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哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 层次型无线传感器网络密钥管理方案研究 摘要 随着传感器技术、无线通信技术和数据处理技术的发展，出现了无线传感 器网络这一新的信息获取和处理模式。多个传感器节点通过无线通信、自组织 方式构成网络，协同工作实时感知、获取和处理信息。传感器网络应用广泛， 已被用于军事、环境科学、空间探索等领域。 传感器网络因其部署区域的开放特性以及无线电网络的广播特性，容易受 到监听和各种恶意攻击，安全问题极为重要。为了实现安全通信，应该对通信 内容进行加密和认证。但是受传感器节点自身资源的限制，传统网络中所采用 的密钥管理方案并不适用于无线传感器网络。 本文简单介绍了无线传感器网络的概念和相关内容，重点针对传感器网络 中的安全问题提出了一种新的基于分簇的密钥管理方案，并分析了该方案在安 全性和降低通信能耗上的性能改进，最后使用o p n e t 对该方案进行了仿真， 进一步验证了该方案的性能。 在建立方案过程中，传感器网络中密钥如何建立以及在网络运行过程中如 何管理密钥是本文研究的重点和难点，因此提出了基于分簇信息进行密钥分配 的算法，即基站发送公共密钥建立基站与各个簇的通信，在各个簇内部使用对 称加密完成簇内节点与簇头之间的通信，基站掌握整个网络的信息，定时发送 密钥更新信息，并通过在基站中注册、删除信息，完成网络中节点的加入与退 出。 该方案适应于采用层次路由协议的无线传感器网络，应用该方案构建的传 感器网络能保证其安全性，并降低建立密钥过程中的能量消耗，延长传感器网 络的生存时间，而该方案支持网络的动态变化，将更进一步提升网络的生存时 间。 关键词无线传感器网络；网络安全；分簇；密钥管理 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 r e s e a r c ho nh i e r a r c h i c a lk e y m a n a g e m e n t s c h e m eo fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs e n s o r ，w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na n dd a t ap r o c e s s i n g ， w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ( w s n ) w h i c ha r ean e wt e c h n o l o g ya b o u ta c q u i r i n ga n d p r o c e s s i n gi n f o r m a t i o ne m e r g e m m u l t i p l es e n s o rn o d e sc o n s t i t u t es e n s o rn e t w o r k s t h r o u g hw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na n ds e l f - o r g a n i z i n g i nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ， l o t so fs e n s o rn o d e sw o r kc o o p e r a t i v e l yt og a t h e ra n dp r o c e s si n f o r m a t i o nf r o m s e n s o r 。f i e l d s ，w i t hw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na n ds e l f - o r g a n i z a t i o n w s nc a l lb eu s e d f o rv a r i o u sa p p l i c a t i o n s ，s u c ha sm i l i t a r yf i e l d s ，e n v i r o n m e n tr e s e a r c ha n do u t e r s p a c ee x p l o r a t i o n b e c a u s eo ft h eo p e n i n go fd e p l o y m e n ta r e aa n dt h ec h a r a c t e ro fw i r e l e s s n e t w o r k s ，w s n i sp r o n et ob et r a f f i c l i s t e n e da n ds u f f e r so t h e rd i f f e r e n tt y p e so f m a l i c i o u sa t t a c k s s s e c u r i t yb e c o m e se x t r e m e l yi m p o r t a n t i no r d e rt oa c h i e v ec l e a r c o m m u n i c a t i o n s ，c o m m u n i c a t i o nc o n t e n te n c r y p t i o na n da u t h e n t i c a t i o ni se s s e n t i a l b u tf o rl i m i t i n go fn o d er e s o u r c e s ，t h et r a d i t i o n a ln e t w o r kw h i c hw a su s e db yk e y m a n a g e m e n ts c h e m ep r o g r a mi su n a b l et oa p p l yt ow i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s t h i sd i s s e r t a t i o nb r i e f l yi n t r o d u c e st h ec o n c e p to fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sa n d p a r t i c u l a r l ya d v a n c e san e wm a n a g i n gs c h e m ew h i c hb a s e do nc l u s t e ra i ma t t h e s e c u r i t yi s s u e so fs e n s o rn e t w o r k s t h i sd i s s e r t a t i o na l s oa n a l y z e ds e c u r i t ya n de n e r g y c o n s u m p t i o no fc o m m u n i c a t i o na b o u tt h i sd i s s e r t a t i o n t h i ss c h e m ei sv a l i d a t e db y c o m p u t e rs i m u l a t i o nt h r o u g ho p n e t i nt h ep r o c e s so fe s t a b l i s h i n gs c h e m e ，h o wt os e tu pa n dm a n a g et h ek e y si st h e f o c u sa n dd i f f i c u l t i e so ft h i sd i s s e r t a t i o n b a s e do nt h i s ，a na l g o r i t h mo fk e y d i s t r i b u t i o nw h i c hb a s e do nc l u s t e r i n gi n f o r m a t i o ni sp r o p o s e d t h eb a s es t a t i o n s e n d st h ep u b l i ck e ya n ds e tu pc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nb a s es t a t i o n sa n dc l u s t e r n o d e s t h ec o m m u n i c a t i o nw a su s e db ys y m m e t r i ce n c r y p t i o na m o n gc l u s t e r s t h e b a s es t a t i o nm a n a g e st h ew h o l ei n f o r m a t i o no fn e t w o r ka n ds e n d st h eu p d a t e d 1 n 士咖a t i o n so fk e yr e g u l a r l y n o d e sa d da n de x i tt h o u g hr e g i s t e r i n g a n dd e l e t i n g i n f o r m a t i o ni nt h eb a s es t a t i o n 。 ln es c h e m ea q a p tt oh i e r a r c h i c a lr o u t i n g p r o t o c o lf o rw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s s e n s o rn 咖0 r i 【sw h i c ha lec o n s t r u c t e db yt h i s s c h e m ec a l le n s u r et h e s e c u r i t v0 f l t s e l t ，r e d u c e s e l l e r g y c o n s u m p t i o n , p r o l o n g st h ea v a i l a b l eu s i n gl i f eo ft h e e q u l p m e n t s t h 塔s c h e m es u p p o r t sn e t w o r k sd y n a m i cc h a n g e s w h i c he x t e n dt h el i f e k 了w 。r d sw 证l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，n e m 。r k s e c u f i t y ，c l u s t e r , k e ym 柚a g e m e n t - 瑚- 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文层次型无线传感器网络密钥 管理方案研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独 立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他 人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名：叫日期：产乡月垆 7 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 层次型无线传感器网络密钥管理方案研究系本人在哈尔滨理工大学攻 读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔 滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了 解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部 门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内 容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密酬 ( 请在以上相应方框内打) 储躲功牛加 别程各秘笑 嗍年今月刁日 日期。叩年乡月卅日 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第1 章绪论 本章主要介绍了论文的研究背景及意义，并对无线传感器网络路由协议及 密钥管理协议的研究现状进行了概述，最后就文章的研究内容及组织结构进行 了叙述。 1 1论文的研究背景及意义 一随着微电子技术、计算机技术和无线通信技术的发展，无线传感器网络技 术开始提出，并因为其应用的广泛性得到越来越多的重视。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 s ，w s n ) 由部署在监测区域内的大量的廉价微型传感 器节点组成，相邻节点之间通过无线通信方式形成的一个分布式自组织的网络 系统，通过节点的协同工作来采集和处理网络覆盖区域中的目标信息。其目 的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察 者。从而将逻辑上的信息世界与客观上的物理世界融合在一起，改变人类与自 然界的交互方式。可以说无线传感器网络是信息感知和采集的一场革命，是2 1 世纪最重要的技术之一幢1 。 在今天，无线传感器网络已被广泛用于民用及军事的各个领域。如数据采 集、环境监测、野生物监测、病人的监护及军事领域应用中的目标跟踪、生化 武器的探测等。通常情况下，无线传感器网络被部署在户外甚至敌对的环境 中，较容易受到各种潜在的攻击陋一1 ，如窃听、冒充、通信量分析、节点捕获 等，从而使安全问题显得尤为重要，特别是在商业和军事领域的应用中。为了 实现网络中节点间通信的可靠性和高效性，密钥管理是其中的一个核心问题。 尽管无线传感器网络的安全和一般网络安全出发点是一致的，都是要解决 数据的机密性、新鲜性、节点之间消息的认证和完整性鉴别、认证组播及密钥 管理等问题。但由于无线传感器网络具有存储和计算能力有限，通信带宽有 限，布置区域的物理安全无法保证和后期节点布置的先验知识缺乏等特性，使 得现存的一些较为成熟的安全加密体制都不能直接应用于它，使其安全体制的 具体实现变得极富挑战性。 因此进行无线传感器网络密钥管理的研究，就是借鉴有线网络的扩频通 信、接入认证、数据加密等技术保证无线传感器网络的安全性。解决无线传感 器网络由于部署区域的开放特性以及无线网络的广播特性而造成的安全隐患， 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 对在网络的建立过程和数据的传输过程中可能出现的数据截取、篡改，提出密 钥管理方案，最终为无线传感器网络提供安全保障，使无线传感器网络具有更 广泛的实用性，因此我们自拟了本课题。 1 2国内外研究现状 无线传感器网络的路由协议是在其上进行密钥管理协议研究的基础，本节 将对无线传感器网络路由协议和密钥管理协议的研究现状进行概述。 1 2 1无线传感器网络路由协议 现有无线传感器网络的网络结构有平面和分层两种结构晦6 。，但由于平面结 构扩充性差，当网络规模扩大时，路由维护的开销呈指数增长而消耗掉有限的 带宽，造成节点间传输信息冲突增加，导致网络的生存时间减少，因此现在的 研究多集中在分层结构上，已有的使用较多的路由协议有以下几种： 低功耗自适应集群分层型协议n 1 ( l o we n e r g ya d a p t i v ec l u s t e r i n g h i e r a r c h y ，l e a c h ) ，它是一种基于聚类的协议，是由m i t 的h e i n z e l m a n 与 c h a n d r a k a s a n 等人专门为传感器网络提出的，可以将网络生存时间延长。但由 于l e a c h 建立开销较大，而且由于l e a c h 要求节点之间以及节点与s i n k 点 之间均可以直接通信，所以网络的扩展性不强，不适用于大型网络。 敏感阈值能量有效路由协议m 1 ( t h r e s h o l ds e n s i t i v ee n e r g ye f f i c i e n ts e n s o r n e t w o r kp r o t o c o l ，t e e n ) 。t e e n 是一种应用于实时系统的协议。在t e e n 协 议中，传感器节点持续地感知数据，但数据是间歇性的传送，减少了数据的传 输量。周期性自适应敏感闭值能量有效路由协议旧1 ( a d a p t i v ep e r i o d i c t h r e s h o l d - s e n s i t i v e e n e r g ye f f i c i e n t s e n s o rn e t w o r kp r o t o c o l ，a p t e e n ) 。 a p t e e n 协议是对t e e n 协议的扩展并结合了l e a c h 协议的优点，该协议的 目的是为了能够感知间隔性的数据，是主动式与被动式网络的结合，其性能介 于l e a c h 和t e e n 协议之间。t e e n 和a p t e e n 协议共同的缺点是伴随着簇 层次的增加，t e e n 和a p t e e n 需要将大量能量用于簇内的建立上，能量消耗 速度会明显加快。 高能效采集协议1 1 们( p o w e r - e f f i c i e n tg a t h e r i n gi ns e n s o ri n f o r m a t i o n s y s t e m s ，p e g a s i s ) 是在l e a c h 基础上发展而来的基于“链 的协议。利用 “链”的方式，每个节点只在数据融合阶段和它相邻的节点进行通信，每一轮 中只有一个“领导 节点向s i n k 节点发送数据，省去了聚类建立所需的开销。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 由于p e g a s i s 协议的建立需要地理位置信息，维护这些信息需要消耗很大的 能量，在地理情况复杂的情况下，能量消耗急剧增大。 多层聚类协议n ( h i e r a r c h i c a lc l u s t e r i n gp r o t o c o l ，h c p ) 是e s t r i n 为无线 传感器网络设计的一种新的聚类实现机制。该协议在层次结构中加入了定时 器，一旦定时时间到，节点升入高层，将发给自己广播消息的节点视为潜在的 子节点，并广播自己新的状态信息，低层节点选择响应这些准首领的广播消 息，最终确定惟一的通信关系。而在每一个工作周期结束以后，高层节点会根 据自己的状态信息决定是否让出首领位置。其缺点是在形成多层簇类的过程中 会额外消耗一些能源，而且随着层次的增多，选为簇首的节点能量消耗会急剧 增多。 s c r p ( s e m a n t i cc l u s t e r i n gr o u t i n gp r o t o c 0 1 ) n 2 1 也是一种基于簇的路由协 议，节点间发送查询消息启动，每个节点当收到查询消息后判断自身是否满足 查询消息，簇头的节点启动簇形成过程，最后按照最短多跳路径方法形成各个 簇。该方案可以动态生成簇，但该方案形成簇的过程中需要传递信息较多，能 量消耗较大。 1 2 2无线传感器网络密钥管理协议的研究现状 目前，对密钥管理的研究已经成为传感器网络一个重要的课题，并取得了 一定的成果。现代密钥管理技术有两大分支：公开密钥管理和对称密钥管理。 上世纪7 0 年代，美国斯坦福大学的两名学者d i f f i e 和h e l l m a n 提出了公钥加 密1 1 3 这一全新的思想，公开密钥管理使用公开的密钥对数据进行加密，但只有 掌握了相应的密钥才能对数据进行解密，因此通信双方无需事先交换密钥就可 进行保密通信，大幅提高了数据通信的安全性；对称密钥则是一种古老的加密 方案，在通信前双方约定进行加密解密用密钥，降低了密钥的复杂性，对称加 密管理运算速度快，占用资源少，因此在很多计算或者通信能力受限的系统 中，仍然得到了广泛的应用。 而在无线传感器网络中，密钥管理的关键问题是如何找到一种有效的方法 来分发密钥或份额。传感器网络中的密钥预分发方法通常有三种：概率的、确 定性的、混合的n 副。在概率的方案中，密钥链是随机从密钥池中选取出来的， 并且分发给节点。确定性方案中，用确定性的方法构造密钥池和密钥链，以期 达到更好的密钥连通性。混合的方案是概率的和确定性的方法相结合，能够解 决扩展性和抗毁性的问题。一般而言，密钥建立方案通常情况下包括以下三个 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 阶段：密钥预分发阶段；共享密钥发现阶段；路径密钥建立阶段h 朝。现在应用 面较广的协议有以下几种。 e s c h e n a u e r 和g h g n r 在传感器网络中最先提出了随机密钥预分发方案“引， 简称e g 方案。密钥预分发阶段，密钥预分发中心生成一个有即个密钥的密 钥池和密钥相应的m ，并给每个节点随机的分发k 个不重复的密钥，因此任意 两个节点拥有对密钥的概率为p 。1 一害勰2 k ! k p 。共享密钥发现阶段，邻居 ( 即一) ! 节点交换密钥的i d ，并检查收到的消息中的密钥的i d ，再和自己存储的密钥 比较。若存在共享密钥，则作为对密钥。若节点间不存在共享密钥，则进入路 径密钥建立阶段，节点通过利用其他和其存在共享密钥的节点作为中间节点建 立路径密钥。e g 方案有几个优点：节点存储少量的密钥可以使网络获得较高 的连通概率；密钥预分发阶段不需要任何的先验信息，如节点位置信息等等； 节点部署完毕后，无需s i n k 节点的参与，但当网络中受损节点数量增加时，该 方案性能变得较差。 l i u 等提出了基于双变量多项式的随机密钥预分发方案n7 1 ，双变量多项式 f ( x ，y ) 一ya q z y ，其中口打= a p ( osf ，j st ) ，具有f ( x ，y ) = f ( y ，z ) 的性质。节 i , 算- o 点部署前，密钥预分发中心生成有限域上s 个t 次多项式，每个节点随机选取 k 个多项式。节点部署后节点若共享相同的多项式，则可以直接建立对密钥。 实验表明，该方案当捕获节点数量较少时抗毁性优于e _ g 方案，但当随着被捕 获的节点数目增加时，该方案的抗毁性减弱，当达到6 0 的节点被捕获时，抗 毁性比e g 方案差。 使用基于地理位置信息的双变量多项式随机密钥预分发方案引( 1 0 c a t i o n b a s e dk e yp r e d i s t r i b u t i o n ，l b k p ) 。在此方案中假设网络的目标区域是一个矩 形区域，把该区域划分为若干个大小一致的正方形区域。节点部署前，密钥预 分发中心生成与区域相同数目的双变量多项式。根据每个节点预期的位置确定 其所在的区域，密钥分发中心把跟该区域相邻的上、下、左、右4 个区域及节 点所在区域共5 个双变量多项式分发给节点。若两个节点共享某个多项式则可 以建立直接对密钥。该方案通过调整区域的大小来提高密钥连通性，和e g 方 案相比，该方案的抗毁性明显增强，但是计算和通信开销较大。 在e g 方案中，两个相邻节点a 和b 所分配的密钥可能被分配给其他节 点，则a 和b 之间的链路就会受到安全威胁。c h a n 提出了多路径密钥增强方 案n 引，假设a 和b 之间存在r f l 条不相交的路，a 产生m 个随机值，通过这m 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 条不相交的路发送给b ，b 收到这些值后，生成新的对密钥 k k o uo ，o 0 1 ，。攻击者不可能获得全部的随机值，则不能得到对密钥 k 。该方案能够显著提高安全性。但是该方案的缺点是，如何建立以及能否建 立足够数量的不相交的路径。 组合论在传感器网络对密钥的研究中有着较广泛的应用。c a m p t c p e 把组 合设计理论用于设计无线传感器网络确定性的密钥预分发方案啪1 。假设网络中 的节点数量为n ，用n 阶射影空间( n 为满足，1 2 + n + 1 乏n 的素数) 生成一个参数 为( 以2 + n + 1 ，行+ 1 ，1 ) 的对称平衡不完全区组设计。支持的网络节点数为 n 2 + ，z + 1 ，密钥池的大小也为n 2 + ，z + 1 ，能够生成n 2 + n + 1 个大小为，l + 1 的密 钥链，任意两个密钥链至少有一个公共密钥，并且每一个密钥出现在n + 1 个密 钥链中。由此可见，网络中密钥连通概率为1 ，但是素数n 不能支持任意的网 络规模。为此，c a m p t e p c 提出了平衡不完全区组设计和广义四边形相结合的 混合密钥预分发方案：使用平衡不完全区组设计或广义四边形的补设计随机生 成n b 个密钥链，与前面生成的b 个密钥链组成n 个密钥链。这种方案提高 了网络的可扩展性和抗毁性，但是密钥连通性有所下降。 2 0 0 6 年z h u 等人提出的l e a p ( l o c a l i z e de n c r y p t i o na n da u t h e n t i c a t i o n p r o t o c o l ，l e a p ) 协议心川，该协议是一个既能支持网内处理，又具有较好耐俘获 性的密钥管理协议，该协议提供了较好的低能耗的密钥建立和更新方案，同时 还提供了基于单向密钥链【2 2 1 的网内节点认证方案，并在不丢失网内处理功能和 被动参与的情况下支持源认证操作。该协议提供了很完整的密钥生成过程，且 有比较合适的组密钥更新机制和节点间认证机制，但从密钥管理方面来看，其 密钥更新、撤消、节点删除、节点新增机制不是很完善，当网络动态加入或删 除节点时，该协议不能很好的完成这些情况的密钥管理。 w e n l i a n gd u 和d o n g g a n gm 等人提出了w s n 的基于节点组的密钥分布 方案【2 副。方案中把整个节点分布区域分为多个网格，网格成员建立配对的对密 钥，网格间的交叉节点再生成配对的对密钥。该协议最具优势的一点是极大地 改进了节点间密钥的动态生成，提升了无线传感器网络密钥管理的密钥更新、 撤消，增强了密钥管理的灵活性和可扩展性，但由于该方案需要建立的密钥数 量较多，且由于密钥都需要进行存储，所以导致其建立时间较长，花费能量较 多需要的空间也较大，因此缩短了网络的生存时间。 综上所述，现有的密钥管理协议不能直接应用于无线传感器网络，而已有 的无线传感器网络上的密钥管理协议，存在着灵活性不足，密钥管理不完善， 建立全网络的密钥消耗能量过大等问题。因此在无线传感器网络中加入密钥管 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 理，不仅要供网络的安全保证，而且需要节省能量，以及提供一整套的管理方 案，包括密钥的动态更新，节点加入和退出时网络的安全性保证等，因此提出 的无线传感器网络的密钥管理协议需要在安全性，节能性，可扩展性方面多加 以考虑。 1 3论文的研究内容 研究的主要内容是通过查阅大量文献，实现一种有效的基于分簇结构网络 模型的密钥管理机制，基本工作有以下几方面： 1 研究分簇结构的无线传感器网络之上的路由协议。 2 研究密码学，通过研究现代密码学中的两大分支：对称和非对称加 密，比较各种加密算法的优缺点。 3 分析现有无线传感器网络密钥管理协议的不足，结合上面两步的研究 建立分簇结构的可靠，节能，扩展性强的密钥管理协议。 4 搭建网络仿真平台上，对设计的密钥管理协议进行仿真试验，并通过 对比现有的密钥管理协议，在一系列量化的性能指标基础上，总结出所设计的 密钥管理协议的优缺点。 1 4论文组织结构及内容安排 第1 章主要介绍论文的研究背景和意义，国内外研究现状，根据当前的研 究现状给出本课题研究的主要内容。 第2 章主要是对无线传感器网络及密钥管理的概述。重点介绍了无线传感 器网络的体系结构，无线传感器网络路由协议和密钥管理技术。 第3 章主要分析层次型网络安全模型及提高密钥管理性能的措施，并介绍 了典型的层次型无线传感器网络的密钥管理方案，针对层次型传感器网络密钥 管理协议的提出相应的设计思路。 第4 章提出一种密钥管理策略，并进行详细描述。 第5 章对本文所提出策略进行理论分析和仿真实验，并得出结论。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第2 章无线传感器网络及密钥管理协议概述 本章首先介绍了无线传感器网络的体系结构，再对无线传感器网络上的典 型路由协议进行了详述，最后介绍了密钥管理技术当前研究成果。 2 1无线传感器网络体系结构 本节将主要介绍无线传感器网络的网络结构，传感器的节点结构和传感器 网络协议栈这三面的内容。 2 1 1传感器网络结构 一个典型的无线传感器网络如图2 - 1 所示。大量的传感器节点被分布在感 知区域中，通过自组织的方式构成网络，各个传感器节点将感知到的有用信息 经过初步的数据处理和信息融合以后传送给用户。传送的过程是通过多跳中继 方式将监测数据传送到接收器( 也叫基站) ，然后再通过基站以有线网络或者卫 星信道的方式与其它网络相连，最终传送给用户。用户通过任务管理节点对无 线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。 图2 - 1 一个典型的无线传感器网络结构图 f i g 2 - 1at y p i c a ls t r u c t u r eo fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s 根据节点规模的大小，无线传感器网络结构可分成两种：平面结构和分层 结构。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 2 ：2 。 平面结构的网络比较简单，对等式平面结构的无线传感器网络结构图如图 图2 2 平面结构网络图 f i g 2 - 2p l a n a rs t r u c t u r eo ft h en e t w o r k 在平面结构中所有节点的地位平等，所以又可以称为对等式结构。这种结 构的网络中所有节点是完全对等的，原则上不存在瓶颈，所以比较健壮。它的 缺点是可扩充性差，每一个节点都需要知道到达其他所有节点的路由，当网络 规模扩大时路由维护的开销呈指数增长而消耗掉有限的带宽。 分层结构又叫分级结构，分层结构的无线传感器网络结构图如图2 3 。 点 图2 - 3 分簇结构的无线传感器网络的拓扑结构 f i g 2 - 3c l u s t e r i n gs t r u c t u r eo f w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kt o p o l o g y 网络被划分为簇( c l u s t e r ) ，每个簇由一个簇头( c l u s t e rh e a d ，c h ) 和多个簇 成r 员( c l u s t e rm e m b e r ，c m ) 组成，这些簇头形成了高一级的网络，簇头节点负 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 责簇间数据的转发，它可以预先指定，也可以由节点使用分簇算法自动选举产 生。 在分层结构的网络中，簇成员的功能比较简单，只需要将自己的信息向簇 头结点发送，不需要维护复杂的路由信息，这就大大减少了网络中路由控制信 息的数量，因此具有很好的可扩充性。由于簇头节点可以随时选举产生，分层 结构也具有很强的抗毁性。 分层结构的缺点是：维护分层结构需要节点执行分簇算法，簇头节点可能 会成为网络的瓶颈。但由于分级网络结构具有较高的系统吞吐量，节点定位简 单，目前无线传感器网络正逐渐呈现分层化的趋势，许多网络路由算法都是基 于分层结构网络模式提出的。 2 1 2传感器节点结构 传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四 部分组成掣，如图2 。4 所示。 处理器模块处理器模块 无线通信模块 ：l 1 处理器 卜剖网络h m a c h 收发器i；i 传感母h a d 仍cr i存储器 l jjk 能量供应模块 图2 4 无线传感器网络节点结构 f i g 2 - 4n o d es t r u c t u r eo f w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s 传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换；处理器模块负责控制 整个传感器节点的操作，存储和处理本身采集的数据以及其他节点发来的数 据；无线通信模块负责与其他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，通常采用微型电 池。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 2 1 3传感器网络协议栈 随着传感器网络的深入研究，研究人员提出了多个传感器节点上的协议 栈，该协议栈如图2 5 。 该协议栈包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层，与互联网 协议栈的五层协议相对应。另外，协议栈还包括能量管理平台、移动管理平台 和任务管理平台幢毛矧。这些管理平台使得传感器节点能够按照能源高效的方式 协同工作，在节点移动的传感器网络中转发数据，并支持多任务和资源共享。 各层协议和平台的功能如下。 图2 5 传感器网络协议栈 f i g 2 - 5p r o t o c o ls t a c ko fs e n s o rn e t w o r k s 物理层提供简单但健壮的信号调制和无线收发技术；数据链路层负责数据 成帧、帧检测、媒体访问和差错控制；网络层主要负责路由生成与路由选择； 传输层负责数据流的传输控制，是保证通信服务质量的重要部分；应用层包括 一系列基于监测任务的应用层软件。 能量管理平台管理传感器节点如何使用能源，在各个协议层都需要考虑节 省能量；移动管理平台检测并注册传感器节点的移动，维护到汇聚节点的路 由，使得传感器节点能够动态跟踪其邻居的位置；任务管理平台在一个给定的 区域内平衡和调度监测任务。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 2 2无线传感器网络的分簇结构路由协议 依据聚类的构建过程中是否有中心控制节点，路由协议可以分成集中式或 分布式w s n 。在集中式路由机制中，例如l e a c h 和a p t e e n ，中心控制节 点通常具有强大的计算能力，并且没有能量供应限制。中心控制节点可以获取 系统的全局信息，包括位置和各个节点的剩余能量等。因此，在w s n 中使用 集中式路由机制可以达到人们预期的最优状态。但是，w s n 通常包含大量的 无线传感器节点，这些节点只有十分有限的计算和通讯能力，集中式路由机制 有时缺乏灵活性、可扩展性和健壮性2 引。相对于集中式路由机制，分布式路 由机制只需要在邻近节点之间交换本地信息，甚至相互之间完全独立，但相应 的，分布式路由在建立过程中需要交互大量的信息，因此能量消耗极大，降低 了网络的生存时间心枷3 。下面的将列出一些典型的分簇结构的路由协议。 2 2 1l e a c h 协议 l e a c h 协议主要通过随机选择类首，平均分担中继通信业务来实现的。 并且通过数据传输的区域化控制，低功耗的m a c 层协议，面向应用的数据处 理使网络的可靠性得到了加强。 l e a c h 定义了“轮”的概念，一轮由初始化和稳定工作两个阶段组成， 为使能量最小化，稳定工作阶段远远长于初始化阶段。在初始化阶段， l e a c h 协议随机的选取一个传感器节点作为类首，选取的原则是：传感器节 点随机的生成一个( 0 ，1 ) 之间的随机数，如果大于阈值t ，则该节点当选为类 首。t 按公式( 2 1 ) 计算： 丁印) = 面p 弓胙g p 1 ， 0 在( 2 1 ) 式中，p 代表节点成为类首的百分数；r 代表当前轮数。 当类首选定之后，类首们向节点们广播自己成为类首的消息，节点根据接 收到的消息的强度来决定加入哪个聚类，并告知相应的类首。基于t d m a 方 式，类首为类成员分配时隙。在稳定工作阶段，类成员采集所监测的数据，在 给定的时隙内传送到类首，类首进行必要的数据融合后再将数据传送到s i n k 节 点，经过一段时间后，进入下一轮，再次进行选举。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 2 2 2t e e n 与a p t e e n 协议 在t e e n 协议中，传感器节点持续地感知数据，但数据是间歇性的传送。 该协议最重要的特点是有两个参数：硬实时值( h a r dt h r e s h o l d ，h t ) 和软实 时值( s o f tt h r e s h o l d ，s t ) 。硬实时值表示传感数据的属性值；软实时值表示 传感数据的改变值。当传感到的数据在硬实时值的范围内或传感到的数据发生 变化的范围超过软实时值时才进行传输，这样就减少了传感到的数据量。 在簇建立后，簇头节点广播这两个值。在簇传输数据过程中，如果想调节 接收到的数据量，可以动态地更改这两个值，将其发送给非簇头节点。 a p t e e n 协议是对t e e n 协议的扩展，该协议的目的是为了能够感知间隔 性的数据。t e e n 与a p t e e n 的层次聚类如图2 6 所示。 图2 - 6t e e n 与a p t e e n 的层次聚类 f i g 2 - 6t e e na n da p 陋e nh i e r a r c h i c a lc l u s t e r i n g 在簇头形成以后，广播两种实时值，并传送调度信息到非簇头节点。该协 议支持三种不同的类型的查询方式：历史信息查询，分析己接收到的数据；一 次查询，对整个网络进行一次快速的状态查询；阶段查询，对某一事件进行一 段时间的探测。a p t e e n 协议是一种主动式与被动式网络相结合的密钥管理协 议。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 2 2 3p e g a s i s 协议 蚴h 协议中，聚类构建和维护的额外开销还是很大的。在l e a c h 中，每一轮发送大约有5 的节点要充当c h 节点向远方的基站发送数据。如 果利用“链”的方式，每个节点只在数据融合阶段和它相邻的节点进行通信， 每一轮中只有一个“领导节点向s i n k 节点发送数据，而且省去了聚类建立所 需的开销，因此效果要比a c h 好很多。p e g a s i s 就是在l e a c h 基础上发 展而来的基于“链 的协议。 p e g a s l s 的主要观点是在传感器节点中形成一个“链 ，如图2 7 所示。 节点从邻居节点接收数据，然后向另一边的邻居节点发送数据。数据从一个节 点传到另一个节点( 在此过程中进行数据融合) ，最终传到一个“领导节点 ( 如图2 7 中的a 3 节点) ，由这个“领导 节点最终把数据发给s i n k 节点。由 于网络中的节点都具有直接和s i n k 节点通信的能力，因此网络中的节点可以轮 流充当“领导 的角色，这样就每个节点每一轮的平均能耗就降低了。 p e g a s i s 比l e a c h 节约能量的几个地方：首先，在本地数据聚合阶段， 每个节点和相距很近的邻居节点通信而不是和c h 节点通信，这样通信距离大 大减小。其次，l e a c h 协议中c h 节点要接收2 0 个节点的数据( 假设一个群 图2 - 7p e g a s i s 协议中“链”式结构 f i g 2 7t h e ”c h a i n ”s t r u c t u r ei np e g a s i sp r o t o c o l 中有2 0 个成员节点) ，而一个“领导”节点只要顶多接收两次数据就行了。最 后，在每一轮通信中，p e g a s i s 只有1 个“领导”节点和s i n k 通信，而 l e a c h 中则有多个c h 节点和s i n k 通信。p e g a s i s 算法减小了节点的通信距 离，限制了直接向基站发送数据的节点个数( 1 个) ，通过轮流做“领导”的方 式平衡了网络中的能量消耗，并且增强了网络对于随机节点死亡的抗干扰能 力。但是p e g a s i s 需要每个节点知道网络的全局信息，在网络全局信息比较 难得到的情况下就不适合了。研究结果表明，p e g a s i s 支持的传感器网络的 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 生命周期是l e a c h 的近两倍。p e g a s i s 协议的不足之处在于节点维护位置信 息( 相当于传统网络中的拓扑信息) 需要额外的资源。 2 2 4多层聚类协议 多层聚类协议是利用工作在网络中的传感器节点处于不同的层，所处层次 越高，所覆盖面积越大的思想构建的协议。起初，所有节点均在最低层，通过 竞争获得提升高层的机会。新的工作周期开始时，每一个节点都广播自己的状 态信息，包括储备能量、所在层次和首领的i d ( 如果有) 等，然后进入等待 状态以便相互了解信息，等待时间与所在层次成正比。处在最低层的节点如果 没有首领，等待状态结束后，立刻启动一个“晋升定时器”，定时时间与自身 能量以及接收到同层其他节点广播消息的数目成反比，目的是为能量较高且在 密集区的节点获得较多的提升机会。一旦定时时间到，节点升入高层，将有发 给自己广播消息的节点视为潜在的子节点，并广播自己新的状态信息，低层节 点选择响应这些准首领的广播消息，最终确定惟一的通信关系。选择了首领的 节点，自己的“晋升定时器 将停止工作，也就意味着本轮放弃了晋升机会， 在每一个工作周期结束以后，高层节点将视自己的状态信息( 如有无子节点， 功率是否充足) 决定是否让出首领位置。上述的多层聚类协议具有递归性， e s t r i n 等人用两层模型验证了它在传感器网络中的有效性。 其缺点是在形成多层簇类的过程中会额外消耗一些能源，而且需要形成多 少层，按照什么规程形成多个层次等都是值得继续探讨的课题。 2 2 5s c r p 协议 s c r p 是种基于簇的路由协议，其簇一旦形成，在通信过程中便不会改 变。s c r p 如何得到信息建立簇，并利用簇进行数据传输，整个建立过程如图 2 8 所示。 第一阶段，兴趣传播。通过节点间发送查询消息启动，每个节点当收到查 询消息后判断自身是否满足查询消息，如图2 8a ) 所示，被选为簇头的节点启 动簇形成过程。该阶段区分两种情况：1 不满足查询的节点，该节点必须把 查询任务向其所有邻居节点发送；2 满足查询的节点，该节点启动第二阶 段，即簇形成过程。 第二阶段，簇形成。如图2 8b ) 所示。簇头仅向其邻节点发送兴趣消息， 在得到邻节点确认后，簇头记录其邻节点i d ，它