【正文】 amic aggregation progress of trust values are developed. Finally, according to DS evidence theory, the overall trust value is calculated by synthesizing the direct and remended trust values. Meanwhile, it is indicated by simulation results that the proposed model has excellent dynamic characteristic, robustness and ability to deal with various network attacks. Therefore, the network security is enhanced.A hierarchical routing algorithm based on node trust value named HRBNT is put forward to enhance the routing security during the data transmission in wireless sensor networks. The node trust value is bined with the density and distance among nodes to select backbone nodes in network. Then, the local trust value is employed to exclude the malicious nodes and establish a reliable hierarchical route. Experiment results show that the proposed algorithm can effectively prevent low trust nodes from transferring data packets. Furthermore, the security problem of hierarchical route caused by node failure or capture is also settled.Keywords: Wireless sensor networks, Network security, Trust evaluation, Hierarchical routing目 錄第一章 緒論 1 課題背景及意義 1 無線傳感器網(wǎng)絡體系結構 2 無線傳感器網(wǎng)絡概述 2 無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點結構 3 無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)議棧 4 無線傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議 5 無線傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議的特點 5 無線傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議的設計 6 無線傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議的分類 6 無線傳感器網(wǎng)絡信任評估機制 7 信任的基本概念 7 無線傳感器網(wǎng)絡信任評估框架 8 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 10 論文內(nèi)容及整體結構 12第二章 基于概率統(tǒng)計的單值信任評估模型 14 引言 14 無線傳感器網(wǎng)絡中常見的攻擊形式 14 分布式信任評估機制 16 信任因子的定義 17 信任值的計算 19 直接信任值的計算 19 簡單信任推薦協(xié)議 20 推薦信任值及總體信任值的計算 20 仿真分析 21 實驗驗證 24 小結 27第三章 基于證據(jù)理論的多值信任評估模型 28 引言 28 證據(jù)理論的基本概念 28 信任值的形式化定義 29 直接信任值的計算 29 推薦信任值的計算 31 推薦節(jié)點的確定 32 信任值的條件傳遞 33 總體信任值的合成 37 仿真實驗 38 動態(tài)性分析 38 魯棒性分析 39 小結 41第四章 基于節(jié)點信任值的無線傳感器網(wǎng)絡層次路由 42 簇頭節(jié)點的可信選舉 42 層次路由 44 HRBNT算法的具體過程 44 閾值T(n)的確定 46 仿真分析 48 簇頭節(jié)點的可信選舉 49 層次路由的建立 50 小結 52第五章 總結與展望 53 工作總結 53 未來展望 54參考文獻 55攻讀碩士學位期間取得的成果 59致謝 60北京航空航天大學碩士學位論文第一章 緒論 課題背景及意義無線傳感器網(wǎng)絡（Wireless Sensor Networks，WSNs）就是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成一個多跳自組織的網(wǎng)絡系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者。路由協(xié)議負責將數(shù)據(jù)分組從源節(jié)點通過網(wǎng)絡轉發(fā)到目的節(jié)點，它主要包括兩個方面的功能：尋找源節(jié)點和目的節(jié)點間的優(yōu)化路徑，將數(shù)據(jù)分組沿著優(yōu)化路徑正確轉發(fā)[1]。路由協(xié)議主要解決網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸問題，和網(wǎng)絡的性能密切相關，是無線傳感器網(wǎng)絡的核心技術之一。無線傳感器網(wǎng)絡通常部署在開放甚至不友好的環(huán)境中，比如野外和戰(zhàn)場，由于成本低廉和資源受限，傳感器節(jié)點缺乏必要的硬件防篡改措施，攻擊者能夠較為容易地俘虜節(jié)點，破譯網(wǎng)絡的密鑰及協(xié)議棧信息；另一方面，傳感器節(jié)點所監(jiān)測的信息往往具有敏感性和隱私性，節(jié)點高度自治，并使用無線通信的方式進行多跳轉發(fā)。上述特點使得無線傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議容易受到以下兩種類型的安全威脅：(1) 外部攻擊，攻擊者通過分離網(wǎng)絡或引入大量數(shù)據(jù)流，導致數(shù)據(jù)重傳或路由失效，從而破壞網(wǎng)絡中信息的機密性、完整性和真實性。(2) 內(nèi)部攻擊，通過被攻陷的網(wǎng)絡內(nèi)部節(jié)點發(fā)送惡意路由信息給其它節(jié)點，泄露網(wǎng)絡密碼，篡改內(nèi)部消息。外部攻擊和內(nèi)部攻擊破壞了網(wǎng)絡的安全性和可用性，成為制約無線傳感器網(wǎng)絡應用的重要因素。因此，如何抵御內(nèi)外部攻擊，保障網(wǎng)絡節(jié)點和路由協(xié)議的安全，即是現(xiàn)實實踐的需要，也是完善網(wǎng)絡安全理論的需要，具有重要的科學研究價值和意義。目前，因特網(wǎng)、對等網(wǎng)絡和Ad hoc網(wǎng)絡中通常使用非對稱密碼機制解決外部攻擊問題，它的缺點是算法復雜度較高，計算存儲量非常大，不適合計算能力、存儲資源和能量有限的傳感器節(jié)點，從而導致很多現(xiàn)有的非對稱密碼建立協(xié)議無法適用于無線傳感器網(wǎng)絡?，F(xiàn)有的無線傳感器網(wǎng)絡安全機制通常采用復雜度較小的對稱密碼系統(tǒng)來解決外部攻擊問題，然而，這種機制存在較大的安全隱患，攻擊者只需俘虜一個節(jié)點或少部分節(jié)點，破譯其本地存儲的網(wǎng)絡密鑰和路由協(xié)議，就可以將被俘節(jié)點改造成為惡意節(jié)點，發(fā)動內(nèi)部攻擊。攻擊者只需要非常小的代價，就可以癱瘓局部或整個網(wǎng)絡，嚴重威脅網(wǎng)絡的正常工作和數(shù)據(jù)的安全傳輸。因此，基于密碼體系的安全機制只能抵御外部攻擊問題，其設計思路和實現(xiàn)機制都無法解決私密信息已丟失、惡意節(jié)點已獲得網(wǎng)絡認證的內(nèi)部攻擊問題。信任評估機制通過節(jié)點間的相互協(xié)作，能夠有效識別惡意節(jié)點、自私節(jié)點和不作為節(jié)點，為解決路由協(xié)議內(nèi)部攻擊問題和建立安全可信的數(shù)據(jù)傳輸機制，提供了新的解決方案。 本論文選題來源于：國家高技術研究發(fā)展計劃（863計劃）專項課題——自組織傳感網(wǎng)可信路由算法與協(xié)議（2009AA01Z201）；國家自然科學基金項目——基于節(jié)點可信度量的無線傳感器網(wǎng)絡層次路由算法（60974121）；國防科工委研究生創(chuàng)新實踐基金項目——無線傳感器網(wǎng)絡綜合信任管理體系。 無線傳感器網(wǎng)絡體系結構 無線傳感器網(wǎng)絡概述無線傳感器網(wǎng)絡是一種無中心的全分布式系統(tǒng)。一個典型的無線傳感器網(wǎng)絡由傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點、傳輸介質(zhì)（互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星）和任務管理節(jié)點（網(wǎng)絡用戶）組成。大量節(jié)點通過飛機播撒或炮彈發(fā)射等隨機投放方式部署在指定的監(jiān)測區(qū)域內(nèi)部或附近，并通過自組織方式構成無線網(wǎng)絡。節(jié)點感知的數(shù)據(jù)沿著其它傳感器節(jié)點逐跳傳輸，在傳輸過程中感知數(shù)據(jù)可能被多個節(jié)點處理，經(jīng)過多跳路由后到達匯聚節(jié)點。匯聚節(jié)點可與互聯(lián)網(wǎng)相連或直接與衛(wèi)星通信，將整個區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h程管理中心進行集中處理。最后，感知的數(shù)據(jù)經(jīng)過分析、挖掘后通過一個界面提供給終端用戶。圖1形象地表示了一個無線傳感器網(wǎng)絡體系結構組成。圖1 無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)結構與傳統(tǒng)有線和無線網(wǎng)絡相比，無線傳感器網(wǎng)絡具有以下特點[1]：（1）節(jié)點資源受限，電池能量、通信能力、計算能力和存儲空間有限。（2）網(wǎng)絡規(guī)模大，節(jié)點數(shù)量多，節(jié)點的分布密度較高。（3）以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡。（4）動態(tài)性網(wǎng)絡，網(wǎng)絡的拓撲結構可能因為環(huán)境改變、電池耗盡、節(jié)點故障、節(jié)點移動、新節(jié)點的加入而改變。（5）可靠的網(wǎng)絡，無線傳感器網(wǎng)絡特別適合部署在惡劣環(huán)境或人類不宜到達的區(qū)域，節(jié)點需要工作在露天的環(huán)境中，這要求節(jié)點較為堅固，能夠適應各種惡劣環(huán)境。網(wǎng)絡的通信保密性和安全性也十分重要，以防止監(jiān)測數(shù)據(jù)被盜取和插入偽造的監(jiān)測信息。因此，無線傳感器網(wǎng)絡的軟硬件必須具有魯棒性和容錯性。（6）自組織網(wǎng)絡，無線傳感器網(wǎng)絡通常被放置在沒有基礎結構的地方，節(jié)點需要具有自組織能力，能夠自動進行配置和管理，并通過拓撲控制機制和網(wǎng)絡協(xié)議自動形成轉發(fā)數(shù)據(jù)的多跳無線網(wǎng)絡。（7）應用相關性網(wǎng)絡，無線傳感器網(wǎng)絡用于感知客觀物理世界，獲取物理世界的信息。客觀世界的物理量多種多樣，不可窮盡。不同的無線傳感器網(wǎng)絡應用關心不同的物理量，這需要網(wǎng)絡能夠適應客觀環(huán)境的多樣性要求。 無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點結構傳感器節(jié)點結構如圖2所示，一般由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應模塊四部分組成。圖2 傳感器節(jié)點體系結構傳感器模塊由傳感器和模數(shù)轉換器構成，負責監(jiān)測區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉換。處理器模塊是傳感器節(jié)點的控制中心，負責控制整個傳感器節(jié)點的操作，存儲和處理本身采集的數(shù)據(jù)以及其它節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)。無線通信模塊由網(wǎng)絡、MAC和收發(fā)器構成，負責與其他傳感器節(jié)點進行無線通信，交換控制信息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)。能量供應模塊為傳感器節(jié)點提供運行所需的能量，通常采用微型電池。 無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)議棧通用的無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)議棧如圖3所示，物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層、應用層對應于互聯(lián)網(wǎng)的五層協(xié)議，能量管理平臺、移動管理平臺和任務管理平臺使得傳感器節(jié)點能夠按照能量高效的方式協(xié)同工作，在節(jié)點移動的傳感器網(wǎng)絡中轉發(fā)數(shù)據(jù)，并支持多任務和資源共享。具體分析如下： (a) (b)圖3 無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)議棧 （1）物理層，物理層提供簡單但健壯的信號調(diào)制和無線收發(fā)技術。其任務是為上一層提供數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈锢磉B接服務。（2）數(shù)據(jù)鏈路層，數(shù)據(jù)鏈路層負責數(shù)據(jù)成幀、幀檢測、媒體訪問和差錯控制，同時要設計一個適合于無線傳感器網(wǎng)絡的媒體介質(zhì)訪問控制（MAC），以減少無線感器網(wǎng)絡的能量損耗。（3）網(wǎng)絡層，網(wǎng)絡層負責路由生成與路由選擇。（4）傳輸層，傳輸層的主要目的是利用下層的服務，向上層提供可靠的、透明的數(shù)據(jù)傳輸服務。因此傳輸層技術必須實現(xiàn)流量和擁塞控制，以及無差錯、有序、無丟失、無重復的數(shù)據(jù)傳輸功能。（5）應用層，應用層是無線傳感器網(wǎng)絡的具體應用功能體現(xiàn)，包括一系列基于監(jiān)測任務的應用層軟件。（6）移動管理平臺檢測并注冊傳感器節(jié)點的移動，記錄新節(jié)點的加入和失效節(jié)點的退出，維護節(jié)點到匯聚節(jié)點之間的路由，動態(tài)跟蹤鄰居節(jié)點的位置信息。（7）能量管理平臺管理傳感器節(jié)點如何使用能源，在各個協(xié)議層都需要考慮節(jié)省能量。（8）任務管理平臺在一個給定的區(qū)域內(nèi)平衡和調(diào)度監(jiān)測任務。QoS管理在各協(xié)議層設計隊列管理、優(yōu)先級機制或者帶寬預留等機制，并對特定應用的數(shù)據(jù)給予特別處理；拓撲控制利用物理層、數(shù)據(jù)鏈路層或路由層完成拓撲生成，反過來又為它們提供基礎信息支持；網(wǎng)絡管理則要求協(xié)議各層嵌入各種信息接口，并定時收集協(xié)議運行狀態(tài)和流量信息，協(xié)調(diào)控制網(wǎng)絡中各個協(xié)議組件的運行；定位和時間同步子層在協(xié)議棧中的位置比較特殊，它們既要依賴于數(shù)據(jù)傳輸通道進行協(xié)作定位和時間同步協(xié)商，同時又要為網(wǎng)絡協(xié)議各層提供信息支持。 無線傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議信息的采集、處理與傳遞是無線傳感器網(wǎng)絡的主要功能，這就需要相應的控制和管理算法，路由問題就是其中的一個核心問題。 無線傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議的特點從路由的角度看，不同于Ad Hoc、無線局域網(wǎng)等傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡，無線傳感器網(wǎng)絡有自己的特點：節(jié)點數(shù)量大，不能建立全局地址；在多數(shù)應用中，除了少數(shù)節(jié)點移動外，一般節(jié)點在部署后保持固定；路由協(xié)議與特定的應用有關，節(jié)點間的數(shù)據(jù)冗余度高，路由協(xié)議需要具有良好的數(shù)據(jù)匯聚能力。這些特點使得傳統(tǒng)網(wǎng)絡路由協(xié)議不能用于無線傳感器網(wǎng)絡。與傳統(tǒng)網(wǎng)絡的路由協(xié)議相比，無線傳感器網(wǎng)絡的路由協(xié)議具有以下特點[1, 2]：（1） 能量優(yōu)先。無線傳感器網(wǎng)絡中節(jié)點的能量有限，延長整個網(wǎng)絡的生命周期是路由協(xié)議設計的重要目標，因此需要考慮節(jié)點的能耗以及網(wǎng)絡能量均衡使用的問題。（2） 基于局部拓撲信息。傳感器節(jié)點沒有統(tǒng)一的身份標識，節(jié)點間采用多跳通信方式。節(jié)點資源受限，無法進行復雜的路由計算，只能獲取局部拓撲信息。（3） 以數(shù)據(jù)為中心。無線傳感器網(wǎng)絡僅關心監(jiān)測區(qū)域的感知數(shù)據(jù)，且網(wǎng)絡中包含多個節(jié)點到匯聚節(jié)點的數(shù)據(jù)流，按照對感知數(shù)據(jù)的需求、數(shù)據(jù)通信模式和流向等，以數(shù)據(jù)為中心形成消息的轉發(fā)路徑。（4） 應用相關。不同應用場景中的路由協(xié)議差別可能很大，不存在一個通用的路由協(xié)議。設計者需要針對具體的應用需求，設計與之相適應的路由協(xié)議。（5） 拓撲結構變化頻繁。網(wǎng)絡拓撲結構會因為節(jié)點損壞、移動、加入和退出而頻繁變化。（6） 數(shù)據(jù)融合關聯(lián)。由于節(jié)點密集分布，無線傳感器網(wǎng)絡感知的數(shù)據(jù)存在冗余性。無線傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議，一般與數(shù)據(jù)融合共同實施，以減少通信量和節(jié)約能量。 無線傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議的設計無線傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議的設計會受到網(wǎng)絡自身特點、數(shù)據(jù)融合技術、節(jié)點定位技術等多種因素的的影響，也必須考慮傳感器節(jié)點的工作環(huán)境、電池能量、通信范圍、計算能力和網(wǎng)絡帶寬等因素。針對無線傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議的特點，路由協(xié)議的設計面臨以下挑戰(zhàn)：（1）能量高效。無線傳感器