基于分级的无线传感器层次安全路由算法

0引言

无线传感器网络（Wireless Sensor Network， WSN）是由大量无处不在的、具有无线通信与计算能力的微小传感器节点构成的自组织分布式网络系统，是能根据环境自主完成指定任务的“智能”系统。它以“数据为中心”，只具有有限的计算能力、有限的存储能力、有限的无线通信能力和有限的电源供应能力，如何在这样有限的资源环境下获取尽可能多的、有效的感知对象的特征信息，并传输到用户节点进行处理，是目前研究的重点问题，这些问题都可以归结为传感器网络的路由协议问题[1]。即要有一个好的路由方案以尽量降低能耗，延长网络生存时间同时保证网络的安全保密。文献[2]中提出了WSN中的安全协议应该遵循的原则：1）尽量避免使用交互的安全协议；2）避免信息的分段传输；3）支持敏感传感信息的内网处理；4）有较高的容错性能。

WSN可以分为同构和异构网络。最近研究表明，基于异构的WSN可以更好地发挥网络的性能，从而延长网络的生命周期[3]。LEACH（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy）[4]是第一个基于多簇结构的路由协议，其成簇思想贯穿于其后提出的很多协议中。LEACH是为WSN设计的低功耗自适应聚类路由算法，与一般的以数据为中心的路由协议和基于位置的路由协议相比，LEACH可以将网络生命期延长15%，主要通过随机选择簇头节点，平均分担中继通信业务来实现。LEACH通过分布式的成簇技术、自适应的成簇算法以及簇头位置的轮换算法，保证了所有节点公平地承担能量消耗的负担，最终可以延长整个系统的生命期。但是其仅仅关注传感器网络的簇头选择和每个节点能量的有效利用，并未考虑安全问题。为此，Nasser等[5]提出安全的多路径路由协议（Sesure and EnergyEfficient multipath Routing protocol， SEER），该协议首次综合考虑路由协议的安全性和能量的损耗，使用基站寻找从源节点到目的节点的多条路径，此协议中路由的组织过多地依靠基站。Shu等[6]提出安全的随机多路径路由协议，该协议在发现多条路径的同时具有较低的能量开销。由于其随机性，网络中信息的错误率较高。大多数分层传感器网络的路由协议均结合密钥算法提供安全服务。文献[7]提出了一种基于动态分簇的异构传感器网络安全路由协议，该协议在优先考虑能耗问题的基础上，通过多种安全机制实现密钥协商和节点认证以及高效的密钥更新；但其在有关安全数据融合方面缺乏考虑。本文在经典的LEACH算法的基础上提出基于分级的层次安全路由方案。方案的核心是基于级别的分簇和基于级别的密钥管理方案。方案的详细内容包括以下几个方面。