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本书围绕无线传感器网络安全与加权复杂网络抗毁性建模展开论述，首先对无线传感器网络进行了概述，接着分别介绍了无线传感器网络安全理论、加权复杂网络基础理论，详细阐述了无线传感器网络安全认证方案、安全路由协议、位置隐私保护，并系统分析了加权复杂网络抗毁性建模关键问题、不完全信息条件下加权复杂网络抗毁性建模、修复策略下加权复杂网络抗毁性建模、加权复杂网络抗毁性优化设计，在无线传感器网络安全和加权复杂网络抗毁性建模方面分别给出了具体的仿真分析。本书兼具理论深度和工程实用性，内容叙述专业性较强、逻辑联系较紧密，便于相关领域人员了解和掌握该研究领域的相关内容，为进一步的深入研究打下基础。本书适合高等院校的信息安全、网络工程、物联网、计算机等专业的研究生和高年级本科生，以及从事网络信息安全、物联网工程等领域工作的科研人员阅读。

第1部分  概述和基础理论
第1章  无线传感器网络概述	003
1.1  无线传感器网络的基本结构	004
1.2  无线传感器网络的发展概况	005
1.3  无线传感器网络的通信与组网技术	006
1.3.1  网络协议体系结构	006
1.3.2  物理层协议	008
1.3.3  MAC协议	009
1.3.4  路由协议	013
1.4  无线传感器网络的支撑技术	016
1.4.1  定位技术	016
1.4.2  时间同步技术	017
1.4.3  数据融合技术	020
1.4.4  安全机制	022
1.5  无线传感器网络的复杂网络特征	025
1.5.1  网络结构复杂性	026
1.5.2  网络的复杂演化能力	026
1.5.3  自组织、自适应复杂性	026
1.5.4  多重复杂性融合	027
1.6  无线传感器网络的应用场景	027
1.6.1  环境监测	028
1.6.2  军事应用	028
1.6.3  物联网应用	029
1.7  无线传感器网络可能遭受的攻击及安全需求	031
1.7.1  无线传感器网络可能遭受的攻击	031
1.7.2  无线传感器网络的安全需求	032
1.8  本章小结	034
参考文献	034
第2章  无线传感器网络安全理论	042
2.1  无线传感器网络安全认证基本理论	042
2.1.1  认证基础知识	042
2.1.2  认证相关技术	044
2.1.3  可证明安全理论	045
2.1.4  秘密共享	048
2.1.5  零知识证明	049
2.2  无线传感器网络安全路由协议基本理论	051
2.2.1  泛洪路由协议	053
2.2.2  SPIN路由协议	054
2.2.3  GPSR协议	056
2.2.4  TEEN协议	058
2.3  无线传感器网络位置隐私保护基本理论	059
2.3.1  基本模型	060
2.3.2  位置隐私保护模型	064
2.4  本章小结	065
参考文献	066
第3章  加权复杂网络基础理论	068
3.1  加权复杂网络的特征参量	068
3.1.1  点强及强度分布	069
3.1.2  加权最短路径	070
3.1.3  加权聚类系数	072
3.2  加权复杂网络的演化模型	073
3.2.1  边权固定模型	074
3.2.2  边权演化模型	075
3.3  加权复杂网络的赋权模型	079
3.3.1  典型赋权模型分析	079
3.3.2  加权复杂网络强度分布熵分析	081
3.4  本章小结	083
参考文献	084
第2部分  无线传感器网络安全
第4章  无线传感器网络安全认证方案	089
4.1  概述	089
4.1.1  基于对称密码体制的安全认证方案	089
4.1.2  基于非对称密码体制的安全认证方案	091
4.1.3  基于身份加密的安全认证方案	092
4.1.4  广播认证方案	093
4.1.5  其他安全认证方案	093
4.2  基于无双线性对的身份加密方案	094
4.2.1  相关定义	096
4.2.2  基于无双线性对的身份加密方案描述	098
4.2.3  方案分析	099
4.3  基于分层管理的安全认证方案	103
4.3.1  部分分布式认证模型	103
4.3.2  基于分层管理的安全认证方案描述	105
4.3.3  方案分析	108
4.4  基于零知识证明的安全认证方案	109
4.4.1  典型的零知识证明协议	110
4.4.2  基于零知识证明的安全认证方案描述	112
4.4.3  方案分析	114
4.5  本章小结	115
参考文献	116
第5章  无线传感器网络安全路由协议	121
5.1  概述	121
5.1.1  典型路由协议的分类	121
5.1.2  典型路由协议可能遭受的攻击	122
5.1.3  国内外所提出的安全路由协议	123
5.2  基于动态密钥管理的LEACH安全路由协议	127
5.2.1  LEACH协议	127
5.2.2  基于动态密钥管理的LEACH安全路由协议描述	129
5.2.3  算法仿真与分析	133
5.3  基于信任管理机制的安全路由协议	135
5.3.1  基于动态信任度的信任评估方法	136
5.3.2  基于信任评估的安全路由协议	142
5.4  本章小结	152
参考文献	153
第6章  无线传感器网络位置隐私保护	157
6.1  概述	157
6.1.1  无线传感器网络源节点位置隐私保护方案	157
6.1.2  无线传感器网络基站位置隐私保护方案	162
6.2  差分隐私保护理论	166
6.3  基于聚类匿名化的无线传感器网络源节点差分位置隐私保护协议	168
6.3.1  聚类匿名机制	168
6.3.2  基于聚类匿名化的无线传感器网络源节点差分位置隐私
                保护协议描述	169
6.3.3  协议分析	173
6.3.4  协议仿真与分析	175
6.4  基于差分隐私保护的无线传感器网络基站位置隐私保护协议	180
6.4.1  基于位置的路由	180
6.4.2  基于差分隐私保护的无线传感器网络基站位置隐私保护
                协议描述	181
6.4.3  协议分析	183
6.4.4  协议仿真与分析	186
6.5  基于噪声加密机制的无线传感器网络差分位置隐私保护协议	191
6.5.1  差分位置隐私保护	191
6.5.2  基于噪声加密机制的无线传感器网络差分位置隐私保护
                协议描述	192
6.5.3  协议分析	196
6.5.4  协议仿真与分析	198
6.6  本章小结	201
参考文献	202
第3部分  加权复杂网络抗毁性建模分析
第7章  加权复杂网络抗毁性建模关键问题	211
7.1  复杂网络与加权复杂网络抗毁性测度指标选择	211
7.1.1  复杂网络抗毁性测度指标选择	211
7.1.2  加权复杂网络抗毁性测度指标选择	215
7.2  不同信息条件下加权复杂网络静态抗毁性研究	216
7.2.1  不同信息条件下加权复杂网络静态抗毁性建模	216
7.2.2  基于网络局部信息的加权复杂网络抗毁性仿真分析	218
7.2.3  基于网络全局信息的加权复杂网络抗毁性仿真分析	220
7.2.4  考虑成本与性能的加权复杂网络抗毁性优化分析	222
7.3  基于改进负载容量模型的加权复杂网络级联抗毁性研究	224
7.3.1  基于改进负载容量模型的加权复杂网络级联抗毁性建模	225
7.3.2  加权复杂网络级联抗毁性仿真分析	228
7.3.3  考虑成本与性能的加权复杂网络级联抗毁性优化分析	236
7.4  本章小结	238
参考文献	239
第8章  不完全信息条件下加权复杂网络抗毁性建模分析	242
8.1  加权复杂网络攻击中的不完全信息条件建模	242
8.1.1  不完全信息的处理方法	242
8.1.2  加权复杂网络攻击中的不完全信息条件建模分析	245
8.2  不完全信息条件下加权复杂网络抗毁性分析	246
8.2.1  基于灰色系统理论的不完全信息处理	246
8.2.2  不完全信息条件下加权复杂网络抗毁性仿真分析	248
8.3  不完全信息条件下指挥控制网络抗毁性分析	258
8.3.1  指挥控制网络拓扑结构模型	258
8.3.2  指挥控制网络模型特征参数分析	260
8.3.3  不完全信息条件下指挥控制网络抗毁性仿真分析	261
8.4  本章小结	262
参考文献	263
第9章  修复策略下加权复杂网络抗毁性建模分析	265
9.1  加权复杂网络的修复策略研究	265
9.1.1  加权复杂网络的修复策略	265
9.1.2  修复策略下加权复杂网络修复效果仿真分析	267
9.2  修复策略下加权复杂网络级联抗毁性分析	271
9.2.1  加权复杂网络级联失效的修复策略	272
9.2.2  修复策略下加权复杂网络级联抗毁性仿真分析	273
9.3  修复策略下指挥控制网络抗毁性分析	284
9.3.1  指挥控制网络修复策略及仿真分析	284
9.3.2  修复策略下指挥控制网络级联抗毁性仿真分析	285
9.4  本章小结	287
参考文献	287
第10章  加权复杂网络抗毁性优化设计	290
10.1  加权复杂网络节点重要度评估方法	290
10.1.1  重要节点发掘的研究现状	290
10.1.2  改进的节点重要度评估模型	292
10.1.3  基于凝聚度的节点重要度评估方法	293
10.1.4  改进的加权复杂网络节点重要度评估方法的步骤	294
10.1.5  加权复杂网络节点重要度评估方法仿真分析	295
10.2  加权复杂网络容量优化设计	297
10.2.1  基于有限冗余容量的容量优化设计	298
10.2.2  冗余容量分配策略优化效果仿真分析	299
10.3  本章小结	304
参考文献	304

无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是由许多个功能相同或不同的传感器节点以自组织、多跳方式构成的无线网络。该网络集计算机技术、传感器技术、微电子技术、嵌入式技术、无线通信技术及分布式信息处理技术于一体，能够协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，并对其进行处理，再将处理后的信息传送到外部目标。无线传感器网络的发展和应用可以使人们直观地感知物理世界，极大地扩展了人类的感知和认知能力，潜移默化地改变着人与自然的交互方式。无线传感器网络在国防军事、环境监测、目标跟踪、抢险救灾、智能控制、生物医疗等领域具有广泛的应用前景，成为信息科学的重要研究领域。
广域随机部署的无线传感器网络，无论是在网络拓扑结构方面，还是在网络业务数据传输方面，均具有相当的复杂性。因此，它实际上是一种复杂网络。现实无线传感器网络的功能往往是通过拓扑结构、物理过程和权重的相互作用而呈现出来的，通过研究加权复杂网络（Weighted Complex Network，WCN）可以加深对实际无线传感器网络的理解，同时对优化无线传感器网络的功能具有一定的指导意义。加权复杂网络的抗毁性是指在网络中的节点（或边）发生随机失效或遭受蓄意攻击的情况下，网络维持其功能的能力。系统地研究抗毁性，为设计出抗毁性更强、服务能力更优的复杂无线传感器网络提供科学依据。
无线传感器网络具有分布性、动态性和开放性的特点，传统的安全机制难以应对其安全需求，而身份认证技术是无线传感器网络安全的第一道屏障。目前，对身份认证技术的研究主要集中在密码算法的设计及密钥的获取方式上。这很难从根本上满足开放、动态分布网络的安全需求，认证过程仍然会遭受重放、中间人攻击等。本书以无线传感器网络为研究背景，对身份认证的相关技术进行了研究。此外，本书总结现有的无线传感器网络路由协议中存在的问题，分析其可能遭受的攻击及这些攻击对整个无线网络造成的影响，在此基础上提出基于动态密钥管理的LEACH安全路由协议和基于信任评估的安全路由协议。位置隐私泄露是无线传感器网络主要的安全威胁之一，位置隐私窃取手段多样，而位置的泄露又会进一步引起网络设施与监测对象遭受攻击。因此，设计能够抵御多种攻击、适应于无线传感器网络特点的位置隐私保护协议具有重要意义。本书主要基于差分隐私保护与位置隐私保护结合的思想对无线传感器网络位置隐私保护展开研究。本书在深入分析和总结国内外关于加权复杂网络理论与加权复杂网络抗毁性研究现状的基础上，运用理论分析与数值仿真相结合的方法，对加权复杂网络抗毁性建模相关问题进行系统深入的研究，并进行仿真分析。
因此，本书紧紧围绕当前无线传感器网络应用亟待解决的安全认证、安全路由、位置隐私保护、网络抗毁性等领域的问题，从理论研究与工程实践相融合的创新视角，系统地阐述了无线传感器网络在安全认证、安全路由、位置隐私保护、网络抗毁性等方面的新算法、新方案、新模型等。
本书共10章，可分为以下三个部分。
第1部分为概述和基础理论，包括第1～3章。第1章介绍无线传感器网络的基本结构、发展概况、通信与组网技术、支撑技术、复杂网络特征、应用场景、可能遭受的攻击及安全需求。第2章介绍无线传感器网络安全理论，主要包括安全认证基本理论、安全路由协议基本理论、位置隐私保护基本理论。第3章介绍加权复杂网络的特征参量、演化模型、赋权模型等基础理论。
第2部分为无线传感器网络安全，包括第4～6章。第4章详细阐述基于无双线性对的身份加密方案、基于分层管理的安全认证方案、基于零知识证明的安全认证方案。第5章深入讨论基于动态密钥管理的LEACH安全路由协议、基于动态信任度的信任评估方法、基于信任评估的安全路由协议。第6章系统描述差分隐私保护理论、基于聚类匿名化的无线传感器网络源节点差分位置隐私保护协议、基于差分隐私保护的无线传感器网络基站位置隐私保护协议、基于噪声加密机制的无线传感器网络差分位置隐私保护协议。
第3部分为加权复杂网络抗毁性建模分析，包括第7～10章。第7章讨论加权复杂网络抗毁性测度指标选择、不同信息条件下加权复杂网络静态抗毁性、基于改进负载容量模型的加权复杂网络级联抗毁性等关键问题。第8章进行不完全信息条件下加权复杂网络抗毁性建模分析。第9章进行修复策略下加权复杂网络抗毁性建模分析。第10章对加权复杂网络抗毁性优化设计进行探讨。
叶清负责全书设计和统稿，并撰写了第4～6章。第1章和第2章由袁志民撰写。第3章和第7章由付伟撰写。第8～10章由王甲生撰写。参与本书撰写工作的还有刘伟、陈渊、黄仁季、张乔嘉等，书中还引用了其他同行的工作成果，在此一并表示感谢。
本书的研究工作得到了国家自然科学基金（71171198、61672531）、湖北省自然科学基金（2011CDB052）等科研项目的支持。
本书可供从事信息安全或无线传感器网络安全研究的高校教师、科技人员、研究生或高年级本科生阅读，可为无线传感器网络安全性、抗毁性方案设计、验证等一系列工作提供参考。
由于作者科研学术水平有限，书中难免存在不妥或错误之处，还请读者见谅。本书内容仅涉及无线传感器网络安全研究领域中的一小部分，希望通过实际研究工作成果的分享，为广大读者提供新的研究思路与方法，欢迎广大读者批评指正。

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无线传感器网络安全与加权复杂网络抗毁性建模分析