【正文】 ..................................... 26 安全方面的性能分析 .............................................................................................. 26 與 LEACH 仿真結(jié)果對(duì)比 ....................................................................................... 29 第 5章 工作總結(jié)和展望 ................................................................................................................ 33 致謝 .................................................................................................................................................. 34 參考文獻(xiàn) .......................................................................................................................................... 35 計(jì)算機(jī)信息工程學(xué)院畢業(yè)論文 III 前言 在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由安全研究方面，當(dāng)前采用的 基本方法 是在已 有路由基礎(chǔ) 之上 通過(guò) 增加安全機(jī)制 提高性能 。 國(guó)外學(xué)者在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由安全協(xié)議研究方面的論述較多，如 S． Mishr 等人提出了一種在動(dòng)態(tài)路由 DSR 中融入安全機(jī)制形成的安全路由協(xié)議 INTRSN[1]，此協(xié)議基于入侵容忍策略，即通過(guò)冗余機(jī)制允許惡意節(jié)點(diǎn)威脅它周?chē)纳倭抗?jié)點(diǎn)，但威脅被限制在一定范圍內(nèi)； R. Sivalingam 等人給出的 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全方案 SPINS[2]較為實(shí)用，被廣泛接受，它分為 SNEP 和μ TESLA 兩個(gè)部分。 SNEP 用以實(shí)現(xiàn)通信的 點(diǎn)到點(diǎn) 認(rèn)證、新鮮性、 機(jī)密性 和 完整性，而μ TESLA 用以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)到多點(diǎn)的廣播認(rèn)證； S． Tanachaiwiwat等人提出了 SLEACH 協(xié)議，它是在 SPINS 安全機(jī)制的基礎(chǔ)上 加以改進(jìn) 后 再 應(yīng)用到 LEACH路由協(xié)議中的，網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)使用唯一的共享密鑰與基站聯(lián)系， SLEACH 協(xié)議通過(guò)MAC(消息驗(yàn)證碼 )提供消息認(rèn)證， MAC 使用唯一的共享密鑰解密，然后在基站的幫助下，信譽(yù)值高的簇頭 會(huì)吸引節(jié)點(diǎn)的加入， 但也由于基站 介入 其中 ，而使得網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性變差； Leonardo B 等人提出了 SecLEACH 協(xié)議，它使用密鑰預(yù)分配方案，在預(yù)分配階段 每個(gè)節(jié)點(diǎn) 從包含 P 個(gè)密鑰的密鑰池中選出 K 個(gè)密鑰 (KP)，此協(xié)議 主要 的 優(yōu)點(diǎn)是 節(jié)點(diǎn) 認(rèn)證和安全鏈接 基站 不 參與 其中 ； LEACH（ Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy） 協(xié)議是由 MIT 學(xué)者 Heizelman 等人專(zhuān)為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)而設(shè)計(jì)的低功耗自適應(yīng)分簇路由協(xié)議[3]；閾值敏感的高效傳感器網(wǎng)絡(luò) TEEN 協(xié)議（ Threshold Sensitive Energy Efficient Sensor Network）是一個(gè)基于簇群的路由協(xié)議，為 LEACH 協(xié)議的衍生物 ，該協(xié)議中定義了硬門(mén)限和軟門(mén)限兩個(gè)概念 [2]。 我國(guó) 研究 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的 步伐緊跟國(guó)際的腳步 。例如張濤等人提出了一種基于分簇的安全路由協(xié)議 CSRP[4]，該協(xié)議是在 LEACH 的基礎(chǔ)上，以增強(qiáng)路由安全性同時(shí)兼顧網(wǎng)絡(luò)能耗為設(shè)計(jì)目標(biāo)，并引入雙向評(píng)測(cè)機(jī)制，能對(duì)惡意節(jié)點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，有效地提高了網(wǎng)絡(luò)的安全性能，一定程度上保證了數(shù)據(jù)的 認(rèn)證性、保密性以及 完整性；鄧亞平等提出 的SRDC[1]是 一種基于動(dòng)態(tài)分簇 的異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)安全路由協(xié)議，該協(xié)議 通過(guò)多種安全機(jī)制實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)認(rèn)證 、 組密鑰更新 和密鑰協(xié)商，不僅降低了能耗 ， 對(duì) 節(jié)點(diǎn)的抗入侵能力和自我恢復(fù)能力 也有一定作用 ；郭蕓在 LEACH 路由協(xié)議的基礎(chǔ)上，通過(guò)增加身份認(rèn)證機(jī)制、密鑰的動(dòng)態(tài)更新機(jī)制，以及雙重密鑰加密機(jī)制，提出了一個(gè)新的安全策略 —— IS． LEACH[5]來(lái)提高 LEACH 協(xié)議的抗攻擊能力。另外 在盧錫城院士的帶領(lǐng)下 國(guó)防科技大學(xué)的相關(guān)科研人員己 著手在該領(lǐng)域進(jìn)行探索研究，雖收獲 一些成果，但是這些研究成果距離實(shí)際需求還有一定距離，因此傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究任重而道遠(yuǎn)。計(jì)算機(jī)信息工程學(xué)院畢業(yè)論文 1 第 1 章 緒論 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) (wireless Sensor Networks WSNs)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)自組織方式進(jìn)行通訊，用大量 成本 低、 功 耗 低的 傳感器節(jié)點(diǎn) 部署 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。它能夠 實(shí)時(shí)感知、 監(jiān)測(cè) 周?chē)?各種 對(duì)象或 環(huán)境 的信息 ，進(jìn)而對(duì) 采集的 信息進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，因此 WSNs 從最初的軍用 需求，擴(kuò)展到一般 民用 和 社會(huì) 領(lǐng)域，涉及 醫(yī)療 健康、智能樓宇 、 便捷 交通、 環(huán)境 預(yù)報(bào) 、 產(chǎn)業(yè)自動(dòng)化 等諸多領(lǐng)域。但是，由于傳感器節(jié)點(diǎn)通常分布在惡劣 環(huán)境 下或 無(wú)人管理區(qū)域 ， 其應(yīng)用也依賴(lài)于分散的傳感器節(jié)點(diǎn)所采集 到的 數(shù)據(jù)的及時(shí)性 與 準(zhǔn) 確性，所以在 沒(méi)有人 工參與維護(hù) 的情況下，確保 WSNs 傳輸過(guò)程中 信息 的 安全 性將 顯得尤為重要。 WSNs 在 安全機(jī)制方面的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)， 由于 自身某些特性使得其面臨前所未有的挑戰(zhàn)[1]。 首先， 傳感器 節(jié)點(diǎn)的運(yùn)算 能力、存儲(chǔ)能力和通信能力有限，一定程度上制約了節(jié)點(diǎn)能夠采用的加解密算法以及認(rèn)證措施； 其次，由于傳感器節(jié)點(diǎn)沒(méi)有人工參與管理與維護(hù)，使 得其容易受到各種各樣的物理攻擊；最后，由于 WSNs 采用的是無(wú)線通信的方式， 較傳統(tǒng) 的 有線網(wǎng)絡(luò) 其給無(wú)線網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)了 更加嚴(yán)重的安全問(wèn)題， 使得網(wǎng)絡(luò)遭到欺騙、竊聽(tīng)以及非法 訪問(wèn)等攻擊 的可能性增大 。 通過(guò)保證 WSNs 的安全 、保證路由和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的安全性，來(lái) 減少或避免因?yàn)樾畔⒃獾叫孤?、破壞而造成的損失 ， 已經(jīng)成為 目前限制 WSNs 進(jìn)一步普遍 應(yīng)用的關(guān) 鍵問(wèn)題。 路由協(xié)議是否 安全 直接影響了 WSNs 的可靠 性 和安全性 ，因此安全路由協(xié)議的研究已成為 WSNs 安全研究的重點(diǎn)。 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)集 通信 、 傳感器 和 計(jì)算 機(jī)三項(xiàng)技術(shù)為一體，是一種嶄 新的信息獲取和處理技術(shù)。它 是 一個(gè)無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng) ， 由大量廉價(jià)的微型傳感器節(jié)點(diǎn) 組成 ，其工作 是 將 傳感器網(wǎng)絡(luò)覆 蓋區(qū)域中 經(jīng)過(guò) 感知、采集和處理 操作后 的信息 發(fā)送 給觀察者。 傳感器網(wǎng)絡(luò)的三 要素為 感知對(duì)象 、 觀察者 和 傳感器 。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)既能在獨(dú)立的環(huán)境下運(yùn)行，也能 通過(guò)網(wǎng)關(guān)連接到現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施上，如 Inter，這樣用戶可以直接使用Inter 遠(yuǎn)程訪問(wèn) 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集的信息。 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中除個(gè)別 節(jié)點(diǎn)需要?jiǎng)討B(tài)移動(dòng)以外，其余節(jié)點(diǎn)都處于靜止?fàn)顟B(tài) 。 一個(gè)典型的傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu) 主要 包括 以 下幾 個(gè) 部分 ：傳感器節(jié)點(diǎn)、 Sink 節(jié)點(diǎn)、互聯(lián)網(wǎng)以及用戶界面等 [7]，如圖 11 所示。 計(jì)算機(jī)信息工程學(xué)院畢業(yè)論文 2 傳 感 區(qū) 域傳 感 器 節(jié) 點(diǎn)管 理 節(jié) 點(diǎn)I n t e r n e t 或衛(wèi) 星s i n k 節(jié) 點(diǎn)BCE用 戶簇簇 首 節(jié) 點(diǎn)簇DA 圖 11 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)圖 分 簇式 傳感器網(wǎng)絡(luò) 是 以 簇 為單位劃分 網(wǎng)絡(luò) 的 ，每個(gè)簇由一個(gè)簇首節(jié)點(diǎn)和若干個(gè)簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)組成， 傳感器節(jié)點(diǎn) 將 收集 到 的數(shù)據(jù)沿著其他傳感器節(jié)點(diǎn)逐跳 進(jìn)行 傳輸，通過(guò)自組織 方式 組網(wǎng) ， 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù) 在 傳輸過(guò)程中被多個(gè)節(jié)點(diǎn)處理 后 ，經(jīng)過(guò)多跳后路由到 sink 匯聚節(jié)點(diǎn)（ 又稱(chēng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn) ） ， 各條路徑上收集來(lái)的數(shù)據(jù)信息 由匯聚節(jié)點(diǎn) 進(jìn)行冗余壓縮， 最后通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)或其他無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)（如衛(wèi)星通信等）到達(dá)管理節(jié)點(diǎn)，用戶通過(guò)管理節(jié)點(diǎn)對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置和管理， 以及 收集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。所以在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳感器節(jié)點(diǎn)具有雙重功能。一方面實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和處理，即當(dāng)節(jié)點(diǎn)扮 演數(shù)據(jù)采集者的角色時(shí)，數(shù)據(jù)采集模塊對(duì)區(qū)域內(nèi)的所有數(shù)據(jù)收集工作進(jìn)行監(jiān)測(cè)，然后通過(guò)合適的路徑直接或間接向遠(yuǎn)方的基站發(fā)送數(shù)據(jù)，這一過(guò) 程的作用就類(lèi)似數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站；另一方面實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的匯聚和路由，將節(jié)點(diǎn)自身采集到的數(shù)據(jù)與從其余的 節(jié)點(diǎn)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，轉(zhuǎn)發(fā)路由至網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu) 無(wú)線 傳感 器 網(wǎng) 絡(luò) 以 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn) 為組成單元 ， 節(jié)點(diǎn) 一般由四個(gè)部分組成： 能量供應(yīng)模塊 、無(wú)線電通信模塊 、 處理器模塊和 傳感器模塊 ，其組成結(jié)構(gòu)如圖 12 所示 [8][9]。 處 理 器存 儲(chǔ) 器傳 感 器A D / D C 轉(zhuǎn) 換 網(wǎng) 絡(luò)M A C收 發(fā) 器能 量 供 應(yīng) 模 塊傳 感 器 模 塊處 理 器 模 塊無(wú) 線 通 信 模 塊 圖 12 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的組成 傳感器節(jié)點(diǎn)在工作階段， 硬件內(nèi)部的傳感器模塊 首先會(huì)對(duì) 周?chē)h(huán)境數(shù)據(jù) 進(jìn)行 采集，如溫度、聲音、 全球定位信息等 [10]，并將模擬信息量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字 信號(hào)，然后 傳送至處理器模塊（ 控制整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn) 的數(shù)據(jù) 操作 ） ，由 微處理器對(duì) 數(shù)據(jù) 進(jìn)行 加工 后形成統(tǒng)一 的消息格式，最后由無(wú)線通信模塊進(jìn)行消息數(shù)據(jù)的廣播發(fā)送，能量供應(yīng)模塊為整個(gè)過(guò)程的運(yùn)行提供所需能量。 計(jì)算機(jī)信息工程學(xué)院畢業(yè)論文 3 傳感器節(jié)點(diǎn)在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中扮演著重要的角色 ， 概括總結(jié)出 以下特點(diǎn) [4]： 微型化 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用中，通常需要傳感器節(jié)點(diǎn)越小越好，為了達(dá) 到隱蔽的效果 ，甚至有些應(yīng)用程序需要節(jié)點(diǎn) 不易 被 肉眼 發(fā)現(xiàn) 。 低功耗 傳感器節(jié)點(diǎn)通 常 使用電量有限的電池供電，且被分布在人煙稀少的 區(qū)域，頻繁地進(jìn)行電池更換 顯然 不切實(shí)際 ，因此 如何節(jié)約用電是 應(yīng)用時(shí)首要考慮的問(wèn)題 。 計(jì)算能力和存儲(chǔ)容量有限 雖然 傳感器節(jié)點(diǎn)內(nèi) 含 CPU 和 RAM，但是 一定程度上 它們的 微 處理能力和存儲(chǔ)空間都 受限，由此看來(lái)其計(jì)算能力也相當(dāng) 有限。 通信能力有限 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)帶寬窄、覆蓋范圍較小， 節(jié)點(diǎn)之間 避免不了 會(huì) 因 為通信過(guò)于頻繁 而導(dǎo)致信息 在 傳輸 過(guò)程中 丟失 ， 更 何況受 外界環(huán)境的影響，也會(huì)導(dǎo)致 部分 節(jié)點(diǎn)脫離網(wǎng)絡(luò) ，因此 其 通信能力非常有限。 易擴(kuò)展 傳感器節(jié)點(diǎn) 一般 采用統(tǒng)一、整齊 排列的 外部接口 ，如果 需要 在某個(gè)應(yīng)用場(chǎng)合 對(duì)其 功能 做擴(kuò)展 或者 按需 添加硬 部件時(shí)，可 直接 插入 無(wú)須重新 進(jìn)行 設(shè)計(jì)。同時(shí)，節(jié)點(diǎn)可以按需拆分成多個(gè)組件，相互組件間根據(jù) 接口 的磨合自由重組 ，從而構(gòu) 成新的硬件系統(tǒng)。 低成本 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)由大量 傳感器節(jié)點(diǎn)組成，只有低成本才能 實(shí)現(xiàn)功能的需求繼而滿足實(shí)際的應(yīng)用 。 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧 與 Inter 協(xié)議棧相對(duì)應(yīng)， 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) 的 通信協(xié)議棧 也 包括 [11]： 應(yīng)用層 、 網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、數(shù)據(jù)鏈路層和 物理層， 具體 如圖 13 所示。 物 理 層數(shù) 據(jù) 鏈 路 層傳 輸 層網(wǎng) 絡(luò) 層應(yīng) 用 層 圖 13 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧 計(jì)算機(jī)信息工程學(xué)院畢業(yè)論文 4 物理層 用于 調(diào)制 信號(hào) 、發(fā)送與接收 信息 、選擇 頻段 以及 加密 數(shù)據(jù)等，其 設(shè)計(jì)需要考慮的首要問(wèn)題是成本和電池的壽命 問(wèn)題，如何降低吞吐量、增大消息延遲來(lái) 延長(zhǎng)電池壽命、降低成本， 實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的自組織。 數(shù)據(jù)鏈路層的工作重點(diǎn)是數(shù)據(jù)流復(fù)用，數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，介質(zhì)訪問(wèn)和誤差控制。 數(shù)據(jù)鏈路層的功能是保證傳感器網(wǎng)絡(luò)中點(diǎn)到點(diǎn)或一 點(diǎn)到多點(diǎn)通信鏈路的可靠性，用于解決信道的多路傳輸問(wèn)題。 MAC 協(xié)議能夠 協(xié)調(diào) 公平有效地管理多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，在確保 性能 的前提下通過(guò) 減少節(jié)點(diǎn) 的 能 耗，達(dá)到 為傳感器節(jié)點(diǎn) 有效合理 分配資源的目的。 網(wǎng)絡(luò)層主要用于 選擇、維護(hù) 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由，確保 從源節(jié)點(diǎn)傳送 到目的節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息能夠正確，同時(shí)選取的路徑要最優(yōu)化、 能量 最少、最 安全。 網(wǎng)絡(luò)層主要是用來(lái) 控 制、協(xié)助網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的路由及流量控制，但較低的 數(shù)據(jù)吞吐量使得 流量控制問(wèn)題 不被 考慮 。傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)層一般需要考慮 網(wǎng)絡(luò)自身拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和 與其相關(guān)的路由算法。 傳輸層 通過(guò) 監(jiān)控 網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)流 來(lái)確保 其通信 的 QoS。它依靠上層