無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的安全與優(yōu)研究.pdf

1、近年來(lái)，隨著無(wú)線通信技術(shù)、嵌入式技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)與微系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，由大量具有傳感功能的小型移動(dòng)設(shè)備所構(gòu)造的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，廣泛應(yīng)用于收集、傳播和處理各種海量感知信息，引起了人們的普遍關(guān)注。
　　 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在軍事國(guó)防、工農(nóng)業(yè)控制、城市管理、衛(wèi)生醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測(cè)、搶險(xiǎn)救災(zāi)、防恐反恐以及商業(yè)應(yīng)用等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景。但不管何種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，路由協(xié)議都是控制源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸，是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)最關(guān)鍵的通信協(xié)議。然

2、而，在大多數(shù)應(yīng)用環(huán)境中，對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的安全性有很高的要求，其協(xié)議的安全性已經(jīng)制約了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)一步應(yīng)用。為了實(shí)現(xiàn)安全通信，密鑰管理是其安全架構(gòu)的基礎(chǔ)，但傳統(tǒng)的密鑰分配方案不能適用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)，由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)資源受限和開(kāi)放的體系結(jié)構(gòu)，也面臨其它嚴(yán)重的安全問(wèn)題，但是，原有的路由協(xié)議在設(shè)計(jì)之初，普遍缺乏安全方面的考慮，非常容易受到各種網(wǎng)絡(luò)攻擊。因此，綜合考慮網(wǎng)絡(luò)的能效和安全性，設(shè)計(jì)適合于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)密鑰分配方案

3、和低能耗的安全路由協(xié)議，具有很高的應(yīng)用價(jià)值。
　　 多播在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中可用于批量傳遞控制信息、報(bào)警信號(hào)與其它組播信息，同時(shí)也是建立節(jié)點(diǎn)間路由的重要手段。但無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)不同的特點(diǎn)，所以眾多傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議與多播路由協(xié)議不能直接有效應(yīng)用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中。多播路由可采用泛洪方式實(shí)現(xiàn)，但是存在冗余轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)多、沖突與碰撞嚴(yán)重等問(wèn)題，大量消耗能量與帶寬等資源。在大多數(shù)應(yīng)用環(huán)境下，由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)自身所攜帶的能量

4、非常有限，而能量消耗直接影響著其自身的使用壽命，所以，研究適合無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的低能耗路由協(xié)議和多播路由協(xié)議，以及如何根據(jù)傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用合理優(yōu)化它們，顯得尤為重要。
　　 我們抓住無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)資源受限和面向特定應(yīng)用兩大主要特點(diǎn)，從安全和優(yōu)化兩個(gè)視角，圍繞路由協(xié)議和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)兩個(gè)中心，逐步對(duì)安全和優(yōu)化展開(kāi)研究。本文在研究路由協(xié)議和密鑰分配方案的基礎(chǔ)上，著重對(duì)路由協(xié)議的安全、多路徑路由協(xié)議的優(yōu)化以及多播路由優(yōu)化等進(jìn)行了深入研究，設(shè)計(jì)

5、了相關(guān)模型，提出了相應(yīng)算法，實(shí)現(xiàn)了延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期、提高網(wǎng)絡(luò)安全和改善網(wǎng)絡(luò)性能等目標(biāo)。論文的主要研究工作和創(chuàng)新成果可以概括為下面五個(gè)方面：
　　 (1)針對(duì) A.Wadaa等人訓(xùn)練后的傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)--ACWT結(jié)構(gòu)(Architecture of Circle and Wedge Training)，提出了一種基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)楔環(huán)結(jié)構(gòu)的路由協(xié)議(CWR協(xié)議)。CWR協(xié)議由能效AP選舉算法、本地地址解析(LPRP)、網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換

6、(NPT)和CWR算法組成，與現(xiàn)有路由協(xié)議DD和LEACH應(yīng)用到ACWT結(jié)構(gòu)相比，CWR協(xié)議延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)生命周期，減少了傳輸延時(shí)。
　　 (2)針對(duì)當(dāng)前密鑰管理和路由信息脫離現(xiàn)象，提出了一種基于按需路由協(xié)議的多項(xiàng)式密鑰預(yù)分配改進(jìn)方案PKPIS。PKPIS首次把WSNs路由信息與多項(xiàng)式密鑰方案結(jié)合起來(lái)，較好地解決了WSNs資源受限問(wèn)題。PKPIS充分利用網(wǎng)絡(luò)路由的拓?fù)湫畔⒑突竟δ?，基站集中存?chǔ)重要安全信息和承擔(dān)大量計(jì)算負(fù)荷，而普通

7、節(jié)點(diǎn)僅保存其鄰居的多項(xiàng)式份額，這種機(jī)制不僅有效防止了密鑰泄漏，增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的安全性能，而且節(jié)省了傳感節(jié)點(diǎn)的能量資源。
　　 (3)根據(jù)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs)資源受限特別是能量受限的特點(diǎn)，針對(duì)路由協(xié)議的安全目標(biāo)，設(shè)計(jì)了路由路徑選擇系統(tǒng)RPSS，提出了基于加密和驗(yàn)證的高效安全路由協(xié)議(BEARP)，較好地解決了WSNs路由協(xié)議與相關(guān)安全機(jī)制有機(jī)結(jié)合的難題。BEARP由三個(gè)階段組成：安全鄰居發(fā)現(xiàn)階段；安全路由發(fā)現(xiàn)階段；安全路由維護(hù)階

8、段。BEARP加密了所有通信路由信息包，驗(yàn)證了通信雙方：基站和源節(jié)點(diǎn)，確保了路由信息的機(jī)密性、完整性、新鮮性和抗抵賴(lài)性。BEARP安全機(jī)制包括路由路徑選擇系統(tǒng)、入侵檢測(cè)系統(tǒng)和多線程機(jī)制，它們組成安全聯(lián)盟，高效抵制了各種典型的網(wǎng)絡(luò)攻擊。同時(shí)，BEARP遷移了路由相關(guān)負(fù)荷到基站完成，不僅均衡了網(wǎng)絡(luò)能量，延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)生命周期，而且增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)安全。
　　 (4)首次將遺傳算法應(yīng)用到WSNs多路徑路由，設(shè)計(jì)了多路徑路由優(yōu)化模型，并進(jìn)一步提出

9、了一種求解WSNs最優(yōu)多路徑路由算法GAMR，較好地解決了能量資源的全局優(yōu)化問(wèn)題。GAMR充分利用能源充足、計(jì)算和存儲(chǔ)功能強(qiáng)大的基站優(yōu)勢(shì)，把解決NP難問(wèn)題的遺傳算法應(yīng)用到WSNs的多路徑路由優(yōu)化中，在基站中執(zhí)行遺傳算法的選擇、交叉和變異操作，不僅高效優(yōu)化了多路徑路由，而且節(jié)約了網(wǎng)絡(luò)能量。
　　 (5)針對(duì)二層WSNs多播路由，設(shè)計(jì)了二層傳感器網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型，提出了基于擴(kuò)展ST編碼的遺傳算法(GAEST)，首次用遺傳算法理論高效解決

10、了WSNs多播路由優(yōu)化問(wèn)題。該算法從網(wǎng)絡(luò)全局能耗考慮，為每個(gè)簇頭選擇最佳輸出功率，確定其最優(yōu)的發(fā)送距離，對(duì)多播網(wǎng)絡(luò)的耗能進(jìn)行了全局優(yōu)化，而且，擴(kuò)展ST編碼關(guān)聯(lián)三個(gè)遺傳操作：選擇、交叉和變異，充分利用了傳感節(jié)點(diǎn)本身信息，減少了搜索空間，有利于遺傳算法尋找優(yōu)化解。仿真結(jié)果表明，相比基于Prüfer編碼的GAP，GAEST的包轉(zhuǎn)發(fā)率、適用值變化和收斂速度都較優(yōu)，相比EMRS和DD協(xié)議，GAEST延長(zhǎng)了多播服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)生命周期。
　　 本