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物聯(lián)網(wǎng)感知節(jié)點安全仿真與性能評估系統(tǒng)

成果介紹物聯(lián)網(wǎng)感知層測試實驗與評估系統(tǒng)是在863主題項目—物聯(lián)網(wǎng)安全感知關(guān)鍵技術(shù)及仿真驗證平臺的資助下完成。仿真平臺為物聯(lián)網(wǎng)感知節(jié)點部署后的性能提供一個仿真測試和性能評估的環(huán)境，其特點是：不需要部署真實的感知節(jié)點。通過對物理信道的建模、無線信號特征建模、電源建模和通信環(huán)境建模，能夠最大限度模擬真實環(huán)境下的感知節(jié)點通信過程。仿真的結(jié)果是理論值，可以將感知層測試實驗平臺的數(shù)據(jù)作為系統(tǒng)的初始值，從而提高仿真的精度。其特點和指標：（1）針對實際應(yīng)用環(huán)境配置參與通信的感知節(jié)點屬性和參數(shù)，即節(jié)點建模；（2）建模感知節(jié)點的電源模型；（3）根據(jù)用戶的需要選擇節(jié)點部署的方式，并可以對節(jié)點位置、屬性和參數(shù)進行手動調(diào)整；（4）能夠加載待測的通信協(xié)議；（5）能夠根據(jù)部署的拓撲圖產(chǎn)生用戶編程模板；（6）理論上，待測節(jié)點的數(shù)量不設(shè)置上限，但隨著節(jié)點數(shù)量的增加，PC的處理時間將延長；（7）能夠仿真無攻擊或攻擊情況下，網(wǎng)絡(luò)的吞吐量、丟包率、延時、數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠骄窂介L度、平均能耗和網(wǎng)絡(luò)的擴展性等性能；（8）該平臺不受具體應(yīng)用的限制。技術(shù)創(chuàng)新點及參數(shù)技術(shù)原理：針對物聯(lián)網(wǎng)感知層設(shè)備規(guī)模龐大，部署費時費力，以及部署前很難評估系統(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題，研發(fā)了該平臺。該成果的主要創(chuàng)新性體現(xiàn)在感知設(shè)備和環(huán)境等物理特征建模、測試內(nèi)容和方法、仿真過程和結(jié)果的可視化顯示等方面，使得開發(fā)的系統(tǒng)簡單、易用，測試過程清晰、透明，測試結(jié)果可以分類比較。（1）在感知設(shè)備和環(huán)境等物理特征建模方面該項目在感知設(shè)備部署環(huán)境方面，分別對室內(nèi)環(huán)境和室外環(huán)境進行建模。針對室外環(huán)境，該團隊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)域的不同進行建模；針對室內(nèi)環(huán)境，該團隊主要根據(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、木門和隔墻等）對信號衰減的影響進行建模。在電源建模方面，主要是根據(jù)不同廠家的5號電池的放電曲線進行建模，由其放電電流、放電電壓和持續(xù)時間來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）在感知層的測試內(nèi)容和方法方面該平臺主要針對感知層需要評價的性能，如：吞吐量、丟包率、延時、平均路徑長度、能耗和連通度等，設(shè)計了其測試方法，新增待測性能可以通過組件的方式擴展。為了實現(xiàn)相關(guān)性能測試，首先需要選擇設(shè)備類型和部署場景，如圖1和圖2所示。然后進行部署，部署完成后，系統(tǒng)會自動產(chǎn)生5類文件，即：.ned文件，定義了感知設(shè)備部署后的拓撲結(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，用戶可以根據(jù)實際需要進行修改和自定義；.ini文件，設(shè)備一旦部署完成后，其id號和位置坐標將記錄在該文件中，設(shè)備移動后，該文件對應(yīng)的坐標值將自動更新；.h和.cc文件，即用戶待測協(xié)議的源文件。一旦感知設(shè)備部署完成，平臺自動產(chǎn)生這5類文件的初始框架，用戶只需要寫入待測協(xié)議的具體代碼，經(jīng)編譯器編譯后，即可進入測試環(huán)節(jié)。具體協(xié)議的代碼可根據(jù)該項目組編寫的編程指南開發(fā)，其開發(fā)環(huán)境與C語言的開發(fā)環(huán)境類似，方便易用。（3）在仿真過程和結(jié)果的可視化顯示方面一旦待測協(xié)議編譯完成，平臺即可開始相關(guān)的測試，此時，用戶可以根據(jù)需要動態(tài)選擇不同的參數(shù)，進行測試。開始測試時，平臺將同步顯示協(xié)議的通信過程，如圖5所示。根據(jù)仿真測試結(jié)果，不同的協(xié)議可以進行性能對比，如圖4所示為不同協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)平均能耗對比。該平臺可以在無攻擊和無安全機制、無攻擊和有安全機制、有攻擊和無安全機制、有攻擊和有安全機制等四種情況下，評估感知層網(wǎng)絡(luò)的性能，并將它們的測試結(jié)果進行對比分析。國內(nèi)外同類技術(shù)對比：國際上類似的仿真工具有十種左右，如：TOSSIM，OpenNet，NS2和OMNET等，都是針對傳感器網(wǎng)絡(luò)開發(fā)，不能仿真技術(shù)體制不同的感知設(shè)備，沒有對設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)和環(huán)境等物理特征建模，而且無法接入實體設(shè)備，無法進行虛實結(jié)合的仿真測試。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，無法仿真系統(tǒng)的安全性能，無法動態(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，無法進行多安全機制對比，無法接入實體設(shè)備。而且，它們仿真的物理層是理想狀態(tài)，造成仿真結(jié)果與實際存在較大的差異。

東南大學 2021-04-11

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