（通信与信息系统专业论文）无线传感器网络路由协议及密钥分配与管理技术的研究.pdf

摘要 摘要 无线传感器网络无论是在国家安全，还是国民经济诸方面均有着广泛的应用 前景。未来，微型、高可靠、多功能、集成化的传感器，微型、大容量的能源， 高效、高可靠的网络协议和操作系统，面向应用、低计算量的模式识别和数据融 合算法，低功耗、自适应的网络结构，及在现实环境中的各种应用模式，会使传 感器网络最终成为现实和数字世界的接口，深入人们生活的各方面，像互联网一 样改变人们的生活方式。但在目前的科技水平下，生产低成本、低功耗、体积小 的传感器节点，都不可避免的具有能量少( 不可更换的电池供电) ，计算及存储能 力有限，仅支持短距离无线通信的特点。如何高效使用能量，最大化网络生存期 是传感器网络面临的首要挑战。 目前m u l t i s i n k 无线传感器网络逐渐成为传感器网络领域的研究热点。由于现 有的路由协议多是针对单s i n k 节点的传感器网络提出的，并不适宜于m u l t i s i n k 网络，因此，本文从如何设计高效，高可靠且适宜于m u l t i s i n k 网络的路由协议的 问题入手，尝试着设计了一种用于m u l t i s i n k 无线传感器网络的基于标记的路由协 议( m s t b r p ) 。该协议的核心思想是根据多个s i n k 节点的分布位置，对网络中 所有节点按照距离s i n k 节点的跳数进行标记，形成分层的网络拓扑，使用该协议 能够为成千上万的传感器节点建立起到s i n k 节点的能量高效的路由。为满足应用 的可靠性和多样性需求，针对m s t b r p 协议本文提出了一些有益的改进措施，另 外还提出了一种与m s t b r p 搭配使用的能量高效的m a c 协议，并利用m s t b r p 的层次划分对无线传感器网络支撑技术作了改进。 有些应用对于无线传感器网络所采集数据传输的安全有很高的要求，考虑到 传感器网络的无线通信环境，缺少基础设施支持，以及节点在能量，计算及存储 能力方面有限的特点，本文提出了一种用于分布式无线传感器网络的成对密钥分 配与管理方法。它具有能量高效，节省节点存储空间等特点，算法本身也很简单。 此外，可以根据需要加入新节点，撤销网络中不安全的节点，或是更新节点的密 钥以增强网络的安全性，仿真结果证明了该方法具有很好的可扩展性。 本文最后对所做的工作进行了总结，并提出了一些需要进一步研究的问题。 关键词：无线传感器网络，m u l t i - s i n k ，能量高效，密钥分配和管理，成对密钥 a b s t r a c t 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 kh a sw i d ea p p l i c a t i o np r o s p e c t si nn o to n l yn a t i o n a l s e c u r i t y , b u ta l s on a t i o n a le c o n o m y i nt h ef u t u r e , m i n i ，h i g h l yr e l i a b l e ，m u l t i f u n c t i o n a l ， i n t e g r a t e ds e n s o r s ，m i n i a t u r e ，l a r g e c a p a c i t yp o w e rs u p p l y , e f f i c i e n t ，h i g h l yr e l i a b l e n e t w o r kp r o t o c o l sa n do p e r a t i n gs y s t e m ，a p p l i c a t i o n - o r i e n t e dp a t t e r nr e c o g n i t i o na n d d a t af u s i o na l g o r i t h mw i t hs m a l la m o u n to fc a l c u l a t i o n , l o w - p o w e r , a d a p t i v en e t w o r k s t r u c t u r e ，a sw e l la sav a r i e t yo fa p p l i c a t i o nm o d e l si nr e a l i s t i ce n v i r o n m e n t , a l lo ft h o s e c h a r a c t e r i s t i c sa b o v ew i l lm a k et h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ke v e n t u a l l yt h ei n t e r f a c e b e t w e e nt h ed i g i t a lw o r l da n dt h er e a lw o r l d , w h i c hw i l la f f e c ta l la s p e c t so fp e o p l e s l i v e s ，c h a n g eo u rl i f e s t y l ea si n t e r n e tu s e dt ob e h o w e v e r , i nt h ec u r r e n tl e v e lo f s c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , t h ep r o d u c t i o no fl o w - c o s t ，l o w - p o w e r , s m a l ls i z es e n s o rn o d e s a r ei n e v i t a b l e 谢ms o m en e g a t i v ef e a t u r e ss u c ha sl e s se n e r g y ( u s u a l l yd e p e n do na n e n e r g ys u p p l yp r o v i d eb yn o n - r e p l a c e a b l eb a t t e r i e s ) ，l i m i t e dc a p a c i t yo fc a l c u l a t i o na n d s t o r a g e ，s h o r t - r a n g ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na b i l i t y t h u s ，e f f i c i e n tu s eo fe n e r g ya n d m a x i m i z a t i o no ft h el i f ec y c l eo ft h ew h o l es e n s o rn e t w o r ki st h ep r i m a r yc h a l l e n g e w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm u l t i - s i n kw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kt e c h n o l o g y , c u r r e n tr o u t i n g p r o t o c o lb a s e do nu n i s i n kw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kb e c o m e so u to fd a t e t h u si nt h i sp a p e rw ep a i da t t e n t i o nt od e s i g n i n gah i g h l yr e l i a b l en e t w o r kp r o t o c o lw i t h g o o dp e r f o r m a n c ef o rm u l t i - s i n kw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k a f t e rf u l l yt a k i n gt h e c h a r a c t e r i s t i c so fs e n s o rn e t w o r ki n t oa c c o u n t ，c o m p a r i n ga n ds u m m a r i z i n gc u r r e n t t y p i c a lr o u t i n gp r o t o c o l s ，w ep r o p o s e dar o u t i n g p r o t o c o ln a m e dm u l t i s i n kt a g - b a s e d r o u t i n gp r o t o c o l ( m s t b r p ) w h i c hc o u l db eu s e di nm u l t i - s i n kw i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k s t h eo u t l i n eo fm s t b r pi st oc o l l e c tt h el o c a t i o n so fm u l t i p l es i n k s ，t h e n m a r ke a c hs e n s o rn o d ew i t ht h en u m b e ro fh o p sb e t w e e ni t s e l fa n dt h es i n k w i t ht h i s m e t h o d ，t h et o p o l o g yo ft h ew h o l en e t w o r kb e c o m e si n t oh i e r a r c h i c a l o u rp r o t o c o l c o u l dh e l pt e n so ft h o u s a n d so fs e n s o rn o d e st oe s t a b l i s ha ne n e r g y - e f f i c i e n tp a t ht ot h e s i n k a l s o ，w eo p t i m i z e dm s - t b r pi no r d e rt or e a c ht h er e l i a b i l i t ya n dd i v e r s i t y d e m a n d so fa p p l i c a t i o n s b e s i d e s ，w ep r o p o s e da l le n e r g y - e f f i c i e n tm a c p r o t o c o lt o m a t c hm s t b r p a n dt h e nw ei m p r o v e dt h es u p p o r t i n gt e c h n o l o g i e so fw i r e l e s ss e n s o r n a b s t r a c t n e t w o r k sw i t hm u l t i - - l a y e rm e t h o do fm s - t b r p a sm i s s i o n o r i e n t e da p p l i c a t i o n sa r ed e p l o y e di nd i s t r i b u t e dw i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k s ，s e c u r i t yi s s u e sa r i s e t h e ya r ef a c i n gt r e m e n d o u sc h a l l e n g e s ：w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ne n v i r o n m e n t ( u s u a l l yi nh o s t i l ea r e a s ) ，t h el a c ko fi n f r a s t r u c t u r es u p p o r t , i n a b i l i t yo fp r e d i c t i n gn e t w o r kt o p o l o g ya n dl i m i t e dr e s o u r c ea s s o c i a t e dw i t hn o d e s e f f i c i e n ta n dr o b u s tk e yd i s t r i b u t i o ni si m p o r t a n tt os e c u r es u c hk i n do fs e n s o rn e t w o r k s t oa d d r e s st h i si s s u e , w ep r o p o s eas i m p l ep a i r - w i s ek e yd i s t r i b u t i o na n dm a n a g e m e n t a p p r o a c h ，w h i c hi se n e r g ya n ds t o r a g ee f f i c i e n t n o d ea d d i t i o na n dd e l e t i o nd u r i n g c o m m u n i c a t i o ns t a g ea r es u p p o r t e d , a n dt h eu p d a t eo fp a i r - w i s ek e y si s e n a b l e d s i m u l a t i o nr e s u l tp r o v e s 1 a to u rm e t h o di ss c a l a b l e f i n a l l y , w es u m m a r i z e do u rc u r r e n tw o r k ，a n da l s or a i s e dan u m b e ro fi s s u e sn e e d f u r t h e rs t u d yi nt h ef u t u r e 硒w o r d s ：w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，m u l t i - s i n k , e n e r g ye f f i c i e n t , k e yd i s t r i b u t i o n a n dm a n a g e m e n t i i i 目录 缩略词表 c d m ac o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s 码分多址 c hc l u s t e rh e a d簇头节点 c s m a c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s s 载波侦听多路访问 d o sd e n i a lo fs e r v i c e拒绝服务 d s nd i s t r i b u t e ds e n s e rn e t w o r k分布式传感器网络 f d m a f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s 频分多址 g p sg l o b a lp o s i t i o ns y s t e n a m a cm e d i u n la c c e s sc o n t r o l n t pn e t w o r kt i m ep r o t o c o l 全球定位系统 介质访问控制 网络时间协议 q o s q u a l i t yo f s e r v i c e服务质量 t d m at i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s 时分多址 c o o r d i n a t e du n i v e r s a lt i m e 世界标准时间 w s n w i r e l e s ss e n s e rn e t w o r k无线传感器网络 v l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 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 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我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 确的说明并表示谢意。 签名： 趣兰!日期：泖g 年月2 3 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：磐姿导师签名：差垒鹭一 日期：劢明年6 月2 弓日 第一章无线传感器网络概述 1 1 引言 第一章无线传感器网络概述 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 ) 是一种新型网络，因为 在军事国防，抢险救灾，空间探索，环境观测和预报，工农业控制，建筑物状态 监控，医疗护理，智能家居等诸多方面的广阔应用前景使得其研究受到越来越广 泛的关注，逐渐成为学术界、工业界的研究热点。近年来，随着无线通信技术、 微电子技术的飞速发展，无线传感器网络技术取得了巨大的进步，无线传感器网 络和现有网络的融合，将带来新的应用。在未来，无线传感器网络技术将成为影 响人类未来生活的重要技术之一。 1 2 无线传感器网络体系结构 无线传感器网络通常由传感器节点( s e n s o rn o d e ) 、汇聚节点( s i n kn o d e ) 、任 务管理节点构成。体系结构如图1 - 1 所示。用户通过任务管理节点对传感器网络进 行配置和管理，发布监测任务和收集监测数据。 圈 陋务管理节点i i _ j 用户 图1 - 1 传感器网络体系结构 电子科技大学硕士学位论文 1 3 无线传感器网络中的传感器节点和汇聚节点 无线传感器网络中通常有成百上千有时甚至上万个传感器节点和少数的汇聚 节点。传感器节点都由数据采集模块、数据处理模块、数据通信模块和电源四个 部分组成，如图1 2 所示。 传感器懈换器卜_甲枉线收发器 z 叫微处理器l 一 厂 一 数据采集模块数据通信模块 tt+ ll 电源 图1 - 2 传感器节点的组成部分 传感器节点都具有传感、信息处理和无线通信的功能。但它作为一种微型嵌 入式设备通常具有低成本、低功耗、体积小、能量少，计算及存储能力有限，仅 支持短距离无线通信的特点。尤其需要强调的是传感器节点的能量，由于节点的 电源通常采用只能携带有限能量的电池来实现，同时，更换电池的成本可能比重 新布放传感器节点还要高，这就决定了无线传感器在使用过程中不太可能更换电 池，因而节能成为无线传感器网络设计的核心，在进行节点设计时应尽量采用寿 命较长的电池及低功耗的元器件。与传感器节点不同，汇聚节点的硬件功能较为 强大，能量供应通常也很充足，不仅能够发送控制信息给传感器节点，还能够把 它从传感器节点搜集到的信息发送给外部网络。 当传感器节点被布放在感兴趣的目标区域内之后，它们以自组织的方式构成 网络，并借助于节点中内置的形式多样的传感器，协作地实时监测、感知和采集各 种环境或监测对象的信息，对其进行一些简单的处理，然后将数据传送到汇聚节 点，由汇聚节点将收集到的数据通过互联网或移动通信网络传送到远程监控中心 进行更为复杂的处理，将获取到的信息送到终端用户，以实现物理世界、计算机 世界和人类社会的有效连通。在这个过程中，传感器节点既充当数据感知节点， 2 第一章无线传感器网络概述 又充当转发数据的路由器。整个传感器网络是一个以数据为中心的网络，汇聚节 点融合的数据相当于来自一个分布式的数据库。 1 4 无线传感器网络的特点及与传统网络的区别 传统的无线网络包括移动通信网、无线局域网、蓝牙、a dh o c ( 自组织) 网络 等。无线传感器网络的组成及应用场景与传统网络有较大的不同，它是一种综合 传感器技术、计算机技术、信息处理技术和通信技术为一体的网络。无线传感器 网络具有可快速部署的特点，节点一旦被布放好以后即以自组织的方式构成网络， 无需任何预设的网络基础设施。网络中节点的电池能量非常有限，因此其通信覆 盖范围一般只有几十米，通常每个节点都只能与其邻居节点进行通信。若需要与 通信覆盖范围之外的节点通信，则需要通过中间节点进行多跳路由。 传统网络中，与无线传感器网络最为相似的是a dh o c 网络。尽管如此，它们 两者之间也存在很大的差别： 1 传感器节点的能量、计算处理能力、存储能力和通信能力等都更加有限； 2 无线传感器网络中节点数目更为庞大( 上千甚至上万) ，网络密度更高，这种 高密度的网络分布将大大恶化节点之间的相互干扰，而且节点不一定具有唯 一的地址标识； 3 传感器网络中的节点由于环境影响和能量耗尽更加容易出现故障，环境干扰和 节点故障容易造成网络拓扑结构的变化； 4 通常大多数传感器节点是固定不动的，一般不进行快速移动，但节点可能会随 时加入( 被唤醒) 或离开( 休眠) ，因而网络的拓扑变化很快； 5 传感器网络传输信息具有多点到一点，一点到多点的特点，而a dh o c 网络大 多数情况下是以点到点的方式传输信息。 6 传感器网络的路由协议是以数据为中心的，根据感兴趣的数据建立数据源到汇 聚节点的路径，而a dh o c 网络采用以地址为中心的路由方式。 鉴于无线传感器网络与传统网络的以上差别，传统网络的许多技术不能有效 的用于无线传感器网络中。无线传感器网络从诞生至今，研究者们在网络协议、 能量优化、提高效率、降低成本等方面，做了深入的研究，取得了较大的进展， 为实现传感器网络的广泛应用奠定了技术基础。然而，目前无线传感器网络的研 究领域中仍存在许多挑战，其中，路由技术和介质访问控制( m e d i u ma c c e s s c o n t r o l ，m a c ) 层技术等通信技术最为关键，亟待改进。此外，还包括节点定位 电子科技大学硕士学位论文 技术、时间同步技术，数据融合技术，网络安全技术等。传感器节点本身还有很 多问题有待突破，比如电源、节点的制造等关键技术。关键技术的进步和突破将 对无线传感器网络的发展和应用起到决定性的促进作用。比如，路由技术和m a c 层技术等通信技术的进步将会直接影响到无线传感器网络的网络特性，极大的提 高无线传感器网络的实用性和可行性。 1 5 无线传感器网络设计中的挑战 1 由于无线传感器网络能量受限，为了有效节省能量从而延长网络生存期( 通常， 无线传感器网络的生存期被定义为从网络进行数据传输开始，直到其中一部 分节点由于能量的消耗殆尽而失效为止的这一段时间，而其中具体多少节点 失效则视其网络的应用和具体的评估标准而定) ，首先，网络协议栈的各个层 次( 物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层) 的算法及协议应该尽 可能简单，以最少的能耗完成任务。其次，应该使用跨层设计的思想将协议 栈作为一个整体来设计其节能方案。 2 无线传感器网络中存在许多可能是由环境变化引起，可能是网络自身的变化引 起的不可预测因素。这些因素包括：环境中发生不可控制的突发事件；网络 的无线通信受到很多不同来源的射频干扰，通信环境动态变化不可预测；网 络的节点是不可靠的，可能由于能量耗尽或其它原因而突然失效；由于节点 失效及新节点的加入，网络的拓扑动态变化。由于节点数目众多，为了保证 无线传感器网络协议及算法具有可扩展性，其设计应该具有分布式的特点； 因为网络很可能受到环境或自身因素的影响，网络协议和算法的设计应该具 有容错性；从应用角度来看，数据采集需要以一个稳定可靠的方式进行，因 此，无线传感器网络的设计应该具有自组织( s e l f - o r g a n i z a t i o n ) 、自稳定 ( s e l f - s t a b i l i z a t i o n ) 、自维护( s e l f - m a i n t e n a n c e ) 、自优化( s e l f - o p t i m i z a t i o n ) 及自愈( s e l f - h e a l i n g ) 的能力。 3 无线传感器网络可能具有异构性。在已有的许多研究中，研究者总是假设所有 的节点都是同构的，也就是说所有节点无论在计算能力、通信能力或是能量 供给方面都是相同的。但在某一些特殊的应用中，节点之间可能在上述的几 方面存在差异，因此需要根据节点的不同能力使其在网络中承担不同的任务， 尽可能达到负载均衡( l o a d b a l a n c i n g ) 。 4 无线传感器网络应该满足应用的实时性和可靠性要求。这种要求可能是显式 4 第一章无线传感器网络概述 的，例如在温度测量中，应该在规定的时延内周期性的将监测的数据上报给 监测收者；也可能是隐式的，例如在对建筑物监测中，当陌生人进入建筑物 时应该尽快将情况上报给监测者。应用数据采集的实时性及可靠性要求还有 可能是动态变化的，例如在对军事目标跟踪中，如果目标的移动速度是动态 变化的，则报告位置数据的时延要求也是动态变化的。但由于无线传感器网 络具有高度不可预测性等特点，一般只能寻求“软服务质量保证”( s o f tq o s g u a r a n t e e ) ，如在统计平均意义上保证端到端的实时性要求。另一方面，鉴于 无线传感器网络能量受限的特点，应该寻求服务质量与能耗的联合优化。 1 6 无线传感器网络的应用现状 无线传感器网络的构想最初是由美国军方提出的，美国国防部高级研究所计 划署( d a r p a ) 于1 9 7 8 年开始资助卡耐基一梅隆大学进行分布式传感器网络的研 究筘这被看成是无线传感器网络的雏形。从那以后，类似的项目在全美高校间广 泛展开，著名的有u cb e r k e l e y 的s m a r td u s t 项目，u c l a 的w i n s 项目，以及多 所机构联合攻关的s e n s l t 计划，等等。在这些项目取得进展的同时，其应用也从 军用转向民用。在森林火灾、洪水监测之类的环境应用中，在人体生理数据监测、 药品管理之类的医疗应用中，在家庭环境的智能化应用中都已出现了它的身影。 目前，无线传感器网络的商业化应用也已逐步兴起。美国c r o s s b o w 公司就利用 s m a r td u s t 项目的成果开发出了名为m o t e 的智能传感器节点，还有用于研究机构 二次开发的m o t e w o r k t m 开发平台。这些产品都很受使用者的欢迎。目前最基本 的m o t e 组件是m i c a 系列处理器无线模块，完全符合i e e e8 0 2 1 5 4 标准。最新 型的m i c a 2 可以工作在8 6 8 9 1 6 、4 3 3 和3 1 5 m h z 三个频带，数据速率为4 0 k b s ， 通信范围可达1 0 0 0 英尺。其配备了1 2 8 k b 的编程用闪存和5 1 2 k b 的测量用闪存， 4 k b 的e e p r o m ，串行通信接口为u a r t 模式。相对于终端节点，商用无线传感 器网络系统并不算多。c r o s s b o w 的m e p 系列就是其中之一。这是一种小型的终端 用户网络，主要用来进行环境参数的检测。该系统包括了2 个m e p 4 1 0 环境传感 器节点，4 个m e p 5 1 0 湿度温度传感器节点，1 个m b r 4 1 0 串行网关和m o t e v i e w 显示和分析软件。整个系统采用了t r u e m e s h t m 拓扑结构，非常便于用户安装和 使用。类似的产品还有m i c r o s t r a i n 公司的x l i n k 测量系统等。 从应用的情况来看，北美的状况最好，在楼宇自动化、环境监控等方面，无 线传感器网络已经开始大展拳脚。但对于中国来说，市场还处于起步阶段，产品 5 电子科技大学硕士学位论文 应用最多的场合一般是科研机关和大学，多为研究之用。不过，根据相关公司的 预测，离无线传感器网络市场起飞的时间也不会太远了。只要这个新技术被社会 普遍接受，市场就会以惊人的速度扩张。值得注意的是，最近几年，国内在无线 传感器网络方面的研究，在国家9 7 3 、8 6 3 、自然基金等的大力支持下，也取得了 长足进步t 6 3 - 6 9 。 1 7 本文的结构 第一章：无线传感器网络概述 首先介绍了无线传感器网络的体系结构，传感器节点和汇聚节点的区别，传 感器网络的特点及与传统网络的区别，然后明确了无线传感器网络设计中的挑战， 最后介绍了无线传感器网络的应用现状。 第二章：无线传感器网络研究背景 首先对无线传感器网络典型的路由协议进行了比较，其次概述了无线传感器 网络的能量管理，然后介绍了m u l t i s i n k 无线传感器网络的研究进展，最后介绍了 要实现无线传感器网络安全所面临的问题。 第三章：一种用于m u l t i s i n k 无线传感器网络的基于标记的路由协议 首先提出了一种针对m u l t i s i n k 无线传感器网络的路由协议，能够为成千上万 的传感器节点建立起到s i n k 节点的能量高效的路由。并在其基础上改进：为了避 免将来节点或链路失败时进行重新建立路由所需要的过量计算和通信开销，可以 将多路径备份机制引入该协议；引入信息种类分类号字段，为面向多应用的传感 器网络建立灵活的路由，使其能够传输多种类型的数据。其次介绍了与该路由协 议搭配使用的能量高效m a c 协议。然后利用该路由算法对m u l t i s i n k 无线传感器 网络的定位技术，时间同步技术，数据融合技术等支撑技术做了一些有益的改进。 最后通过仿真说明了协议的性能。 第四章：一种用于分布式无线传感器网络的成对密钥分配与管理方法 本章提出了一种简单的分布式无线传感器网络密钥分配与管理方案。为减少 预分配不必要的密钥，首先将i n i t i a lk e y 和p r i v a t ek e y 预先分配给每个传 感器节点，让它们用限定的功率广播加密后的p r i v a t ek e y ，这样每个节点就能 与它的邻居节点共享一个成对密钥。任意一对相邻节点都能利用它们共享的成对 密钥安全的通信。在通信阶段也能够更新和撤销密钥。仿真结果证明了该方案在 为每个节点节省了大量的存储空间的同时，也为网络提供了很好的可扩展性。 6 第一章无线传感器网络概述 第五章：全文总结 对整个研究工作进行了总结，并确定了未来的研究方向。 7 电子科技大学硕士学位论文 第二章无线传感器网络研究背景 2 1 设计无线传感器网络路由协议的一般要求 路由协议负责将数据分组从源节点通过网络转发到目的节点，它主要包括两 个方面的功能：寻找源节点和目的节点间的优化路径，将数据分组沿着优化路径 正确转发。a dh o c ，无线局域网等传统无线网络的为了提高服务质量和公平高效的 利用网络带宽，其网络路由协议的主要任务是寻找源节点和目的节点间通信延迟 小的路径，提高整个网络的利用率，避免网络拥塞和均衡网络流量等。在无线传 感器网络中，节点能量有限，因此路由协议需要高效利用能量，同时传感器网络 节点的数目通常很大，存储空间有限的节点只能保存网络局部的拓扑结构信息， 路由协议要能在这些有限的局部信息的基础上选择合适的路径。此外，传感器网 络的路由机制还经常与数据融合技术紧密联系，通过减少通信量节省能量。 针对上述特点，设计路由机制应该满足以下要求： 1 能量高效：由于无线传感器网络中传输数据信息最耗能，因此应在协议中尽量 减少数据的通信量。不仅要选择能量消耗小的数据传输路径，而且要从整个 网络的角度考虑，通过使用灵活的路由策略让各个节点分担信息的传输，使 各个节点的能量趋于平衡，整个网络能量均衡消耗，提高网络的生存时间。 2 可扩展性：因为监测区域范围或节点密度不同，造成网络规模大小不同；节点 失败，新节点加入以及节点移动等，都会使得网络拓扑结构发生变化，这就 要求路由机制具有可扩展性，能够适应网络拓扑结构的变化。 3 鲁棒性：路由机制具有一定的容错能力，以应对能量用尽或环境因素造成传感 器节点的失败，无线链路的通信质量由于本身的缺陷或受周围环境影响变得 不可接受等。 4 快速收敛性：为适应传感器网络拓扑结构的动态变化，减少通信协议开销，提 高消息传输效率，要求路由机制能够快速收敛。 此外，路由协议应具有安全机制。由于无线传感器网络的固有特性，其路由 协议极易受到安全威胁，尤其在军事应用中。目前的路由协议很少考虑安全问题， 然而在一些应用中必须考虑设计具有安全机制的路由协议。无线传感器网络路由 协议将继续向基于数据、基于位置的方向发展。 8 第二章无线传感器网络研究背景 2 2 无线传感器网络典型的路由协议分析与比较 无线传感器网络按照其拓扑结构的不同通常分为星状网、网状网、分层网。 可以根据不同的应用场景选择不同的网络拓扑结构。星形网络适合所有传感器节 点都很接近汇聚节点( s i n kn o d e ) 的情况；而网状网则适合汇聚节点距传感器节点 区域较近，且节点分布密度较小的情形；分层网络结构比较适用于传感器区域距 离汇聚节点位置较远，传感器节点密度较高的情况。 迄今为止研究人员针对无线传感器网络特点及不同的拓扑结构提出了各种类 型的路由协议：以数据为中心的路由协议；分层路由协议；基于位置的和基于网 络流的路由协议。 本节将介绍以下几种较为重要且应用较为普遍的路由协议，并对它们的核心 路由机制和优缺点进行了分析。 2 ：2 1 以数据为中心的路由协议 1 洪泛协议( f l o o d i n g 协议) 它是一个经典的，非常易于实现的传统路由协议。在f l o o d i n g 协议中，当节 点获取到数据信息后，不使用任何路由算法，而是采取了向该节点的所有邻居节 点转发该信息( 即广播数据包) 的策略。只有当该数据包过期或是到达目的节点才停 止广播该信息。该协议会造成网络内部信息的爆炸和重叠( 内爆是由于不同的节 点向同一个节点发送相同的数据引起的，重叠是由于检测同一区域的节点向相同 的邻居节点发送数据引起的) ，从而导致网络资源的盲目使用和网络节点的能源 浪费。 2 g o s s i p i n g 协议【l j 它是f l o o d i n g 协议的改进版本。与f l o o d i n g 协议中收到数据包的节点所采用 的向所有邻居节点广播数据包的策略不同的是，在g o s s i p i n g 协议中，当节点收到 数据包后，以概率p 向它的邻居节点广播该信息，以概率l - p 放弃广播该信息，而 不再是向所有的邻居节点转发数据包。这避免了f l o o d i n g 协议中存在的内爆问题， 减轻了网络拥塞，不过却增加了端到端的数据传输时延，而且可能会出现g o s s i p 协议会很快失效( 几乎没有多少节点会收到需要转发的信息) 的情况。该协议与 f l o o d i n g 协议一样都很简单，不需要维护路由信息，不需要任何算法，但两者的扩 展性都很差。 3 s p i n 协议【2 j 9 电子科技大学硕士学位论文 该协议以元数据( m e t a - d a t a ) 的方式对数据命名。数据的传输要经过三次握手。 如图2 1 所示，首先是收集到信息的节点a 向邻居节点广播包含该m e t a d a t a 的 a d v 消息，收到a d v 信息后，需要该数据包的邻居节点就返回一个r e q 信息请 求节点a 发送具体的数据信息。节点a 收到r e q 请求信息后，向提出请求的邻 居节点传输数据信息。该协议的优点是简单，启动代价小，通过对数据命名解决 了洪泛协议中存在的网络内部信息的重叠问题；减轻了网络的内爆；避免了资源 的盲目利用。其最大的缺陷是：当收集到数据的节点的所有邻居节点都不需要该 数据时，会导致数据信息无法继续转发，以致该数据信息无法到达s i n k 节点，特 别是在s i n k 少的网络中，这种情况很容易发生；而当某节点对任何数据都需要时， 其邻居节点的能量很容易耗尽，这将导致局部网络的毁坏。 g 酗g ( a ) 广播a d vc o ) 数据请求( c ) 数据传输 ( d ) 广播a d v( e ) 数据请求( 0 数据传输 图2 一ls p i n 路由算法原理图 4 d i r e c t e dd i f f u s i o n 协议【3 】 该协议是一个查询驱动的主动式路由协议。协议用a t t r i b u t e v a l u ep a i r s 的方式 命名数据。如图2 2 所示，一个感知任务以i n t e r e s t ( 包含用户需要的查询请求信息) 的方式在网络中散布，通过i n t e r e s t 的散布在网络内部建立起梯度( 收至l j i m e r e s t 的节 点之间建立的一种方向状态。建立的梯度方向是从收至l j i n t e r e s t 信息的节点指向发 送i n t e r e s t 信息的邻居节点) ，从而建立起指向s i n k 节点的多条路径。梯度建立以后， 事件数据沿着梯度路径向着i n t e r e s t 的发起点传输。在数据传输过程中，s i n k 节点可 以通过对某条路径发送上报间隔更小或更大的i n t e r e s t ，以增强或减弱该路径上的 1 0 第二章无线传感器网络研究背景 数据上报率，从而达到有效利用能量的目的。d i r e c t e d d i f f u s i o n 协议使用了查询驱 动机制的方式来按需建立路由，优点是不需要存储全网信息。但是梯度的建立开 销很大，而且不适用于多s i n k 节点的网络；数据融合过程需采用时间同步技术，会 带来额外的开销，增加时延。 一，姗、 ：瓣c j9 ll - ( a ) i n t e r e s t 广播嘞初始梯度建立( c ) 沿加强路径传播数据 图2 - 2d i r e c t e dd i f f u s i o n 路由算法原理图 2 2 2 分层路由协议 锄t 分层路由协议是针对分层网络提出的协议。分层路由协议包括成簇协议、簇 维护协议、簇内路由协议和簇间路由协议四个部分。这类协议将所有的节点分为 若干簇，每个簇选举一个簇头。由簇头实现数据融合，达到节约能量的目的。簇 的划分依据是节点现有的能量和它与簇头的距离。l e a c h 是最早提出的分层路由 协议，在它的基础之上又衍生出了许多类似的协议。 5 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 ) 协议【耳j 它是一种自组织，自适应的簇类协议，它使用随机选择簇头的方法使整个传感 器网络的能量负载达到公平化。由于该协议在形成分层式拓扑结构的同时，也确 定了簇，所以该协议不仅可以用作传感器网络的基本路由协议，还可以用在传感 器网络的拓扑控制算法中。l e a c h 协议的操作被划分为轮( r o u n d ) ，每一轮的开始 阶段是簇建立阶段，然后是数据传输阶段。 l e a c h 协议中，由每个传感器节点自己决定是否在本轮成为簇头。该算法采 用使所有节点轮流担任簇头的方式，确保负载在网络中比较平均地分配，从而最 大化网络生存时间。首先传感器节点n 选择一个0 至l j l 之间的随机数，当该随机数小 于门限值t ( n ) 时，该节点成为本轮的一个簇头节点。门限值的定义如下： ，、f ：竺： _ ，栉g 丁b ) = 1 一p x r m o d o i p ) ( 2 1 ) 1 0 o t h p l q 4 r i s e 。 ， 、a ；：建 、， 、 衾、k 电子科技大学硕士学位论文 在公式( 2 1 ) 中，p 为网络中所要求的簇头节点百分比。，为当前的轮数，g 是在最近的1 p 轮中没有担任过簇头的点的集合。通过此算法，使得只有最近未担 任簇头，并且能量剩余较多的传感器节点才有机会在本轮担任簇头。l e a c h 协议 通过仿真验证了对于大型传感器网络，5 的节点担任簇头是较优的结果。选出簇 头节点后，簇头节点使用c s m am a c 协议以相同的传输能量对外广播，非簇头节 点选择信号强度最大的节点为自己的簇头，加入该簇。在l e a c h 协议中，当某个 节点发送数据的时候，簇中其他非簇头节点可以进入休眠状态，从而减少了网络 中节点的能量损耗。簇中的传感器节点将数据发送到簇头，由簇头进行数据融合 和处理，然后发送到汇聚节点，以减少传输的数据量。这些都是l e a c h 协议的优 势，不过由于该协议频繁的选取簇头以及改变网络的层次机构，增加了能源开销。 与s i n k 节点相距较远的簇头与s i n k 节点的直接通信将消耗大量的能量。 6 p e g a s i s 协议【5 】 该协议是在l e a c h 协议基础上建立起来的，它把整个传感器网络当作一个 簇，簇内部只设一个簇头。该协议要求知道每个节点的位置信息。其主要思想是 利用贪婪算法选择最近的节点形成一条链路，链路建立的目的在于使每个节点与 临近的节点进行通信。收集的信