算法小结 135

12.3 基于小世界模型边集聚系数的分簇算法 135

12.3.1 SMCA算法基于的网络模型 136

12.3.2 SMCA算法的主要步骤 136

12.3.3 数据传输的路由方法与模型分析 137

12.3.4 算法小结 138

12.4 基于小世界模型的无线传感器网络拓扑优化 138

12.4.1 网络模型 138

12.4.2 线的放置方式 139

12.4.3 数据传输方式判断 139

12.4.4 算法小结 140

12.5 无线传感器网络抗毁性研究 140

12.5.1 网络模型与基本概念 140

12.5.2 网络连通性测度 140

12.5.3 网络抗毁性测度 141

12.5.4 基于小世界模型的无线传感器网络抗毁性研究 141

12.6 小结 142

参考文献 142

第13章 基于网络编码的拓扑容错研究 144

13.1 数据内部编码 144

13.2 数据之间编码 147

13.2.1 基于网络编码的数据保护策略 147

13.2.2 基于网络编码的分簇传感器网络链路容错策略 148

13.3 小结 153

参考文献 153

第六部分 MAC协议和优化

第14章 无线传感器网络MAC层协议 155

14.1 WSN MAC协议与Ad Hoc网络MAC协议比较 155

14.2 WSN MAC协议的设计因素 156

14.3 WSN MAC协议分类 158

14.4 WSN MAC协议分析 159

14.4.1 基于竞争的MAC协议 159

14.4.2 基于调度的MAC协议 163

14.4.3 混合MAC协议 164

14.5 小结 167

参考文献 167

第15章 无线传感器网络MAC层建模 169

15.1 基于博弈论的MAC模型 169

15.1.1 DCF博弈 169

15.1.2 基于DCF博弈的接入方案 170

15.2 单跳WSN的二维马尔可夫链模型 171

15.2.1 单个节点的分组发送概率 171

15.2.2 饱和吞吐量 174

15.3 多跳WSN的等效带宽模型 175

15.4 适合于时隙IEEE 802.15.4的一种新的分析模型 177

15.5 小结 178

参考文献 178

第16章 无线传感器网络MAC层优化 180

16.1 低延迟的WSN MAC协议 180

16.1.1 AC-MAC协议 180

16.1.2 自适应睡眠机制 180

16.1.3 WiseMAC协议 181

16.1.4 LEEM协议 181

16.1.5 P-MAC协议 182

16.1.6 CMMAC-SD协议 183

16.1.7 LP-MAC协议 186

16.2 高吞吐量的MAC协议 186

16.2.1 ADEE-MAC协议 186

16.2.2 LPDMAC协议 187

16.2.3 自适应SMAC协议 188

16.3 低丢包率的WSN MAC协议 188

16.3.1 C-TDMA-SMAC协议 188

16.3.2 R-MAC协议 189

16.4 小结 189

参考文献 189

第七部分 节点定位技术

第17章 无线传感器网络节点定位机制 191

17.1 无线传感器网络节点定位机制概述 191

17.1.1 节点定位机制的相关术语 192

17.1.2 节点定位的基本原理 192

17.1.3 无线传感器网络节点定位机制的分类 193

17.2 基于测距及无须测距的经典定位算法 194

17.2.1 基于测距的无线传感器网络节点定位技术 194

17.2.2 无须测距的无线传感器网络节点定位技术 196

17.3 无线传感器网络节点定位算法的评判要素 199

17.4 节点定位技术在无线传感器网络的应用 200

参考文献 202

第18章 DV-HOP定位算法及其优化 205

18.1 无须测距定位技术的优劣分析 205

18.1.1 无须测距定位机制在无线传感器网络中的优劣 205

18.1.2 无线传感器网络节点定位技术方案的选取 206

18.2 DV-Hop定位算法 206

18.2.1 DV-Hop定位算法介绍 206

18.2.2 DV-Hop定位算法性能分析 209

18.3 DV-Hop定位算法的定位精度改进 213

18.3.1 基于邻居节点空间顺序序列优化的DV-Hop定位算法 214

18.3.2 基于节点重叠度优化的DV-Hop定位算法 215

18.4 无须测距的定位算法面临的挑战 216

18.5 小结 218

参考文献 218

第19章 无线传感器网络节点安全定位技术 220

19.1 无线传感器网络节点定位系统安全分析 220

19.1.1 无线传感器网络节点定位系统安全性需求 220

19.1.2 节点安全定位策略的分析 222

19.2 基于恶意信标节点检测的安全策略 225

19.2.1 基于检查点的信标筛选法方案 226

19.2.2 检测率分析 226

19.3 一种容忍攻击的传感器节点定位算法 227

19.3.1 AtLoc算法模型的相关假设 227

19.3.2 安全参照集的检验方法 228

19.3.3 寻找最小安全参照集 229

19.3.4 异常点的诊断 229

19.3.5 相关实验结果分析 230

19.4 小结 231

参考文献 231

第八部分 跨层协作与优化

第20章 跨层协作设计基础 233

20.1 跨层协作体系结构 234

20.1.1 TinyCubus体系结构 234

20.1.2 OA-CLD体系结构 235

20.1.3 CiNET体系结构 236

20.1.4 可编程跨层体系结构 237

20.1.5 CRA-CCSS体系结构 237

20.2 跨层协作建模 238

20.2.1 基于效用与损耗优化的跨层建模 238

20.2.2 基于凸优化的跨层建模 240

20.3 跨层协作的安全与优化 242

20.3.1 跨层协作安全机制 242

20.3.2 跨层协作QoS机制 243

20.3.3 跨层协作节能机制 243

20.4 小结 244

参考文献 245

第21章 跨层协作MAC协议 247

21.1 基于最佳中继的跨层MAC协议 247

21.2 MCWTCP协议 249

21.3 基于多包接收的跨层MAC协议 250

21.4 多信道MAC跨层协议 253

21.5 PRMAC协议 256

21.6 CLEE-MAC协议 258

21.7 小结 259

参考文献 259

第22章 基于跨层协作的路由协议 261

22.1 基于时延优化的跨层协作路由协议 261

22.1.1 机会中继选择技术 261

22.1.2 协议实现 262

22.2 基于TCP性能优化的跨层协作路由协议：RP-DSR 265

22.3 基于节能和QoS保证的跨层协作路由协议 266

22.3.1 模糊控制系统建模 266

22.3.2 EQ-DSR路由协议描述 269

22.4 基于多判据的路由协议ACRO 270

22.5 小结 272

参考文献 273

《无线传感器网络的安全和优化》围绕着近年来无线传感器网络在能量管理、数据管理、安全管理等方面的研究热点和难点，以优化和安全为主线索，重点介绍和分析分簇策略和优化、密钥管理技术、路由协议和安全、拓扑容错优化、MAC协议和优化、节点定位技术、跨层协作和优化等技术问题和解决策略。
《无线传感器网络的安全和优化》可作为高等院校计算机应用类、通信工程以及电子信息类研究生和高年级本科生教材，也可作为相关领域的工程技术人员的参考书。