（计算机科学与技术专业论文）一种基于分簇的无线传感器网络安全路由协议.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 无线传感器网络( w s n s ) 是信息科学领域中一个全新的发展方向，同时也是 新兴学科与传统学科进行领域间交叉的结果。无线传感器网络经历了智能传感 器、无线智能传感器、无线传感器网络3 个阶段。智能传感器将计算能力嵌入 到传感器中，使得传感器节点不仅具有数据采集能力，而且具有滤波和信息处 理能力；无线智能传感器在智能传感器的基础上增加了无线通信能力，大大延 长了传感器的感知触角，降低了传感器的工程实施成本；无线传感器网络则将 网络技术引入到无线智能传感器中，使得传感器不再是单个的感知单元，而是 能够交换信息、协调控制的有机结合体。 无线传感器网络的一个重要特点是资源受限。与传统网络相比，具有能量 有限、计算能力有限、存储空间有限和通信能力有限等特点。因此在研究应用 于无线传感器网络的各种技术时，考虑的关键问题是低能耗和低成本。然而， 已有的适用于传感器网络的路由协议大多是对有限的节点资源和特定应用的网 络特性进行的最优化设计，并没有考虑安全路由的问题。随着无线传感器网络 在军事等领域的广泛应用，在设计了满足低能耗需求的路由协议后，对路由协 议安全性的研究已成为新的热点。 本文首先介绍了d d 、l e a c h 、g e a r 等经典的路由协议，在对其路由算法的 性能及安全性进行比较分析的基础上，发现以l e a c h 为代表的分簇路由协议在 能耗和安全性方面有着比较好的性能。接着详细分析了l e a c h 分簇路由协议， 并且虚拟了一个在w i n d o w s 平台上运行的u n i x 模拟环境，使用n s 2 仿真工具对 l e a c h 协议进行了仿真。然后，分别从能量消耗和安全性两个角度建议性的提出 了对l e a c h 协议的两种改进方案。第一种改进方案是提出了结合集中式的 l e a c h c 协议和分布式的l e a c h 协议两者的优点的i l e a c h 协议，通过对簇头节 点的产生区域进行限定，保证了簇头数目的最优化以及簇头的合理分布，以节 点剩余能量为主要依据来选择簇头节点。第二种改进方案是针对分簇路由协议 不能抵御h e l l of l o o d 、选择性转发等攻击的问题，在l e a c h 协议的基础上，提 出了一种安全路由协议c s r p ，通过引入适用于无线传感器网络的安全引导方案， 保证了数据的完整性、新鲜性以及认证性；同时引入双向评测机制，对恶意节 点进行检测，有效的提高了网络的安全性能。本文通过仿真平台验证了i l e a c h 武汉理工大学硕士学位论文 协议具有较好的能量优化特性，以及在有恶意节点的情况下，与l e a c h 协议相 比较，c s r p 具有较好的抗捕获能力，而且增加的能量消耗较小。 本文得到了国家自然科学基金项目( 批准号：6 0 7 7 3 2 11 ，6 0 6 7 2 1 3 4 ， 6 0 9 7 0 0 6 4 ) 、国家软件开发环境重点实验室开放基金课题( 批准号： s k l s d e 一2 0 0 9 k f 一2 0 2 ) 、新世纪优秀人才支持计划( 批准号：n c e t - 0 8 一0 8 0 6 ) 、霍 英东高校青年教师基金基础性研究课题( 批准号：1 2 1 0 6 7 ) 、武汉市科技攻关项 目( 批准号：2 0 10 10 6 2 12 0 7 ) 、教育部博士点基金项目( 批准号：2 0 0 6 0 4 9 7 10 5 ) 和湖北省杰出青年人才基金( 批准号：2 0 0 8 c d b 3 3 5 ) 的资助。 关键字：无线传感器网络：低能耗；分簇路由协议；安全引导方案；双向评测 机制 n 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i r e l e s ss 黜o rn e 嘶r ! ki san e wd i r i 删o ni nt i 圮丘e l d0 fi i l f 0 m a t i o ns c i e n a e b u ta l s o 地c r o s s i n g 仃e i l db e t w e e na ：i l e r g m gd i s c i p l i n e sa 皿d 缸a d i t i o n a la c a d e m i c 飘l b j o c t s nw a l tt l l r o u 曲】_ r 。s t ag i e s ：懿n a r ts e r l s o 娼，w i r c l e s s & n a r ts e l l s o r s ，w i r d e s s s 髓s o rn e 咐耐k s s m a r ts e n 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o g y h o w e 冯廿l ee x i s t i n g r o u t i n gp r o t o c o l sf b rs e n s o rn e 觚o r kd i dn o tf o c u s o do nc o i 玛i d 眺gt h es e 础t 弘a s m er o u t i i l gp r o t o c o lt 0m “o wp o w e rr c q u i r e m e n t sh 舔d e s i 印e 也i t sc 0 m 言s p o n d i n g o ns 洲t ys t u d i e sh a v eb e c o m ean e wh o ts p i o t n l i sp a p e ri 1 1 们d u c 销s o m ec l a s s i cr o u t i n gp r o t o c o l ss u c h 必d d l e a c h ， g e a r l e a c h ，弱t h er 印r e s 删v ec l u s t e rr o u t i n gp r o t o c o l ，w 私f o u n dt 0h a v ea 9 0 0 dp 幽肌a 1 1 c ei i l 饥e 圆，c o 咖m p t i o na n ds e c l l r i t yb 嬲e d c o m l ，删i v ea i l a l y s i s t h e i l ，、eg i v e 也e 觚a l y 豇so fl e a c hi nd e t a i l ，锄da c l l i e 、，et 1 1 es i i i m l a t i o no f l e a c hi nn s 2s i m u l a t i o np l a t f o m l a t e r w ed 髓c r i b et l l ci i i l p r o v 锄e n t 锄d m o d i f i c a t i o na b o u tl e a c h 如i r e r 霉c o n s 切m p t i o n 撒l ds o 刚t y ：b 嬲e do nn l e 懿“= l l s i v ea 腑l y s i so ft y p i c a lm u t i n gp r o t o c o l s ，跚c h 嬲l e a c h 锄dl e a c h c ，觚 i n l p r o v e dc l u s t e 曲g - b 鹊e dr o u t i n g p r o t o c o ln 锄e di l e a c hw 勰p r o p o s e d t h e 0 p t i m a lm m l b e r 锄dm er 黜n e dd i s t r i b u t i o nw e r e 伽【s u r e db yl i l n i t i n gt l l ef o m l a t i v e z o n eo fc l u s t e r h e a da n dm ec l u s t e r - h e a di ss e l e c t e da c c 0 r d i n gt ot l l er e s i d l 【l a le n a 帮： t h es e c o n ds c h e m ei st l l a tw ep r c s e n t e das e c u 代c l u s t e r - b a s e dr o u t e rp r o t o c o ln a m e d c s r p w h ic ：ha d d r e s s e dm ep r o b l e l so fi n a d e q u a t ec o n s i d e 删o nf b rs e 训付a n d l i m i t e de n e r g yi n 、矾r d e s ss e 邶0 rn 酏o r k s c s r p ，w l l i c hi sb a s e do nl e a c h ，t a l o 胬 s a v i n go fe 1 1 e 嚼，c o n s u m p t i o n 雏di m l ) r 0 v i n go fr o u t i n gs e 砌t ) ，懿i t sd e s i 盟t a r g e t s ：k e yd i s 仃i b u t i o ns c h a n ew 1 1 i c ha r es u i t a b l ef 0 rw i r e l e s ss e r l s o rn e t w o t k si sa d d e dt 0 c s r pt oe n s u l 旧t h ed a t ai n t 卿田、f e s l l i l e s s 锄da u t h e n t i c a t i o n m e a n w l l i l e b i d i r l 舭n a le v a l u a t i o nn 础觚i s n li su s o dt od e l 【e c tm a l i c i o u sn o i i e sa n de n h a n c e t h en e m o r ks e 硎t y ：s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w st h a tm ep r o p o s e dp r o t o c o lc s r ph a s b e 【t t e rp e r f o n n a n c em a i ls l e a c hi nt e 玎n so f 雒t i c a p t u r ea b i l i t yw h i l et h e r ee x i s t s m a l i c i o u sn o d e s f u r t h e 姗o r 岛t l l ee n e f g yc o n s l 蚰p t i o nr i s e ss l o w l y i i i 武汉理工大学硕士学位论文 t h i s 也岱缸缸s u p p o r t e db yn a t i o n a ln a t i i r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n - o ：6 0 7 7 3 2 l l ，6 0 6 7 2 1 3 7 ，6 0 9 7 0 0 6 4 ) ，o p 锄f u n do ft h es t a t ek e yl a b o r a t o r yo f s o 伽r a d e v e l o p m e n te n v i m n m e n t 科o ：s l 江s d e - 2 0 0 9 k f 2 - 0 2 ) ，n e wc e n n i r y e x c e u 蚰tt a l 蚰bi 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借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授 权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文， 并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：避导师( 签名! 拙期趔庆6 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题来源及研究意义 1 1 1 课题来源 本文得到了国家自然科学基金项目( 批准号：6 0 7 7 3 2 1 l ，6 0 6 7 2 1 3 4 ， 6 0 9 7 0 0 6 4 ) 、国家软件开发环境重点实验室开放基金课题( 批准号： s k l s d e 一2 0 0 9 k f - 2 0 2 ) 、新世纪优秀人才支持计划( 批准号：n c e t 一0 8 0 8 0 6 ) 、霍 英东高校青年教师基金基础性研究课题( 批准号：1 2 1 0 6 7 ) 、武汉市科技攻关项 目( 批准号：2 0 1 0 1 0 6 2 1 2 0 7 ) 和教育部博士点基金项目( 批准号：2 0 0 6 0 4 9 7 1 0 5 ) 的资助。 1 1 2 课题研究的目的及意义 目前，无线传感器网络已成为国际上备受关注的热点研究领域，它涉及到 多学科高度交叉，其中综合了许多关键技术，比如嵌入式技术、传感器技术、 现代网络通信技术等。无线传感器网络具有网络自组织、以数据为中心、成本 低廉等诸多优点，具有潜在的巨大应用前景和极高的学术研究价值，在许多领 域都有重要的应用，比如国防安全、工农业现代化、城市公共管理、医疗卫生、 反恐反暴、抢险救灾、环境安全监测、危险远程控制等，已引起了世界各国国 防部、学术界和工业界的广泛关注。 无线传感器网络的关键技术之一是路由技术，目前，针对无线传感器网络 的特点也提出了一些路由算法，但这些路由算法当时并未考虑到安全问题，只 是对节点有限的能量和网络特性的应用进行了一定程度的改善。 从总体而言，对于无线传感器网络安全问题的研究工作还处于起步阶段， 各种安全路由协议在能耗和安全性这两个方面难以平衡。但是，无线传感器网 络有极大的发展潜力和广阔的应用空间，值得我们对其进行深入的研究。可以 预计，随着无线传感器网络技术的迅速发展，它必将广泛的应用到人们生活中。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 无线传感器网络概述 信息的生成、获取、存储、传输、处理及其应用是现代信息科学的六大组 成部分，其中信息的获取是信息技术产业链上重要的环节之一，没有它就没有 信息的传输、处理和应用，信息化也就成了无水之源、无本之木。随着现代微 电子技术、纳米材料、无线通信技术、信号处理技术、计算机网络技术等的进 步以及互联网的迅猛发展，传统的传感器信息获取技术从独立的单一化模式向 集成化、微型化，进而向智能化、网络化方向发展，成为信息获取最重要和最 基本的技术之一。 1 2 1 传感器网络体系结构 1 2 1 1 传感器网络结构 传感器网络结构如图卜1 所示，传感器网络系统通常包括传感器节点、汇 聚节点和管理节点。大量传感器节点随机部署在监测区域内部或附近，能够通 过自组织方式构成网络。 传感器节点 图卜l 传感器网络体系结构 网络开始运行的时候，部署于监测区域内的传感器节点收集附近的数据信 息，并做初步的数据融合处理，然后通过单跳或多跳方式传输到汇聚节点，由 汇聚节点将各条路径上收集来的数据信息进行数据冗余压缩，最后通过外部通 信网络( 卫星网络或有线网络等) 将采集到的信息传输到管理服务器。当然整 个通信过程是相互的，管理服务器也可以通过外部通信网络向整个监测区域中 的传感器节点发出必要的管理配置命令。 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 1 2 传感器节点结构 作为传感器网络最基本的组成单位，传感器节点一般由传感器模块、处理 器模块、无线通信模块和能量供应模块等组成，如图卜2 所示。传感器节点在 工作阶段，首先会由硬件内部的传感器模块进行周围环境数据采集，并转换成 相应的数字模拟信号，然后传送到处理器模块部分，由m c u 处理器部分进行必 要的数据加工，形成规定的消息格式，最后由无线通信模块进行消息数据的广 播发送，整个过程中由能量供应模块进行能量控制管理。 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- 存储器 斗 网络 一- +m a c+ 收发器 ili 能量供应模块 图卜2 传感器节点结构 1 2 2 传感器网络协议栈 无线传感器网络的通信系统中采用的是分层协议栈的结构，在提供强大功 能的同时保持系统能够的灵活性。整个协议栈如图卜3 所示，分为5 层。 图卜3 传感器网络协议栈 1 ) 物理层：提供简单但健壮的信号调制和无线收发技术，主要是涉及到无 3 武汉理工大学硕士学位论文 线物理信道的检测、能量检测、频率选择、信号的收发控制等。 2 ) 数据链路层：建立稳定可靠的点到点数据通信链路，维护链路通信质量。 主要负责解决媒体访问控制( m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ，m a c ) 和差错分析控制这 两类问题。 3 ) 网络层：主要负责整个无线传感器网络的路由选择、维护，确保数据信 息能够正确地从源节点传输到目的节点，同时还要尽量优化路径、节省能量、 保证安全。 4 ) 传输层：传输层是两台计算机经过网络进行数据通信时，第一个端到端 的层次，具有缓冲作用。它利用网络层提供的服务，并通过传输层地址提供给 高层用户传输数据的通信端口，使系统间高层资源的共享不必考虑数据通信方 面和不可靠的数据传输方面的问题。它的主要功能是：对一个进行的对话或链 接提供可靠的传输服务，在通向网络的单一物理连接上实现该连接的复用，在 单一连接上提供端到端的序号与流量控制、差错控制及恢复等服务。无线传器 网络的传输层一般是用于网络内部和网络外部的i n t e r n e t 网络链接。 5 ) 应用层：负责时间同步、节点定位、q o s 、移动性控制、能量管理、配 置管理、安全管理、远程管理，包括一系列基于监测任务的应用层软件。 1 2 3 无线传感器网络的特点 无线传感器网络不同于传统的移动通信网络，有以下的特点：节点自身硬 件配置受限、节点自身能量受限、部署区域位置受限、动态的网络拓扑、节点 众多、自身安全性差、面向应用等。这些特点也就决定了无线传感器网络自身 应用的特点，特别是能量和安全问题近年来受到很多研究者的注意，因为一旦 网络出现部分节点死亡或被破坏的问题，就可能会产生信息收集盲点，严重的 可能造成整个网络的瘫痪，对于无线传感器网络来说，最大化地均衡各节点的 能量消耗以延长网络的生存期并同时保持网络通信的安全性是无线传感器网络 协议的重要研究内容。无线传感器网络的结构特点【l 】如下： 1 ) 网络节点自身硬件配置受限。传感器节点相比正常的计算机通信节点， 其通信能力、计算能力、存储容量、体积大小往往受到很大限制。一方面因为 传感器节点是大规模部署应用的，所以要求节点的价格尽可能地降低。另一方 面虽然随着现代加工工艺的进步，传感器节点的集成能力有了很大的提高，但 是相比正常的通信计算机，它们还是存在较大的差距，特别是传感器节点在能 4 武汉理工大学硕士学位论文 量方面的限制一直是困扰无线传感器网络发展的瓶颈。由于在现实部署环境中， 传感器节点的更换有时是不易实现的，传感器节点的能量往往得不到更换，一 旦自身因能量耗尽而死亡的话，就有可能造成节点附近信息收集的失败，严重 的时候可能影响整个网络的运行。因此如何减少传感器网络的能量消耗从而最 大化网络生命周期，一直是无线传感器网络的重要研究内容。 2 ) 动态的网络拓扑。拓扑结构是指网络中各个站点相互连接的形式，在 无线传感器网络中，传感器节点可能因为能量耗尽或故障等原因退出网络， 也有可能由于工作需要有新节点加入网络，也有可能网络中网络信道改变 或者网络需要重新分割并构等，这都要求无线传感器网络有良好的动态重 构能力，以适应网络拓扑的变化。同时传感器网络中节点可能具有移动性，而 节点的移动方式和速度可能会受到环境的影响而难以预测，这就会造成节点、 监测对象和观察者之间路径的不断变化，这也要求传感器网络必须具有动态的 重构能力，能够实时地保证网络的连通性。 3 ) 传感器节点众多、分布广。在无线传感网络中，由于节点自身收集数据 和数据通信的局限性，以及要求对目标区域的覆盖率高等特点，所以在网络部 署时，会在目标区域中投放大量的传感器节点，这样就可以达到数据采集的全 面覆盖，同时也保证了网络的容错性及抗打击性，使得网络不会因为部分节点 的死亡退出从而出现目标区域收集盲点。 4 ) 网络的安全性差【2 】。由于无线传感器网络是一种特殊无线网络，它有其 自身的特点，同时由于它早期的重心放在数据采集和网络生命周期上，而没有 对安全问题采取足够的重视，使得无线传感器网络的安全性非常差。由于在无 线传感器网络中，采点本身是集信息采集、路由通信、数据融合于一身的，同 时整个的无线感器网络中所有的节点均是身份对等的，没有特定的网络中心， 这就使得传统有线网络中的安全认证机制不能简单地复制应用于无线传感器网 络中。在无线传感器网络中很容易受到窃听、无线干扰、主动入侵等网络攻击， 这些都是无线传感器网络要考虑的问题，特别是在一些信息机密性比较高的网 络应用中。 5 ) 应用相关性【3 1 。无线传感器网络是一种和具体应用密切相关的网络技术， 对于不同的应用要求，可能会涉及到不同的网络硬件、软件和网络应用协议， 例如一些网络应用注重于网络中的数据收集，而对其安全性要求不高；而有的 网络应用中可能对于网络的安全性要求较高而对于信息的实时性要求不高：或 者有的网络应用要求与具体的物理位置密切相关，而有的网络应用却忽略网络 5 武汉理工大学硕士学位论文 中的具体物理位置。由于网络应用的目的不同，传感器网络的具体设计就会有 不同的特点，针对某一特定的网络应用设计特定的传感器网络是无线传感器网 络的一个显著特点。 6 ) 以数据为中心及数据流量的不确定性【i 】。由于无线传感器网络的应用特 点，它是具有明确目的的网络应用，因此收集目的数据是网络的重要目标。根 据任务的要求，网络中各节点要能够将收集到的数据快速的汇总到信息采集中 心，在这过程中可能会涉及到简单的数据融合，因为无线传感器网络中各节点 部署的随机性，这就有可能造成节点收集的信息冗余高，而为了减少不必要的 通信能量消耗，数据融合是非常重要的一步，有效的数据融合可以大大减小邻 近节点收集到的冗余数据，节省不必要的通信，延长网络的生命期，还可以减 轻数据收集终端的数据处理负载；同时由于节点分布的不可预知性，采集到的 信息量就可能不均衡，这同时也会造成数据流量的不均衡。 1 3 无线传感器网络的应用 近年来，人们对沟通的需求使无线通信呈指数级发展。随着万维网的发展， 电子邮箱和数据文件传输等因特网服务的数据交换量不断增长，无线数据网成 为无线通信领域的发展前沿。服务传送所需的通信容量不断增加，这一点可以 从网络数据吞吐量需求的不断增加可以看出来。 与此同时，还存在许多其他潜在的无线网络应用。这些应用降低了对数据 吞吐量的要求，它们包括家庭自动化和电子消费产品、智能农业和健康监测、 工业控制和监视、安全与军事感知等。 1 3 1 家庭自动化和消费电子 家庭是无线传感器网络的一个巨大应用空间。无线传感器网络在家庭中的 主要应用时个人电脑的外设，比如无线键盘和鼠标。这些应用设备充分利用了 无线传感器网络必须具备的低成本和低能耗的优点。 玩具市场也是无线传感器网络的一个巨大应用空间。比如，可以这样实现 玩具的语音识别和合成功能：把合适的模数和数模转换器、麦克风和喇叭装 在玩具里，再通过无线传感器网络与电脑无线连接，由电脑完成语音识别与合 成。通过这样的方式，就可以极大地降低玩具的成本，但同时玩具的性能却得 6 武汉理工大学硕士学位论文 到了提升，功能也更加完善。 无线传感器网络在家庭中的另一个主要应用时常见于汽车的遥控无钥开门 功能的延伸。首先由无线锁、门窗传感器和无线电灯控制器组成无线传感器网 络，而主人将持有一个带按钮的类似于钥匙链的装置。当主人按下按钮时，系 统会将所有门窗锁上，并将大部分室内灯光熄灭，同时将室外安全灯打开。当 所有这些成功完成后，主人会听到嘀嘀的确认声如果有一个门没锁上，这个 装置上的指示灯就会显示哪里出了问题。 1 3 2 智能农业与环境感知 无线传感器网络在智能农业领域的应用比如说降雨量的测量。大型农牧场 范围比较大，而降雨是偶发的并且可能只发生在农场中的部分地区。因为考虑 到灌溉费用较高，所以了解哪些地方有降雨哪些地方没有降雨，哪些地方需要 灌溉哪些地方不需要灌溉就显得比较重要。这正是无线传感器网络理想的应用 场合，因为一方面，网络中传输的数据量很小，允许的数据消息延迟也可以长 达几分钟；另一方面，网络节点必须很廉价，功耗也必须低到足以在整个作物 生长期内维持正常运行。 1 3 3 健康检测 健康检测室无线传感器网络应用有希望快速发展的一个市场。无线传感器 网络在健康监测方面的应用主要有两类。一类是运动员身体机能监测，如通过 可穿戴传感器测量运动员的脉搏和呼吸速率，然后将这些信息传送给个人电脑 以备分析。另一类是家庭健康监测，如监测糖尿病患者每天的血糖量，远程监 控慢性病患者等。 1 3 4 传感器在军事上的应用 无线传感器网络也是产生于军事方面的发展应用。早在越战时期美国的军 事部门就开始注意利用先进的传感器网络技术来进行军事监测，到了后来美国 的军事应用技术研究机构更是大力研究来开发传感器网络的应用前景，美国国 防部和各军事部门纷纷设立了很多的军事传感器网络研究项目，像美国海军研 7 武汉理工大学硕士学位论文 究办公室制定的s e aw e b 计划：美国军方的s i l l a r ts e n s o rw e b 计划、c 4 k i s r 计 划、网状传感器系统c e c 等【4 】。与此同时，美国的很多大学也纷纷加入无线传感 器网络技术的研究，美国国家自然基金委员会也下拨了大理资金进行相关的基 础理论的研究。由于传感器网络具有的体积小、随机分部、无线传输等特点， 使得它在军事应用中有着独特用途，它非常适合于环境非常危险恶劣的战争环 境，在敌情侦察、部署监控、定位导航、后勤物质运输等方面有着重要的应用， 另外它还可用来监测战场情况，特别是对生物武器的使用可以迅速做出判断， 这对战争中军事判断有着重要的情报作用。 1 3 5 工业控制与安全 商用灯光控制是一个无线传感器网络工业控制应用的例子一栋大楼里的 灯光装置费用很大一部分用于灯光控制有线开关装在何处，哪些灯要求同 时亮或灭，灯光亮度调节等。如果采用灵活的无线控制系统，可以使用一个手 持式可编程控制器控制大量电灯，而且几乎可以实现无限多种灯光调节方式， 同时还能提供商业设备安全性方面的保证。 无线传感器网络还可应用于工业安全方面。可以使用无线传感器网络节点 中的传感器检测有害、有毒或其他危险物质的存在，在造成严重破坏前就检测 和识别出化学物质的泄露或溢出，防止这些危险物质扩散到公众场合。因为无 线传感器网络可以采用分布式路由算法，能多径路由，还可以自修复和自维护， 所以它们能够在设备发生爆炸或其他毁坏时恢复正常工作，从而能够在恶劣情 况下为管理层提供重要的设备状态信息。 1 3 6 办公自动化 随着科技的进步，办公自动化的要求也是越来越高，人们通过实时联网、 实时联系等可以方便地进行相互勾通，大大提高工作效率。在一个企业或单位 内部可以在不同的办公地点能过安装传感器节点来组成一个无缝的覆盖网络， 这样工作人员就可以在整个单位内部甚至整个办公大楼实现随意上网，实时联 系，同时这些节点还可以同不同的应用硬件终端联接，完全实现办公自动化， 这不仅方便了工作人员，也将大大提高他们的工作效率。 8 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 7 空间探测 空间探测是一个比较前沿的应用技术，不过也是传感器应用比较集中的领 域，一般在外层空间中，人类的活动十分不便，很多地方是人类目前无法抵达 的，而如果想要了要相关空间的信息就必要有特殊的手段，现在人类主要是通 过发射空间探测器的方式来进行更远的外层空间探测，像美国发射的“勇气 号和“机遇 号火星探测器等，它们在集成了大量高科技的同时，也大量应用 了传感器技术，这可以使得它们在火星表面可以自己进行必要的数据收集、分 析、判断等，同时也会将收到的信息发回地球，这些都离不开传感器技术的应 用。 1 4 无线传感器网络的研究现状 目前无线传感器网络中通信技术的研究还处于从科学研究到商业应用过渡 的阶段，主要涉及到传感器网络的物理层研究、数据链路层研究、网络层路由 协议的研究、传输层协议的研究以及相关应用层方面的研究：而无线传感器网 络基础设施方面则主要集中在网络拓扑控制的研究、网络时间同步技术的研究、 传感器节点定位技术的研究、网络安全方面的研究以及q o s 管理方面的研究； 此外无线传感器网络的研究还涉及到中间件技术、数据管理、节点及其嵌入式 软件系统的研究等。其中无线传感器网络的能量约束问题和安全认证问题是最 近各国学者研究的热点和重点。 在无线传感器网络的能量约束问题方面，国内外学者提出并设计了各种无 线传感器网络的物理层、数据链路层和网络层协议。无线传感器网络物理层的 设计主要具有两方面的性质：有利于高集成度实现；支持低占空比( 无线设备 的活动时间与不活动时间的比值工作方式) 。为了满足成本和功耗方面的需求， 物理层采用脉冲位置调制，这种调制方式支持相对较高的数据传输速率，从而 降低设备占空比，延长电池寿命。同时这种调制方式与高密度数字工艺相兼容， 从而更利于降低产品成本。无线传感器网络数据链路层协议的设计主要是选择 信道访问方法。这种信道访问方法必须能够在保持功耗最小化的同时实现稳定 的通信。无线传感器网络的网络层主要考虑的是两个相互关联的问题：网络自 身的拓扑结构和数据消息在网络中的路由算法。 无线传感器网络的安全认证问题主要集中在密钥管理和路由安全这两个方 9 武汉理工大学硕士学位论文 向。 s p i n s 安全协议族是最早的无线传感器网络的安全框架，提供点到点的消息 认证、消息完整性鉴别、实时性、广播认证等服务。但该安全框架进行安全引 导时是使用相对比较简单的主密钥共享方式，即整个无线传感器网络内的密钥 存储在基站内，导致整个无线传感器网络的安全性完全依赖于基站，要求网络在 事先部署时必须将基站部署在物理安全的区域，这极大地限制了传感器网络的 应用灵活性。针对这个问题，许多密钥管理机制被科研人员相继提出，其中有基 于密钥池的预配置方案，比如b a s i cr a n d o mk e ym a n a g e m e n ts c h e 鹏【4 】、 q - c o m p o s i t es c h e m e 【5 】：基于多项式的预配置方案，比如l o c a t i o n b a s e d p a i r w i s ek e ye s t a b l i s h m e n t ss c h e m e 【6 】等。 文献【刀针对无线传感器网络面临的攻击进行了详细的分析。文献【8 】提出了一 种安全路由协议i n t r s n ( i n t r u s i o n t o l e r a n tr o u t i n gi nw i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k s ) ，它采取了入侵容忍策略，即恶意节点可以威胁它周围的少量节点，但 这种威胁不会影响到无线传感器网络的整体运行文献p j 提出了s e c l e a c h 协议， 使用密钥预分配方案，每个节点在预分配阶段从含有p 个密钥的密钥池中分配k 个密钥( k p ) ，主要优点是簇头节点和簇成员节点认证和安全连接不需要基 站的参与。文献【1 0 】提出了s l e a c h 协议，它是在l e a c h 分簇路由协议的基础上融 合了s p i n s 的安全机制，整个无线传感器网络内的密钥存储在基站内，每个传 感节点共享这个存储在基站内的密钥。s l e a c h 协议通过m a c ( 消息验证码) 提 供消息认证，m a c 由基站使用唯一的共享密钥计算；通过基站的帮助，节点选择 信誉值高的簇头加入。然而因为基站的介入，使得网络的可扩展性差。文献【l i 】 和文献【1 2 】分别提出了t r a n s 协议、安全区域路由s l r s n 协议，这些安全路由协 议基本上都是通过采用冗余机制、双向连接认证、身份认证等安全机制来预防 和抵御针对无线传感器网络的攻击的。 1 5 本文的主要工作和创新 1 ) 研究了d d 、l e a c h 、g e a r 等经典的路由协议，熟练掌握各路由协议的优 缺点以及所适应的应用环境。 目前，针对无线传感器网络特点，人们提出了多种路由协议，每种协议都 有它的适应环境，各种协议对无线传感器网络攻击的防御能力不同，因此在对 路由算法的性能及安全性进行比较分析的基础上，发现以l e a c h 为代表的分簇 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 路由协议在能耗和安全性方面有着比较好的性能。本文着重对l e a c h 和l e a c h - c 两种典型的分簇路由协议进行了研究分析。 2 ) 建议性的提出了一种改进的l e a c h 路由协议( i l e a c h 协议) 。 针对l e a c h 协议和l e a c h 吒协议，本文分别从簇头数目、簇头分布以及簇 头的剩余能量三个方面提出了改进思路，并将算法融合，形成一个综合考虑以 上问题的改进算法。通过对每个簇头产生的区域进行预先设定，使得每个区域 产生一个簇头，从而实现每轮的簇头数保持一致。通过限定相邻簇头的间距， 使得簇头分布合理。通过在簇头选择的阈值中加入剩余能量参数，使簇头选择 合理，从而使整个网络的能量能够达到均衡。仿真结果表明，与l e a c h 协议、 l e a c h c 协议相比，i l e a c h 协议簇头数目没有偏离期望值，簇头分布位置合理， 各节点能耗分布均匀、网络生存时间得到了延长。 3 ) 建议性的提出了一种基于分簇的无线传感器安全路由协议( c s r p ) 针对无线传感器网络路由安全问题和节点能量有限的不足，提出一种基于 分簇的安全路由协议c s r p 。该协议是在l e a c h 协议的基础上，以增强路由安全 性同时兼顾网络的能量消耗为目标而设计的。在l e a c h 路由协议基础上，加入 适用于传感器网络的安全引导方案，为传输数据加密及点到点认证提供保证。 引入双向评测机制，对节点进行信誉值的计算，鼓励合作节点，打击恶意节点。 簇头对簇成员的评测机制可以在传感器节点选择簇头前过滤掉某些恶意节点； 簇成员对簇头的评测机制将已经成为簇头的恶意节点从网络中剔除。 4 ) 对n s 2 的研究 n s 2 是当前业界公认的最优秀的网络仿真软件，其不但具有开放性好、扩展 性强、适用于多种系统平台等特点，而且支持各种业务模型和多种通信协议。 因此对n s 2 的仿真进行深入的研究具有及其重要的意义。本文通过对n s 2 和 l e a c h 协议源代码的研究分析，比较详尽的阐述了如何进行仿真的实验流程。 1 6 论文的结构 本文共分6 章，各章内容安排如下： 第1 章绪论简要的对无线传感器网络作了一个概述，包括体系结构、网 络协议、特点和主要研究领域。另外还有本课题的来源及研究意义，本文的主 要工作和创新。 第2 章无线传感器网络典型路由协议的分析与比较综述性的介绍了无线 武汉理工大学硕士学位论文 传感器网络中经典的三类路由协议：平面路由协议、层次路由协议和基于位置 的路由协议，并对典型的路由协议进行了分析与比较；同时，也介绍了无线传 感器网络的安全目标、无线传感器网络路由协议中常见的攻击类型并对典型的 路由协议的安全性进行了分析。 第3 章无线传感器分簇路由协议l e a c h 的研究与改进在深入分析分布式 簇头选择路由协议l e a c h 和集中式簇头选择路由协议l e a c h _ c 的基础上，提出 了一种改进的基于分簇路由协议i l e a c h 。通过对簇头节点的产生区域进行限定， 保证了簇头数目的最优化以及簇头的合理分布，以节点剩余能量为主要依据来 选择簇头节点。经过n s 2 仿真平台的测试，改进后的路由协议i l e a c h 使得整个 网络在较低的能耗水平下获得了较长的生命周期，具有较好的能量优化特性。 第4 章基于双向评测机制的安全路由协议c s r p 针对无线传感器网络路由 安全问题和节点能量有限的不足，提出一种基于分簇的安全路由协议c s r p 。该 协议是在l e a c h 协议的基础上，以增强路由安全性同时兼顾网络的能量消耗为 目标而设计的，通过引入适用于传感器网络的安全引导方案，保证了数据的完 整性、新鲜性以及认证性；同时引入双向评测机制，对恶意节点进行检测，有 效的提高了网络的安全性能。仿真结果表明，在存在恶意节点的情况下，与l e a c h 协议相比较，c s r p 具有较好的抗捕获能力，而且增加的能量消耗很小。 第5 章n s 2 与仿真实验首先介绍了网络仿真中常用的仿真平台n s 2 及其 仿真原理和应用范围，然后介绍了n s 2 中叮c l 脚本的写法，最后对其仿真实验 流程进行了详细说明。 第6 章总结与展望对本文所做的工作进行总结并对该领域需进一步研究 的工作进行展望。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章无线传感器网络典型路由协议的安全性分析 2 1 引言 目前对于网络层路由协议的研究成为无线传感器网络研究领域的一个热 点。针对无线传感器网络的特点与通信需求，网络层需要解决利用局部信息来 进行