水下传感器网络中虫洞攻击检测与防御研究

【摘要】水下传感器网络是陆基无线传感器网络向水下的延伸，在水下或海中通过人工部署或飞机撒播的方式将水下传感器节点部署到指定区域，这些传感器节点漂浮在水面或沉降到水中，或者固定在海底。这些传感器节点在部署之后，通过预先编制的协议程序，采用自组织的方式，构成水下传感器网络。水下传感器网络（UnderwaterWirelessSensorNetwork，UWSN）是由大量具有声学通信能力的水下传感器节点、AUV通过水声无线通信方式形成的一种分布式的自组织无线通信网。水下传感器节点互相协作地监测采集数据信息，采集的数据经过融合等处理后，传送给水面基站，然后通过射频通信或有线通信发送给用户。作为传感器网络向水下应用的延伸,水下传感器网络可应用于海洋信息的采集、环境信息监测、海洋灾害预防、水下资源勘探、水下军事监控等领域，已引起了世界各国和研究机构的关注。水下三维新的应用环境给传感器网络技术带来了新的挑战。水下信道时延高、时延动态范围大；声信号在水下衰减大、通信信道带宽窄；水下传输误码率高、多径效应严重。由于其开放的应用环境和传感器节点缺乏物理保护等原因，传感器网络安全成为影响该技术发展的关键因素。在网络的不同层面均面临着不同的安全威胁与恶意攻击，如针对传输数据的攻击、对物理节点的攻击、拒绝服务攻击等方面。在分析了水下环境特性、信道特性、网络安全问题与技术之后，本文主要针对影响传感器网络安全的虫洞攻击进行了研究。虫洞攻击是在恶意节点之间建立一条延迟较小的“隧道”，通过在隧道中传输数据包来实现对网络的攻击，选择性的丢弃或窜改数据是其主要攻击方式。虫洞攻击的成本低、攻击效果明显，它破坏网络的数据传输、破坏网络的节点定位和时间同步，它还会增大网络节点的能耗，减少网络生存周期，对水下传感器网络性能影响巨大。本文通过基于NS2的Aqua‐sim模块仿真了虫洞攻击对网络的影响，论证了虫洞攻击的危害性。在分析研究了目前针对虫洞攻击的各种检测方法后，本文提出了一种分布式的虫洞检测机制‐‐虫洞可视化检测方法。该方法首先估计传感器节点间的距离，然后通过多维标度法重构网络，并分析重构网络存在的边长失真和角度失真，来检测虫洞、分离虫洞。将虫洞初步剔除后，再重复这个过程，直到完全消除虫洞的影响。本文通过两组实验仿真，证实了该方法的可行性，该方法可以有效检测和防御虫洞攻击。
【作者】宁学侃；
【导师】李娟；
【作者基本信息】吉林大学，电子与通信工程，2014，硕士
【关键词】水下传感器网络；网络安全；虫洞攻击；虫洞检测；Aqua‐sim；多维标度法；VBF协议；

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