無線傳感器網絡能量有效安全路由協議研究.pdf

1、無線傳感器網絡是由一組傳感器節(jié)點以自組織方式構成的無線網絡，其目的是協作地感知、采集和處理網絡覆蓋的地理區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)布給觀察者。無線傳感器網絡的應用前景非常廣泛，主要表現在軍事、環(huán)境、健康、家庭和其它商業(yè)領域等各個方面。
　　由于節(jié)點的電池能量有限，在很多無人值守情況下節(jié)點不能頻繁更換電池，因此最小化能量消耗是無線傳感器網絡協議和算法設計的關鍵要求。目前已經提出了很多無線傳感器網絡節(jié)能路由協議。以數據為中心的路由是一

2、個普遍應用的方法，它使用基于屬性的方法采集感知數據。定向擴散為無線傳感器網絡提供了一種強健、可擴展、節(jié)能的以數據為中心的路由協議，但是也有自身的缺點。例如，興趣和探測數據采用廣播方法在網絡中散布，在密集的網絡中，每個節(jié)點都要廣播接收到的新的興趣和探測數據。當網絡節(jié)點覆蓋嚴重時，定性擴散的方法就顯得非常低效，導致很多重復廣播。大量的廣播消息競爭有限的無線信道造成數據包的頻繁沖突，使節(jié)點能量快速消耗，嚴重影響了無線傳感器網絡的性能。本文提出

3、了一種基于網格的定向擴散路由協議。在無線傳感器網絡中形成虛擬地理網格簇，簇中僅有一個節(jié)點負責興趣和探測數據的廣播，其它節(jié)點接收簇頭節(jié)點的廣播，執(zhí)行傳感任務，這些節(jié)點的數據傳輸都要經過簇頭節(jié)點，簇頭節(jié)點先對接收到的數據進行融和，再通過其它簇頭節(jié)點轉發(fā)給匯聚節(jié)點。實驗表明，采用這種網格結構，不僅降低和平衡了網絡能量消耗，而且定向擴散的優(yōu)點得到了保留。
　　由于無線傳感器網絡經常部署在開放區(qū)域，傳感器節(jié)點容易遭受攻擊，例如俘獲，竊聽，拒

4、絕服務，蟲洞，女巫攻擊等。隨著無線傳感器網絡應用的廣泛深入，其安全問題也變得越來越重要，其安全性研究引起了研究人員和應用者的強烈關注。本文從基于網格的定向擴散協議出發(fā)，分析了分簇路由協議的易攻擊性，分別從安全數據聚集、流量攻擊檢測和密鑰管理三個角度增加了分簇協議的安全設計，并進行了安全性分析和仿真驗證。
　　首先，提出了一種基于信任的簇內數據聚集協議。數據聚集作為無線傳感器網絡的關鍵技術之一，能夠在很大程度上減少傳感器節(jié)點的通信量

5、，節(jié)約節(jié)點的電池能量，從而延長傳感器網路的生命周期。然而隨著無線傳感器網絡越來越多地布置在惡劣的環(huán)境中，傳感器節(jié)點很可能被敵人俘獲，數據聚集安全所依賴的密鑰將會泄露，從而使數據聚集的安全受到很大的威脅。本文引入鄰居節(jié)點信任評估機制，由鄰居節(jié)點互相監(jiān)視數據聚集行為，根據監(jiān)測結果，使用信任機制對節(jié)點的行為進行評價，從而識別出被俘節(jié)點，并基于信任評估選舉安全簇頭。由安全簇頭依據對成員節(jié)點過去聚集行為的信任評估，進行可靠數據聚集。實驗結果表明本

6、文設計的信任機制，能夠很好地應對被俘節(jié)點的攻擊，保證數據聚集的安全。
　　其次，提出了一種基于ARMA的流量攻擊檢測協議。在無線傳感器網絡中，如何準確和迅速地檢測流量攻擊，以保障網絡設施的可用性，是一個極具挑戰(zhàn)的安全問題。本文采用線性預測技術，為傳感器節(jié)點建立了簡單高效的ARMA(2,1)流量預測模型，進而設計了基于流量預測的流量攻擊檢測方案。根據節(jié)點擔任的不同角色，實施不同的監(jiān)視機制。通過選舉虛擬簇頭和監(jiān)視節(jié)點，讓它們聯合檢測簇

7、頭是否被俘并及時報警，同時結合了簇頭對成員節(jié)點的檢測。模擬實驗表明，這些機制能夠實時地預測流量攻擊，且沒有增加過多額外的開銷，在有效抵御攻擊的同時，延長了網絡的壽命。
　　最后，提出了一種基于安全節(jié)點的密鑰管理協議。由普通節(jié)點和簇頭節(jié)點負責數據采集及傳輸，安全節(jié)點負責密鑰管理。文中詳細介紹了安全節(jié)點的生成與在安全節(jié)點監(jiān)控下簇頭節(jié)點的生成以及節(jié)點密鑰、對密鑰、簇密鑰、公共密鑰的生成和管理。理論分析和實驗表明，協議的通信能量消耗性能優(yōu)