[论文解读] k-Connectivity in Secure Wireless Sensor Networks with Physical Link Constraints - The On/Off Channel Model

Jun Zhao, Osman Yağan+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 7, 2012

Security in Wireless Sensor Networks参考文献 42被引用 21

一句话总结

本文研究了在物理链路约束被建模为独立开关信道的埃施瑙尔-格利戈尔密钥预分配方案下，无线传感器网络（WSNs）中的k-连通性。推导出k-连通性和k-覆盖性的零一律，相较于完全连通模型下的先前结果有所改进，并且在1-连通性方面提供了强于Yağıan工作的零一律，其应用可扩展至在线社交网络中的分布式发布-订阅系统。

ABSTRACT

Random key predistribution scheme of Eschenauer and Gligor (EG) is a typical solution for ensuring secure communications in a wireless sensor network (WSN). Connectivity of the WSNs under this scheme has received much interest over the last decade, and most of the existing work is based on the assumption of unconstrained sensor-to-sensor communications. In this paper, we study the k-connectivity of WSNs under the EG scheme with physical link constraints; k-connectivity is defined as the property that the network remains connected despite the failure of any (k - 1) sensors. We use a simple communication model, where unreliable wireless links are modeled as independent on/off channels, and derive zero-one laws for the properties that i) the WSN is k-connected, and ii) each sensor is connected to at least k other sensors. These zero-one laws improve the previous results by Rybarczyk on the k-connectivity under a fully connected communication model. Moreover, under the on/off channel model, we provide a stronger form of the zero-one law for the 1-connectivity as compared to that given by Ya\u{g}an. We also discuss the applicability of our results in a different network application, namely in a large-scale, distributed publish-subscribe service for online social networks.

研究动机与目标

• 分析在物理链路约束下无线传感器网络中的k-连通性，具体将不可靠的无线链路建模为独立的开关信道。
• 通过引入实际的物理层约束，将先前在完全连通模型下的k-连通性研究工作加以扩展。
• 在开关信道模型下，推导出强于现有结果（特别是Yağıan的工作）的1-连通性零一律。
• 探讨理论结果在大规模分布式系统（如在线社交网络中的发布-订阅服务）中的适用性。

提出的方法

• 将无线链路建模为独立的开关信道，以反映WSNs中实际物理层的不可靠性。
• 应用埃施瑙尔-格利戈尔（EG）随机密钥预分配方案，实现传感器之间的安全密钥建立。
• 推导出两个性质的零一律：(i) 网络的整体k-连通性，以及(ii) 每个传感器至少具有k个连接。
• 使用概率分析和渐近方法，建立在k-连通性以概率趋近于1或0发生时的条件。
• 将开关信道模型下的理论阈值与完全连通模型下的阈值进行比较，以突出改进之处。
• 讨论结果向在线社交网络中分布式发布-订阅系统的扩展，指出其在连通性需求方面存在结构上的相似性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在链路不可靠（建模为开关信道）的WSN中，采用EG密钥预分配方案时，满足何种条件可实现k-连通性？
• RQ2 与完全连通模型相比，开关信道模型如何影响实现k-连通性的阈值？
• RQ3 在开关信道模型下，能否推导出强于Yağıan先前建立的1-连通性零一律？
• RQ4 所推导的连通性定律对大规模分布式系统（如在线社交网络中的发布-订阅服务）有何影响？
• RQ5 在物理链路约束下，k-连通性和k-覆盖性的理论阈值如何随网络规模和密钥环大小而变化？

主要发现

• 本文在开关信道模型下建立了WSNs中k-连通性和k-覆盖性的零一律，表明连通性要么以高概率发生，要么以高概率失败，具体取决于网络参数。
• 所推导的1-连通性零一律强于Yağıan提供的结果，在相同模型下提供了更紧致的阈值。
• 与Rybarczyk的工作相比，本研究通过将k-连通性分析从完全连通模型扩展到现实的开关信道模型，实现了改进。
• 在开关信道模型下，k-连通性的阈值高于完全连通模型，反映出物理层不可靠性的影响。
• 分析表明，当密钥环大小和网络密度满足特定渐近条件时，k-连通性可以以高概率实现。
• 研究结果适用于大规模分布式系统，如在线社交网络中的发布-订阅服务，其中稳健的连通性至关重要。