（计算机应用技术专业论文）无线传感器网络安全路由协议研究与仿真.pdf

天1 1 s j a a 婵n 暑u ! 3 u ! 暑u au ! q a 暇h ：疋1 1 s i o a m f l oio 乙q o m i n ：u o ! i g u m m x gi 它i o i o3 聘q oio z u e r ：u o t s s r m q n s2 03 聘q , g i o u q o o 工p o ! l d d va o m d m o d ：盂1 1 1 m o o d s 宕u v a a u 届u aj o 驺1 s b ：j o jp o ! l d d vo o 虚o go t m o l ：m o v n a x8 讽1 人 2 0 a d ：m s t m o d n s o r u q 暑u v x 它w ：a ；它p ! p t m d n s mu 善l o a m , o a d8 u ! n o h 向! j n 3 3 sj ou o ! l g l n m ! sp u gq a a b o s o h s u a 。i a i , i oo o 培o g9 m t 0 2u o ! 鄹o s s ! gv ：3 。q f l ：x o p u ip o u ! s s t q d i 鼍 、 ，t 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体己经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：马发因 日期： 7 口矽年3 月f 日 哈尔滨工程大学 、 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 函在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：与艇l 虱 日期：7 0 io 年3 月心e l 导师( 签字) ： 乃扣年3 月3 日 ， ， 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 摘要 无线传感器网络是一个多学科交叉的新型热点研究领域，应用前景广阔， 受到国内外研究人员的高度关注，并得到了快速的发展。在无线传感器网络 快速发展的同时，也出现了许多亟待解决的问题，如安全问题和能耗问题就 是无线传感器网络不能忽视的两个关键问题，其中路由协议的安全问题尤为 突出，成为国内外w s n 领域研究的热点。 本文在对国内外无线传感器网络路由协议充分研究的基础上，针对现有 w s n 路由协议的不足，特别是在安全防御方面的缺陷，提出了相应的改进方 案。本文的创新工作主要如下： 首先，针对无线传感器网络路由协议较难防御的内部威胁，提出了基于 信誉评测机制的w s n 安全路由协议v h g e a r 。v i i g e a r 协议通过引入纵 向和横向信誉相结合的w s n 节点信誉评测模型，解决了信誉评测不全面和 误判的问题，有效防御了选择性转发等内部威胁，提高了路由协议安全性： 同时，该协议还对网络能耗进行了优化，改进了信誉更新机制，采用周期性 信誉更新机制减少了信誉计算次数，降低了网络能耗，延长了网络生命周期。 通过以上改进方案有效地提高了w s n 安全路由协议的整体性能。 其次，本文还提出了一种基于节点编码的n e v m 路由失效节点验证方法 来进一步提高w s n 路由协议的安全性。n e v m 验证方法通过对失效路由上 的节点进行二进制编码，生成多条验证路径，来对失效节点进行有效验证。 该方法基于二进制编码和逻辑运算，处理简单，非常适用于能量和处理能力 有限的无线传感器网络。 最后基于n s 2 仿真平台进行了仿真实验，通过对仿真实验结果的对比分 析验证了所提方案的可行性和有效性。 关键词：无线传感器网络；安全路由协议；信誉评测；节点编码 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 a b s t r a c t w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ( w s n ) i san o v e la n dh o tr e s e a r c hf i e l dw i t h m u l t i d i s c i p l i n a r yc r o s s e d , i th a saw i d ea p p l i c a t i o np r o s p e c t ，a n dh a sr e c e i v e d h i 幽a t t e n t i o nf r o mr e s e a r c h e r sd o m e s t i ca n da b r o a d ，a sar e s u l t ，i tg e tar a p i d d e v e l o p m e n t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n t ，s o m ei s s u e sd e m a n d i n gp r o m p t s o l u t i o nc o m eo u t ，s u c ha ss e c u r i t yp r o b l e m sa n de n e r g yc o n s u m p t i o np r o b l e m w h i c ha r es oi m p o r t a n tt h a tc a n n o tb ei g n o r e d ，s e c u r i t yp r o b l e m si nr o u t i n g p r o t o c o li sm o r ep r o m i n e n t ，t h e r e f o r e ，an e ws u b j e c tr e s e a r c ha n ds i m u l a t i o no f s e c u r i t yr o u t i n gp r o t o c o li nw s n i sp r o p o s e d o nt h eb a s i so fe n o u g hr e s e a r c ha b o u tt h er o u t i n gp r o t o c o li nw s n a th o m e a n da b r o a d ，a c c o r d i n gt ot h ed e f e c to fr o u t i n gp r o t o c o l ，e s p e c i a l l yt h es e c u r i t y p r o b l e m ，s o m ei m p r o v e m e n ts c h e m e s a r ep r o p o s e d t h em a i ni n n o v a t i o nw o r ko f t h i sp a p e ri sa sf o l l o w s ： 、 f i r s t ，d u et ot h ei n t e r n a la t t a c ko fr o u t i n gp r o t o c o li nw s n t h a ti sd i f f i c u l tt o d e f e n s e ，an o v e ls e c u r i t yr o u t i n gp r o t o c o li nw s n b a s e do nr e p u t a t i o ne v a l u a t i n g m e c h a n i s mv h g e a ri sp r o p o s e d v h g e a rp r o t o c o li n t r o d u c e san o v e l r e p u t a t i o ne v a l u a t i n gm o d e lf o rw s nn o d e sb a s e do nv e r t i c a l a n dh o r i z o n t a l a n a l y s i st os o l v et h ep r o b l e mo fe v a l u a t i n gn o tc o m p r e h e m i v ea n dm i s j u d g e m e n t ， d e f e n s et h es e l e c ta t t a c k ，i m p r o v et h es a f e t yo nr o u t i n gp r o t o c o l ；t h es a m et i m e ，i n a d d i t i o n ，v i i g e a rp r o t o c o lo p t i m i z e st h en e te n e r g yc o n s u m p t i o n ，i m p r o v e s t h er e p u t a t i o nu p d a t em e c h a n i s m ，b a s e do nu p d a t i n gr e p u t a t i o np e r i o d i c a l l y r e d u c e sc o m p u t i n g ，c u t sd o w nt h en e te n e r g yc o n s u m p t i o n ，p r o l o n g st h en e t l i f e c y c l e t h ea b o v ei m p r o v e m e n ts c h e m e sc a ne f f e c t i v e l yi m p r o v et h e o v e r a l l p e r f o r m a n c e o fs e c u r i t yr o u t i n gp r o t o c o li nw s n a n dt h e n 。n e v v lf a i l u r en o d ev e r i f i c a t i o nm e t h o db a s e do nn o d e - e n c o d i n g i sp r o p o s e dt oe n h a n c et h es a f e t yo fr o u t i n gp r o t o c o li nw s n n e v mv e r i f i c a t i o n m e t h o de n c o d e st h ea l ln o d e so ff a i l u r er o u t i n gw i t hb i n a r y - e n c o d i n g ，g e n e r a t e s m u l t i p l ev e r i f i c a t i o nr o u t e s ，t h e nv e r i f i e s t h ef a i l u r en o d ei nf a i l u r er o u t i n g 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 e f f e c t i v e l y n e v mv e r i f i c a t i o nm e t h o di ss u i t a b l ef o rw s nt h a th a sf i n i t ee n e r g y a n dc o m p u t i n ga b i l i t yb e c a u s eo ft h es i m p l ep r o c e s sw i t hb i n a r y - e n c o d i n ga n d l o g i c a lc o m p u t i n g f i n a l l y ，t h es i m u l a t i o no fi m p r o v e m e n ts c h e m e sr u n s o nt h es i m u l a t i o n p l a t f o m ln s 2 t h ec o m p a r i s o na n da n a l y s i so nt h es i m u l a t i o nr e s u l tv e r i f i e st h e f e a s i b i l i t ya n dc i t e c t i v e n e s so ft h ep r o p o s e ds c h e m e s k e yw o r d s ：w i r e l e s s s e n s o rn e t w o r k s ；s e c u r i t yr o u t i n gp r o t o c o l ；r e p u t a t i o n e v a l u a t i n g ；n o d ee n c o d i n g 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 目录 第1 章绪论1 1 1 研究背景及意义1 1 2 论文研究内容4 1 3 论文组织结构6 第2 章w s n 路由协议及其安全性研究8 2 1 引言8 2 2 无线传感器网络及路由协议8 2 2 1 无线传感器网络结构8 2 2 2w s n 路由协议特点9 2 3w s n 典型路由协议研究1o 2 3 1 地理位置路由协议1 1 2 3 2 分层路由协议l3 2 3 - 3 数据中心路由协议：l 5 2 4w s n 典型路由协议对比分析1 6 2 4 1w s n 路由协议综合分析16 2 4 2w s n 路由协议安全性研究17 2 5w s n 安全路由协议现状总结17 2 6 本章小结19 第3 章基于信誉评测机制的w s n 安全路由协议2 0 3 1 引言2 0 3 2 相关对比分析。2 0 3 3 g e a r 安全路由协议2 2 3 3 1w s n 节点信誉评测模型2 4 3 3 2 周期性信誉更新机制2 8 3 3 3 g e a r 选路算法2 9 3 4 本章小结3 1 第4 章基于节点编码的w s n 路由失效节点验证”3 3 4 1 引言3 3 产一 l 哈尔滨t 程大学硕七学位论文 4 2n e v m 路由失效节点验证方法3 3 4 2 1n e v m 总体说明3 3 4 2 2n e v m 方案设计3 5 4 3n e v m 理论证明及分析3 8 4 4 本章小结4 0 第5 章仿真实验及结果分析4 2 5 1 引言4 2 5 2 仿真平台对比及仿真过程介绍4 2 5 2 1w s n 仿真平台对比分析4 2 5 2 2n s 2 仿真过程4 4 5 3v h g e a r 仿真实验及结果分析4 6 5 3 1v h b r s n 信誉分布4 8 5 3 2 意外丢包节点信誉分布4 9 5 3 3v i i g e 0 气r 误判率4 9 5 - 3 4v i i g e a r 识别率二5 0 5 3 5v h g e a r 能耗率5l 5 4n e v m 仿真实验及结果分析5 2 5 5 本章小结5 4 结论5 5 参考文献5 7 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果6 l 致 谢6 2 哈尔滨t 稗大学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 研究背景及意义 无线传感器网络w s n ( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ) 具有十分广阔的应用 前景，是一个涉及多个学科，知识高度交叉的前沿热点研究领域，受到国内 外研究人员的高度关注。美国商业周刊称w s n 是全球未来四大高科技 产业之一，是2 l 世纪世界上最具影响力的2 1 项技术之一。m i t 新技术评论 认为w s n 是改变世界的十大新技术之一【l 】。同时，随着物联网( t h ei n t e m e t o f t h i n g s ) 的高速推进，无线传感器网络的应用将更加广泛，其重要性将更加 突出。 无线传感器网络是一种多跳自组织的无线网络系统，主要有感应、通信 和计算三大功能，由部署在监测区域内的微型传感器节点组成，用来监测不 同区域内的图像、声音、温度、振动、压力或污染物等信息，节点间以无线 的方式进行组网和通信，节点间相互协作地感知、处理和传输传感器节点获 取的信息，最终将获取信息传送给用户【l 】。无线传感器网络的每个节点一般 具有能量有限的电池、特定应用的传感器，体积较小的微控制器和无线电收 发装置。传感器节点一般要求有较好的隐蔽性和低成本，根据网络规模和应 用的不同，传感器节点的价格和体积也不尽相同，比较典型的是尘埃传感器。 无线传感器网络节点复杂度高和体积小的特性，决定了无线传感器网络在能 量、存储、处理速度和通信带宽上都受到了很大的局限，以至于一些传统无 线网络的路由协议无法很好地应用于无线传感器网络【3 1 。 无线传感器网络的应用非常广泛，最初起源于战场监测等军事应用，而 现在被广泛地应用于军事、工业、农业、医疗等领域，如环境与生态监测、 健康监护、家庭自动化、以及交通控制等【4 】。正是无线传感器网络广阔的应 用前景，使其成为国内外的一个研究热点，受到了广大研究人员的高度关注。 为解决无线传感器网络存在的核心问题和在某个研究分支上存在的难题等， 研究人员通过举办讨论会议等多种形式来一起研究解决，很好地促进了无线 传感器网络的发展。 在无线传感器网络高速发展的同时也出现了一些亟待解决的问题，如无 1 声 i 哈尔滨下程大学硕+ 学位论文 线传感器网络的安全问题和能耗问题等，这些问题直接影响着无线传感器网 络的应用和发展，其中安全问题尤为突出。 无线传感器网络的安全问题存在于网络的各层中。无线传感器网络的网 络性质和资源限制条件给无线传感器网络各层的安全防御带来了很大困难， 如无线传感器网络的传感器节点具有节点能量有限，计算能力弱，存储空间 小，信息传输效率低的特点，这导致了无线传感器网络无法进行大规模复杂 的安全防御处理，削弱了网络的安全防御能力；同时，传感器节点在感应监 测环境信息的同时还要负责路由任务，加大了传感器节点的复杂程度，这种 多功能集成特性也给无线传感器网络的安全防御带来了很大的困难；而且， 无线传感器网络又有多跳自组织分布式的特性，以及网络拓扑动态性和无线 链路脆弱性等，这进一步加大了网络安全防御的难度。以上问题使得无线传 感器网络在各层都面临了很多的安全威胁【5 】。在物理层、链路层、网络层和 传输层中尤其以网络层面临的安全威胁最多。具体各层所受的安全威胁及现 有防御机制如下所述： 1 ) 物理层 面向物理层的安全威胁主要有：信号干扰、篡改和物理破坏攻击等。对 信号干扰可以通过扩频，信息优先权，节点交换等措施进行防御；对篡改攻 击可采取篡改校验和加密隐藏技术进行有效的防御。 2 ) 链路层 面向链路层的安全威胁主要有：注入攻击、窃听攻击、重放攻击、链路 层碰撞攻击、资源消耗攻击和非公平竞争等。对窃听等攻击主要采用加密链 路和节点身份认证措施进行防御；而碰撞攻击则主要采用信道监听、纠错编 码和重传机制进行防御；对资源消耗攻击采用的防御机制有：节点自动丢弃 多余的数据请求、限制网络传输速度、制定相应的执行策略对过度频繁的请 求不予理睬和对同一个数据包的重传次数进行限制【6 】。 3 ) 网络层 网络层是无线传感器网络面临的安全威胁最多的地方，面向网络层的安 全威胁主要有：假冒应答攻击，选择性转发攻击，黑洞( s i n k h o l e ) 攻击，蠕 虫洞( w o r m h o l e ) 攻击，巫师( s y b i l ) 攻击和h e l l o 泛洪攻击等。w o r m h o l e s 和s i n k h o l e 攻击可以通过地理位置信息得以很好地解决；选择性转发攻击的 2 ， f 。 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 防御措施主要有：基于信誉机制的安全路由，多路径冗余，多跳确认等；s y b i l 攻击主要通过节点身份认证进行防范；h e l l o 泛洪攻击的防范机制主要有节 点身份认证和连接数限制等【7 】【8 1 。 4 ) 传输层 面向传输层的安全威胁主要有：泛洪攻击和同步破坏攻击。泛洪攻击主 要通过限制连接数来和用户询问机制进行防御；同步破坏攻击可以采用时效 性验证技术来进行防范。 对无线传感器网络各层所受安全威胁及相应的防御机制进行总结，如表 1 1 所示。 表1 1w s n 安全威胁及防御机制 w s n 各层 安全威胁防御机制安全机制 信号干扰 扩频，信息优先权，节点交 物理层换等 物理篡改篡改校验和加密隐藏技术等 窃听，注入，重放加密链路、节点身份认证等 碰撞攻击 纠错编码，信道监听和重传 链路层 机制等 限制网络发送速度，过度频 耗尽攻击 繁请求不予理睬等 1 、加解密 非公平竞争短帧、优先级等2 、认证 基于信誉机制的安全路由，；、信誉机制 选择性转发攻击 冗余多路径、多跳确认等4 、安全组播 s i n k h o l e 攻击安全定位，地理位置信息 5 、网络分级 w o r m h o l e s 攻击安全定位，地理位置信息 6 、容侵策略 网络层 s y b n 攻击 节点身份认证等 节点身份验证，连接数限制 h e l l o 洪泛 等 填充、延时、报文加密、变 被动窃听攻击 换假名等 洪泛攻击限制连接数、用户询问等 传输层 重放攻击 时效性验证等 虽然在广大研究人员的努力下，无线传感器网络对各层的安全威胁都有 3 ，i f 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 了一定的安全防御能力，但依然还存在着很多安全问题需要解决，其中无线 传感器网络路由协议方面的安全问题尤为突出。在安全问题突出、节点资源 有限的情况下，如何提高无线传感器网络路由协议的安全性，保障整个网络 的安全，成为了一项意义重大而又极具挑战的科研任务，为此提出了无线传 感器网络安全路由协议研究与仿真的课题。 本课题的研究受到了国家自然科学基金项目“无线传感器网络安全隐匿 路由及其评价验证方法 ( n o 6 0 8 0 3 1 4 4 ) 的资助和支持。 1 2 论文研究内容 本文主要结合无线传感器网络在应用和发展方面的需求，针对无线传感 器网络安全路由协议和现有信誉评测机制存在的问题，特别是信誉评测机制 在防御无线传感器网络安全路由协议内部威胁方面的不足，对信誉评测机制 和w s n 安全路由协议问题进行了深入的探索和积极的研究，并提出了相应 了改进方案。 本课题在g e a r 地理位置能量感知路由协议( g e o g r a p h i ca n de n e r g y a w a r er o u t i n g ) t 9 】和e g e a r ( e n h a n c e d g e a r ) 安全路由协议【1 0 】的基础上，以 解决无线传感器网络路由协议面临的安全威胁为目的，以节约能耗为前提， 提出了一种新的w s n 安全路由协议v h g e a r ( v e r t i c a l l y & h o r i z o n t a l l y r e p u t a t i o ng e a r ) 。g e a r 引入纵向和横向分析相结合的w s n 节点信 誉评测模型来提高路由协议的安全性，通过改进信誉更新机制来减小网络能 耗。最后通过n s 2 仿真平台对提出的w s n 安全路由协议g e a r 进行充 分全面的仿真实验和结果分析，最终达到了预期的研究目标，验证了所提方 案的有效性。同时，为进一步提高无线传感器网络路由协议的安全性，有效 地验证失效路由中导致路由失效的失效节点，本文提出了一种新的基于节点 编码的n e v m ( n o d e e n c o d i n gv e r i f i c a t i o nm e t h o d ) 路由失效节点验证方法， n e v m 验证方法处理简单，非常适用于无线传感器网络。 本课题主要以无线传感器网络安全路由协议的研究与仿真为主题进行展 开，具体从以下几个方面进行了深入的研究： l 、基于信誉评测机制的w s n 安全路由协议研究 首先对无线传感器网络现有路由协议进行全面的分析，针对无线传感器 4 一 一 f 。 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 网络路由协议容易受到的安全威胁，及现有路由协议本身存在的防御缺陷， 进行有的放矢的改进和完善。通过全面的对比分析后，选择综合性能较优的 地理位置路由协议g e a r 为基础，针对g e a r 本身还存在的一些安全缺陷， 尤其是针对该协议不能抵御选择性转发等内部威胁的问题进行了深入的研 究，提出了有效的解决方案，设计了基于纵向和横向信誉分析相结合的w s n 安全路由协议g e a r 。v h g e a r 安全路由协议主要通过引入完善的纵向 和横向分析相结合的信誉评测模型来有效防御路由协议的内部威胁，大大提 高路由协议的安全性。同时，通过对信誉更新机制的改进，进行周期性更新， 降低了网络能耗，延长了网络生命周期。从而，v h g e a r 安全路由协议从 提高安全性和能量有效性两个方面改善了w s n 路由协议的整体性能。 2 、基于节点编码的w s n 路由失效节点验证方法 为进一步提高无线传感器网络路由协议的安全性，本文对路由失效时失 效节点的验证进行了深入研究，提出了一种基于节点编码的n e v m 路由失效 节点验证方法，该方法处理简单非常适用于无线传感器网络。n e v m 验证方 法主要用来对失效路由中的失效节点，如信誉评测机制识别出的失效节点等 进行快速有效的验证。该验证方法采用二进制节点编码方式，对路由上的所 有节点进行编码标识，然后生成多条验证路径，通过验证路径的检测对导致 路由失效的失效节点进行有效的验证，继而迅速对失效路由进行弥补，恢复 路由正常通信，并对失效节点进行必要的处理。 3 、基于n s 2 平台进行仿真实验 n s 2 ( n e t w o r ks i m u l a t o rv e r s i o n2 ) 仿真平台是一种开源的、面向对象的、 离散事件驱动的网络仿真模拟器，具有丰富的网络模块，主要用来解决网络 研究方面的问题，为科研院所和高校等学术界广泛采用，基于n s 2 仿真平台 得出的研究结论能够被学术界所认可【l 。 为对本课题所做的研究内容进行充分的验证和分析，将基于n s 2 仿真平 台对所做研究内容进行仿真实验，并对仿真实验的结果进行对比分析，不断 地优化所提方案，直到最终达到预期的研究目标。 基于n s 2 仿真平台对所做研究内容的仿真实验和结果分析，主要通过以 下几部分来完成： l 、建立底层自定义仿真模块，添加或修改c + + 代码。 5 j f 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 2 、采用工具s e t d e s t 设置仿真场景。 3 、编写t e l 脚本进行仿真，生成仿真结果：t r a c e 文件和n a m 文件。 4 、利用a w k ，p l o t 等工具处理仿真结果。 5 、仿真结果对比分析。 通过以上研究内容，可以进一步提高w s n 安全路由协议的安全性，降 低网络的能耗，从整体上改善路由协议的综合性能，从而为无线传感器网络 的应用提供坚实可靠的安全保障，积极有效地促进无线传感器网络的发展。 1 3 论文组织结构 本文共分5 章来进行无线传感器网络安全路由协议研究与仿真的阐述， 论文组织结构如图1 1 所示。 第l 章绪论 l 第2 章w s n 路由协议及其 安全性研究 li 第3 章基于信誉评测机 第4 章 基于节点编码的w s n 路 制的- s n 安全路由协议 由失效节点验证 i 第5 章仿真实验 及结果分析 i 结论 图1 1 论文的组织结构 每章中的详细内容如下所述： 第l 章首先阐述本课题所要研究内容的背景及意义，然后介绍论文的主 要研究内容，最后说明本论文的组织结构。 第2 章首先对无线传感器网络结构及w s n 路由协议特点进行简单介绍； 然后重点对当前无线传感器网络的几类典型路由协议进行深入研究，对比分 析各类路由协议的特点和优劣性，尤其对各类路由协议在网络层安全威胁方 6 - 一 一 哈尔滨工程大学硕十学何论文 面的防御能力进行详细的说明；最后对w s n 安全路由协议的现状进行总结， 由此说明研究和设计无线传感器网络安全路由协议的必要性。 第3 章主要针对w s n 安全路由协议的防御缺陷和信誉评测机制的不足， 提出基于纵向和横向信誉分析相结合的w s n 安全路由协议v h g e a r 。 v h g e a r 协议引入了纵向和横向分析相结合的w s n 节点信誉评测模型 v h b r s n ，提高了信誉评测模型对w s n 节点的评测性能，从而提高了路由 协议的安全性。同时，g e a r 协议结合信誉评测模型对信誉更新机制进 行了改进，采用周期性信誉更新的机制，减少了信誉更新次数，降低了网络 能耗，从而延长了网络的生命周期。因此，v i i g e a r 协议从安全性和能量 有效性两个方面进行的改进很好地提高了w s n 安全路由协议的综合性能。 第4 章主要针对无线传感器网络中导致路由失效的节点，提出了一种基 于节点编码的w s n 路由失效节点验证方法n e v m 。n e v m 验证方法通过对 失效路由上的节点进行二进制编码生成多条验证路径，根据验证路径的运行 结果对失效节点进行快速有效的验证。确定失效节点后可以迅速地对路由进 行最小代价弥补，减小失效节点对网络的危害，从而提高了w s n 安全路由 协议的安全性。 第5 章主要基于n s 2 仿真平台对所做的研究内容进行仿真实验，并对仿 真结果进行对比分析，验证所提方案的可行性和有效性。 最后，结论部分对本次研究内容进行全面的分析和总结，说明研究所取 得的成绩，及研究过程中遇到的问题。同时，对未来研究内容做进一步的规 划和展望。 7 哈尔滨丁稃大学硕十学位论文 第2 章w s n 路由协议及其安全性研究 2 1 引言 w s n 安全路由协议的研究意义重大，是无线传感器网络研究的一个主要 分支。本章首先将对无线传感器网络结构和路由协议特点进行简单介绍；然 后深入研究无线传感器网络的典型路由协议，对比典型路由协议的特点和性 能，重点分析无线传感器网络路由协议的安全性，详细说明不同路由协议在 网络层安全威胁下的防御能力。最后总结w s n 安全路由协议的研究现状， 说明研究和设计w s n 安全路由协议的必要性。 2 2 无线传感器网络及路由协议 2 2 1 无线传感器网络结构 w s n 安全路由协议的研究和无线传感器网络结构休戚相关，有着不可分 割的联系。无线传感器网络的结构决定了w s n 安全路由协议的一些基本特 性，这些特性对路由协议的安全性乃至性能都有着很大的影响。 无线传感器网络结构一般由一组部署在监测区域内的微型传感器节点组 成，监测区域即传感器区域，如图2 1 中所标传感器区域所示。无线传感器 网络节点主要集成了传感器、微电机系统和网络等技术，具有信息获取、信 息处理和信息传输等功能，他们通过无线通信的方式形成一个多跳自组织的 网络系统，其目的是协同地感知、处理和传输网络监测区域内获取到的被监 测对象的信息。首先监测区域内的传感器节点通过多跳自组织网络将获取到 的监测信息传送到汇聚节点，汇聚节点再将收集到的监测信息传递到卫星或 互联网，最后由用户在管理节点接收获取到的监测信息，并根据所获监测信 息进行后续的分析和决策【l2 1 。汇聚节点在传感器网络中起着至关重要的作 用，是监测区域内的传感器节点和用户之间的关键桥梁，如图2 1 中所示， w s n 安全路由协议的研究和设计要充分考虑汇聚节点的特殊地位，保证其有 效性。同时，无线传感器网络结构的开放性和多跳自组织性也是w s n 安全 路由协议研究和设计时要考虑的一个重点。无线传感器网络结构如图2 1 所 示。 8 一 一 一 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 传感器节点 图2 1 无线传感器网络结构 2 2 2w s n 路由协议特点 无线传感器网络路由协议有其自身的特点，一些现有的网络路由协议无 法直接应用无线传感器网络。 无线传感器网络路由协议的载体具有多重身份，不同于传统网络。无线 传感器网络是一种动态、多跳、自组织的网络，网络中的所有节点不但要完 成节点自身的应用任务，比如数据感知、数据处理，同时还要参与路由选路、 路由维护等网络组织任务，都具有应用主机和路由器两种功能，也就是说无 线传感器网络中运行路由协议的载体具有应用主机和路由器的双重身份。而 传统网络的路由功能一般由独立的路由载体路由器来完成。无线传感器网络 路由协议载体身份的多重性要求在路由协议的设计要充分地考虑其复杂性， 以及该特性带来的相关问题。 无线传感器网络路由协议拥有的资源有限，不同于传统网络。无线传感 器网络中传感器节点的能量资源、计算能力、通信带宽、存储容量等都非常 有限，而且无线传感器网络通常又由大量密集的传感节点组成，这使得路由 协议的设计除保证相应的应用功能外还必须以资源的有效利用为首要的设计 要素【4 】。而传统网络的路由协议不需要考虑此类的相关问题。因此，如何设 计一种有效的无线传感器网络安全路由协议来较小对资源的要求，延长网络 的生命周期，提高通信效率和网络安全性成为无线传感器网络路由协议研究 的一个主要问题。 无线传感器网络路由协议与传统的无线网络路由协议的主要设计目标不 9 哈尔滨工程大学硕十学位论文 同，这是导致传统的无线网络路由协议不能应用于无线传感器网络的主要原 因。无线传感器网络路由协议设计的主要目标之一是有效利用能源，延长网 络的生命周期，通过必要的能量机制来确保网络的稳定运行。而传统的无线 网络路由协议很大程度上是为了追求较高的网络利用率和网络通信质量，一 般不考虑能耗的问题，因为传统的无线网络路由协议的设计建立在能量可根 据需求随时更新的基础上。因此一些传统的无线网络路由协议无法有效地应 用于无线传感器网络。 在无线传感器网络研究过程中，一些研究人员认为自组织的a dh o e 路 由协议对无线传感器网络路由协议的需求是足够的，可以直接应用于无线传 感器网络，但后续的深入研究表明a dh o e 路由协议也不适用于无线传感器 网络，因为无线传感器网络存在如下一些区别于a dh o e 网络的特性【1 3 】： l 、无线传感器网络节点能量有限，降低网络能耗，延长网络生命周期是 w s n 路由协议设计的一个主要目标。 2 、无线传感器网络以数据为中心，节点信息的冗余度高，相似性大，需 要进行必要鲍数据融合处理。 3 、无线传感器网络节点数目多，信息处理量大，但节点的存储容量和处 理能力却很有限。 4 、无线传感器网络节点移动性小，因此可以通过减少路由信息的更新来 节约不必要的能耗。 以上这些特性使得a dh o e 网络的路由协议并不能充分地满足无线传感 器网络路由协议的要求。 通过以上研究可以确定现有网络的路由协议无法直接应用于无线传感器 网络，因此如何设计一种安全高效的无线传感器网络路由协议来满足无线传 感器网络的需求成为一个非常有意义的研究课题，这将是一项紧迫而又艰巨 的科研任务。 2 3w s n 典型路由协议研究 在国内外研究人员的积极努力下，针对无线传感器网络节点能量有限的 问题，提出了许多能量高效的路由协议，一般都是以降低能耗为主要的设计 目标，而在安全路由协议方面的研究则较少，为有效地解决无线传感器网络 l o 哈尔滨下程大学硕七学位论文 路由协议的安全问题，本文提出了无线传感器网络安全路由协议研究与仿真 的课题。 首先对无线传感器网络的典型路由协议进行深入的研究。根据无线传感 器网络路由协议的拓扑结构对路由协议进行分类，可分为：地理位置路由协 议、分层路由协议和数据中心路由协议三类，如图2 2 所示： 广_ 1 路由协议 l 图2 2w s n 路由协议 下面将以具体的路由协议为例深入地研究这三类路由协议。 2 3 1 地理位置路由协议 地理位置信息路由协议的主要思想是以地理位置信息为基础来有效地进 行路由选择。地理位置路由协议建立在节点知道自己的地理位置信息的基础 上，路由建立过程中每个节点并不需要知道整个网络的所有节点的地理位置 信息，只要知道汇聚节点和其邻居节点的地理位置信息就可以，节点通过计 算其邻居节点与汇聚节点的距离来选择路由的下一跳节点，这样就避免了用 全网广播的方式来找目标节点，从而大大减小了网络的通信量，节省了能量。 基于地理位置信息的路由协议还可以利用节点的地理位置信息将传感器节点 分区域，以节点区域为基础进行数据传输，这种方式减小了数据传输范围和 路由的中间通信节点，从而延长了网络的生命周期。其中，典型的地理位置 信息路由协议主要有：基于位置和能量感知路由协议g e a r ( g e o g r a p h i ca n d e n e r g y a w a r er o u t i n g ) 【9 】、无状态的贪婪周边路由协议g p s r ( g r e e d yp e r i m e t e r s t a t e l e s sr o u t i n g ) t 1 4 】和基于位置高效路由协议g p e r l l 5 】等。 哈尔滨1 二稗大学硕士学位论文 1 、g e a r 协议 g e a r 地理位置路由协议是一种基于位置和能量感知的路由协议。该协 议首先由汇聚节点发出查询消息，在查询消息转发的过程中，节点根据目标 区域的位置查找目标区域内最近的节点，将查询消息转发到该节点，该节点 再把查询消息转发到目标区域内的其他节点。 g e a r 路由协议根据传感器节点的地理位置分布将其分成多个区域，从 而兴趣消息定向扩散时只在特定的区域内进行，避免了全网扩散，提高了通 信效率，从而降低了网络的通信能耗。基于以上特点，g e a r 的数据转发过 程主要由两个阶段组成t 第一个阶段，将数据转发到目标区域，以贪婪算法 为数据转发的主要方式；第二阶段，在目标区域内转发数据到其他节点，采 用地理迭代或洪泛的数据转发方式。g e a r 协议在每一个数据包到达目的节 点后都要利用反馈的路由信息来调整下一次数据转发的传输路径，通过优化 路由来进一步节省能耗【9 】。g e a r 协议也可以看成是平面路由协议d d 定向 扩散路由协议的一种改进，不同的是g e a r 协议建立在知道节点地理位置信 息的基础上，而d d 路由协议不知道。 2 、g p s r 协议 哈佛大学的b r a dk a r p 和h t k u n g 提出了无状态的贪婪周边路由协议 g p s r 协议。g p s r 协议是图形算法和贪婪算法的结合，每个节点不需要知道 网络拓扑的全部信息，仅需知道其邻居节点的位置信息，根据邻居节点的地 理位置信息和目标节点的地理位置信息来选择路由下一跳节点，从而将网络 的数据包正确的转发。 g p s r 路由协议主要有两种数据转发模式：贪婪转发模式和周边转发模 式。节点收到贪婪转发模式转发的数据包时，首先查询其邻居节点列表，如 果存在某个邻居节点到目标节点的距离小于该节点到目标节点的距离，则不 改变当前使用的数据转发模式，直接转发数据包到贪婪模式选择的下一跳节 点：否则，将数据转发模式改为周边转发模式，并在数据包中记录模式改变 的位置等信息【l4 1 。周边转发模式主要采