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1、中国移动集团重点/联合研发项目结题汇报报告,项目名称：2010年度“物联网”重大科技专项IPv6 Over WSN协议实现与关键技术研究（东莞）传感器网络认证和加密技术研究（中山）,结题汇报提纲,2.传感器网络认证和加密技术研究,1.IPv6 Over WSN协议实现与关键技术研究,一、开题计划完成情况,目 录,二、主要研究成果,无线传感器网络低层协议采用IEEE 802.15.4标准，其是符合低速无线个人区域网（LR-WPAN）要求的低层协议，链路层以上基本采用专用的网络协议如ZIGBEE等，专用协议的优势是较为符合LR-WPAN低功耗、低成本、低速率传输等要求。但缺陷也是很明显：专用协议具
2、有兼容性弱;可扩展性差;无法解决下一代IP地址 等核心问题。,1.1 项目研究背景,在军事国防、工农业、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等许多重要领域都有潜在的实用价值.,无线传感器网络（简称WSN）是目前物联网核心技术之一，它是集信息采集、信息传输、信息处理于一体的物联网智能传感系统。,物联网核心技术无线传感器网络21世纪产生巨大影响力的技术,目前各种基础设施和设备基本采用IP协议，那么如何将无线传感器网络统一纳入到IP体系中，是目前无线传感器网络发展中最为关键的问题之一。,解决方案：无线传感器网络IPv6 Over WSN协议,1.2 项目研究目标,功耗、
3、传输速率等,拓扑结构、链路,核心机制,基于IPv6 Over IEEE 802.15.4标准的协议软件实现,1、基于IEEE 802.15.4的特点，实现Mesh路由机制。,3、IPv6的功能6LowPAN承载实现,2、无线传感器网络的自适应网络管理系统和机制。,关键技术研究目标,基于无线传感器网络的IPv6 Over WSN协议涉及的部分标准和技术已经基本制订，但还存在很多问题需要要进一步解决。,1.3 主要研究内容,智能监控和服务系统,UDPv6协议IP/ICMPv6协议6LoWPAN协议IEEE 802.15.4协议物理层协议,BaseStatoinCC2420IEEE802.15.4
4、USB驱 动协议物理层协议 USB接口,TCP/UDP协议IP/ICMPv6协议6LoWPAN协议 转发伪驱动 Eth驱动 程序USB驱动 USB接口 Eth物理层,无线传感器节点,多协议网关,IEEE802.15.4,SLIP,基于IPv6 Over IEEE 802.15.4标准实现可移植可实际应用的IP Over WSN协议是本课题最核心的工作。其主要工作包括：1、6lowpan协议实现 2、IEEE 802.15.4协议实现 3、IPv6协议移植 4、IPv6各种核心机制的6lowpan承载实现 5、实际环境测试,1.4 开题计划完成情况总结,一、开题计划完成情况,目 录,二、主要研究
5、成果,2.1 主要研究成果(1),知识产权成果,撰写两篇发明专利技术交底书：一种支持优先级数据传输的IEEE 802.15.4MAC协议改进方法一种基于6LoWPAN的传感器网络IPv6报头压缩方法计划发表论文：基于无线传感器网络操作系统的IEEE 802.15.4标准协议研究与实现适用于无线传感器网络环境的IPv6无状态自动配置机制的研究基于无线传感器网络的IPv6组播机制的设计与实现一种满足无线传感器网络低能耗要求的IPv6轻线程发现机制的实现方法IPv6作为下一代网络通信协议在WSN中的应用研究和发展方向,基于IPv6 Over WSN演示平台系统,节点,路由设备,网关,2.1 主要研究
6、成果(2),6LowPAN模型-IPv6 Over WSN微型协议栈模型研究,IEEE 802.15.4模型,ZigBee模型,6LowPAN模型,1)满足WSN的低功耗、低成本机制；2)支持基本IPv6协议栈，可去掉不必要的组件及额外扩展功能;3)独立于操作系统进行协议栈调度；4)最大容限控制的内存分配方案；,IPv6 Over WSN微型协议栈的设计思想,6LowPAN模型，底层基于IEEE 802.15.4规定的PHY层与MAC层，上层可区别于ZigBee协议栈，规定上层可采用IPv6协议栈，并在MAC与IPv6协议层之间添加了一个适配层（6LowPAN），用于IPv6数据包在MAC层的
7、数据传输，同时可屏蔽底层硬件对IP层的限制等。,2.2 关键性技术成果(1),IPv6 Over WSN IEEE 802.15.4协议的报头压缩处理机制,1)报头中所有在连接过程中保持不变的域，都可以压缩掉；2)报头中变化的可以预先知道的域，也可以压缩掉；3)报头中由链路层可获知的信息域，可以压缩掉；4)报头中有些域的存在是有条件的或是可选的，对于待定应用可以去掉；考虑到MAC层对数据报大小要求严格，将IPv6上层的数据压缩进行整合，先压缩IP报头，再压缩其后续传输层或应用层报头如：UDP、ICMPv6、TCP等。5)发送过程：从用户传感器端产生的数据采用IP/UDP结构封装后，进入压缩器进
8、行压缩报头，随后进入低速本地链路，在协调器端对收到的数据包进行报头解压，之后送入网关，再由网关传送到主干高速链路(IP网)。6)接收过程：在协调器从网关接收到高速链路传送过来的数据包，送入压缩器进行报头压缩，之后送入低速本地链路，用户接收到数据包之后进行报头解压，还原原始IPv6包，并交由上层处理。,压缩流程,压缩演示界面,2.2 关键性技术成果(2),2、IPv6 信息包的分片与重组机制,分段(分片与重组)是6LowPAN层必须采用的机制和方法，因为IP/UDP/TCP等信息包基本上大于IEEE 802.15.4 MAC的MTU，所以IPv6数据包传输至IEEE 802.15.4 MAC层时
9、需要分段处理，为了减小报文长度，适应层帧头部分为两种格式，即分片格式与不分片格式，分别用于负载大于MAC层最大传输单元(102字节)的报文以及负载小于MAC层最大传输单元的报文,不分片报文结构,分片报文结构（第一片）,LF字段说明,分片报文结构（后续报文格式）,2.2 关键性技术成果(3),3、IPv6邻居发现机制优化策略,IPv6邻居发现协议，被用来解决关于相同物理链路上的节点之间的交互问题，邻居发现过程使用5个不同的ICMPv6数据报类型来确定和维护IPv6路由器之间的邻居关系，他们是路由请求、路由通告、邻居请求、邻居发现和重定向。邻居发现机制优化策略：,1）最小化路由请求和路由公告避免最
10、初的路由请求和路由公告的链路层广播 避免周期性路由公告的链路层广播2）最小化邻居请求避免链路层对已存在节点广播邻居请求信息避免链路层向不存在的节点广播邻居请求信息3）避免重复地址检测(DAD)4）避免邻居不可达检测(NUD),引导过程,统一接入系统模型,优化网络结构、降低系统能耗,2.2 关键性技术成果(4),4、WSN和IPv6通信网络的互联互通下的统一管理,支持网络的远程管理；支持底层无线传感器网络针对多种传感信息的实时检测、网络拓扑状态的动态检测与远程节点控制,支持接入以太网、WiFi，实现IPv6 数据发送和接收以及端对端的通信；支持接入 GPRS通道接入，实现IPv6 数据的发送和接
11、收；支持硬件资源相对充足的网关设备实现 IPv6 协议栈；支持IPv4 隧道技术与现有网络进行通信;,IPv6 Over WSN统一管理,实现IPv6 与WSN网络的统一管理，提供多种接入方式，便于应用与推广,2.2 关键性技术成果(5),5、基于IPv6 Over WSN测试仿真平台系统,基本设计架构 无线传感器终端节点+无线传感器路由节点+支持GPRS通道的无线传感器网关+WEB形式的服务器可视化平台系统。,设备功能描述,监控测试中心数据服务器可视化界面,6LowPAN压缩可视化控制界面,结题汇报提纲,1.IPv6 Over WSN协议实现与关键技术研究,2.传感器网络认证和加密技术研究,
12、一、开题计划完成情况,目 录,二、主要研究成果,1.1 项目研究背景(1),传感网络由于其技术优势，在军事领域和民用领域都得到了广泛的应用。目前对传感器网络安全问题的研究主要分为：密钥管理、认证技术、加密技术、对抗攻击、安全路由。其中数据信息加密技术和身份认证技术是传感网的主要安全技术。由于无线信道是开放的，所以不能像有线网络那样依靠通信信道的安全来保护信息，必须假设所有网络入侵者可以获得无线信道中传输的信息内容，因此要通过加密技术对信息进行保护。同时，由于无线通信信道的开放性，每个合法的网络用户与服务网络之间没有固定的线路连接，网络用户及网络节点间必须获得认证后才能获得相应的网络服务。作为运
13、营商的中国移动，已经有非常完善的广域覆盖通信网络，但对于物联网还是有新的挑战。面对物联网由大量机器构成、缺少人对设备的有效监控、数量庞大、设备集群等特点，如何保障信息安全问题，除了面对移动通信网络的传统网络安全问题之外，还存在着一些与已有移动网络安全不同的特殊安全问题。,1.1 项目研究背景(2),1.2 项目研究目标,加密算法的研究,广播认证方案的研究,依据移动物联网应用的特点，并根据不同加密算法的特点，选择适用于传感器不同应用场景的加密算法并通过评价因子对其进行评价。,选择好的加密技术和广播认证协议，并使两部分充分结合、优势互补、满足传感网广播认证方案的设计原则。,应用场景搭建,实现智能家
14、居中典型应用场景：远程抄表、温度查询和空调控制。,1.3 主要研究内容情况,1.4 研究中的主要问题,目前存在的问题,仿真结果的可靠性,传统认证方案不适用于传感网,加密密算法选择的多样化,一、开题计划完成情况,目 录,二、主要研究成果,2.1 加密算法的评价研究,总结归纳现有加密技术及加密算法特点,成果：无线传感器网络安全加密算法研究论文 对称加密算法 非对称加密算法,1、传感器网络加密算法应遵循的原则成果：传感器网络加密算法应遵循的原则归纳加密算法速度、存储空间、通信开销、实现难易等2、筛选适用于传感网的加密算法成果：适用于传感网的加密算法筛选及实现重点研究RC4、RC5、RC6、MISTY
15、1、ECC3、确定评价因子成果：加密算法的评价因子确定计算时间、存储空间、节点数目等因素,根据传感网特点筛选适用的加密算法进行研究,2.2 广播认证方案的研究,选择较好的广播认证协议作为重点研究对象,选择较好的加密技术作为重点研究对象,深入分析现有广播认证方案,成果：广播认证方案原理研究报告基于多MAC的非对称广播认证方案基于一次签名的广播认证方案基于Merkle哈希树的广播认证方案基于ECDSA的广播认证方案,成果：适用于广播认证的加密技术的选择与改进方案消息认证码(MAC)技术一次签名技术 Merkle散列树 椭圆曲线数字签名算法(ECDSA),成果：广播认证协议的选择与改进方案TESLA
16、协议TESLA协议基于I-ECDSA的广播认证协议基于一次签名的广播认证协议快速广播认证协议FBAP基于TPCT的广播认证协议,2.3 仿真平台的搭建,仿真平台,编程语言,操作系统,TOSSIM基于TinyOS的无线传感器网络模拟器,nescC：由C语言扩展而来，提出了支持组件化编程的思想，把组件化、模块化思想和基于事件驱动的执行模型结合起来,TinyOS:为无线传感网设计的开源操作系统,是基于组件的开发架构,其组建库包括网络协议,分布型业务,传感器驱动,和数据采集工具。,仿真方案组网示意图,如左图所示，仿真方案中的组网方案为星形网络。加密算法仿真：传感器节点对上传数据包用加密算法进行加密。接收方对加密后的数据包进行解密。广播认证方案仿真：基站/网关对多个传感器节点广播带有认证信息的数据包，各个传感器节点对收到的数据包进行认证，认证通过则接受数据包，否则拒绝。,基站/网关,传感器节点,2.4 仿真应用环境的实现,应用方案,远程抄表、温度查询和空调控制,结束,谢谢大家！,
