【正文】 ..................................... 26 安全方面的性能分析 .............................................................................................. 26 與 LEACH 仿真結(jié)果對比 ....................................................................................... 29 第 5章 工作總結(jié)和展望 ................................................................................................................ 33 致謝 .................................................................................................................................................. 34 參考文獻 .......................................................................................................................................... 35 計算機信息工程學院畢業(yè)論文 III 前言 在無線傳感器網(wǎng)絡的路由安全研究方面，當前采用的 基本方法 是在已 有路由基礎 之上 通過 增加安全機制 提高性能 。 國外學者在無線傳感器網(wǎng)絡的路由安全協(xié)議研究方面的論述較多，如 S． Mishr 等人提出了一種在動態(tài)路由 DSR 中融入安全機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，即通過冗余機制允許惡意節(jié)點威脅它周圍的少量節(jié)點，但威脅被限制在一定范圍內(nèi)； R. Sivalingam 等人給出的 無線傳感器網(wǎng)絡安全方案 SPINS[2]較為實用，被廣泛接受，它分為 SNEP 和μ TESLA 兩個部分。 SNEP 用以實現(xiàn)通信的 點到點 認證、新鮮性、 機密性 和 完整性，而μ TESLA 用以實現(xiàn)點到多點的廣播認證； S． Tanachaiwiwat等人提出了 SLEACH 協(xié)議，它是在 SPINS 安全機制的基礎上 加以改進 后 再 應用到 LEACH路由協(xié)議中的，網(wǎng)絡中每個節(jié)點使用唯一的共享密鑰與基站聯(lián)系， SLEACH 協(xié)議通過MAC(消息驗證碼 )提供消息認證， MAC 使用唯一的共享密鑰解密，然后在基站的幫助下，信譽值高的簇頭 會吸引節(jié)點的加入， 但也由于基站 介入 其中 ，而使得網(wǎng)絡的可擴展性變差； Leonardo B 等人提出了 SecLEACH 協(xié)議，它使用密鑰預分配方案，在預分配階段 每個節(jié)點 從包含 P 個密鑰的密鑰池中選出 K 個密鑰 (KP)，此協(xié)議 主要 的 優(yōu)點是 節(jié)點 認證和安全鏈接 基站 不 參與 其中 ； LEACH（ Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy） 協(xié)議是由 MIT 學者 Heizelman 等人專為無線傳感器網(wǎng)絡而設計的低功耗自適應分簇路由協(xié)議[3]；閾值敏感的高效傳感器網(wǎng)絡 TEEN 協(xié)議（ Threshold Sensitive Energy Efficient Sensor Network）是一個基于簇群的路由協(xié)議，為 LEACH 協(xié)議的衍生物 ，該協(xié)議中定義了硬門限和軟門限兩個概念 [2]。 我國 研究 無線傳感器網(wǎng)絡的 步伐緊跟國際的腳步 。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 的基礎上，以增強路由安全性同時兼顧網(wǎng)絡能耗為設計目標，并引入雙向評測機制，能對惡意節(jié)點進行檢測，有效地提高了網(wǎng)絡的安全性能，一定程度上保證了數(shù)據(jù)的 認證性、保密性以及 完整性；鄧亞平等提出 的SRDC[1]是 一種基于動態(tài)分簇 的異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡安全路由協(xié)議，該協(xié)議 通過多種安全機制實現(xiàn)節(jié)點認證 、 組密鑰更新 和密鑰協(xié)商，不僅降低了能耗 ， 對 節(jié)點的抗入侵能力和自我恢復能力 也有一定作用 ；郭蕓在 LEACH 路由協(xié)議的基礎上，通過增加身份認證機制、密鑰的動態(tài)更新機制，以及雙重密鑰加密機制，提出了一個新的安全策略 —— IS． LEACH[5]來提高 LEACH 協(xié)議的抗攻擊能力。另外 在盧錫城院士的帶領(lǐng)下 國防科技大學的相關(guān)科研人員己 著手在該領(lǐng)域進行探索研究，雖收獲 一些成果，但是這些研究成果距離實際需求還有一定距離，因此傳感器網(wǎng)絡的研究任重而道遠。計算機信息工程學院畢業(yè)論文 1 第 1 章 緒論 無線傳感器網(wǎng)絡 (wireless Sensor Networks WSNs)通過網(wǎng)絡自組織方式進行通訊，用大量 成本 低、 功 耗 低的 傳感器節(jié)點 部署 網(wǎng)絡系統(tǒng)。它能夠 實時感知、 監(jiān)測 周圍 各種 對象或 環(huán)境 的信息 ，進而對 采集的 信息進行相應的數(shù)據(jù)處理，因此 WSNs 從最初的軍用 需求，擴展到一般 民用 和 社會 領(lǐng)域，涉及 醫(yī)療 健康、智能樓宇 、 便捷 交通、 環(huán)境 預報 、 產(chǎn)業(yè)自動化 等諸多領(lǐng)域。但是，由于傳感器節(jié)點通常分布在惡劣 環(huán)境 下或 無人管理區(qū)域 ， 其應用也依賴于分散的傳感器節(jié)點所采集 到的 數(shù)據(jù)的及時性 與 準 確性，所以在 沒有人 工參與維護 的情況下，確保 WSNs 傳輸過程中 信息 的 安全 性將 顯得尤為重要。 WSNs 在 安全機制方面的設計及實現(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)點的運算 能力、存儲能力和通信能力有限，一定程度上制約了節(jié)點能夠采用的加解密算法以及認證措施； 其次，由于傳感器節(jié)點沒有人工參與管理與維護，使 得其容易受到各種各樣的物理攻擊；最后，由于 WSNs 采用的是無線通信的方式， 較傳統(tǒng) 的 有線網(wǎng)絡 其給無線網(wǎng)絡帶來了 更加嚴重的安全問題， 使得網(wǎng)絡遭到欺騙、竊聽以及非法 訪問等攻擊 的可能性增大 。 通過保證 WSNs 的安全 、保證路由和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的安全性，來 減少或避免因為信息遭到泄露、破壞而造成的損失 ， 已經(jīng)成為 目前限制 WSNs 進一步普遍 應用的關(guān) 鍵問題。 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。 無線傳感器網(wǎng)絡概述 無線傳感器網(wǎng)絡集 通信 、 傳感器 和 計算 機三項技術(shù)為一體，是一種嶄 新的信息獲取和處理技術(shù)。它 是 一個無線自組織網(wǎng)絡系統(tǒng) ， 由大量廉價的微型傳感器節(jié)點 組成 ，其工作 是 將 傳感器網(wǎng)絡覆 蓋區(qū)域中 經(jīng)過 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)絡的三 要素為 感知對象 、 觀察者 和 傳感器 。無線傳感器網(wǎng)絡既能在獨立的環(huán)境下運行，也能 通過網(wǎng)關(guān)連接到現(xiàn)有的網(wǎng)絡基礎設施上，如 Inter，這樣用戶可以直接使用Inter 遠程訪問 無線傳感器網(wǎng)絡采集的信息。 無線傳感器網(wǎng)絡結(jié)構(gòu) 無線傳感器網(wǎng)絡中除個別 節(jié)點需要動態(tài)移動以外，其余節(jié)點都處于靜止狀態(tài) 。 一個典型的傳感器網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu) 主要 包括 以 下幾 個 部分 ：傳感器節(jié)點、 Sink 節(jié)點、互聯(lián)網(wǎng)以及用戶界面等 [7]，如圖 11 所示。 計算機信息工程學院畢業(yè)論文 2 傳 感 區(qū) 域傳 感 器 節(jié) 點管 理 節(jié) 點I n t e r n e t 或衛(wèi) 星s i n k 節(jié) 點BCE用 戶簇簇 首 節(jié) 點簇DA 圖 11 無線傳感器網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)圖 分 簇式 傳感器網(wǎng)絡 是 以 簇 為單位劃分 網(wǎng)絡 的 ，每個簇由一個簇首節(jié)點和若干個簇內(nèi)成員節(jié)點組成， 傳感器節(jié)點 將 收集 到 的數(shù)據(jù)沿著其他傳感器節(jié)點逐跳 進行 傳輸，通過自組織 方式 組網(wǎng) ， 監(jiān)測數(shù)據(jù) 在 傳輸過程中被多個節(jié)點處理 后 ，經(jīng)過多跳后路由到 sink 匯聚節(jié)點（ 又稱網(wǎng)關(guān)節(jié)點 ） ， 各條路徑上收集來的數(shù)據(jù)信息 由匯聚節(jié)點 進行冗余壓縮， 最后通過互聯(lián)網(wǎng)或其他無線通信網(wǎng)絡（如衛(wèi)星通信等）到達管理節(jié)點，用戶通過管理節(jié)點對無線傳感器網(wǎng)絡進行配置和管理， 以及 收集監(jiān)測數(shù)據(jù)。所以在無線傳感器網(wǎng)絡中，傳感器節(jié)點具有雙重功能。一方面實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和處理，即當節(jié)點扮 演數(shù)據(jù)采集者的角色時，數(shù)據(jù)采集模塊對區(qū)域內(nèi)的所有數(shù)據(jù)收集工作進行監(jiān)測，然后通過合適的路徑直接或間接向遠方的基站發(fā)送數(shù)據(jù)，這一過 程的作用就類似數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站；另一方面實現(xiàn)數(shù)據(jù)的匯聚和路由，將節(jié)點自身采集到的數(shù)據(jù)與從其余的 節(jié)點接收到的數(shù)據(jù)進行融合，轉(zhuǎn)發(fā)路由至網(wǎng)關(guān)節(jié)點。 無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點結(jié)構(gòu) 無線 傳感 器 網(wǎng) 絡 以 網(wǎng)絡節(jié)點 為組成單元 ， 節(jié)點 一般由四個部分組成： 能量供應模塊 、無線電通信模塊 、 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 器傳 感 器A D / D C 轉(zhuǎn) 換 網(wǎng) 絡M A C收 發(fā) 器能 量 供 應 模 塊傳 感 器 模 塊處 理 器 模 塊無 線 通 信 模 塊 圖 12 無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的組成 傳感器節(jié)點在工作階段， 硬件內(nèi)部的傳感器模塊 首先會對 周圍環(huán)境數(shù)據(jù) 進行 采集，如溫度、聲音、 全球定位信息等 [10]，并將模擬信息量轉(zhuǎn)換成相應的數(shù)字 信號，然后 傳送至處理器模塊（ 控制整個傳感器節(jié)點 的數(shù)據(jù) 操作 ） ，由 微處理器對 數(shù)據(jù) 進行 加工 后形成統(tǒng)一 的消息格式，最后由無線通信模塊進行消息數(shù)據(jù)的廣播發(fā)送，能量供應模塊為整個過程的運行提供所需能量。 計算機信息工程學院畢業(yè)論文 3 傳感器節(jié)點在無線傳感器網(wǎng)絡中扮演著重要的角色 ， 概括總結(jié)出 以下特點 [4]： 微型化 無線傳感器網(wǎng)絡的應用中，通常需要傳感器節(jié)點越小越好，為了達 到隱蔽的效果 ，甚至有些應用程序需要節(jié)點 不易 被 肉眼 發(fā)現(xiàn) 。 低功耗 傳感器節(jié)點通 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，頻繁地進行電池更換 顯然 不切實際 ，因此 如何節(jié)約用電是 應用時首要考慮的問題 。 計算能力和存儲容量有限 雖然 傳感器節(jié)點內(nèi) 含 CPU 和 RAM，但是 一定程度上 它們的 微 處理能力和存儲空間都 受限，由此看來其計算能力也相當 有限。 通信能力有限 無線傳感器網(wǎng)絡帶寬窄、覆蓋范圍較小， 節(jié)點之間 避免不了 會 因 為通信過于頻繁 而導致信息 在 傳輸 過程中 丟失 ， 更 何況受 外界環(huán)境的影響，也會導致 部分 節(jié)點脫離網(wǎng)絡 ，因此 其 通信能力非常有限。 易擴展 傳感器節(jié)點 一般 采用統(tǒng)一、整齊 排列的 外部接口 ，如果 需要 在某個應用場合 對其 功能 做擴展 或者 按需 添加硬 部件時，可 直接 插入 無須重新 進行 設計。同時，節(jié)點可以按需拆分成多個組件，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 無線傳感器網(wǎng)絡由大量 傳感器節(jié)點組成，只有低成本才能 實現(xiàn)功能的需求繼而滿足實際的應用 。 無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)議棧 與 Inter 協(xié)議棧相對應， 無線傳感器網(wǎng)絡 的 通信協(xié)議棧 也 包括 [11]： 應用層 、 網(wǎng)絡層、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 層應 用 層 圖 13 無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)議棧 計算機信息工程學院畢業(yè)論文 4 物理層 用于 調(diào)制 信號 、發(fā)送與接收 信息 、選擇 頻段 以及 加密 數(shù)據(jù)等，其 設計需要考慮的首要問題是成本和電池的壽命 問題，如何降低吞吐量、增大消息延遲來 延長電池壽命、降低成本， 實現(xiàn)網(wǎng)絡的自組織。 數(shù)據(jù)鏈路層的工作重點是數(shù)據(jù)流復用，數(shù)據(jù)監(jiān)測，介質(zhì)訪問和誤差控制。 數(shù)據(jù)鏈路層的功能是保證傳感器網(wǎng)絡中點到點或一 點到多點通信鏈路的可靠性，用于解決信道的多路傳輸問題。 MAC 協(xié)議能夠 協(xié)調(diào) 公平有效地管理多個傳感器節(jié)點，在確保 性能 的前提下通過 減少節(jié)點 的 能 耗，達到 為傳感器節(jié)點 有效合理 分配資源的目的。 網(wǎng)絡層主要用于 選擇、維護 無線傳感器網(wǎng)絡的路由，確保 從源節(jié)點傳送 到目的節(jié)點的數(shù)據(jù)信息能夠正確，同時選取的路徑要最優(yōu)化、 能量 最少、最 安全。 網(wǎng)絡層主要是用來 控 制、協(xié)助網(wǎng)絡的運行，負責數(shù)據(jù)的路由及流量控制，但較低的 數(shù)據(jù)吞吐量使得 流量控制問題 不被 考慮 。傳感器網(wǎng)絡的網(wǎng)絡層一般需要考慮 網(wǎng)絡自身拓撲結(jié)構(gòu)和 與其相關(guān)的路由算法。 傳輸層 通過 監(jiān)控 網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)流 來確保 其通信 的 QoS。它依靠上層