分簇的无线传感器网络安全路由协议解析

1、武汉理工大学硕士学位论文一种基于分簇的无线传感器网络安全路由协议姓名：张涛申请学位级别：硕士专业：计算机科学与技术指导教师：李腊元20100501摘要无线传感器网络（WSNs ）是信息科学领域中一个全新的发展方向，同时也 是新兴学科与传统学科进行领域间交叉的结果。无线传感器网络经历了智能传感 器、无线智能传感器、无线传感器网络3个阶段。智能传感器将计算能力嵌入到传 感器中，使得传感器节点不仅具有数据采集能力，而且具有滤波和信息处理能力； 无线智能传感器在智能传感器的基础上增加了无线通信能力，大大延长了传感器的 感知触角，降低了传感器的工程实施成本；无线传感器网络则将网络技术引入到无 线智能传感

2、器中，使得传感器不再是单个的感知单元，而是能够交换信息、协调控 制的有机结合体。无线传感器网络的一个重要特点是资源受限。与传统网络相比，具有能量有 限、计算能力有限、存储空间有限和通信能力有限等特点。因此在研究应用于无线 传感器网络的各种技术时，考虑的关键问题是低能耗和低成本。然而，已有的适用 于传感器网络的路由协议大多是对有限的节点资源和特定应用的网络特性进行的最 优化设计，并没有考虑安全路由的问题。随着无线传感器网络在军事等领域的广泛应用，在设计了满足低能耗需求的路由协议后，对路由协议安全性的研究已成为新 的热点。本文首先介绍了DD、LEACH、GEAR等经典的路由协议，在对其路由 算法的

3、性能及安全性进行比较分析的基础上，发现以LEACH为代表的分簇路由 协议在能耗和安全性方面有着比较好的性能。接着详细分析了LEACH分簇路由 协议，并且虚拟了一个在windows平台上运行的UNIX模拟环境，使用N S2仿真工具对LEACH协议进行了仿真。然后，分别从能量消耗和安全性两个 角度建议性的提出了对LEACH协议的两种改进方案。第一种改进方案是提出了 结合集中式的LEAcH C协议和分布式的LEAcH协议两者的优点的ILE ACH协议，通过对簇头节点的产生区域进行限定，保证了簇头数目的最优化以及 簇头的合理分布，以节点剩余能量为主要依据来选择簇头节点。第二种改进方案是 针对分簇路由协

4、议不能抵御HELLOflood、选择性转发等攻击的问题，在 LEACH协议的基础上，提出了一种安全路由协议CSRP，通过引入适用于无 线传感器网络的安全引导方案，保证了数据的完整性、新鲜性以及认证性；同时引 入双向评测机制，对恶意节点进行检测，有效的提高了网络的安全性能。本文通过 仿真平台验证了ILEAcH协议具有较好的能量优化特性，以及在有恶意节点的情况下，与LEACH协 议相比较，CSRP具有较好的抗捕获能力，而且增加的能量消耗较小。本文得到了国家自然科学基金项目（批准号：60773211,60672 134,60970064）、国家软件开发环境重点实验室开放基金课题（批准 号：SKLSD

5、E2009KF 2 02）、新世纪优秀人才支持计划（批准 号：NCET08 0806）、霍英东高校青年教师基金基础性研究课题（批 准号：1 2 1 0 6 7 ）、武汉市科技攻关项目（批准号：20101062120 7）、教育部博士点基金项目（批准号：20060497105 ）和湖北省杰出 青年人才基金（批准号：2008CDE335 ）的资助。关键字：无线传感器网络：低能耗；分簇路由协议；安全引导方案；双向评测机制nAbstractWirelesss 黜orne 嘶r!kisancwdirl删on intI圮丘 eldOfillf.Omationscienae.butalsoH 地crossi

6、ng 仃eIldbetweena:Ilerg.mgdisci plinesa 皿d缸.aditionalacademic 飘lbjoct s.nwalttllro u曲U】_ r。 stagles :懿 nartser lso 娼，wircless & nartsellsors,wirdesss髓 sorne 咐耐 ks.Smartsenso璐 nodenotomyhasd ataacquiSitionca:pability,butalsofil t耐ngandprocessingdatacapabi l 时 becauseof 也e伽曲 cddedcomputingpow既Wirelesss

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10、eIl,、Wegive 也e觚aly豇sofLEACHindetai l,锄 daellie、，et11esiIIm lationofLEACHinNS2simulationplatfo m.Laterzwed 髓eribetlleiIIlpro v锄 ent 锄dmodifieationaboutLEACH 如 Irxer霉 IVeons切 mptio n撒 ldso 刚ty:E 嬲edonnle懿=llsiVea 腑1 ysisoftypicalmutingprotocols，跚ch嬲 LEACH 锄 dLEACH.C,觚inlprovedcluSte 曲g b 鹊edroutingpro

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12、conside 删o nfbrse 训付 andlimitedenergyi n、矶 rdessSe 邶OrN酉也WorkS.CSRP,wllichisbaSedonLEACH,talo胬saVingofelle 嚼， consumptio n雏 diml)rOVingofroutingse砌 t),懿 itsdesi 盟targets.:Keydis 仃ibutions chanewllicharesuitablef.OrWirelessSerlsorNetw otkSisaddedtOCSRPtoensul 旧thedataint 卿 田、feslllless 锄dauthenticati

13、on.Meanwl lilebi.dirl舭nalevaluatio nn础 MisnlisusodtodelLectma liciousnoilesandenhancetheneMorkset y:Simulationresultsshowsthatmepropos edprotocolCSRPhasbeltterperf.onnance mallSLEACHinte玎nsof雒 ti.captureabilitywhilethereexis tsmaliciousnodes.Furthe 姗or岛 tlleenefg yconSl蚰 蚰ptionrisesslowlylll武汉理工大学硕士

14、学位论文This 也岱缸缸 supportedbyNationalNatllra lScienceFoundationofChino:607732 l l,60672137,60970064),op 锄F undofthesta teKeyLaboratoryofSo伽raDevelopmentEnVimnment 科o : Sl江 SDE-2009KF.2-02),NewCennlryExceU蚰tTal蚰bi n吼iv盯s姆 o:NCE T.& 0806),FokYjnglroUgEduc 娟蚰Foundati onfbrlY.ounglzeachersinHigherEduca 值o n

15、InstitIltionsofChinao:20101062120ANSFofWuh锄Mu nicipaU哆讲o :20101062120 7),SpeciaIizedReseaKhF衄dfortheDoctor alPmgramofHigherEducationofChinao:2 0060497105)and 也eNa 廿仰 alScj 蛆ceFoundati onofHuBeiProVince科o :2008CDE335).Keywords:WirelcssS 删N咖o fkS;L0wEn 唧C删 tion;ClusterRoutiIlgProtocols;KeyDistribution

16、SCheme;B i.di 删io nalEval u撕o nR鼯ultsW独创性声明本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。签名：垂蝤日期：玉班，:篓!学位论文使用授权书本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规 定，即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅。本人授

17、权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时 授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并 向社会公众提供信息服务。（保密的论文在解密后应遵守此规定）研究生（签名）：避导师（签名！拙期趔庆6第1章绪论1.1课题来源及研究意义1.1 .1课题来源本文得到了国家自然科学基金项目（批准号：60773211,60672 134,60970064）、国家软件开发环境重点实验室开放基金课题（批准 号：SKLSDE2009KF 2 02）、新世纪优秀人才支持计划（批准 号：NcET 08 0806）、

18、霍英东高校青年教师基金基础性研究课题（批 准号：1 2 1 0 6 7 ）、武汉市科技攻关项目（批准号：20101062120 7）和教育部博士点基金项目（批准号：20060497105 ）的资助。1.1.2课题研究的目的及意义目前，无线传感器网络已成为国际上备受关注的热点研究领域，它涉及到多学 科高度交叉，其中综合了许多关键技术，比如嵌入式技术、传感器技术、现代网络 通信技术等。无线传感器网络具有网络自组织、以数据为中心、成本低廉等诸多优 点，具有潜在的巨大应用前景和极高的学术研究价值，在许多领域都有重要的应 用，比如国防安全、工农业现代化、城市公共管理、医疗卫生、反恐反暴、抢险救 灾、环境

19、安全监测、危险远程控制等，已引起了世界各国国防部、学术界和工业界 的广泛关注。无线传感器网络的关键技术之一是路由技术，目前，针对无线传感器网络的特 点也提出了一些路由算法，但这些路由算法当时并未考虑到安全问题，只是对节点 有限的能量和网络特性的应用进行了一定程度的改善。从总体而言，对于无线传感器网络安全问题的研究工作还处于起步阶段，各种 安全路由协议在能耗和安全性这两个方面难以平衡。但是，无线传感器网络有极大 的发展潜力和广阔的应用空间，值得我们对其进行深入的研究。可以预计，随着无 线传感器网络技术的迅速发展，它必将广泛的应用到人们生活中。1.2无线传感器网络概述信息的生成、获取、存储、传输、

20、处理及其应用是现代信息科学的六大组成部 分，其中信息的获取是信息技术产业链上重要的环节之一，没有它就没有信息的传 输、处理和应用，信息化也就成了无水之源、无本之木。随着现代微电子技术、纳 米材料、无线通信技术、信号处理技术、计算机网络技术等的进步以及互联网的迅 猛发展，传统的传感器信息获取技术从独立的单一化模式向集成化、微型化，进而 向智能化、网络化方向发展，成为信息获取最重要和最基本的技术之一。1.2. 1传感器网络体系结构1.2.1 .1传感器网络结构传感器网络结构如图卜1所示，传感器网络系统通常包括传感器节点、汇聚节 点和管理节点。大量传感器节点随机部署在监测区域内部或附近，能够通过自组

21、织 方式构成网络。传感器节点图卜1传感器网络体系结构网络开始运行的时候，部署于监测区域内的传感器节点收集附近的数据信息， 并做初步的数据融合处理，然后通过单跳或多跳方式传输到汇聚节点，由汇聚节点 将各条路径上收集来的数据信息进行数据冗余压缩，最后通过外部通信网络（卫星 网络或有线网络等）将采集到的信息传输到管理服务器。当然整个通信过程是相互 的，管理服务器也可以通过外部通信网络向整个监测区域中的传感器节点发出必要 的管理配置命令。2武汉理工大学硕士学位论文1.2.1.2传感器节点结构作为传感器网络最基本的组成单位，传感器节点一般由传感器模块、处理器模 块、无线通信模块和能量供应模块等组成，如图

22、卜2所示。传感器节点在工作阶 段，首先会由硬件内部的传感器模块进行周围环境数据采集，并转换成相应的数字 模拟信号，然后传送到处理器模块部分，由MCU处理器部分进行必要的数据加 工，形成规定的消息格式，最后由无线通信模块进行消息数据的广播发送，整个过 程中由能量供应模块进行能量控制管理。传感器模块处理器模块无线通信模块处理器传感器一+AC/DC 存储器斗网络一一 + MAC +收发器III能量供应模块图卜2传感器节点结构1.2.2传感器网络协议栈无线传感器网络的通信系统中采用的是分层协议栈的结构，在提供强大功能的 同时保持系统能够的灵活性。整个协议栈如图卜3所示，分为5层。图卜3传感器网络协议栈

23、1）物理层：提供简单但健壮的信号调制和无线收发技术，主要是涉及到无3 武汉理工大学硕士学位论文线物理信道的检测、能量检测、频率选择、信号的收发控制等。2）数据链路层：建立稳定可靠的点到点数据通信链路，维护链路通信质量。 主要负责解决媒体访问控制（McdiumAcccssContr0 1，MA C）和差错分析控制这两类问题。3）网络层：主要负责整个无线传感器网络的路由选择、维护，确保数据信息 能够正确地从源节点传输到目的节点，同时还要尽量优化路径、节省能量、保证安 全。4）传输层：传输层是两台计算机经过网络进行数据通信时，第一个端到端的 层次，具有缓冲作用。它利用网络层提供的服务，并通过传输层地

24、址提供给高层用 户传输数据的通信端口，使系统间高层资源的共享不必考虑数据通信方面和不可靠 的数据传输方面的问题。它的主要功能是：对一个进行的对话或链接提供可靠的传 输服务，在通向网络的单一物理连接上实现该连接的复用，在单一连接上提供端到 端的序号与流量控制、差错控制及恢复等服务。无线传器网络的传输层一般是用于 网络内部和网络外部的I nternct网络链接。5）应用层：负责时间同步、节点定位、Qos、移动性控制、能量管理、配 置管理、安全管理、远程管理，包括一系列基于监测任务的应用层软件。1.2.3无线传感器网络的特点无线传感器网络不同于传统的移动通信网络，有以下的特点：节点自身硬件配 置受限

25、、节点自身能量受限、部署区域位置受限、动态的网络拓扑、节点众多、自 身安全性差、面向应用等。这些特点也就决定了无线传感器网络自身应用的特点， 特别是能量和安全问题近年来受到很多研究者的注意，因为一旦网络出现部分节点 死亡或被破坏的问题，就可能会产生信息收集盲点，严重的可能造成整个网络的瘫 痪，对于无线传感器网络来说，最大化地均衡各节点的能量消耗以延长网络的生存 期并同时保持网络通信的安全性是无线传感器网络协议的重要研究内容。无线传感 器网络的结构特点【1】如下：1）网络节点自身硬件配置受限。传感器节点相比正常的计算机通信节点，其 通信能力、计算能力、存储容量、体积大小往往受到很大限制。一方面因

26、为传感器 节点是大规模部署应用的，所以要求节点的价格尽可能地降低。另一方面虽然随着 现代加工工艺的进步，传感器节点的集成能力有了很大的提高，但是相比正常的通 信计算机，它们还是存在较大的差距，特别是传感器节点在能4武汉理工大学硕士学位论文量方面的限制一直是困扰无线传感器网络发展的瓶颈。由于在现实部署环境 中，传感器节点的更换有时是不易实现的，传感器节点的能量往往得不到更换，一 旦自身因能量耗尽而死亡的话，就有可能造成节点附近信息收集的失败，严重的时 候可能影响整个网络的运行。因此如何减少传感器网络的能量消耗从而最大化网络 生命周期，一直是无线传感器网络的重要研究内容。2）动态的网络拓扑。拓扑结

27、构是指网络中各个站点相互连接的形式，在无线 传感器网络中，传感器节点可能因为能量耗尽或故障等原因退出网络，也有可能由 于工作需要有新节点加入网络，也有可能网络中网络信道改变或者网络需要重新分 割并构等，这都要求无线传感器网络有良好的动态重构能力，以适应网络拓扑的变 化。同时传感器网络中节点可能具有移动性，而节点的移动方式和速度可能会受到 环境的影响而难以预测，这就会造成节点、监测对象和观察者之间路径的不断变 化，这也要求传感器网络必须具有动态的重构能力，能够实时地保证网络的连通 性。3）传感器节点众多、分布广。在无线传感网络中，由于节点自身收集数据和 数据通信的局限性，以及要求对目标区域的覆盖

28、率高等特点，所以在网络部署时， 会在目标区域中投放大量的传感器节点，这样就可以达到数据采集的全面覆盖，同 时也保证了网络的容错性及抗打击性，使得网络不会因为部分节点的死亡退出从而 出现目标区域收集盲点。4）网络的安全性差【2】。由于无线传感器网络是一种特殊无线网络，它有 其自身的特点，同时由于它早期的重心放在数据采集和网络生命周期上，而没有对 安全问题采取足够的重视，使得无线传感器网络的安全性非常差。由于在无线传感 器网络中，采点本身是集信息采集、路由通信、数据融合于一身的，同时整个的无 线感器网络中所有的节点均是身份对等的，没有特定的网络中心，这就使得传统有 线网络中的安全认证机制不能简单地

29、复制应用于无线传感器网络中。在无线传感器 网络中很容易受到窃听、无线干扰、主动入侵等网络攻击，这些都是无线传感器网 络要考虑的问题，特别是在一些信息机密性比较高的网络应用中。5）应用相关性【3 1。无线传感器网络是一种和具体应用密切相关的网络技 术，对于不同的应用要求，可能会涉及到不同的网络硬件、软件和网络应用协议， 例如一些网络应用注重于网络中的数据收集，而对其安全性要求不高；而有的网络 应用中可能对于网络的安全性要求较高而对于信息的实时性要求不高：或者有的网 络应用要求与具体的物理位置密切相关，而有的网络应用却忽略网络5武汉理工大学硕士学位论文中的具体物理位置。由于网络应用的目的不同，传感

30、器网络的具体设计就会有 不同的特点，针对某一特定的网络应用设计特定的传感器网络是无线传感器网络的 一个显著特点。6）以数据为中心及数据流量的不确定性【I】。由于无线传感器网络的应用 特点，它是具有明确目的的网络应用，因此收集目的数据是网络的重要目标。根据 任务的要求，网络中各节点要能够将收集到的数据快速的汇总到信息采集中心，在 这过程中可能会涉及到简单的数据融合，因为无线传感器网络中各节点部署的随机 性，这就有可能造成节点收集的信息冗余高，而为了减少不必要的通信能量消耗， 数据融合是非常重要的一步，有效的数据融合可以大大减小邻近节点收集到的冗余 数据，节省不必要的通信，延长网络的生命期，还可以

31、减轻数据收集终端的数据处 理负载；同时由于节点分布的不可预知性，采集到的信息量就可能不均衡，这同时 也会造成数据流量的不均衡。1.3无线传感器网络的应用近年来，人们对沟通的需求使无线通信呈指数级发展。随着万维网的发展，电 子邮箱和数据文件传输等因特网服务的数据交换量不断增长，无线数据网成为无线 通信领域的发展前沿。服务传送所需的通信容量不断增加，这一点可以从网络数据 吞吐量需求的不断增加可以看出来。与此同时，还存在许多其他潜在的无线网络应用。这些应用降低了对数据吞吐 量的要求，它们包括家庭自动化和电子消费产品、智能农业和健康监测、工业控制 和监视、安全与军事感知等。1.3. 1家庭自动化和消费

32、电子家庭是无线传感器网络的一个巨大应用空间。无线传感器网络在家庭中的主要 应用时个人电脑的外设，比如无线键盘和鼠标。这些应用设备充分利用了无线传感 器网络必须具备的低成本和低能耗的优点。玩具市场也是无线传感器网络的一个巨大应用空间。比如，可以这样实现玩具 的语音识别和合成功能：把合适的模/数和数/模转换器、麦克风和喇叭装在玩具 里，再通过无线传感器网络与电脑无线连接，由电脑完成语音识别与合成。通过这 样的方式，就可以极大地降低玩具的成本，但同时玩具的性能却得6武汉理工大学硕士学位论文到了提升，功能也更加完善。无线传感器网络在家庭中的另一个主要应用时常见于汽车的遥控无钥开门功能 的延伸。首先由无

33、线锁、门窗传感器和无线电灯控制器组成无线传感器网络，而主 人将持有一个带按钮的类似于钥匙链的装置。当主人按下按钮时，系统会将所有门 窗锁上，并将大部分室内灯光熄灭，同时将室外安全灯打开。当所有这些成功完成 后，主人会听到嘀嘀的确认声如果有一个门没锁上，这个装置上的指示灯就会显 示哪里出了问题。1.3.2智能农业与环境感知无线传感器网络在智能农业领域的应用比如说降雨量的测量。大型农牧场范围 比较大，而降雨是偶发的并且可能只发生在农场中的部分地区。因为考虑到灌溉费 用较高，所以了解哪些地方有降雨哪些地方没有降雨，哪些地方需要灌溉哪些地方 不需要灌溉就显得比较重要。这正是无线传感器网络理想的应用场合

34、，因为一方 面，网络中传输的数据量很小，允许的数据消息延迟也可以长达几分钟；另一方 面，网络节点必须很廉价，功耗也必须低到足以在整个作物生长期内维持正常运1.3.3健康检测健康检测室无线传感器网络应用有希望快速发展的一个市场。无线传感器网络 在健康监测方面的应用主要有两类。一类是运动员身体机能监测，如通过可穿戴传 感器测量运动员的脉搏和呼吸速率，然后将这些信息传送给个人电脑以备分析。另 一类是家庭健康监测，如监测糖尿病患者每天的血糖量，远程监控慢性病患者等。1.3.4传感器在军事上的应用无线传感器网络也是产生于军事方面的发展应用。早在越战时期美国的军事部 门就开始注意利用先进的传感器网络技术来

35、进行军事监测，到了后来美国的军事应 用技术研究机构更是大力研究来开发传感器网络的应用前景，美国国防部和各军事 部门纷纷设立了很多的军事传感器网络研究项目，像美国海军研7究办公室制定的SeaWeb计划：美国军方的SlllartSensor Web计划、C4KISR计划、网状传感器系统CEC等【4】。与此同时，美 国的很多大学也纷纷加入无线传感器网络技术的研究，美国国家自然基金委员会也 下拨了大理资金进行相关的基础理论的研究。由于传感器网络具有的体积小、随机 分部、无线传输等特点，使得它在军事应用中有着独特用途，它非常适合于环境非 常危险恶劣的战争环境，在敌情侦察、部署监控、定位导航、后勤物质运输

36、等方面 有着重要的应用，另外它还可用来监测战场情况，特别是对生物武器的使用可以迅 速做出判断，这对战争中军事判断有着重要的情报作用。1.3.5工业控制与安全商用灯光控制是一个无线传感器网络工业控制应用的例子一栋大楼里的灯光 装置费用很大一部分用于灯光控制一一有线开关装在何处，哪些灯要求同时亮或 灭，灯光亮度调节等。如果采用灵活的无线控制系统，可以使用一个手持式可编程 控制器控制大量电灯，而且几乎可以实现无限多种灯光调节方式，同时还能提供商 业设备安全性方面的保证。无线传感器网络还可应用于工业安全方面。可以使用无线传感器网络节点中的 传感器检测有害、有毒或其他危险物质的存在，在造成严重破坏前就检

37、测和识别出 化学物质的泄露或溢出，防止这些危险物质扩散到公众场合。因为无线传感器网络 可以采用分布式路由算法，能多径路由，还可以自修复和自维护，所以它们能够在 设备发生爆炸或其他毁坏时恢复正常工作，从而能够在恶劣情况下为管理层提供重 要的设备状态信息。1.3.6办公自动化随着科技的进步，办公自动化的要求也是越来越高，人们通过实时联网、实时 联系等可以方便地进行相互勾通，大大提高工作效率。在一个企业或单位内部可以 在不同的办公地点能过安装传感器节点来组成一个无缝的覆盖网络，这样工作人员 就可以在整个单位内部甚至整个办公大楼实现随意上网，实时联系，同时这些节点 还可以同不同的应用硬件终端联接，完全

38、实现办公自动化，这不仅方便了工作人 员，也将大大提高他们的工作效率。81.3.7空间探测空间探测是一个比较前沿的应用技术，不过也是传感器应用比较集中的领域， 一般在外层空间中，人类的活动十分不便，很多地方是人类目前无法抵达的，而如 果想要了要相关空间的信息就必要有特殊的手段，现在人类主要是通过发射空间探 测器的方式来进行更远的外层空间探测，像美国发射的勇气号和 机遇号火星探测器等，它们在集成了大量高科技的同时，也大量应用了传感器技术，这可以使 得它们在火星表面可以自己进行必要的数据收集、分析、判断等，同时也会将收到 的信息发回地球，这些都离不开传感器技术的应用。1.4无线传感器网络的研究现状目

39、前无线传感器网络中通信技术的研究还处于从科学研究到商业应用过渡的阶 段，主要涉及到传感器网络的物理层研究、数据链路层研究、网络层路由协议的研 究、传输层协议的研究以及相关应用层方面的研究：而无线传感器网络基础设施方 面则主要集中在网络拓扑控制的研究、网络时间同步技术的研究、传感器节点定位 技术的研究、网络安全方面的研究以及QoS管理方面的研究；此外无线传感器网 络的研究还涉及到中间件技术、数据管理、节点及其嵌入式软件系统的研究等。其 中无线传感器网络的能量约束问题和安全认证问题是最近各国学者研究的热点和重 点。在无线传感器网络的能量约束问题方面，国内外学者提出并设计了各种无线传 感器网络的物理

40、层、数据链路层和网络层协议。无线传感器网络物理层的设计主要 具有两方面的性质：有利于高集成度实现；支持低占空比（无线设备的活动时间与 不活动时间的比值工作方式）。为了满足成本和功耗方面的需求，物理层采用脉冲 位置调制，这种调制方式支持相对较高的数据传输速率，从而降低设备占空比，延 长电池寿命。同时这种调制方式与高密度数字工艺相兼容，从而更利于降低产品成 本。无线传感器网络数据链路层协议的设计主要是选择信道访问方法。这种信道访 问方法必须能够在保持功耗最小化的同时实现稳定的通信。无线传感器网络的网络 层主要考虑的是两个相互关联的问题：网络自身的拓扑结构和数据消息在网络中的 路由算法。无线传感器网

41、络的安全认证问题主要集中在密钥管理和路由安全这两个方9向。SPINS安全协议族是最早的无线传感器网络的安全框架，提供点到点的消 息认证、消息完整性鉴别、实时性、广播认证等服务。但该安全框架进行安全引导 时是使用相对比较简单的主密钥共享方式，即整个无线传感器网络内的密钥存储在 基站内，导致整个无线传感器网络的安全性完全依赖于基站，要求网络在事先部署 时必须将基站部署在物理安全的区域，这极大地限制了传感器网络的应用灵活性。 针对这个问题，许多密钥管理机制被科研人员相继提出，其中有基于密钥池的预配 置方案，比如BasicRandomKeyManagementSche 鹏【4QcompositeSch

42、eme5:基于多项式的预配置方案，比如Locatio n BasedPair wiseKeyEstablishmentsScheme6】等。文献【刀针对无线传感器网络面临的攻击进行了详细 的分析。文献【8】提出了一种安全路由协议INTRSN（Intrusion TolerantRoutinginWirelessSensorNetw orks），它采取了入侵容忍策略，即恶意节点可以威胁它周围的少量节点，但 这种威胁不会影响到无线传感器网络的整体运行.文献pj提出了SecLEAC H协议，使用密钥预分配方案，每个节点在预分配阶段从含有P个密钥的密钥池中 分配K个密钥（KVVP），主要优点是簇头节点

43、和簇成员节点认证和安全连接不 需要基站的参与。文献【10】提出了SLEAcH协议，它是在LEACH分簇 路由协议的基础上融合了 SPINS的安全机制，整个无线传感器网络内的密钥存 储在基站内，每个传感节点共享这个存储在基站内的密钥。SLEACH协议通过 MAC（消息验证码）提供消息认证，MAc由基站使用唯一的共享密钥计算；通 过基站的帮助，节点选择信誉值高的簇头加入。然而因为基站的介入，使得网络的 可扩展性差。文献【II】和文献【12】分别提出了 TRANs协议、安全区域 路由sLRsN协议，这些安全路由协议基本上都是通过采用冗余机制、双向连接 认证、身份认证等安全机制来预防和抵御针对无线传感

44、器网络的攻击的。1.5本文的主要工作和创新1）研究了DD、LEACH、GEAR等经典的路由协议，熟练掌握各路由 协议的优缺点以及所适应的应用环境。目前，针对无线传感器网络特点，人们提出了多种路由协议，每种协议都有它 的适应环境，各种协议对无线传感器网络攻击的防御能力不同，因此在对路由算法 的性能及安全性进行比较分析的基础上，发现以LEACH为代表的分簇10路由协议在能耗和安全性方面有着比较好的性能。本文着重对LEACH和L EACH-C两种典型的分簇路由协议进行了研究分析。2）建议性的提出了一种改进的LEACH路由协议（ILEACH协议）。针对LEACH协议和LEACH吒协议，本文分别从簇头数

45、目、簇头分布以 及簇头的剩余能量三个方面提出了改进思路，并将算法融合，形成一个综合考虑以 上问题的改进算法。通过对每个簇头产生的区域进行预先设定，使得每个区域产生 一个簇头，从而实现每轮的簇头数保持一致。通过限定相邻簇头的间距，使得簇头 分布合理。通过在簇头选择的阈值中加入剩余能量参数，使簇头选择合理，从而使 整个网络的能量能够达到均衡。仿真结果表明，与LEAcH协议、LEACH C协议相比，ILEACH协议簇头数目没有偏离期望值，簇头分布位置合理，各 节点能耗分布均匀、网络生存时间得到了延长。3）建议性的提出了一种基于分簇的无线传感器安全路由协议（CSRP）针对无线传感器网络路由安全问题和节

46、点能量有限的不足，提出一种基于分簇 的安全路由协议CSRP。该协议是在LEACH协议的基础上，以增强路由安全 性同时兼顾网络的能量消耗为目标而设计的。在LEACH路由协议基础上，加入 适用于传感器网络的安全引导方案，为传输数据加密及点到点认证提供保证。引入 双向评测机制，对节点进行信誉值的计算，鼓励合作节点，打击恶意节点。簇头对 簇成员的评测机制可以在传感器节点选择簇头前过滤掉某些恶意节点；簇成员对簇 头的评测机制将已经成为簇头的恶意节点从网络中剔除。4）对NS2的研究NS2是当前业界公认的最优秀的网络仿真软件，其不但具有开放性好、扩展 性强、适用于多种系统平台等特点，而且支持各种业务模型和多

47、种通信协议。因此 对NS2的仿真进行深入的研究具有及其重要的意义。本文通过对NS2和LEA CH协议源代码的研究分析，比较详尽的阐述了如何进行仿真的实验流程。1.6 论文的结构本文共分6章，各章内容安排如下:第1章绪论简要的对无线传感器网络作了一个概述，包括体系结构、网络协 议、特点和主要研究领域。另外还有本课题的来源及研究意义，本文的主要工作和 创新。第2章无线传感器网络典型路由协议的分析与比较综述性的介绍了无线武汉理工大学硕士学位论文传感器网络中经典的三类路由协议：平面路由协议、层次路由协议和基于位置 的路由协议，并对典型的路由协议进行了分析与比较；同时，也介绍了无线传感器 网络的安全目标

48、、无线传感器网络路由协议中常见的攻击类型并对典型的路由协议 的安全性进行了分析。第3章无线传感器分簇路由协议LEACH的研究与改进在深入分析分布式簇 头选择路由协议LEACH和集中式簇头选择路由协议LEACH_C的基础上， 提出了一种改进的基于分簇路由协议ILEACH。通过对簇头节点的产生区域进 行限定，保证了簇头数目的最优化以及簇头的合理分布，以节点剩余能量为主要依 据来选择簇头节点。经过NS2仿真平台的测试，改进后的路由协议ILEACH 使得整个网络在较低的能耗水平下获得了较长的生命周期，具有较好的能量优化特 性。第4章基于双向评测机制的安全路由协议CSRP针对无线传感器网络路由安 全问题

49、和节点能量有限的不足，提出一种基于分簇的安全路由协议CSRP。该协 议是在LEACH协议的基础上，以增强路由安全性同时兼顾网络的能量消耗为目 标而设计的，通过引入适用于传感器网络的安全引导方案，保证了数据的完整性、 新鲜性以及认证性；同时引入双向评测机制，对恶意节点进行检测，有效的提高了 网络的安全性能。仿真结果表明，在存在恶意节点的情况下，与LEACH协议相 比较，CSRP具有较好的抗捕获能力，而且增加的能量消耗很小。第5章NS2与仿真实验首先介绍了网络仿真中常用的仿真平台NS2及其仿 真原理和应用范围，然后介绍了NS2中叮CL脚本的写法，最后对其仿真实验流 程进行了详细说明。第6章总结与展

50、望对本文所做的工作进行总结并对该领域需进一步研究的工作 进行展望。12武汉理工大学硕士学位论文第2章无线传感器网络典型路由协议的安全性分析2.1引言目前对于网络层路由协议的研究成为无线传感器网络研究领域的一个热点。针 对无线传感器网络的特点与通信需求，网络层需要解决利用局部信息来进行决策并 优化全局行为(即路由生成与路由选择)的问题。由于传统网络协议没有考虑节点 能量、计算能力、存储能力以及传输距离等问题，因此传统网络中普遍采用的路由 协议算法复杂，计算量大，不适合无线传感器网络的应用，为此，国内外科研人员 设计了多种路由协议。从网络结构的观点来看，可以将现有的路由协议分为三种： 平面路由、层

51、次路由、基于位置的路由【13 141。2.2平面路由基于平面的网络路由协议中，各节点都具有相同的物理功能，同时在整个网络 中角色也是对等的，没有等级大小和层次高低的区别，节点通过相互的局部探测和 信息交流来自动生成路由。在此类协议工作过程中，由目的节点或管理中心向监测 区域内部署的传感节点发出查询探测命令，目标区域内的传感节点收到查询命令 后，会启动节点相应的物理器件，按照一定要求采集相关数据，经自身收集并做一 定融合处理后，以自组多跳协作的方式经由一条合适的路由路径将数据信息发往处 理中心。平面路由协议工作简单，并且无须进行任何结构维护工作，一般不会产生 瓶颈效应，有较好的健壮性，但是平面路

52、由中没有管理节点，缺乏对通信资源的优 化管理，对网络动态变化的反应速度较慢，维护路由变化需要进行大量控制信息交 互，这会导致额外的能量消耗，所以它不适合大规模网络应用。典型的平面路由算 法有信息协商传感器SPIN(SensorProtoc01sforInfo rlllationviaNegotiatio n)协议【15.161，定向 扩散 DD(DirectedDiffusio n)协议【1刀，泛洪(floo ding )协议【18】等。13武汉理工大学硕士学位论文2.2. 1信息协商传感器协议（SPIN）SPIN协议是一种以数据为中心的自适应路由协议。它的目的是：通过节点 之间的协商，解决泛

53、洪协议的内爆和重叠现象SPIN协议有3中类型的消息， 即ADc、REQ和DATA。其中，ADC用于数据的广播，当某一个节点有数 据可以共享时，可以用其进行数据信息广播；REQ用于请求发送数据，当某一个 节点希望接受DATA数据包时，发送REQ数据包；DATA为传感器采集的数 据包。在发送一个DATA数据包之前，一个传感器节点首先对外广播ADV数据 包，如果某一个节点希望接收要传来的数据信息，则想发送ADV数据包的节点回 复REQ数据包，这样就建立起发送节点和接收节点的联系，发送节点便可以向接 收节点发送DATA数据包。2.2.2定向扩散路由协议（DD）DD协议是一种基于查询的路由协议。整个过程

54、分为兴趣扩散、梯度建立以及 路径加强三个阶段。在兴趣扩散阶段，汇聚节点向传感器节点发送其想要获取的信 息内容。兴趣消息镇南关含有任务类型、目标区域、数据发送速率、时间戳等参 数。每个传感器节点接收到该信息后，将其保存在缓存中。当整个信息要求传遍整 个传感器网络后，便在传感器节点和汇聚节点之间建立起一个梯度场，梯度场是根 据成本最小化和能量自适应原则建立的。只要传感器节点收集到汇聚节点感兴趣的 数据，就会根据建立的梯度场寻求最快路径进行数据传递。2.2.3 泛洪协议（fl OOding）泛洪协议是一种传统的无线通讯路由协议。它规定每个节点接收来自其它节点 的信息，并以广播的形式发送给其它邻居节点

55、，最后将信息数据发送给目的节点。 但这个协议容易引起信息的 内爆”和 重叠，造成资源的浪费。2.3层次路由层次路由又称基于簇的路由。采用分簇路由协议的网络通常将监测区域内14武汉理工大学硕士学位论文的传感器节点划分成若干个簇，然后根据特定算法在每个簇内选出簇首节点 (clusterhead )和簇内成员(clustermember)节点。簇首节点负责管理簇内所有成员节点，协调成员节点之间的任务，负责簇内信息收 集、数据融合、簇内通信信道分配以及簇间转发；簇内成员节点只负责收集数据， 然后传输到簇首节点，相对簇首节点而言，成员节点功能比较简单，不需要维护复 杂的路由信息。分簇路由协议具有拓扑管理

56、方便、能量利用高效、数据融合简单等 优点，但是由于簇首节点在通信过程中要负责整个簇内的路由管理，还要负责簇内 信息融合等，簇首节点的能量消耗相对而言就比较快，所以在层次路由协议中簇首 的选举要充分考虑节点的能量均衡性，以更好地延长网络生存周期，提高网络不同 规模的适应性。典型的分簇路由算法有低功耗自适应聚类层次协议LEACH(L owEnergyAdaptiveClusteringHierarchy) 【19 1、节能阈值敏感协议TEEN(ThresholdsensitiveEnergyEffic ientsensorNetworkprotoc01)【201、节能内聚传感器信息系统协议PEGA

57、sIS(PoWerEfficientGatheringinSensorInfor腿tionSystems )等。2.3. 1低功耗自适应聚类层 次协议(LEACH)LEAcH协议是无线传感器网络中最早提出的分层路由协议。在LEACH 协议中，传感器节点以簇的形式来组织自己，每个簇由簇头来管理，当簇头接收到 簇内成员发来的数据后，进行一些数据融合，然后再传送给远端基站。所以作为簇 头的节点，需要很大的能量，如果簇头是事先固定的，那么簇头的能量将会很快耗 尽，那么属于该簇的节点将不能继续通信，所以LEAcH协议采用轮换簇头的方 案来使通信中的节点轮流选为簇头，这样就可以避免固定簇头所带来的一些缺点

58、。 这就涉及到一个簇头选举方法，在LEACH中算法的实现是分轮次的，每个轮次 又分簇形成阶段和簇稳定阶段，为了减少分簇带来的额外能量消耗，簇稳定阶段的 时间需要远远大于簇形成阶段的时间。在簇形成阶段，算法采用随机分布的算法来 决定每轮的簇头，而不需要基站节点的集中控制。2.3.2节能阈值敏感协议（TEEN）TEEN协议是具有实时性的路由协议。它采用于LEACH相同的多簇结构 和运行方式。不同的是，LEACH是主动型传感器网络，而TEEN是响应型传 感器网络。前者持续监测周围的信息，并以恒定速率发送监测数据。而后者只有在观测变 量发生突变时才传送数据。响应型网络更适合应用在对时问敏感的场合中TEE N的基本思想是设置硬阈值和软阈值两个参数来减少数据的传输量。在每次簇头轮 换时，硬阈值和软阈值都被广播出去，当节点监测到的数据第一次超过设置的硬阈 值并且监测数据的变化幅度大于软阈值时，节点才会传送最新的监测数据，并将它 设置为新的硬阈值TEEN根