【正文】 傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全研究僅僅處于初級(jí)階段，要針對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)和安全的威脅，研究新型的安全的優(yōu)化的路由協(xié)議。因此，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要一套新型的適合自身的路由協(xié)議，對(duì)我們提出了設(shè)計(jì)可靠、講究能量效率， 基于 OPNET 的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由仿真與研究 7 且能保證網(wǎng)絡(luò)能量消耗平衡的路由協(xié)議要求。 路由控制技術(shù) 保證數(shù)據(jù)的傳輸，在源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間建立可靠的路由是路由協(xié)議的目的。 無線傳感 器網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵技術(shù) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為，目前新領(lǐng)域新的研究熱點(diǎn)，是涉及多學(xué)科交叉的研究領(lǐng)域，還有很多的關(guān)鍵技術(shù)有待發(fā)現(xiàn)和探索，下面就列舉部分關(guān)鍵技術(shù)： 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼夹g(shù) 對(duì)于無線自組織的傳感器網(wǎng)絡(luò)來說，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼夹g(shù)具有極其重要的意義。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧多采用五層協(xié)議： 應(yīng)用層 、 傳輸層 、 網(wǎng)絡(luò)層 、 數(shù)據(jù)鏈路層 、物理層 ，是與以太網(wǎng)協(xié)議棧的五層協(xié)議相對(duì)應(yīng)的。 匯聚節(jié)點(diǎn)的處理能力、存儲(chǔ)能力和通信能力就相對(duì)較強(qiáng)，它是連接傳感器網(wǎng)絡(luò)與Inter 等外部網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)兩種協(xié)議間的相互轉(zhuǎn)換，同時(shí)向傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)布來自管理節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測任務(wù)，并把無線傳感器網(wǎng)絡(luò)上收集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到外部網(wǎng)絡(luò)上。傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測到的數(shù)據(jù)沿著其他傳感器節(jié)點(diǎn)逐跳的進(jìn)行傳輸，在傳輸過程中監(jiān)測到的數(shù)據(jù)可能被多個(gè)節(jié)點(diǎn)處理，經(jīng)過多跳后路由到匯聚節(jié)點(diǎn)，最后通過互聯(lián)網(wǎng)或者衛(wèi)星到達(dá)管理節(jié)點(diǎn)。 WSN 并不界定網(wǎng)路型態(tài)，就是可以是 star、 mesh、 P2P 或者綜合以上型態(tài)的網(wǎng)路 ， 基于 OPNET 的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由仿真與研究 3 但都一定具備下列的功能： Sensors/microcontroller：偵測、搜集以及處理環(huán)境中包含的資料，例如偵測濕度、溫度等。 [1] 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所具具有的眾多 類型的傳感器，可探測包括地震、電磁、溫度、噪聲、濕度、光強(qiáng)度、土壤成分、壓力、移動(dòng)物體的大小、方向和速度等周邊環(huán)境中多種多樣現(xiàn)象。每一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都由數(shù)據(jù)采集模塊 (傳感器、 AID 轉(zhuǎn)換器 )、數(shù)據(jù)處理、控制模塊 (微處理器、存儲(chǔ)器 )、通信模塊 (無線收發(fā)器 )和供電模塊 (電池、 AC/DC 能量轉(zhuǎn) 換器 )組成。 基于 OPNET 的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由仿真與研究 2 第一章 緒 論 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基本概念 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，即 wireless sensor work，簡稱 WSN?？梢哉f，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將是信息感知和采集的一場革命，是 21 世紀(jì)最重要技術(shù)之一。我們可以展望一個(gè)好的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由應(yīng)是以減少通信量、負(fù)載均衡、支持移動(dòng)性、容錯(cuò)性、組播路由、路由安全、可擴(kuò)展性、 QoS 路由、跨層協(xié)議優(yōu)化、與 IPv6 結(jié)合為發(fā)展趨勢和研究方向。其次，在 OPNET 上進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的 DD 協(xié)議仿真為基礎(chǔ)，在 DD 協(xié)議的模式上，分別進(jìn)行 LEACH 協(xié)議的仿真和 QoS 路由改進(jìn)。由于該領(lǐng)域的研究還處于起步階段，傳感器網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)還有諸多的不足。因此，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由值得我們?nèi)ヌ剿骱退伎?。通過不斷地研究對(duì)比各類路由機(jī)制，總結(jié)仿真實(shí)驗(yàn)中 LEACH 和 QoS 的一些優(yōu)缺點(diǎn)。 關(guān)鍵詞： 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由， OPNET， DD 協(xié)議， LEACH 協(xié)議， QoS 路由， II Abstract Wireless sensor work is a new information acquisition and processingtechnology, its application prospects increasingly attracted widespread attention inacademia and industry. As the research in this field is still in its infancy, there are many sensor work routing technology deficiencies. Therefore, the routing of wireless sensor works is worth exploring and thesis study of wireless sensor works and OPNETbased study of wireless sensor work routing, exploring trends and research directions of wireless sensor routing. First, by using wireless sensor works and its routing principles of learning OPNET simulation platform for wireless sensor work routing existing classification research. Secondly, in the OPNET simulation experiments to DD wireless sensor work protocol simulation, based on a model agreement DD, respectively LEACH routing protocol emulation and QoS continuous research and pare various types of routing mechanism, summarize some of the advantages and disadvantages of LEACH simulation and QoS. Compared to the DD protocol, LEACH protocol can effectively reduce energy consumption, and its life expectancy is about twice the DD agreement. QoS is performed on the DD model improvements, it is a good allocation of resources to support different business needs, the whole work can achieve optimal energy balance, work lifetime is greatly can envision a good wireless sensor work routing should be based on reducing traffic, load balancing, support mobility, fault tolerance, multicast routing, routing security, scalability, QoS routing, crosslayer protocol optimization, bined with IPv6 as trends and research directions. Keywords: wireless sensor work routing, OPNET, LEACH ， DD protocol, QoS routing, 基于 OPNET 的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由仿真與研究 1 引 言 近年來，隨著技術(shù)的發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用變得范圍越來越廣。 總體而言，該領(lǐng)域的研究目前還處于起步階段，傳感器網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)還存在很多的不足，在很多領(lǐng)域還無法實(shí)現(xiàn)。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過無線通信的方式形成的一個(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)域內(nèi)被感知對(duì)象的信息，并發(fā)送給觀察者。節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中可以充當(dāng)數(shù)據(jù)的采集者、數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站或組頭、簇頭節(jié)點(diǎn)的角色。基于無線聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和 MEMS 的微傳感技術(shù)為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)賦予了廣闊的應(yīng)用前景。 Radio frequency： gateway 或節(jié)點(diǎn)用以收發(fā)資料。用戶通過管理節(jié)點(diǎn)對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行相應(yīng)的配置 和管理，發(fā)布監(jiān)測任務(wù)及收集監(jiān)測數(shù)據(jù)。匯聚節(jié)點(diǎn)可以是一個(gè) 具有增強(qiáng)功能的傳感器節(jié)點(diǎn)，有足夠的能量供給、更多的 Flash 和 SRAM中的所有信息傳輸?shù)接?jì)算機(jī)系統(tǒng)中，通過匯編軟件，可很便捷地把獲取的信息轉(zhuǎn)換為匯編文件格式，從而分析出傳感節(jié)點(diǎn)所存儲(chǔ)的程序代碼、路由協(xié)議和密鑰等信息，同時(shí)也可以修改程序代碼，并加載到傳感節(jié)點(diǎn)當(dāng)中。另外，協(xié)議棧還應(yīng)包括能量管理器、拓?fù)涔芾砥?、任?wù)管理器。與此同時(shí)，拓?fù)浼夹g(shù)對(duì)路由協(xié)議性能的影響也非常大。首先，傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量多，沒有采用全網(wǎng)統(tǒng)一的編址；此外，節(jié)點(diǎn)能量有限并且大都處于靜止?fàn)顟B(tài)等特點(diǎn)，使得傳感器網(wǎng)絡(luò)不能采用傳統(tǒng)的基于 IP 的路由協(xié)議。 網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常都會(huì)布置在無人維護(hù)、不可控制的環(huán)境情況中，所以傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全性一直是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。 OPNET 簡介 OPNET 是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)軟件包，它能準(zhǔn)確的分析復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的性能和行為。 OPNET Modeler 的主要特性 OPNET Modeler 的主要特性包含以下幾點(diǎn)： 層次化的網(wǎng)絡(luò)模型 OPNET Modeler 提供了三層建模機(jī)制，分別在進(jìn)程層、節(jié)點(diǎn)層、網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行由下到上的建模機(jī)制。各模塊間通過數(shù)據(jù)包和狀態(tài)信息的傳遞來進(jìn)行各種操作，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備的功能。這也是 Modeler 建模的重要機(jī)制，這種機(jī)制對(duì)項(xiàng)目的管理和分工很有幫助 。 對(duì)協(xié)議編程的全面支持 支持 400 多個(gè)庫函數(shù)以及書寫風(fēng)格簡潔的協(xié)議模型。另外， OPNET 在 Windows 平臺(tái)下還支持和編程語言 VC 的聯(lián)合調(diào)試。 基于 OPNET 的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由仿真與研究 10 開始 定義輸入和輸出 確定系統(tǒng)模型 確定運(yùn)行仿真 選擇需要建模的方面 理解仿真目的 理解系統(tǒng) 系統(tǒng)結(jié)果精確？ 是 結(jié)果足夠詳細(xì)？ 結(jié)果統(tǒng)計(jì)可用？ 否 否 否 結(jié)束 基于 OPNET 的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由仿真與研究 11 圖 16 OPNET 仿真流程圖 第二章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由研究 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由概述 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)的路由具有很大的差別。由于其應(yīng)用相關(guān)性，單一的路由協(xié)議不能滿足各種應(yīng)用需求 ,因而研究人員提出了多種不同的路由協(xié)議。 可擴(kuò)展性 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用決定了它的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模不是永遠(yuǎn)不變的，而且很容易造成拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)發(fā)生變化，所以要求路由協(xié)議有可擴(kuò)展性，可以適應(yīng)結(jié)構(gòu)的變化。 本文根據(jù)不同的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)傳輸模型 ,對(duì)目前的路由協(xié)議作 了以下四種分類：廣播式路由協(xié)議、坐標(biāo)式 路由協(xié)議 、分簇式路由路由和 QoS 的路由協(xié)議，并對(duì)各類路由協(xié)議進(jìn)行了分析。 具體實(shí)現(xiàn)：節(jié)點(diǎn) A 希望發(fā)送數(shù)據(jù)給節(jié)點(diǎn) B，節(jié)點(diǎn) A 首先通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)的副本傳給其每一個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)，每一個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)又將其傳給除 A 外的其他的鄰居節(jié)點(diǎn)，直到將數(shù)據(jù)傳到 B為止或者為該數(shù)據(jù)設(shè)定的生命期限變?yōu)榱銥橹够蛘咚泄?jié)點(diǎn)擁有此副本為止。 具體實(shí)現(xiàn)：首先是興趣消息擴(kuò)散，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都在本地保存一個(gè)興趣列表，其中專門存在一個(gè)表項(xiàng)用來記錄發(fā)送該興趣消息的鄰居節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)發(fā)送速率和時(shí)間戳等相關(guān)信息，之后建立傳輸梯度。同 時(shí)，基站或者匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送的查詢消息也會(huì)沿著隨機(jī)路徑在網(wǎng)絡(luò)中傳播。 SPIN（ Sensor Protocols for Information via Negotiation） W. Heinzelman 等人提出的一種自適應(yīng)的 SPIN 路由協(xié)議。 GEAR（ Geographical and Energy Aware Routing） Y. Yu 等人提出了 GEAR 路由協(xié)議，即根據(jù)時(shí)間區(qū)域的地址位置，建立基站或者匯聚節(jié)點(diǎn)到時(shí)間區(qū)域的優(yōu)化路徑。如果數(shù)據(jù)包已經(jīng)到達(dá)目標(biāo)區(qū)域，利用遞歸的地理傳遞方式和受限的擴(kuò)散方式發(fā)布該數(shù)據(jù)。建立好系統(tǒng)之后，利用虛擬極坐標(biāo)算法發(fā)送消息，即節(jié)點(diǎn)收到消息檢查是否在 自己的角度范圍之內(nèi)，不在就向父節(jié)點(diǎn)傳遞消息，直到消息到達(dá)包含目的位置角度的節(jié)點(diǎn)。關(guān)鍵是利用某些知道自己位置信息的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)確定全局坐標(biāo)系及其他節(jié)點(diǎn)在坐標(biāo)系中的位置。二是使用兩個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)