【正文】 ）仿真啟動后，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，若本節(jié)點是簇頭節(jié)點，則調(diào)用advertiseClusterHead函數(shù)來廣播本節(jié)點為簇頭的消息；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），對基站的變量進行賦值；（5）；（6），如果本節(jié)點是簇頭節(jié)點，將拋棄該數(shù)據(jù)包，否則，非簇頭節(jié)點則會把該消息中的簇頭ID和簇內(nèi)編碼加入到本節(jié)點的候選簇頭集合中；（7），然后發(fā)送消息通知要加入的簇頭節(jié)點，調(diào)用informClusterHead函數(shù)通知簇頭節(jié)點，即成為該簇頭的成員節(jié)點； （8）簇頭調(diào)用createSchedule函數(shù)為各個成員節(jié)點分配數(shù)據(jù)傳輸時隙；（9）簇內(nèi)成員節(jié)點通過recvADV_SCH函數(shù)接收簇頭發(fā)送來的時隙數(shù)據(jù)，使用sendData函數(shù)向簇頭節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，此時簇頭使用recvDATA函數(shù)接收簇內(nèi)成員節(jié)點發(fā)來數(shù)據(jù)；（10）當簇頭判斷出接收數(shù)據(jù)是本簇內(nèi)的最后一個成員節(jié)點時，簇頭使用自己的時隙對接收到的感應(yīng)數(shù)據(jù)進行融合，并發(fā)送給基站；（11）基站接收來自簇頭的融合數(shù)據(jù)，當下一輪的時間到達，簇頭節(jié)點停止接收數(shù)據(jù)，再通過T(n)重新選出簇頭節(jié)點。用戶使用NS2進行一次仿真的步驟大致如圖41所示[6]：（1）在NS2中對網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)編寫OTCL腳本進行配置；（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對象。NS2由事件調(diào)度器、網(wǎng)絡(luò)元素對象庫和網(wǎng)絡(luò)設(shè)置模型庫三個主要部分組成，其中網(wǎng)絡(luò)元素對象包括節(jié)點(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、鏈路、代理同時繼承了NS Object和事件處理器類，處理多項事務(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)點向簇頭節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，還是簇頭向基站節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，它們都是經(jīng)過密鑰加密過的，因此，能夠很好的實現(xiàn)數(shù)據(jù)的機密性。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)點將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給簇頭節(jié)點，簇頭節(jié)點先將簇中所有節(jié)點采集的數(shù)據(jù)進行信息融合后再傳輸給匯聚節(jié)點。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)傳輸兩個階段。每個節(jié)點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制的算法[20]，該算法根據(jù)節(jié)點的覆蓋范圍和工作時間設(shè)置休眠節(jié)點，并通過輪換休眠節(jié)點來優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)節(jié)點任務(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)點與節(jié)點之間只有通過了認證才能夠進行通信，不管節(jié)點的能量有多大，如果沒有認證通過，它們是不能加入到網(wǎng)絡(luò)中的。 INSENS加入入侵容忍機制是INSENS（IntrusionTolerant Routing in Wireless Sensor Networks）協(xié)議的特點，即網(wǎng)絡(luò)中不會因為存在被攻擊者捕獲的節(jié)點而影響整個網(wǎng)絡(luò)的運行。該協(xié)議將數(shù)據(jù)通信微型化到各個簇內(nèi)，實現(xiàn)短距離通信。TESLA與安全機密協(xié)議SNEP組成。前者結(jié)構(gòu)簡單易于實現(xiàn)，可擴展性強，但隨著節(jié)點數(shù)目的增多容易使網(wǎng)關(guān)節(jié)點負載過重，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)的能量消耗被分攤到各個節(jié)點，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)點進行互相通信時，首先向密鑰分配中心發(fā)送請求，繼而密鑰分配中心就為需要進行通信的雙方分配一個會話密鑰，并用它與節(jié)點間共享的密鑰加密該會話密鑰，然后發(fā)送給相應(yīng)的節(jié)點，最后傳感器節(jié)點為了獲取它們之間用于通信的會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：機密性、完整性、新鮮性、可擴展性、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，這些都將對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的可用性造成直接的威脅。（8）時鐘同步性（time synchronization）為了節(jié)省網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中能量的消耗，避免節(jié)點長期處于工作狀態(tài)，因此，需要一個可靠的時鐘同步機制來控制節(jié)點何時工作、何時休眠。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?，其安全需求主要體現(xiàn)在以下幾個方面[15]：（1）機密性（confidentiality）在傳輸之前，應(yīng)采用有效的密碼系統(tǒng)對消息進行加密，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)點密集、成本低且隨機分布，它擁有較好的組織性和容錯力，遇惡意攻擊，系統(tǒng)不會因為某些節(jié)點的毀壞而失效，另外在惡劣的環(huán)境中，軍方可以運用飛機往戰(zhàn)場空投無數(shù)廉價微型傳感器，將實時監(jiān)測到的環(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)點資源有限，使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)不得不考慮節(jié)點遭受例如竊聽、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)鏈路層的工作重點是數(shù)據(jù)流復(fù)用，數(shù)據(jù)監(jiān)測，介質(zhì)訪問和誤差控制。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(yīng)用時首要考慮的問題。 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)。WSNs在安全機制方面的設(shè)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]。國外學者在無線傳感器網(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(luò)安全方案 SPINS[2]較為實用，被廣泛接受，它分為SNEP和μTESLA兩個部分。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳感器節(jié)點的安全將直接影響整個網(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)自組織方式進行通訊，用大量成本低、功耗低的傳感器節(jié)點部署網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。它是一個無線自組織網(wǎng)絡(luò)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(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)點結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)以網(wǎng)絡(luò)節(jié)點為組成單元，節(jié)點一般由四個部分組成：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(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)自身拓撲結(jié)構(gòu)和與其相關(guān)的路由算法。（2）網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)靈活多變網(wǎng)絡(luò)中各站點間彼此錯綜連接構(gòu)成拓撲結(jié)構(gòu)，然而傳感器節(jié)點或許會因為能量耗盡或發(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，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)拓撲的變化。由于節(jié)點分布范圍廣，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，讓其與網(wǎng)絡(luò)連接，設(shè)定屋內(nèi)的溫度、濕度、光線強弱等無線傳感器節(jié)點，從而對空調(diào)、門窗以及其他家電進行自動控制，帶給人們便捷和更具人性化的家居環(huán)境。 第四章：借助NS2仿真平臺對LEACH算法與改進后的算法進行對比實驗分析。（6）認證問題（authentication）包括點到點、組播、廣播認證。這些對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全機制來說無疑是巨大的挑戰(zhàn)。Sybil攻擊會導致網(wǎng)絡(luò)路由的混亂，影響傳感器節(jié)點對數(shù)據(jù)的存儲、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，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)點上，然后在部署階段利用存儲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)點通過單跳或者多跳的方式傳送到目的節(jié)點的最優(yōu)路徑方案，其路由協(xié)議性能的好壞將直接影響整個網(wǎng)絡(luò)性能的優(yōu)劣。181。一個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)點通過廣播方式告知整個傳感器網(wǎng)絡(luò)，然后簇頭節(jié)點為簇中的其他節(jié)點利用TDMA方式分配數(shù)據(jù)傳輸所用的時間片。節(jié)點一旦接收到基站發(fā)送的路由請求信息，就會將其保存的本地路由信息發(fā)送給基站；基站對收到的拓撲信息進行驗證，然后單播路由表到每個傳感器。CSRP協(xié)議采用隨機密鑰對實現(xiàn)點到點之間的身份認證，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測機制能發(fā)現(xiàn)并拋棄惡意節(jié)點，保護合法節(jié)點，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)點間能量的消耗。目的節(jié)點通過消息認證碼校驗源節(jié)點的真實性，認證后，目的節(jié)點產(chǎn)生一個加密的應(yīng)答消息，沿著相反的路徑傳給匯聚節(jié)點。 （2）簇的形成；當節(jié)點決定它要加入哪個簇以后，通過 CSMA/MAC協(xié)議把該消息傳遞給該簇頭，表明該節(jié)點將會成為該簇內(nèi)的成員。 SELEACH算法LEACH 協(xié)議中最主要的不足點是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號進行匹配就可以確定該候選簇頭節(jié)點的合法性，判斷是否為非法節(jié)點，即完成了身份認證。用戶可以通過OTCL類來訪問C++對象的成員函數(shù)和變量。一個Agent連接到一個Node上，由該Node給它分配一個端口號(Port)。MITuAMPS的LEACH協(xié)議實現(xiàn)中程序文件間的關(guān)系為：(入口文件)(LEACH路由協(xié)議文件)(移動節(jié)點類文件)。 if {$bs_node == 1} { set agent [new Agent/BSAgent] } else { set agent [new Agent/RCAgent]}在decideClusterHead中檢查節(jié)點是否存活，如果節(jié)點死亡，則將其設(shè)置為死亡節(jié)點并移出信道，來減少存活節(jié)點的數(shù)目。實驗參數(shù)設(shè)定：監(jiān)測區(qū)域大小為100m*100m，傳感器節(jié)點總數(shù)為100個，基站默認位置為（50,150），每輪期望的簇頭數(shù)為5個，傳感器節(jié)點初始能量為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，每輪時間為20s，消息長度為500byte，建立時間（穩(wěn)定時間）為1:19。 } { simtime = $1。 sum[countcyl]=packetsum。 //記錄當前最后的時間time[0]=0。}if (simtime==lasttime ) { if (nodeenergy) { energysum=energysum+nodeenergy。}生存時間AWK：BEGIN { countcyl=0。 statenode = $3。i=countcyl。 lasttime=simtime。 lasttime=0。nodeenergy = $3。 //存儲各分段時間對應(yīng)的消耗的能量}{simtime = $1。 for(i=0。 packet = $3。（1）在leach_ ：//創(chuàng)建一個loss_ module，并將其分組錯誤率置為80%set loss_ module [newErrorModel]$loss_ module set rate_ //error單位：分組(默認)$loss_ module ranvar [newRandom Variable/Uniform]//為丟失的分組設(shè)置target$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)文件用于計算距離)、(統(tǒng)計信息文件用于統(tǒng)計數(shù)據(jù))。在實際的仿真過程中，Pack