【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(luò)體系結(jié)構(gòu) 2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述 2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu) 3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧 4 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議 5 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的特點(diǎn) 5 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的設(shè)計(jì) 6 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的分類 6 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信任評(píng)估機(jī)制 7 信任的基本概念 7 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信任評(píng)估框架 8 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 10 論文內(nèi)容及整體結(jié)構(gòu) 12第二章 基于概率統(tǒng)計(jì)的單值信任評(píng)估模型 14 引言 14 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中常見的攻擊形式 14 分布式信任評(píng)估機(jī)制 16 信任因子的定義 17 信任值的計(jì)算 19 直接信任值的計(jì)算 19 簡(jiǎn)單信任推薦協(xié)議 20 推薦信任值及總體信任值的計(jì)算 20 仿真分析 21 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 24 小結(jié) 27第三章 基于證據(jù)理論的多值信任評(píng)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(jì)算 29 推薦信任值的計(jì)算 31 推薦節(jié)點(diǎn)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(shí)驗(yàn) 38 動(dòng)態(tài)性分析 38 魯棒性分析 39 小結(jié) 41第四章 基于節(jié)點(diǎn)信任值的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)層次路由 42 簇頭節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的可信選舉 49 層次路由的建立 50 小結(jié) 52第五章 總結(jié)與展望 53 工作總結(jié) 53 未來展望 54參考文獻(xiàn) 55攻讀碩士學(xué)位期間取得的成果 59致謝 60北京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章 緒論 課題背景及意義無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks，WSNs）就是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過無線通信方式形成一個(gè)多跳自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對(duì)象的信息，并發(fā)送給觀察者。路由協(xié)議負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)分組從源節(jié)點(diǎn)通過網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點(diǎn)，它主要包括兩個(gè)方面的功能：尋找源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)間的優(yōu)化路徑，將數(shù)據(jù)分組沿著優(yōu)化路徑正確轉(zhuǎn)發(fā)[1]。路由協(xié)議主要解決網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸問題，和網(wǎng)絡(luò)的性能密切相關(guān)，是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù)之一。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(chǎng)，由于成本低廉和資源受限，傳感器節(jié)點(diǎn)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(diǎn)，破譯網(wǎng)絡(luò)的密鑰及協(xié)議棧信息；另一方面，傳感器節(jié)點(diǎn)所監(jiān)測(cè)的信息往往具有敏感性和隱私性，節(jié)點(diǎn)高度自治，并使用無線通信的方式進(jìn)行多跳轉(zhuǎn)發(fā)。上述特點(diǎn)使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(luò)或引入大量數(shù)據(jù)流，導(dǎo)致數(shù)據(jù)重傳或路由失效，從而破壞網(wǎng)絡(luò)中信息的機(jī)密性、完整性和真實(shí)性。(2) 內(nèi)部攻擊，通過被攻陷的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)發(fā)送惡意路由信息給其它節(jié)點(diǎn)，泄露網(wǎng)絡(luò)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(luò)的安全性和可用性，成為制約無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的重要因素。因此，如何抵御內(nèi)外部攻擊，保障網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和路由協(xié)議的安全，即是現(xiàn)實(shí)實(shí)踐的需要，也是完善網(wǎng)絡(luò)安全理論的需要，具有重要的科學(xué)研究?jī)r(jià)值和意義。目前，因特網(wǎng)、對(duì)等網(wǎng)絡(luò)和Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中通常使用非對(duì)稱密碼機(jī)制解決外部攻擊問題，它的缺點(diǎn)是算法復(fù)雜度較高，計(jì)算存儲(chǔ)量非常大，不適合計(jì)算能力、存儲(chǔ)資源和能量有限的傳感器節(jié)點(diǎn)，從而導(dǎo)致很多現(xiàn)有的非對(duì)稱密碼建立協(xié)議無法適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)有的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全機(jī)制通常采用復(fù)雜度較小的對(duì)稱密碼系統(tǒng)來解決外部攻擊問題，然而，這種機(jī)制存在較大的安全隱患，攻擊者只需俘虜一個(gè)節(jié)點(diǎn)或少部分節(jié)點(diǎn)，破譯其本地存儲(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)密鑰和路由協(xié)議，就可以將被俘節(jié)點(diǎn)改造成為惡意節(jié)點(diǎn)，發(fā)動(dòng)內(nèi)部攻擊。攻擊者只需要非常小的代價(jià)，就可以癱瘓局部或整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，嚴(yán)重威脅網(wǎng)絡(luò)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(jī)制只能抵御外部攻擊問題，其設(shè)計(jì)思路和實(shí)現(xiàn)機(jī)制都無法解決私密信息已丟失、惡意節(jié)點(diǎn)已獲得網(wǎng)絡(luò)認(rèn)證的內(nèi)部攻擊問題。信任評(píng)估機(jī)制通過節(jié)點(diǎn)間的相互協(xié)作，能夠有效識(shí)別惡意節(jié)點(diǎn)、自私節(jié)點(diǎn)和不作為節(jié)點(diǎn)，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(jī)制，提供了新的解決方案。 本論文選題來源于：國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）專項(xiàng)課題——自組織傳感網(wǎng)可信路由算法與協(xié)議（2009AA01Z201）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目——基于節(jié)點(diǎn)可信度量的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)層次路由算法（60974121）；國(guó)防科工委研究生創(chuàng)新實(shí)踐基金項(xiàng)目——無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合信任管理體系。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種無中心的全分布式系統(tǒng)。一個(gè)典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)、傳輸介質(zhì)（互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星）和任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)（網(wǎng)絡(luò)用戶）組成。大量節(jié)點(diǎn)通過飛機(jī)播撒或炮彈發(fā)射等隨機(jī)投放方式部署在指定的監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)部或附近，并通過自組織方式構(gòu)成無線網(wǎng)絡(luò)。節(jié)點(diǎn)感知的數(shù)據(jù)沿著其它傳感器節(jié)點(diǎn)逐跳傳輸，在傳輸過程中感知數(shù)據(jù)可能被多個(gè)節(jié)點(diǎn)處理，經(jīng)過多跳路由后到達(dá)匯聚節(jié)點(diǎn)。匯聚節(jié)點(diǎn)可與互聯(lián)網(wǎng)相連或直接與衛(wèi)星通信，將整個(gè)區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程管理中心進(jìn)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(gè)界面提供給終端用戶。圖1形象地表示了一個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)組成。圖1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)有線和無線網(wǎng)絡(luò)相比，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有以下特點(diǎn)[1]：（1）節(jié)點(diǎn)資源受限，電池能量、通信能力、計(jì)算能力和存儲(chǔ)空間有限。（2）網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大，節(jié)點(diǎn)數(shù)量多，節(jié)點(diǎn)的分布密度較高。（3）以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)。（4）動(dòng)態(tài)性網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可能因?yàn)榄h(huán)境改變、電池耗盡、節(jié)點(diǎn)故障、節(jié)點(diǎn)移動(dòng)、新節(jié)點(diǎn)的加入而改變。（5）可靠的網(wǎng)絡(luò)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特別適合部署在惡劣環(huán)境或人類不宜到達(dá)的區(qū)域，節(jié)點(diǎn)需要工作在露天的環(huán)境中，這要求節(jié)點(diǎn)較為堅(jiān)固，能夠適應(yīng)各種惡劣環(huán)境。網(wǎng)絡(luò)的通信保密性和安全性也十分重要，以防止監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)被盜取和插入偽造的監(jiān)測(cè)信息。因此，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟硬件必須具有魯棒性和容錯(cuò)性。（6）自組織網(wǎng)絡(luò)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常被放置在沒有基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的地方，節(jié)點(diǎn)需要具有自組織能力，能夠自動(dòng)進(jìn)行配置和管理，并通過拓?fù)淇刂茩C(jī)制和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議自動(dòng)形成轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的多跳無線網(wǎng)絡(luò)。（7）應(yīng)用相關(guān)性網(wǎng)絡(luò)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(luò)應(yīng)用關(guān)心不同的物理量，這需要網(wǎng)絡(luò)能夠適應(yīng)客觀環(huán)境的多樣性要求。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)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(yīng)模塊四部分組成。圖2 傳感器節(jié)點(diǎn)體系結(jié)構(gòu)傳感器模塊由傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。處理器模塊是傳感器節(jié)點(diǎn)的控制中心，負(fù)責(zé)控制整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的操作，存儲(chǔ)和處理本身采集的數(shù)據(jù)以及其它節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)。無線通信模塊由網(wǎng)絡(luò)、MAC和收發(fā)器構(gòu)成，負(fù)責(zé)與其他傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)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(yīng)模塊為傳感器節(jié)點(diǎn)提供運(yùn)行所需的能量，通常采用微型電池。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧通用的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧如圖3所示，物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、應(yīng)用層對(duì)應(yīng)于互聯(lián)網(wǎng)的五層協(xié)議，能量管理平臺(tái)、移動(dòng)管理平臺(tái)和任務(wù)管理平臺(tái)使得傳感器節(jié)點(diǎn)能夠按照能量高效的方式協(xié)同工作，在節(jié)點(diǎn)移動(dòng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)中轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，并支持多任務(wù)和資源共享。具體分析如下： (a) (b)圖3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧 （1）物理層，物理層提供簡(jiǎn)單但健壯的信號(hào)調(diào)制和無線收發(fā)技術(shù)。其任務(wù)是為上一層提供數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈锢磉B接服務(wù)。（2）數(shù)據(jù)鏈路層，數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)成幀、幀檢測(cè)、媒體訪問和差錯(cuò)控制，同時(shí)要設(shè)計(jì)一個(gè)適合于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的媒體介質(zhì)訪問控制（MAC），以減少無線感器網(wǎng)絡(luò)的能量損耗。（3）網(wǎng)絡(luò)層，網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)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(wù)，向上層提供可靠的、透明的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。因此傳輸層技術(shù)必須實(shí)現(xiàn)流量和擁塞控制，以及無差錯(cuò)、有序、無丟失、無重復(fù)的數(shù)據(jù)傳輸功能。（5）應(yīng)用層，應(yīng)用層是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的具體應(yīng)用功能體現(xiàn)，包括一系列基于監(jiān)測(cè)任務(wù)的應(yīng)用層軟件。（6）移動(dòng)管理平臺(tái)檢測(cè)并注冊(cè)傳感器節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)，記錄新節(jié)點(diǎn)的加入和失效節(jié)點(diǎn)的退出，維護(hù)節(jié)點(diǎn)到匯聚節(jié)點(diǎn)之間的路由，動(dòng)態(tài)跟蹤?quán)従庸?jié)點(diǎn)的位置信息。（7）能量管理平臺(tái)管理傳感器節(jié)點(diǎn)如何使用能源，在各個(gè)協(xié)議層都需要考慮節(jié)省能量。（8）任務(wù)管理平臺(tái)在一個(gè)給定的區(qū)域內(nèi)平衡和調(diào)度監(jiān)測(cè)任務(wù)。QoS管理在各協(xié)議層設(shè)計(jì)隊(duì)列管理、優(yōu)先級(jí)機(jī)制或者帶寬預(yù)留等機(jī)制，并對(duì)特定應(yīng)用的數(shù)據(jù)給予特別處理；拓?fù)淇刂评梦锢韺?、?shù)據(jù)鏈路層或路由層完成拓?fù)渖?，反過來又為它們提供基礎(chǔ)信息支持；網(wǎng)絡(luò)管理則要求協(xié)議各層嵌入各種信息接口，并定時(shí)收集協(xié)議運(yùn)行狀態(tài)和流量信息，協(xié)調(diào)控制網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)協(xié)議組件的運(yùn)行；定位和時(shí)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(jìn)行協(xié)作定位和時(shí)間同步協(xié)商，同時(shí)又要為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議各層提供信息支持。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議信息的采集、處理與傳遞是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要功能，這就需要相應(yīng)的控制和管理算法，路由問題就是其中的一個(gè)核心問題。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的特點(diǎn)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(luò)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有自己的特點(diǎn)：節(jié)點(diǎn)數(shù)量大，不能建立全局地址；在多數(shù)應(yīng)用中，除了少數(shù)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)外，一般節(jié)點(diǎn)在部署后保持固定；路由協(xié)議與特定的應(yīng)用有關(guān)，節(jié)點(diǎn)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(diǎn)使得傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議不能用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議相比，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議具有以下特點(diǎn)[1, 2]：（1） 能量?jī)?yōu)先。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的能量有限，延長(zhǎng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生命周期是路由協(xié)議設(shè)計(jì)的重要目標(biāo)，因此需要考慮節(jié)點(diǎn)的能耗以及網(wǎng)絡(luò)能量均衡使用的問題。（2） 基于局部拓?fù)湫畔ⅰ鞲衅鞴?jié)點(diǎn)沒有統(tǒng)一的身份標(biāo)識(shí)，節(jié)點(diǎn)間采用多跳通信方式。節(jié)點(diǎn)資源受限，無法進(jìn)行復(fù)雜的路由計(jì)算，只能獲取局部拓?fù)湫畔?。?） 以數(shù)據(jù)為中心。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)僅關(guān)心監(jiān)測(cè)區(qū)域的感知數(shù)據(jù)，且網(wǎng)絡(luò)中包含多個(gè)節(jié)點(diǎn)到匯聚節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)流，按照對(duì)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(zhuǎn)發(fā)路徑。（4） 應(yīng)用相關(guān)。不同應(yīng)用場(chǎng)景中的路由協(xié)議差別可能很大，不存在一個(gè)通用的路由協(xié)議。設(shè)計(jì)者需要針對(duì)具體的應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)與之相適應(yīng)的路由協(xié)議。（5） 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化頻繁。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會(huì)因?yàn)楣?jié)點(diǎn)損壞、移動(dòng)、加入和退出而頻繁變化。（6） 數(shù)據(jù)融合關(guān)聯(lián)。由于節(jié)點(diǎn)密集分布，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)感知的數(shù)據(jù)存在冗余性。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議，一般與數(shù)據(jù)融合共同實(shí)施，以減少通信量和節(jié)約能量。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的設(shè)計(jì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的設(shè)計(jì)會(huì)受到網(wǎng)絡(luò)自身特點(diǎn)、數(shù)據(jù)融合技術(shù)、節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)等多種因素的的影響，也必須考慮傳感器節(jié)點(diǎn)的工作環(huán)境、電池能量、通信范圍、計(jì)算能力和網(wǎng)絡(luò)帶寬等因素。針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的特點(diǎn)，路由協(xié)議的設(shè)計(jì)面臨以下挑戰(zhàn)：（1）能量高效。無線傳感器