無線傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議的安全與優(yōu)研究.pdf

1、近年來，隨著無線通信技術、嵌入式技術、計算機技術與微系統(tǒng)技術的發(fā)展，由大量具有傳感功能的小型移動設備所構造的無線傳感器網(wǎng)絡，廣泛應用于收集、傳播和處理各種海量感知信息，引起了人們的普遍關注。
　　 無線傳感器網(wǎng)絡在軍事國防、工農(nóng)業(yè)控制、城市管理、衛(wèi)生醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測、搶險救災、防恐反恐以及商業(yè)應用等領域都有廣泛的應用前景。但不管何種無線傳感器網(wǎng)絡，路由協(xié)議都是控制源節(jié)點和目的節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳輸，是無線傳感器網(wǎng)絡最關鍵的通信協(xié)議。然

2、而，在大多數(shù)應用環(huán)境中，對無線傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議的安全性有很高的要求，其協(xié)議的安全性已經(jīng)制約了無線傳感器網(wǎng)絡的進一步應用。為了實現(xiàn)安全通信，密鑰管理是其安全架構的基礎，但傳統(tǒng)的密鑰分配方案不能適用無線傳感器網(wǎng)絡。同時，由于無線傳感器網(wǎng)絡資源受限和開放的體系結(jié)構，也面臨其它嚴重的安全問題，但是，原有的路由協(xié)議在設計之初，普遍缺乏安全方面的考慮，非常容易受到各種網(wǎng)絡攻擊。因此，綜合考慮網(wǎng)絡的能效和安全性，設計適合于無線傳感器網(wǎng)絡密鑰分配方案

3、和低能耗的安全路由協(xié)議，具有很高的應用價值。
　　 多播在無線傳感器網(wǎng)絡中可用于批量傳遞控制信息、報警信號與其它組播信息，同時也是建立節(jié)點間路由的重要手段。但無線傳感器網(wǎng)絡具有與傳統(tǒng)網(wǎng)絡不同的特點，所以眾多傳統(tǒng)網(wǎng)絡的路由協(xié)議與多播路由協(xié)議不能直接有效應用于無線傳感器網(wǎng)絡中。多播路由可采用泛洪方式實現(xiàn)，但是存在冗余轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點多、沖突與碰撞嚴重等問題，大量消耗能量與帶寬等資源。在大多數(shù)應用環(huán)境下，由于無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點自身所攜帶的能量

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，研究適合無線傳感器網(wǎng)絡的低能耗路由協(xié)議和多播路由協(xié)議，以及如何根據(jù)傳感器網(wǎng)絡的應用合理優(yōu)化它們，顯得尤為重要。
　　 我們抓住無線傳感器網(wǎng)絡資源受限和面向特定應用兩大主要特點，從安全和優(yōu)化兩個視角，圍繞路由協(xié)議和拓撲結(jié)構兩個中心，逐步對安全和優(yōu)化展開研究。本文在研究路由協(xié)議和密鑰分配方案的基礎上，著重對路由協(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)化等進行了深入研究，設計

5、了相關模型，提出了相應算法，實現(xiàn)了延長網(wǎng)絡生命周期、提高網(wǎng)絡安全和改善網(wǎng)絡性能等目標。論文的主要研究工作和創(chuàng)新成果可以概括為下面五個方面：
　　 (1)針對 A.Wadaa等人訓練后的傳感器網(wǎng)絡結(jié)構--ACWT結(jié)構(Architecture of Circle and Wedge Training)，提出了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡楔環(huán)結(jié)構的路由協(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應用到ACWT結(jié)構相比，CWR協(xié)議延長了網(wǎng)絡生命周期，減少了傳輸延時。
　　 (2)針對當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)議的多項式密鑰預分配改進方案PKPIS。PKPIS首次把WSNs路由信息與多項式密鑰方案結(jié)合起來，較好地解決了WSNs資源受限問題。PKPIS充分利用網(wǎng)絡路由的拓撲信息和基站功能，基站集中存儲重要安全信息和承擔大量計算負荷，而普通

7、節(jié)點僅保存其鄰居的多項式份額，這種機制不僅有效防止了密鑰泄漏，增強了網(wǎng)絡的安全性能，而且節(jié)省了傳感節(jié)點的能量資源。
　　 (3)根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(WSNs)資源受限特別是能量受限的特點，針對路由協(xié)議的安全目標，設計了路由路徑選擇系統(tǒng)RPSS，提出了基于加密和驗證的高效安全路由協(xié)議(BEARP)，較好地解決了WSNs路由協(xié)議與相關安全機制有機結(jié)合的難題。BEARP由三個階段組成：安全鄰居發(fā)現(xiàn)階段；安全路由發(fā)現(xiàn)階段；安全路由維護階

8、段。BEARP加密了所有通信路由信息包，驗證了通信雙方：基站和源節(jié)點，確保了路由信息的機密性、完整性、新鮮性和抗抵賴性。BEARP安全機制包括路由路徑選擇系統(tǒng)、入侵檢測系統(tǒng)和多線程機制，它們組成安全聯(lián)盟，高效抵制了各種典型的網(wǎng)絡攻擊。同時，BEARP遷移了路由相關負荷到基站完成，不僅均衡了網(wǎng)絡能量，延長了網(wǎng)絡生命周期，而且增強了網(wǎng)絡安全。
　　 (4)首次將遺傳算法應用到WSNs多路徑路由，設計了多路徑路由優(yōu)化模型，并進一步提出

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)化問題。GAMR充分利用能源充足、計算和存儲功能強大的基站優(yōu)勢，把解決NP難問題的遺傳算法應用到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)絡能量。
　　 (5)針對二層WSNs多播路由，設計了二層傳感器網(wǎng)絡優(yōu)化模型，提出了基于擴展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)化問題。該算法從網(wǎng)絡全局能耗考慮，為每個簇頭選擇最佳輸出功率，確定其最優(yōu)的發(fā)送距離，對多播網(wǎng)絡的耗能進行了全局優(yōu)化，而且，擴展ST編碼關聯(lián)三個遺傳操作：選擇、交叉和變異，充分利用了傳感節(jié)點本身信息，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延長了多播服務的網(wǎng)絡生命周期。
　　 本