【正文】 ）仿真啟動(dòng)后，主要是為了初始化LEACH協(xié)議用到的一些常量參數(shù)；（2），用于初始化基站用到的常量參數(shù)；（3），調(diào)用decideClusterHead函數(shù)通過T(n)來選擇出簇頭節(jié)點(diǎn)，若本節(jié)點(diǎn)是簇頭節(jié)點(diǎn)，則調(diào)用advertiseClusterHead函數(shù)來廣播本節(jié)點(diǎn)為簇頭的消息；否則調(diào)用findBestCluster函數(shù)，在候選簇頭集合中為該簇選擇最優(yōu)的簇頭；（4），對(duì)基站的變量進(jìn)行賦值；（5）；（6），如果本節(jié)點(diǎn)是簇頭節(jié)點(diǎn)，將拋棄該數(shù)據(jù)包，否則，非簇頭節(jié)點(diǎn)則會(huì)把該消息中的簇頭ID和簇內(nèi)編碼加入到本節(jié)點(diǎn)的候選簇頭集合中；（7），然后發(fā)送消息通知要加入的簇頭節(jié)點(diǎn)，調(diào)用informClusterHead函數(shù)通知簇頭節(jié)點(diǎn)，即成為該簇頭的成員節(jié)點(diǎn)； （8）簇頭調(diào)用createSchedule函數(shù)為各個(gè)成員節(jié)點(diǎn)分配數(shù)據(jù)傳輸時(shí)隙；（9）簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)通過recvADV_SCH函數(shù)接收簇頭發(fā)送來的時(shí)隙數(shù)據(jù)，使用sendData函數(shù)向簇頭節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，此時(shí)簇頭使用recvDATA函數(shù)接收簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)發(fā)來數(shù)據(jù)；（10）當(dāng)簇頭判斷出接收數(shù)據(jù)是本簇內(nèi)的最后一個(gè)成員節(jié)點(diǎn)時(shí)，簇頭使用自己的時(shí)隙對(duì)接收到的感應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，并發(fā)送給基站；（11）基站接收來自簇頭的融合數(shù)據(jù)，當(dāng)下一輪的時(shí)間到達(dá)，簇頭節(jié)點(diǎn)停止接收數(shù)據(jù)，再通過T(n)重新選出簇頭節(jié)點(diǎn)。用戶使用NS2進(jìn)行一次仿真的步驟大致如圖41所示[6]：（1）在NS2中對(duì)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)編寫OTCL腳本進(jìn)行配置；（2）綁定協(xié)議和建立通信業(yè)務(wù)量模型；（3）配置業(yè)務(wù)量模型參數(shù)，從而確定網(wǎng)絡(luò)上的業(yè)務(wù)量分布；（4）設(shè)置Trace對(duì)象。NS2由事件調(diào)度器、網(wǎng)絡(luò)元素對(duì)象庫和網(wǎng)絡(luò)設(shè)置模型庫三個(gè)主要部分組成，其中網(wǎng)絡(luò)元素對(duì)象包括節(jié)點(diǎn)(Node)、鏈路(Link)、代理(Agent)、業(yè)務(wù)追蹤(Trace)、數(shù)據(jù)包(Packet)和數(shù)據(jù)源(Data Source)等，節(jié)點(diǎn)、鏈路、代理同時(shí)繼承了NS Object和事件處理器類，處理多項(xiàng)事務(wù)。其具體算法流程圖如圖31所示：圖31 SELEACH協(xié)議流程圖 安全性分析在SELEACH協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸過程中，無論是簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)向簇頭節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，還是簇頭向基站節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，它們都是經(jīng)過密鑰加密過的，因此，能夠很好的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的機(jī)密性。耗能低且安全穩(wěn)定的層次型路由協(xié)議才能適應(yīng)WSNs實(shí)際應(yīng)用的需要，這也是WSNs研究的核心任務(wù)之一。 （4）數(shù)據(jù)傳輸階段；數(shù)據(jù)傳輸階段，傳感器節(jié)點(diǎn)將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給簇頭節(jié)點(diǎn)，簇頭節(jié)點(diǎn)先將簇中所有節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行信息融合后再傳輸給匯聚節(jié)點(diǎn)。圖31 LEACH協(xié)議的分簇示意圖如圖31所示，該協(xié)議將網(wǎng)絡(luò)工作周期劃分成“輪”[21]，每輪循環(huán)分為簇的建立和數(shù)據(jù)傳輸兩個(gè)階段。每個(gè)節(jié)點(diǎn)的信任表均由可用性A、密碼系統(tǒng)C、信任值T、信息包轉(zhuǎn)發(fā)P組成。 SRDCSRDC是一種基于角色休眠單元的任務(wù)調(diào)度和能量分配管理機(jī)制的算法[20]，該算法根據(jù)節(jié)點(diǎn)的覆蓋范圍和工作時(shí)間設(shè)置休眠節(jié)點(diǎn)，并通過輪換休眠節(jié)點(diǎn)來優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)任務(wù)，從而節(jié)約網(wǎng)絡(luò)能量延長網(wǎng)絡(luò)生存周期。CSRP協(xié)議中節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間只有通過了認(rèn)證才能夠進(jìn)行通信，不管節(jié)點(diǎn)的能量有多大，如果沒有認(rèn)證通過，它們是不能加入到網(wǎng)絡(luò)中的。 INSENS加入入侵容忍機(jī)制是INSENS（IntrusionTolerant Routing in Wireless Sensor Networks）協(xié)議的特點(diǎn)，即網(wǎng)絡(luò)中不會(huì)因?yàn)榇嬖诒还粽卟东@的節(jié)點(diǎn)而影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行。該協(xié)議將數(shù)據(jù)通信微型化到各個(gè)簇內(nèi)，實(shí)現(xiàn)短距離通信。TESLA與安全機(jī)密協(xié)議SNEP組成。前者結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)，可擴(kuò)展性強(qiáng)，但隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增多容易使網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)負(fù)載過重，不能應(yīng)用于大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能；后者網(wǎng)絡(luò)的能量消耗被分?jǐn)偟礁鱾€(gè)節(jié)點(diǎn)，這樣能夠充分利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量，從而有效地延長了網(wǎng)絡(luò)的生命周期，提高了網(wǎng)絡(luò)的性能。傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行互相通信時(shí)，首先向密鑰分配中心發(fā)送請(qǐng)求，繼而密鑰分配中心就為需要進(jìn)行通信的雙方分配一個(gè)會(huì)話密鑰，并用它與節(jié)點(diǎn)間共享的密鑰加密該會(huì)話密鑰，然后發(fā)送給相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)，最后傳感器節(jié)點(diǎn)為了獲取它們之間用于通信的會(huì)話密鑰再分別解密信息。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全防御措施，一種比較完善的安全解決方案應(yīng)該具備下列特征：機(jī)密性、完整性、新鮮性、可擴(kuò)展性、可用性、魯棒性等。拒絕服務(wù)攻擊[14]拒絕服務(wù)攻擊包括黑洞、資源耗盡、sinkhole、Wormhole和泛洪攻擊等，這些都將對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的可用性造成直接的威脅。（8）時(shí)鐘同步性（time synchronization）為了節(jié)省網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中能量的消耗，避免節(jié)點(diǎn)長期處于工作狀態(tài)，因此，需要一個(gè)可靠的時(shí)鐘同步機(jī)制來控制節(jié)點(diǎn)何時(shí)工作、何時(shí)休眠。為了能夠抵御各類型的攻擊和威脅，確保執(zhí)行任務(wù)的保密性、數(shù)據(jù)來源的可靠性、匯總?cè)诤系恼_性以及傳輸?shù)陌踩缘龋浒踩枨笾饕w現(xiàn)在以下幾個(gè)方面[15]：（1）機(jī)密性（confidentiality）在傳輸之前，應(yīng)采用有效的密碼系統(tǒng)對(duì)消息進(jìn)行加密，防止未經(jīng)授權(quán)者獲取消息的內(nèi)容。 本論文的組織結(jié)構(gòu)本文主要是圍繞無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議中典型的分簇路由協(xié)議——LEACH 協(xié)議進(jìn)行研究的，具體組織內(nèi)容如下：第一章：介紹與課題內(nèi)容相關(guān)的背景，論述課題的研究意義。例如無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)密集、成本低且隨機(jī)分布，它擁有較好的組織性和容錯(cuò)力，遇惡意攻擊，系統(tǒng)不會(huì)因?yàn)槟承┕?jié)點(diǎn)的毀壞而失效，另外在惡劣的環(huán)境中，軍方可以運(yùn)用飛機(jī)往戰(zhàn)場(chǎng)空投無數(shù)廉價(jià)微型傳感器，將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到的環(huán)境變化的數(shù)據(jù)、武器裝備的數(shù)量、敵方戰(zhàn)斗力等數(shù)據(jù)通過衛(wèi)星傳回基地，供指揮戰(zhàn)爭(zhēng)所用。（4）網(wǎng)絡(luò)安全性差無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用的主要技術(shù)為無線信道傳輸和分布式控制，其組網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)資源有限，使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)不得不考慮節(jié)點(diǎn)遭受例如竊聽、非法入侵、拒絕服務(wù)、截獲、偽造等一系列攻擊，特別是在一些信息機(jī)密性比較高的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，安全問題顯得尤為突出。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳輸層一般用于內(nèi)網(wǎng)與外網(wǎng)的鏈接。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)訪問和誤差控制。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)首要考慮的問題。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)無線傳感器網(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)。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]。國外學(xué)者在無線傳感器網(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，即通過冗余機(jī)制允許惡意節(jié)點(diǎn)威脅它周圍的少量節(jié)點(diǎn)，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(luò)安全方案 SPINS[2]較為實(shí)用，被廣泛接受，它分為SNEP和μTESLA兩個(gè)部分。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳感器節(jié)點(diǎn)的安全將直接影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的安全性和可用性。 clustering。第1章 緒論無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless Sensor Networks WSNs)通過網(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)。它是一個(gè)無線自組織網(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)過感知、采集和處理操作后的信息發(fā)送給觀察者。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)無線傳感器網(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]。低成本無線傳感器網(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。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。（2）網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活多變網(wǎng)絡(luò)中各站點(diǎn)間彼此錯(cuò)綜連接構(gòu)成拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，然而傳感器節(jié)點(diǎn)或許會(huì)因?yàn)槟芰亢谋M或發(fā)生故障等原因被丟棄，也有可能由于工作需要添加新的節(jié)點(diǎn)，還有可能由于無線通信鏈路帶寬變化或網(wǎng)絡(luò)改道需要重新分割并構(gòu)，這些都要求傳感器網(wǎng)絡(luò)具備良好的可重構(gòu)性，以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓?。由于?jié)點(diǎn)分布范圍廣，位置不可預(yù)知，采集到的信息量不均衡，數(shù)據(jù)涌向處理中心后一并集中，越接近處理中心結(jié)點(diǎn)就越繁忙，這就使得數(shù)據(jù)流量不均衡。 智能家居在家電或家具中嵌入傳感器節(jié)點(diǎn)，讓其與網(wǎng)絡(luò)連接，設(shè)定屋內(nèi)的溫度、濕度、光線強(qiáng)弱等無線傳感器節(jié)點(diǎn)，從而對(duì)空調(diào)、門窗以及其他家電進(jìn)行自動(dòng)控制，帶給人們便捷和更具人性化的家居環(huán)境。 第四章：借助NS2仿真平臺(tái)對(duì)LEACH算法與改進(jìn)后的算法進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)分析。（6）認(rèn)證問題（authentication）包括點(diǎn)到點(diǎn)、組播、廣播認(rèn)證。這些對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全機(jī)制來說無疑是巨大的挑戰(zhàn)。Sybil攻擊會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)路由的混亂，影響傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、處理、轉(zhuǎn)發(fā)。（1）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)部署前無法預(yù)知與其相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)部署知識(shí)，因此基于預(yù)分配方式的密鑰管理協(xié)議的基本思想是在無線傳感器部署之前，預(yù)存一定數(shù)量的密鑰在所有傳感器節(jié)點(diǎn)上，然后在部署階段利用存儲(chǔ)的信息生成所需的密鑰。密鑰的初始化分發(fā)和管理一般都由簇頭主持，協(xié)同簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)共同完成。 幾種典型的路由協(xié)議及其安全性分析路由協(xié)議是數(shù)據(jù)分組從源節(jié)點(diǎn)通過單跳或者多跳的方式傳送到目的節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)路徑方案，其路由協(xié)議性能的好壞將直接影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)性能的優(yōu)劣。181。一個(gè)周期包括簇的建立和數(shù)據(jù)傳輸，簇頭選出以后，簇頭節(jié)點(diǎn)通過廣播方式告知整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)，然后簇頭節(jié)點(diǎn)為簇中的其他節(jié)點(diǎn)利用TDMA方式分配數(shù)據(jù)傳輸所用的時(shí)間片。節(jié)點(diǎn)一旦接收到基站發(fā)送的路由請(qǐng)求信息，就會(huì)將其保存的本地路由信息發(fā)送給基站；基站對(duì)收到的拓?fù)湫畔⑦M(jìn)行驗(yàn)證，然后單播路由表到每個(gè)傳感器。CSRP協(xié)議采用隨機(jī)密鑰對(duì)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)到點(diǎn)之間的身份認(rèn)證，若偽造身份則無法辨別，在簇頭的選舉階段和數(shù)據(jù)通信階段引入雙向評(píng)測(cè)機(jī)制能發(fā)現(xiàn)并拋棄惡意節(jié)點(diǎn)，保護(hù)合法節(jié)點(diǎn)，因此CSRP協(xié)議能夠抵抗女巫攻擊。因此，通過輪換N1和N2的工作次序，既能避免發(fā)送重復(fù)性消息，也能均衡節(jié)點(diǎn)間能量的消耗。目的節(jié)點(diǎn)通過消息認(rèn)證碼校驗(yàn)源節(jié)點(diǎn)的真實(shí)性，認(rèn)證后，目的節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)加密的應(yīng)答消息，沿著相反的路徑傳給匯聚節(jié)點(diǎn)。 （2）簇的形成；當(dāng)節(jié)點(diǎn)決定它要加入哪個(gè)簇以后，通過 CSMA/MAC協(xié)議把該消息傳遞給該簇頭，表明該節(jié)點(diǎn)將會(huì)成為該簇內(nèi)的成員。 SELEACH算法LEACH 協(xié)議中最主要的不足點(diǎn)是LEACH協(xié)議并沒有考慮安全因素，致使網(wǎng)絡(luò)受到各種攻擊威脅，如女巫攻擊、泛洪攻擊、選擇性轉(zhuǎn)發(fā)攻擊、虛假信息攻擊等。待基站解密數(shù)據(jù)包后根據(jù)其內(nèi)置ID號(hào)進(jìn)行匹配就可以確定該候選簇頭節(jié)點(diǎn)的合法性，判斷是否為非法節(jié)點(diǎn)，即完成了身份認(rèn)證。用戶可以通過OTCL類來訪問C++對(duì)象的成員函數(shù)和變量。一個(gè)Agent連接到一個(gè)Node上，由該Node給它分配一個(gè)端口號(hào)(Port)。MITuAMPS的LEACH協(xié)議實(shí)現(xiàn)中程序文件間的關(guān)系為：(入口文件)(LEACH路由協(xié)議文件)(移動(dòng)節(jié)點(diǎn)類文件)。 if {$bs_node == 1} { set agent [new Agent/BSAgent] } else { set agent [new Agent/RCAgent]}在decideClusterHead中檢查節(jié)點(diǎn)是否存活，如果節(jié)點(diǎn)死亡，則將其設(shè)置為死亡節(jié)點(diǎn)并移出信道，來減少存活節(jié)點(diǎn)的數(shù)目。實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)定：監(jiān)測(cè)區(qū)域大小為100m*100m，傳感器節(jié)點(diǎn)總數(shù)為100個(gè)，基站默認(rèn)位置為（50,150），每輪期望的簇頭數(shù)為5個(gè)，傳感器節(jié)點(diǎn)初始能量為2J，無線通信消耗的能量為50Nj/bit，自由空間模型放大器的倍數(shù)為10pJ/bit/m2，數(shù)據(jù)融合所消耗的能量為2nJ/bit/signal，每輪時(shí)間為20s，消息長度為500byte，建立時(shí)間（穩(wěn)定時(shí)間）為1:19。 } { simtime = $1。 sum[countcyl]=packetsum。 //記錄當(dāng)前最后的時(shí)間time[0]=0。}if (simtime==lasttime ) { if (nodeenergy) { energysum=energysum+nodeenergy。}生存時(shí)間AWK：BEGIN { countcyl=0。 statenode = $3。i=countcyl。 lasttime=simtime。 lasttime=0。nodeenergy = $3。 //存儲(chǔ)各分段時(shí)間對(duì)應(yīng)的消耗的能量}{simtime = $1。 for(i=0。 packet = $3。（1）在leach_ ：//創(chuàng)建一個(gè)loss_ module，并將其分組錯(cuò)誤率置為80%set loss_ module [newErrorModel]$loss_ module set rate_ //error單位：分組(默認(rèn))$loss_ module ranvar [newRandom Variable/Uniform]//為丟失的分組設(shè)置target$loss_ module droptarget [new Agent/Null]（2）根據(jù)生成的trace文件編寫GAWK腳本，然后根據(jù)生成的AWK腳本，用GNUPLOT繪圖。amp。(鄰居資源類文件)、(資源敏感節(jié)點(diǎn)類文件)、(能量資源類文件)(資源管理類文件)、(基站應(yīng)用類文件用于執(zhí)行base station的功能)、(輔助函數(shù)文件用于計(jì)算距離)、(統(tǒng)計(jì)信息文件用于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù))。在實(shí)際的仿真過程中，Pack