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物聯(lián)網(wǎng)感知節(jié)點(diǎn)安全仿真與性能評(píng)估系統(tǒng)

成果介紹物聯(lián)網(wǎng)感知層測(cè)試實(shí)驗(yàn)與評(píng)估系統(tǒng)是在863主題項(xiàng)目—物聯(lián)網(wǎng)安全感知關(guān)鍵技術(shù)及仿真驗(yàn)證平臺(tái)的資助下完成。仿真平臺(tái)為物聯(lián)網(wǎng)感知節(jié)點(diǎn)部署后的性能提供一個(gè)仿真測(cè)試和性能評(píng)估的環(huán)境，其特點(diǎn)是：不需要部署真實(shí)的感知節(jié)點(diǎn)。通過(guò)對(duì)物理信道的建模、無(wú)線(xiàn)信號(hào)特征建模、電源建模和通信環(huán)境建模，能夠最大限度模擬真實(shí)環(huán)境下的感知節(jié)點(diǎn)通信過(guò)程。仿真的結(jié)果是理論值，可以將感知層測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的數(shù)據(jù)作為系統(tǒng)的初始值，從而提高仿真的精度。其特點(diǎn)和指標(biāo)：（1）針對(duì)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境配置參與通信的感知節(jié)點(diǎn)屬性和參數(shù)，即節(jié)點(diǎn)建模；（2）建模感知節(jié)點(diǎn)的電源模型；（3）根據(jù)用戶(hù)的需要選擇節(jié)點(diǎn)部署的方式，并可以對(duì)節(jié)點(diǎn)位置、屬性和參數(shù)進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整；（4）能夠加載待測(cè)的通信協(xié)議；（5）能夠根據(jù)部署的拓?fù)鋱D產(chǎn)生用戶(hù)編程模板；（6）理論上，待測(cè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量不設(shè)置上限，但隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加，PC的處理時(shí)間將延長(zhǎng)；（7）能夠仿真無(wú)攻擊或攻擊情況下，網(wǎng)絡(luò)的吞吐量、丟包率、延時(shí)、數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠骄窂介L(zhǎng)度、平均能耗和網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展性等性能；（8）該平臺(tái)不受具體應(yīng)用的限制。技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)及參數(shù)技術(shù)原理：針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)感知層設(shè)備規(guī)模龐大，部署費(fèi)時(shí)費(fèi)力，以及部署前很難評(píng)估系統(tǒng)性能，部署后加載的協(xié)議一旦不符合要求，重新加載成本巨大的問(wèn)題，研發(fā)了該平臺(tái)。該成果的主要?jiǎng)?chuàng)新性體現(xiàn)在感知設(shè)備和環(huán)境等物理特征建模、測(cè)試內(nèi)容和方法、仿真過(guò)程和結(jié)果的可視化顯示等方面，使得開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)簡(jiǎn)單、易用，測(cè)試過(guò)程清晰、透明，測(cè)試結(jié)果可以分類(lèi)比較。（1）在感知設(shè)備和環(huán)境等物理特征建模方面該項(xiàng)目在感知設(shè)備部署環(huán)境方面，分別對(duì)室內(nèi)環(huán)境和室外環(huán)境進(jìn)行建模。針對(duì)室外環(huán)境，該團(tuán)隊(duì)主要考慮自由空間的情況下，根據(jù)設(shè)備部署在平坦區(qū)域和非平坦區(qū)域的不同進(jìn)行建模；針對(duì)室內(nèi)環(huán)境，該團(tuán)隊(duì)主要根據(jù)多徑效應(yīng)、視距是否阻擋以及不同建筑材料（包括：混凝土墻、混領(lǐng)土樓板、天花板管道、金屬樓梯、厚玻璃、木門(mén)和隔墻等）對(duì)信號(hào)衰減的影響進(jìn)行建模。在電源建模方面，主要是根據(jù)不同廠家的5號(hào)電池的放電曲線(xiàn)進(jìn)行建模，由其放電電流、放電電壓和持續(xù)時(shí)間來(lái)確定電源的剩余電量。在芯片建模方面，根據(jù)不同的芯片類(lèi)型，建模發(fā)射功率、接收靈敏度、RSSI、發(fā)送速率、工作電流和最小工作電壓等主要參數(shù)。（2）在感知層的測(cè)試內(nèi)容和方法方面該平臺(tái)主要針對(duì)感知層需要評(píng)價(jià)的性能，如：吞吐量、丟包率、延時(shí)、平均路徑長(zhǎng)度、能耗和連通度等，設(shè)計(jì)了其測(cè)試方法，新增待測(cè)性能可以通過(guò)組件的方式擴(kuò)展。為了實(shí)現(xiàn)相關(guān)性能測(cè)試，首先需要選擇設(shè)備類(lèi)型和部署場(chǎng)景，如圖1和圖2所示。然后進(jìn)行部署，部署完成后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生5類(lèi)文件，即：.ned文件，定義了感知設(shè)備部署后的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖3所示；.msg文件，定義了感知設(shè)備之間的通信規(guī)則，用戶(hù)可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行修改和自定義；.ini文件，設(shè)備一旦部署完成后，其id號(hào)和位置坐標(biāo)將記錄在該文件中，設(shè)備移動(dòng)后，該文件對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)值將自動(dòng)更新；.h和.cc文件，即用戶(hù)待測(cè)協(xié)議的源文件。一旦感知設(shè)備部署完成，平臺(tái)自動(dòng)產(chǎn)生這5類(lèi)文件的初始框架，用戶(hù)只需要寫(xiě)入待測(cè)協(xié)議的具體代碼，經(jīng)編譯器編譯后，即可進(jìn)入測(cè)試環(huán)節(jié)。具體協(xié)議的代碼可根據(jù)該項(xiàng)目組編寫(xiě)的編程指南開(kāi)發(fā)，其開(kāi)發(fā)環(huán)境與C語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)環(huán)境類(lèi)似，方便易用。（3）在仿真過(guò)程和結(jié)果的可視化顯示方面一旦待測(cè)協(xié)議編譯完成，平臺(tái)即可開(kāi)始相關(guān)的測(cè)試，此時(shí)，用戶(hù)可以根據(jù)需要?jiǎng)討B(tài)選擇不同的參數(shù)，進(jìn)行測(cè)試。開(kāi)始測(cè)試時(shí)，平臺(tái)將同步顯示協(xié)議的通信過(guò)程，如圖5所示。根據(jù)仿真測(cè)試結(jié)果，不同的協(xié)議可以進(jìn)行性能對(duì)比，如圖4所示為不同協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)平均能耗對(duì)比。該平臺(tái)可以在無(wú)攻擊和無(wú)安全機(jī)制、無(wú)攻擊和有安全機(jī)制、有攻擊和無(wú)安全機(jī)制、有攻擊和有安全機(jī)制等四種情況下，評(píng)估感知層網(wǎng)絡(luò)的性能，并將它們的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。國(guó)內(nèi)外同類(lèi)技術(shù)對(duì)比：國(guó)際上類(lèi)似的仿真工具有十種左右，如：TOSSIM，OpenNet，NS2和OMNET等，都是針對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)，不能仿真技術(shù)體制不同的感知設(shè)備，沒(méi)有對(duì)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)和環(huán)境等物理特征建模，而且無(wú)法接入實(shí)體設(shè)備，無(wú)法進(jìn)行虛實(shí)結(jié)合的仿真測(cè)試。即使有些工具可以仿真感知層網(wǎng)路，如：TOSSIM，但是只提供TinyOS傳感網(wǎng)絡(luò)的仿真環(huán)境，無(wú)法仿真系統(tǒng)的安全性能，無(wú)法動(dòng)態(tài)添加安全策略和安全模型。而NS2、OpenNet和OMNET雖然可以仿真安全協(xié)議，但使用復(fù)雜，不易掌握，無(wú)法進(jìn)行多安全機(jī)制對(duì)比，無(wú)法接入實(shí)體設(shè)備。而且，它們仿真的物理層是理想狀態(tài)，造成仿真結(jié)果與實(shí)際存在較大的差異。

東南大學(xué) 2021-04-11

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