（计算机应用技术专业论文）无线传感器网络leach协议的研究与改进.pdfVIP

南京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 摘要 无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，简称w s n ) 是- - 种能在没有构建网络基础设 施的环境下，由传感器节点临时组成的一种自组织、自管理的无线网络。w s n 在军事、环 境监测、工业探测及家庭应用等领域有着非常好的应用前景。路由协议研究是w s n 研究 中的关键问题之一。典型的分簇式路由协议l e a c h ，虽然很好地解决了传感器网络中路 由协议的能耗性问题，但是它自身也存在着一些能耗性和安全性方面的不足之处。针对这 些不足，我们分别提出了其能耗性和安全性两方面的改进策略l e a c h p 和l e a c h s 协议。 传统l e a c h 协议在选举簇头节点时，采用动态簇头选举算法，每轮选举产生的簇头 节点个数为最佳簇头数的概率并不是最大，使得每轮选举产生的簇头数偏差较大，不能使 节点能耗达到最优化，甚至会严重恶化。针对这一问题，本文提出了改进后的l e a c h p 协议，该协议在簇头选举阶段通过簇头节点间的相互协作，以少量的能量消耗来获取全局 信息，改进了l e a c h 协议簇头选举算法的不足之处，从而有效地改善了簇头选举算法的 能耗性。实验结果表明，l e a c h p 协议相比于传统l e a c h 协议有效地节省了节点能量， 延长了至少2 0 的网络生命周期。 路由安全能对于w s n 至关重要，通过对l e a c h 协议安全性能的研究，我们提出了 基于接收信号强度的s y b i l 攻击入侵检测策略，有效地抵御了对其破坏性最强的s y b i l 攻击。 传感器节点最小资源和最大安全性是一对尖锐的矛盾，入侵检测策略需要耗费较多能量， 如果w s n 疲于应付安全方面的事务，势必会造成大量能耗，是低效甚至得不偿失的，必 须在必要的时候才启动入侵检测机制以减少能量消耗。我们通过与l e a c h p 协议的结合， 设定合适的阈值，只有在判定可能遭遇入侵时启动入侵检测策略，很好地解决了安全性与 能耗性之间的矛盾，以尽量少的能耗代价换来l e a c h 协议安全性能的提高。同时，j a k e s 信道模型的建立，使无线信道的仿真实验更加接近真实情况，从而仿真数据更具说服力。 最后，通过严密的理论分析及大量试验结果的验证，对于我们提出的改进策略进行了 客观的评价，分析了两种策略的不足之处，并确定了进一步的研究方向。 第1 页 南京邮电大学硕士研究生学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t w s n ( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ) i sak i n do fs e l f - o r g a n i z e da n ds e l g m a n a g e dp e e rt op e e r n e t w o r kf o r m e db yh u n d r e d so fe n e r g yc o n f i n e ds e n s o rn o d e st e m p o r a r i l yw i t h o u tb u i l d i n gt h e n e t w o r ki n f r a s t r u c t u r ei na d v a n c e l e a c h ( l o we n e r g ya d a p t i v ec l u s t e r i n gh i e r a r c h y ) w a s t h ef i r s td y n a m i cc l u s t e rh e a dp r o t o c o lf o rw s n ，i tp e r f o r m e dav e r ye x c e l l e n te n e r g ye f f i c i e n c y o t h e r w i s e ，l e a c hd o e sn o to p t i m i z et h ee n e r g yc o n s u m p t i o no fs e n s o rn o d e sf o ri t s i n a c c u r a c yi nt h ec o m p u t a t i o no ft h es e l f - s e l e c t e dp r o b a b i l i t yp e rr o u n d ，a n di tc a ne a s i l y a t t a c k e db yv a r i o u sa a a c k sd u et ot h ec a r e l e s si ns e c u r i t yd e s i g n s ow ed e s i g n e dt w on e w r o u t i n gp r o t o c o l st oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fl e a c h i ne n e r g ye f f i c i e n c ya n ds e c u r i t y d y n a m i cc l u s t e rh e a de l e c t i o na l g o r i t h mw a su s e di nt h ep h a s eo fc l u s t e rh e a de l e c t i o ni n t r a d i t i o n a ll e a c hp r o t o c 0 1 t h en u m b e ro fc l u s t e rh e a d se l e c t e di ne v e r yr o u n di sn o to p t i m a l d u et ot h ei r r a t i o n a ls e l f - e l e c t e dp r o b a b i l i t yp e rr o u n d a sar e s u l t ，t h ed e v i a t i o na m o n gt h e n u m b e r so fc l u s t e rh e a de l e c t e di ne a c hr o u n dw a sm u c hb i g g e r t h i sp a p e rp r o p o s e st h e l e a c h pp r o t o c o lt or e s o l v et h i sp r o b l e m i tm a k e su s eo f c o o p e r a t i o no ft h en o d e si nt h ep h a s e o fc l u s t e rh e a de l e c t i o nt oc o l l e c tg l o b a li n f o r m a t i o n ，t h i si n f o r m a t i o nc a ne l i m i n a t et h e b l i n d n e s so ft h ee l e c t i o na l g o r i t h mo fl e a c ht h u se n h a n c et h ec l u s t e rh e a de l e c t i o na l g o r i t h m a c c o r d i n g l y t h es i m u l a t er e s u l ts h o w st h a tl e a c h pe c o n o m i z e se n e r g i e so fn o d e sa n d p r o l o n g st h en e t w o r k sl i f ec y c l ec o m p a r i n gt ol e a c h o t h e r w i s e ，f o rt h eb l i n d n e s si nl e a c hd e s i g n i n g ，w ep r o p o s e dan e wm e t h o do fs y b i l a t t a c kd e t e c t i o ni nw s nb a s e do nr e c e i v e d s i g n e ds t r e n g t h t h i sm e t h o de s t a b l i s h e sj a k e s c h a n n e lm o d e lb ye m u l a t i o nr e a ln e t w o r ks p a c es i t u a t i o no fw s n a tt h es a m et i m e ，i t j u d g e s s y b i la t t a c ku s i n gt h er e c e i v e ds i g n a ls t r e n g t ha n dt h en u m b e ro fc l u s t e rn o d e sw h i c ha r e a c c u m u l a t e di nc l u s t e rn o d e ss y n t h e t i c a l l y c o n s e q u e n t l y , w ed e v i s ea w a yt oc h e c ks y b i la t t a c k w i t c hr a i s e dt h ee f f i c i e n c y t h es i m u l a t er e s u l ts h o w st h a tt h i sm e t h o da c h i e v e st h ep r e f e r a b l e d e t e c t i o nr a t ea n do f f e r saw i d er a n g eo f a p p l i c a t i o n s a tl a s t ，t h i st h e s i sn o to n l ys u m su pt h ep e r f o r m a n c eo ft w o p r o p o s e dn e wp r o t o c o l ，b u ta l s o p o i n t so u tt h ed i r e c t i o no ff u r t h e rr e s e a r c hi nf u t u r e 第1 i 页 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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，除了文中特秀j , d n 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，也不包含为获得南京邮电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。 研究生签名：燃b , t i 涓：三芈 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权 保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、 缩印或其它复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文 的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和 借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布 ( 包括刊登) 授权南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：壁龙鲤幺导师签名 嗍毕 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第l 章引言 1 1 课题背景 第1 章引言 无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，简称w s 【1 。2 1 是一种能在事先没有构建 网络基础设施的环境下，由传感器节点临时组成的一种自组织、自管理的无线网络。 w s n 具有十分广阔的应用前景，在军事国防、工农业、城市管理、生物医疗、环境监 测、抢险救灾、危险区域远程控制等许多领域都有重要的科研价值和巨大实用价值，已 经引起了世界许多国家军界、学术界和工业界的高度重视，并成为进入2 0 0 0 年以来公认 的新兴前沿热点研究领域，被认为是将对二十一世纪产生巨大影响力的技术之一例。 w s n 的发展历史不长，但是发展速度很快，目前已成为计算机科学领域一个活跃的研 究分支。1 9 9 9 年8 月美国商业周刊将其列为2 1 世纪最重要的2 1 个技术之一，它与塑 料电子学、仿生人体器官学并称为全球未来三大高科技产业。它将会对人类未来的生活 方式产生深远的影响。我国“国家中长期科学和技术发展规划纲要( 2 0 0 6 , 2 0 2 0 ) ”也将其 列为信息产业及现代服务业的优先发展主题之一。因w s n 广阔的应用前景和巨大的商 业价值，近年来在国际上引起了广泛的重视，并且投入了大量的资金。例如美国自然科 学基金委员会在2 0 0 3 年就制订了无线传感器网络研究计划，并投资3 4 0 0 万美元用于支持 无线传感器网络方面的基础研究。国际上各个机构组织对无线传感器网络技术及其相关 研究的高度重视，也大大促进了无线传感器网络的发展，使传感器网络在许多应用领域 都开始发挥着极其独特的作用。无线传感器网络已经成为国际竞争制高点，引起各国的 极大关注。 1 2 无线传感器网络研究现状 1 2 1 无线传感器网络国内外应用现状 当计算机对于数据处理、存储及传输等处理能力大幅提高之后，人们发现，信息的采 集和获取手段已大大落后于数据处理技术的发展，于是，无线传感器网络技术应运而生。 美国军方首先开始w s n 技术的探索，其研究和使用最早可追溯到冷战时期，当时美国为了 检测前苏联核潜艇的行踪建立了海底声响监视系统，随后又建立了雷达防空网络。为使 第1 页 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第1 章引言 w s n 能在军事和民用领域被广泛应用，美国国防预研局( d a r p a ，d e f e n s ea d v a n c e d r e s e a r c hp r o j e c t sa g e n c y ) 在1 9 7 9 年提出了“分布式传感器网络计划d s n ”，随后美国国 防预研局又提出了“传感器信息技术计划s e n s i t 【5 】 ，这两个计划的根本目的是研究 w s n 的理论和实现方法，并在此基础上研制具有实用目的传感器网络。 2 0 世纪9 0 年代中后期，w s n 引起了学术界、军界和工业界的广泛关注，从而发展了 现代意义的无线传感器网络。w s n 虽然发展时间不长，但是巨大的市场需求催生了其惊人 的发展速度。该技术发展至今，已经应用于军事【6 川、环境【8 捌、医疗【1 0 】及- r , _ l k t l l 】等各个领 域。例如，在军事领域，w s n 可用于在战场上进行信息收集、跟踪敌人、战场监视、目标 分类等工作【6 1 ，美国佛吉尼亚大学正在研究和开发通过w s n 对声音和震动信号的分析， 探测敌方入侵的边境安全检测系统r 刀；在环境检测领域，哈佛大学与北卡罗莱纳大学韵合 作项目，通过无线传感器网络收集震动和次声波信息并加以分析，进行火山爆发的监测1 8 ； u c b e r k e l e y 大学在红杉树上布置无线传感器网络，连续监测4 4 天红杉树的生长情况，收集 温度、湿度、光合作用等信息1 9 j ；在医疗临床领域，i n t e i 研究中心利用w s n 开发的老人 看护系统，将节点安置在老年人身上，实时地记录老年人的全部活动，并做出相应的提示， 可以检测他们的健康问题，并为他们的健康和安全提供保障【1 0 1 。几乎所有美国的著名院校 都有研究小组在从事w s n 相关技术的研究，除了大学研究性机构外，美国的e m b e r 、 c r o s s b o w 、d u s tn e t w o r k 、c h i p s 、i n t e l 、f r e e s c a l e 等公司也开展了w s n 的研究工作，加 拿大、英国、德国、芬兰、日本和意大利等国家的研究机构也纷纷加入了w s n 的研究。 国内在传感器网络方面的研究起步较晚【1 2 】，近几年才受到广泛关注，国内w s n 研究 工作最早见于1 9 9 9 年中国科学院知识创新工程点领域方向研究的“信息与自动化领 域研究报告”中，w s n 被定为该领域的五大重点项目之一。2 0 0 1 年中国科学院依托上海 微系统所成立微系统研究与发展中心，旨在引领中科院w s n 研究的相关工作【1 3 】。2 0 0 6 年 初发布的国家中长期科学与技术发展规划纲要为信息技术确定了3 个前沿方向，其中 有两个与w s n 研究直接相关【1 4 】。我国2 0 1 0 年远景规划和“十五”计划中，将w s n 列为 重点发展的产业之一。我所在的南京邮电大学科技楼9 0 2 教研室，在w s n 的应用课题研 究中，设计了基于无线传感器应用理念的“走廊巡视监视系统”【1 5 】，已经作为一项成熟产 品，成功应用于南京几大监狱中，它极大地方便了巡视人员在巡逻过程中及时发现警情并 报警，为处理警情提供了确切的地理位置信息。2 0 0 2 年开始，清华大学、北京大学、上海 交通大学、南京大学、南京邮电大学、西安电子科技大学、哈尔滨工业大学等高校及研究 机构也开始了传感器网络系统研究，虽然在技术及应用方面都有所成果，但是总体来说还 第2 页 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第1 章引言 处于起步阶段。 1 2 2 无线传感器网络协议栈研究现状 w s n 协议栈由物理层、数据链路层、网络层和传输层组成，学术界针对每一层都有很 多研究成果，具体如下： 目前，物理层的研究主要集中在选择传输介质、选择调制方式、选择传输频段及设计 无线电收发器四个方面，核心问题是能量有效性及能量节省。w s n 使用的传输介质目前主 要包括无线电、光波、红外线等。无线电是目前最主要的传输介质，其中需要解决频段选 择、调制方式的选择等问题。人们普遍采用i s m 频段，文献 1 6 1 7 给出了基于4 3 3 m h z 和9 1 5 m h z 这两个频段的无线电收发器的设计方法，文献 1 8 】指出u w b ( u i t r aw i d eb a n a ) 可用于w s n 。总体来说，w s n 物理层比较脆弱，许多问题还有待解决，比如微小、低能 耗低费用的无线电收发器的设计问题等。 数据链路层的研究主要集中在m a c 协议设计方面，旨在为能量受限的大量传感器节 点建立具有自组织能力的链路通信机制，实现公平有效的通信资源共享、处理数据包之间 的碰撞，其研究重点依然是如何节省能量。目前已经出现了多种m a c 协议，主要分为基 于随机竞争方式、基于时分复用( t d m a ) 方式及基于时分复用和频分复用( f d m a ) 等混合方 式三类。在随机竞争方式中主要以经典c s m a c a 机制为主，在此基础上，研究人员分别 提出了改进后的s - m a c 协议【1 9 l 、t - m a c 协议【2 0 】等；基于t d m a 方式协议主要有能量感 知的分簇式路由协议e at d m a 协议【2 l 】及分步式能量感知节点激活协议d m a c 协议【2 2 】 等；在混合方式中，具有代表性的协议有结合t d m a 和f d m a 的s m a c s e a r 协议1 2 3 j 和结合了c s m a c a 机制和c d m a 机制的m a c 协议【2 4 1 。虽然m a c 协议方面取得一些进 展，但是，还有很多问题有待解决，如可移动w s n 的m a c 协议设计，能量有效的错误 控制编码模式等。 路由协议是w s n 研究的核心问题之一，针对不同的w s n 应用，研究人员已经提出了 不同的路由机制。但到目前为止，仍缺乏一个权威的路由协议分类。我们根据网络的拓扑 结构将其划分为平面式路由协议、基于位置的路由协议、分簇式路由协议和基于服务质量 方式( q o s ：q u a l i t yo fs e r v i c e ) 路由协议。平面路由协议以s p i n ( s e n s o rp r o t o c o lf o r i n f o r m a t i o nv i an e g o t i a t i o n ) t 2 5 1 ，d d ( d i r e c t e dd i f 乱s i o n ) 【2 6 1 为代表，这类协议的基本思想是对 传感器网络中的数据用特定的描述方式命名，数据传送基于数据查询并依赖数据命名，每 个传感器节点既能感应发生的事件并产生感应数据，也能作为中继节点进行数据转发；基 第3 页 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第1 章引言 于位置的路由协议以g e , m 之( g e o # a p h i ca n de n e r g ya w a r er o u t i n g ) 【2 7 1 为代表，这类协议利 用节点的位置信息，把数据转发给需要的地域，从而缩减数据的传送范围；基于服务质量 方式路由协议以s a r ( s e q u e n t i a la s s i g n m e n ti b u t i n g ) 【2 8 1 为代表，其路由算法的建立是根据 网络中的数据流和应用程序q o s 要求来建立的，从而均衡各个节点的负载并为应用层提供 q o s 确保：分簇式路由协议以l e a c h t 4 1 协议为代表，它是第一个在w s n 中提出层次式概 念的路由协议，其后的大部分层次式路由协议都是在它的基础上发展而来的，它的基本思 想是将传感器节点组织成簇，每个簇有簇头，簇头完成数据融合，并负责将数据转发给基 站。相比之下，分簇式路由协议在能量消耗方面具有很大的优势，能够有效地平均网络能 量消耗，延长网络生命周期。另外，它还能很好地满足传感器网络的可扩展性，并减少网 络延迟 4 1 。路由协议研究中，除了能耗性外，还需要解决路由协议的安全性能，并且需要 平衡路由协议的能耗性与安全性间的矛盾。 传输层负责将传感器节点采集的数据传送给外部网络，因此，当传感器网络与互联网 相连时，传输层设计尤为关键【2 5 1 。由于传感器节点能量受限的特点，使其传输控制更加难 以设计，需要设计特殊的方法和机制以减少能量消耗。令人惊奇的是，当前国内外对于 w s n 传输层的研究非常少，国内外一些演示系统中，一般都采用特殊的节点作为网关节点， 负责将数据转发到外部网络，它的能量和传输能力不受限制。可以预测，以后w s n 研究 的热点问题会向传输层转移。 1 2 3 无线传感器网络关键技术研究现状 除了网络协议栈的开发，w s n 应用还需要很多关键技术的支撑，如节点定位、网络安 全、拓扑控制、能量管理、时间同步及e o s 管理等，学术界已经在这些方面展开了很多研 究并取得了一定的成果。 w s n 是以数据为中心的网络，而没有位置信息的数据是毫无意义的，所以位置信息对 于w s n 至关重要，传感器定位是w s n 设计的关键技术之一。目前人们提出的节点定位方 法主要为以下两种：基于测量距离的定位方法和测量距离无关的定位方法。基于测量距离 定位方法的主要原理为使用测距技术测量相邻节点间的实际距离或者方位，然后使用三角 计算、三边计算、模式识别和极大似然估计等方法进行定位。主要研究成果有t f i l a t e r a t i o 吖三 边测量法) 8 5 。8 7 1 、多边测量( m u l t i l a t e r a t i o n ) 的极大似然估计法等8 8 8 9 1 。与测量距离无关的 定位方法主要包括质心算法2 9 1 、d v - h o p 算法【3 0 1 等。目前节点定位需要解决定位算法的精 度、信标节点自身定位精度、拓扑结构的变化带来的定位误差等问题。 第4 页 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第1 章引言 目前w s n 网络安全技术主要集中在密钥管理、身份认证、安全路由、攻击检测与防御 等问题。针对w s n 协议栈各层面临的安全威胁，研究人员提出了许多解决方案。比较著名 的可以总结为以下三个：文献 3 1 是b e r k e l e y 大学的研究人员提出的数据链路层安全体系结 构t i n y s e c ，可以运行在m i c a 系列平台上，并且己成功集成多 t i n y o s 的t o s s i m 仿真器中； t i n yp k l 3 2 ( t i n yp u b l i ck e y ) 是b b n 提出的一种安全解决方案，该项目的目标是为低能量的 w s n 提供安全服务：s p i n s 2 s 】解决了资源受限的传感器网络安全通信问题，包含两部分： 传感器网络加密协议s n e p 矛o 广播认证协议 t t e s l a ，其思想已被广泛借鉴。w s n 安全问题 的研究成果相对较少，特别在安全路由方面的研究需要加强。 拓扑结构控制的研究目标是在满足网络覆盖度和连通度的前提下，通过功率控制或层 次拓扑控制，最小化网络的能量消耗。功率控制是在满足给定网络覆盖度和连通度的前提 下，对w s n 节点发射功率进行控制使得网络节点的能量消耗达到最优化。功率控制是一个 n p 3 3 1 难度问题。层次拓扑控制是根据一定机制选择某些节点作为骨干节点，打开其通信模 块，关闭非骨干节点的通信模块，构建一个满足覆盖度的连通网络。目前层次拓扑控制中， 前面提到的自组织成簇算法l e a c h 协议【4 】以及其改进算法h e e d 协议【4 5 】是比较典型的例 子。 其它关键技术还有时间同步、能量管理、q o s 管理、网内信息处理等问题。时间同步 机制主要解决由于不同节点的晶体振荡器频率存在误差以及环境干扰造成的不同节点间 时间出现偏差的问题；能量管理主要解决网络内不同节点间的能量均耗及节点能量有效性 等问题；q o s 管理主要解决不同w s n 应用对于q o s 不同的要求等问题；网内信息处理主 要解决网内数据融合、数据压缩和协作信号处理三方面的问题。由于传感器节点及其网络 的特殊性，一个成功w s n 协议的设计，必须兼顾到这些问题的研究与解决。 1 2 4 无线传感器网络当前研究热点 由于w s n 的特殊性，其研究热点主要集中在以下几方面【3 1 1 ： ( 1 ) m a c 层协议：由于传统的无线m a c 层协议没有考虑到能量的有效性及安全协调问 题，因此，需要根据w s n 的特点设计简单高效 拘m a c 层协议。w s n 的m a c 层协议必须达 到两个目标：建立网络基础设施( 网络通信链路) 和在传感器节点间公平有效地共享通信 资源。 ( 2 ) 路由协议：路由协议的研究是w s n 研究中的一个核心问题，w s n 的路由协议既要 有效维持数据传输路由，又要减少网络中的通信量，还要具有一定的鲁棒性。 第5 页 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第l 章引言 ( 3 ) 网络拓扑结构：通过拓扑控制自动生成的网络拓扑结构是w s n 实施工作的关键。 网络拓扑结构的建立直接影响到m a c 层和路由协议的效率，以及能耗性、节点定位、时间 同步和数据融合等方面的性能。 ( 4 ) 数据融合：减少传输和存储的数据量可有效地节省能量。有关w s n i 拘数据融合和 管理技术在解决能耗问题上已成为研究热点。 ( 6 ) 定位及移动管理：位置信息是传感器节点采集数据中不可或缺的一部分，同时位 置信息又是建立传感器节点空间关系的一种机制。对于w s n 而言，其位置系统必须具有良 好的可扩展性、容错性和健壮性，并能够适应资源有限的约束。 ( 7 ) 安全管理：w s n 缺乏专门的服务与维护，因此w s n 的安全问题受到严峻的挑战。 w s n 可能会遇到窃听、消息修改、消息注入、路由欺骗、拒绝服务、恶意代码等安全威胁。 目前无线传感器网络的安全研究仅处于起步阶段，需依据无线传感器网络的特点，针对其 安全威胁，研究新型的安全协议和安全策略，入侵检测策略也将是该领域的一个热点研究 方向。 无线传感器网络的研究热点问题还有很多，如自组织技术、协同信号处理、嵌入式操 作系统、编程模式、能源感知计算、网络通信协议和差错控制等。 1 3 课题研究内容与意义 本文所涉及的课题来自于江苏省六大人才高峰项目“无线传感器网络安全的研究”( 编 号：0 6 e 0 4 4 ) ，针对无线传感器网络的能耗性、安全性等问题进行了探索性的研究工作。 本人作为项目组成员之一，进行了无线传感器路由协议多方面的研究，从l e a c h 协议入 手，着重研究w s n 网络路由协议的能耗性和安全性，试图设计出一种既能考虑到能耗性， 又兼顾安全性的路由协议。在课题研究过程中，与项目组其他成员合作，共同完成了无线 传感器路由设计的两大关键问题：l e a c h 协议动态簇头选举算法的改进以及基于l e a c h 协议的安全路由算法设计及其实现。 1 3 1 课题研究内容 本文在经典l e a c h 协议的基础之上，提出了分别在能耗性和安全性两个方面改进后的 l e a c h - p 、l e a c h s 协议，主要研究内容如下： ( 1 ) 提出基于全局信息的路由协议l e a c h p 协议 该协议通过簇头选举阶段簇头间的协商机制，获得当前w s n 中最终产生簇头节点的数 第6 页 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第1 章引言 目，从而准确获取下一轮选举中参加选举的簇头节点数目，使得每轮参加簇头选举的节点 数更加精确、产生簇头个数为最佳簇头数的概率更大，最终达到节省w s n 能量的目的。该 协议解决的关键性问题如下： 最佳簇头数的研究：研究表吲4 1 ，l e a c h 网络中，当每轮簇头数目为最佳簇头数 时，系统能量消耗值会达到最优化，我们通过理论分析及大量的仿真实验，精确了该最佳 簇头数。 簇头间相互协作：在簇头选举阶段，通过各簇头间的相互协作，准确获取当前网 络中当选的簇头数目，达到能量优化目的。 真实环境中节点能量模型研究：通过实验数据及大量参考文献的研究，提出了真 实w s n 中节点能量消耗模型，依据此能量消耗模型得出改进算法，使得该算法的能量消耗 数据更符合实际情况。 l e a c h 协议能量消耗模型理论分析：在仿真分析之前，我们通过能量消耗模型的 理论分析，定量研究改进算法的额9 p 酏g j 匕耗，为改进算法仿真结果提供严密的理论支撑。 ( 2 ) 提出基于攻击检测的l e a c h 协议安全性能改进算法l e a c h s 协议 该协议在l e a c h p 协议研究的基础上，提出了基于接收信号强度值的入侵检测策略， 利用l e a c h 协议簇头选举阶段的特点，在传输信息中加入接收信号强度值，以便基站能够 根据该信息准确定位入侵节点，在n s 2 仿真环境中引入j a k e s 信道模型，根据仿真数据分析， 算法安全性能良好。该协议解决的关键性问题如下： 安全路由协议的提出：提出了基于接收信号强度值的入侵检测策略，并且根据 l e a c h 协议特点，设计出针对l a e c h 协议的安全性能改进策略l e a c h s 协议。 物理信道模型的仿真：在原有n s 2 仿真环境中，引入更加接近真实物理信道的j a k e s 信道模型，验证检测策略的有效性。 能耗性与安全性的平衡：在l e a c h p 协议研究的基础上，根据簇头选举阶段簇头 数目的变化，只有在适当的时候( 发生攻击) 才启动入侵检测策略，很好地解决了安全性 与能耗性之间的矛盾。 1 3 2 课题研究意义 由1 2 节的讨论可知，路由协议的设计在w s n 设计中具有举足轻重的地位。由于传感器 节点能量和存贮资源严重受限，因此路由协议的设计不能执行太复杂的运算、不能在节点 保存太多的信息、节点间不能交换太多的路由信息。另外，如果网络中节点因为能量耗尽 第7 页 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第1 章引言 而不能工作，会带来网络拓扑结构的改变以及路由的重新建立等问题，甚至使得网络分成 不连通的部分，造成通信中断，因此网络中能量的平均消耗是路由协议考虑的重要因素。 随着w s n 研究的深入和逐步走向应用，w s n 的安全问题也越来越重要，特别在军事应用领 域。但是由于w s n 存在诸多限制和特点，比如传感器节点的资源限制、配置前无法获知网 络的拓扑结构、无人照顾的传感器节点容易遭受到物理攻击、缺少固定的基础结构等等， 使其所面临的安全挑战比传统的网络更加严峻。传感器节点最小资源和最大安全性是一对 尖锐的矛盾，并且，由于现有的路由协议在设计当初并没有考虑到安全问题，使得w s n 网 络路由协议的安全性能面临着严重的挑战。l e a c h 协议【4 】作为分簇式路由协议的代表，具 有非常大的研究价值。 因此，一种低能耗、高安全的路由协议是当前w s n 路由协议研究的重点，也是w s n 其他方面研究的基础。 1 4 本文组织结构 根据论文的研究目标及内容进行安排，论文总共分为6 章，内容如下： 第一章：引言。主要介绍了论文的研究背景、w s n 研究现状、课题研究内容及意义、 本文的组织结构等，主要介绍了当前w s n 研究的现状、关键性技术等热点问题。 第二章：无线传感器网络及其路由协议概述。主要介绍了w s n 及其路由协议的基本 知识，包括传感器网络的体系结构、传感器网络的特征、w s n 由协议的研究概况及仿真环 境、应用前景等。 第三章：l e a c h 协议详述。全面介绍了l e a c h 协议的特点及实现，主要侧重于能耗 性和安全性，着重介绍了传统l e a c h 协议在能耗性能方面的不足之处及面临安全方面的 威胁。 第四章：l e a c h 协议能耗性能改进策略。本章在第二章全面分析了l e a c h 协议的能 量消耗模型的基础上，提出了l e a c h 协议的能耗性改进策略，进行了严密的理论推导， 提出了理论上的可行性。本章的后面部分对这一策略进行了仿真和性能分析。 第五章：l e a c h 协议安全性能改进策略。分析了安全性能对于l e a c h 协议的重要性 及由此引发的安全威胁，提出了针对l e a c h 协议的相关入侵检测策略，并且在后面部分 对这一策略分别进行了安全性和能耗性两方面的仿真性能分析。 第六章：全文总结与展望。主要是对全文的研究工作取得的成果做简单总结，并在此 基础上提出论文研究工作尚存的问题，明确以后工作进一步努力的方向。 第8 页 ! 里1 些! ! ! ! ! 丝! ! ! ! 镕2 线传感器镕自坼概进 第2 章无线传感器路由协议概述 w s n 是个全新的研究领域，其研究和应用的远景被十分看好。路由协议作为w s n 研究领域内的关键课题引起了学术界的广泛关注。本章首先介绍w s n 网络概况及萁路 由胁泌研究现状，为后面几章的理论分析提供基础。 2 1 无线传感器网络体系结构 典型的传感器网络如图2 1 所示，主要由传感器节点、无线传输信道、基站( 也称s i n k 竹点) 、因特网或卫星系统、信息处理中心( 用户) 等部件组成。传感器节点监测的数据 沿着其它传感器节点单跳地进行传输，在传输过程中监测数据可能被多个节点处理，经过 多跳传输后到达基站，最后通过互联网或卫星到达管理节点。i j 户通过管理节点对传感器 网络进行配置和管理、发布监测任务以及收集监测数据。 传感器节点 传输网络 l f 司一齄 o 图2 - i 典型传感器网络体系结构 信息处理中心 从本质卜讲，传感器节点有一个微型的嵌入式系统，由能量有限的电池提供能量，具 自计算、存储、通信等能力，节点之间通过特定的路由街议组织，共训办作，将数据传送 到基站a 因此，节点在网络中兼顾传统网络中的终端和路由器双重功能，除了进行本地数 据采集和处理，还要与其它节点协作进行数据存储，融合等相关处理。 无线传感器网络是一种特殊的a dh o c 网络，但与传统的a dh o c 网络又有着很大区 别。这主要体现在无线1 感器网络是以数据为中心的，是为特定环境下的数据采集应用而 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第2 章无线传感器路由协议概述 设计的，而传统a dh o c 网络则是为多种应用而设计的一种通用平台。无线传感器网络与传 统的传感器阵列也有着本质区别，主要体现在传统的传感器阵列只是将各个传感器收集到 的数据统一发送到一个处理中心进行集中式处理以提取出有用信息，而在无线传感器网络 中，数据在传输的过程中，也要经过网络内的分布式处理，不断的精炼( 数据融合) 提取 有用信息。 2 2 传感器网络节点的结构 无线传感器节点是w s n 的组成单元，可以看作是一种小型的计算机，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四部分组成 3 5 - 3 6 】，如图2 2 所示。 传感器模块处理器模块无线通信模块 处理器 传感器 a c ，d c一种 网络 m a c幡 收发器 存储器 下t丁 lii l 能量供应模块 图2 2 无线传感器网络节点的结构 传感器模块主要用来采集各类信息，如温度、湿度、声音、加速度、全球定位信息等， 并负责将模拟信息量化为数字信息，传递给其它模块进行处理；处理器模块负责控制整个 传感器节点数据的操作；被监测物理信号的形式决定了传感器的处理器通常选用嵌入式 c p u ；无线通信模块负责与其它传感器节点进行无线通信、交换控制消息和收发采集数据； 能量供应模块为传感器节点提供运行所需的能量。 相对于传统网络，无线传感器节点在实现各种网络协议和应用系统时，主要存在以下 一些现实约束f 1 , 3 7 ： ( 1 ) 电源能量有限。传感器节点体积微小，通常携带能量十分有限的电池，并且由于 节点的电池一般无法更换，能量的局限性成为传感器网络最突出的特点。 ( 2 ) 通信能力有限。能量的局限性使得传感器网络的通信能力也受到限制，传感器节 点需要尽量减少频繁通信对于电池能量的消耗，同时，由于无线信道本身带宽资源受限及 第l o 页 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第2 章无线传感器路由协议概述 易受干扰等的特点，使得传感器节点通信能力非常有限。 ( 3 ) 计算和存储能力有限。由于传感器在自身能量因素外，考虑到成本等因素，其计 算和存储能力受到限制，使得在传感节点当中不能有太多的计算操作，存储资源也很宝贵。 在无线传感器网络中需要大规模配置传感器，为了降低成本，传感器节点一般都是资源十 分有限的，典型的传感器节点，通常只有几兆或十几兆赫兹的处理能力和十几k 的存储空间， 带宽也十分有限。 可以看出，能量因素是制约传感器节点性能最重要的因素之一。近几年来，许多专门 针对无线传感器节点能量受限特点研究的原型系统已经开发出来，如u c bm o t e s 、u a m p s 、 g n o m e s 、s m a r td u s t 等。 2 3 无线传感器网络特点 传感器网络虽然被称之为特殊的a dh o c 网络，但是较之还是有很大的变化。无线传感 器网络是集成了监测、控制以及无线通信的网络系统，节点数目更为庞大，节点分布更为 密集：由于环境影响和能量耗尽，节点更容易出现故障：环境干扰和节点故障易造成网络 拓朴结构的变化；通常情况下，传感器节点是固定不动的。另外，无线传感器网络中传感 器节点的能量、处理能力、存储能力和通信能力等都十分有限。传统无线网络的首要设计 目标是提供高服务质量和高效带宽利用，其次才考虑节约能源，而传感器网络的首要设计 目标是能源的高效管理能力。这也是无线传感器网络和传统无线网络最重要的区别之一； 因此，与传统的无线网络相比，无线传感器网络有以下很多特点i l 3 6 ，3 7 】： ( 1 ) 节点功能的局限性。在设计中大部分节点的能量靠电池提供，其能量资源非常有 限，从而其计算和存储能力、通信能力、电源能量、带宽等资源非常有限。 ( 2 ) 无线传感器网络的拓扑易变化，具有自组织能力。由于w s n 中节点节能的需要， 传感器节点可以在工作和睡眠状态之间切换，传感器节点随时可能由于各种原因发生故障 而失效，或者添加新的传感器节点到网络中，这些情况的发生都使得w s n 的拓扑结构在使 用中很容易变化，同时，无线传感器网络需要在任何时刻任何地点不需要任何现有基础网 络设施，包括有线和无线设施支持的条件下，快速构建起一个通信网络。 ( 3 ) 分布式控制。般情况下，基站与w s n 节点使用集中式的控制结构，但是各个传 感器节点之间是一种无中心的分布式控制网络，网络中的终端一般均具有路由器和主机双 重功能，主机之间地位平等，网络控制协议以分布式的方式实现，因而需要具有很强的鲁 棒性和抗毁性。 第i 1 页 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第2 章无线传感器路由协议概述 ( 4 ) 以数据为中心的网络。通常说的传感器网络是一个以数据为中心的网络，应用主 要关心的不是传感器网络本身，而是传感器节点所采集的数据。 ( 5 ) 数量多，规模大造成的数据冗余与汇聚问题。一般在军事上使用时，传感器的个 数是数以千计或者数以万计，而且节点分布非常稠密，相邻传感器节点感知的信息很多是 冗余的，为了节省网络带宽，减少能量消耗，在传感器网络节点与基站路径的中间节点会 对转发的数据进行汇聚以减少数据冗余。 ( 6 ) 安全性差。由于采用无线信道有限电源分布式控制等技术，网络主机更加容易受 到被动窃听、主动入侵、拒绝服务、剥夺睡眠使终端无法进入睡眠模式、伪造数据等各种 形式的网络攻击，而且传感器节点往往直接暴露在外部，安全性很差。 ( 7 ) 容错性。由于传感器节点数目多，而且安全性比较差，因此整个网络应该具有容 错性，不应由于部分节点出现问题而导致整个网络不可用。 ( 8 ) 流量不均衡。传感网络中流向处理中心的数据量往往远大于反方向的流量。数据 流向处理中心并在处理中心集中，会出现离处理中心越近，节点负载越重的现象。 2 4 无线传感器路