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                          节点安全时钟同步技术
                          发布时间:2018-12-25 14:06

                            随着微电子技术、无线通信及网络技术的进步,无线传感器网络技术与应用得到快速发展,极大地影响和改变人们的生活方式和产业结构,其广泛的应用前景受到学术界和工业界的高度关注。作为无线传感器网络的支撑技术,无线传感器节点的时钟同步技术成为近年来的研究热点。由于无线传感器网络应用环境的开放性和复杂性,节点时钟同步的安全问题也日益突出。节点时钟同步的安全性直接影响节点时间的准确性,继而影响到基于时间的各种应用的正常运行与效果。因此,节点安全时钟同步技术具有重大研究意义和实际应用价值。
                            本文以无线传感器网络中节点的安全时钟同步作为主要研究对象,旨在解决针对当前无线传感器时钟同步算法中同步精度不高但能量损耗过高的问题。本文在深入研究时钟同步机制的基础上,构建了基于移动参考节点的时钟同步模型和能量损耗模型;基于节点认证、数据加密等安全技术以及同步信息延迟估算、链路冗余等技术,提出了基于移动参考节点周期性安全同步方法。为了满足某些应用对时钟同步精度的要求,又提出了周期内节点安全实时同步方法。该方法采用基于节点自评机制同步和基于移动参考节点同步的两种实时同步方案,并针对周期同步中的路径规划和异常点问题,分别提出了动态移动路径的最优规划模型和改进型泛洪同步方法。本文的主要研究及创新性成果如下: (1)提出了一种基于移动参考节点的安全周期时钟同步方法。在分析了现有无线传感器网络节点时钟同步方法在同步精度和能量损耗等方面存在不足的基础上,构建了基于移动参考节点的时间周期同步模型。为了对网路中的节点时钟进行同步,对同步区域中同步点的选取,移动参考节点的路径规划,同步信息的单播通信等三个方面进行了研究,提出的同步方法在保障网路中节点同步的同时,还通过运用同步安全策略应对网络内部和外部攻击。实验结果表明,通过消除多跳通信产生的误差累积以及减少数据包发送数量,提出的方法能够有效降低网络能量损耗、提高同步精度,并能有效抵御网络攻击。 (2)提出了一种周期内实时安全时钟同步方法。该方法针对由于同步周期内节点时钟会产生偏移而导致无法满足应用需求的问题,提出了对节点进行实时同步的方法,该方法采取基于节点自评机制同步和基于移动参考节点进行同步两种实时同步方案。在基于节点自评机制的实时同步方案中,发出实时同步请求节点的所有邻居节点都通过自评机制来检验是否满足作为参考节点的要求,符合要求的邻居节点可作为参考节点。而基于移动参考节点的实时同步方案是通过对参考节点的位置进行估算以及相应路由策略连接到移动参考节点完成时钟同步。在提出的实时同步方法中均设计了相应的安全策略应对网络攻击。实验结果表明,提出的方法能够消除周期同步内节点时钟偏移的影响,提高了同步精度,并能有效抵御网络攻击。 (3)提出了一种基于单播通信的增强型泛洪时钟同步协议。在分析了周期同步算法中单播通信对异常数据处理存在的不足后,建立了异常点检测模型,以有效检测出异常数据,提出了从消除和吸纳两个方面对泛洪时钟同步协议进行改进的方法。实验结果表明,提出的协议能够有效降低异常数据的影响,提高时钟同步的精度。 (4)提出了一个动态移动路径最优规划模型。为了降低周期同步的累计误差,从缩短移动路径以及移动同步周期的角度,提出了最优同步点选取—最短路径规划联合模型。为了降低运算复杂度,又提出了基于动态改进的参考节点的移动路径规划模型和基于距离的最小同步点和最优路径加权模型。实验结果表明,提出的模型和算法能够缩短参考节点的移动路径。 本文的研究提出了两种无线传感器网络中节点安全时钟同步的方法,并对方法中使用的创新技术进行了深入研究,能够提供高精度、低功耗、安全有效的时钟同步服务,为无线传感器的多种应用提供了基础支撑。
                            本文的研究成果对无线传感器网络在军事国防、环境监控、生物医疗、城市交通、生产生活等诸多应中的发展与推广起到极大的促进作用。

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