無線傳感器網絡中的能量高效多路徑路由協議

摘要：無線傳感器網絡中能量高效路由協議的目標是盡可能延長網絡生存時間。多路徑路由協議可以使網絡流量在多條節點不相交路徑間均衡分配，從而可以有效增加網絡壽命。另外，安全的數據傳輸也成為WSN廣泛應用所必須的重要提前。本文提出一種無線傳感器網絡中基于數字簽名的能量高效多路徑路由協議。

關鍵詞：無線傳感器網絡多路徑路由協議數字簽名

1概述

在無線傳感器網絡資源受限的環境中將感知數據從源節點安全、有效地傳輸到匯聚節點具有一定挑戰。很多研究嘗試解決資源受限的WSN環境中的數據轉發問題。這些研究選擇源和匯聚節點之間能夠滿足資源受限（如能量、帶寬和計算能力）需求的最優路徑，并考慮最小跳數、最小傳輸代價和最大剩余能量等方面因素來進行數據轉發。還有一些路由協議試圖在數據轉發過程中通過減少節點能量消耗來增加網絡壽命。然而，這些方式在能量利用效率等方面性能均低于多路徑路由協議。多路徑路由協議搜索源和匯聚節點之間所有的可用路徑。

由于數據被分配在多條路徑上傳輸，所以傳輸能耗也相應地被均衡到不同的路徑上。多路徑路由協議通過基于有效的負載均衡機制在不同路徑中分配數據傳輸量以此更大程度地均衡網絡能量，增加數據傳輸的可靠性，保證QoS需求，以及適應WSN資源受限的特性。

另外，WSN中路由協議很容易受到惡意節點的安全威脅。特別地，容易遭受多種網絡攻擊，如篡改攻擊、選擇轉發攻擊、污水池攻擊和女巫攻擊等。本文提出一種安全和能量高效的節點不相交多路徑路由協議———EEMRP。EEMRP是匯聚節點發起的主動路由協議。協議基于最大路徑效用原則確定源和匯聚節點之間的主路徑和備用路徑，從而有效均衡網絡能量，延長網絡壽命以及實現應用所需的QoS保證。EEMRP采用橢圓曲線密碼和MD5確保數據傳輸的私密性、完整性、認證性和不可否認性。它能有效抵御WSN中篡改攻擊、路由轉發攻擊和污水池攻擊等各種攻擊。

2能量高效節點不相交多路徑協議（EEMRP）

2.1模型假設對本模型進行如下假設。

①假設WSN網絡為無向連接圖G（V，E），其中，V是節點集合，E是邊集合。如果節點i和j能夠互相通信，則鏈路（i，j）∈E。②網絡中包括傳感器節點、網關節點和匯聚節點三類節點，所有節點隨機部署。其他節點通過多跳方式向匯聚節點發送信息。③根據通信距離、傳感器節點數量和地理位置，將網絡劃分為簇結構。每個簇中包含且僅包含一個負責數據融合和節點管理的網關節點，網關節點能量遠遠大于傳感器節點。所有傳感器節點均具有相同的能量，相同的感知、計算和通信能力。匯聚節點的能量和處理能力不受任何限制。④每個傳感器節點都具有固定的傳輸范圍R。網絡中源節點和匯聚節點之間有多條節點不相交路徑，源節點基于最大路徑效用原則選擇到達匯聚節點的主路徑和備用路徑。⑤每個節點都具有唯一的私鑰和公鑰，且均可以使用MD5算法。

2.2 EEMRP路由生成EEMRP是一種基于簇結構的主動式節點不相交多路徑路由協議。EEMRP由匯聚節點發起路由生成過程。在路由生成階段，節點通過交換路由建立數據包（RFP）搜索到達匯聚節點的所有節點不相交路徑，同時建立并維護路由表。

如果到達匯聚節點的大量路徑以某節點Ni作為中間節點或者Ni處理數據量較大，則相應地，Ni的能量消耗也會較高。因此，為了更大化路徑效用，均衡節點能耗及延長網絡壽命，同時保證路徑具有低時延、高可靠和高吞吐量性能，EEMRP中每個節點基于最大路徑效用原則從多條節點不相交路徑中選擇主路徑。最大路徑效用原則考慮了路徑能耗、節點剩余能量和鏈路時延等重要參數。為了確定路徑效用，每個節點需對這些參數進行測量和估計。如果路徑效用低，則表明由于路徑上節點剩余能量不足或路徑能耗較高等原因，此路徑不適合作為主路由路徑。

路由建立具體過程如下：

①匯聚節點向所有網關節點組播RFP數據包，啟動路由生成過程。

②每個網關節點將RFP跳數設為1，并廣播RFP。

③對于接收到RFP的傳感器節點，如果路由表中不存在到匯聚節點的路徑，則轉到步驟⑤，否則繼續。

④傳感器節點計算自己的節點效用Nutility并檢查RFP。如果其跳數大于路由表中的跳數或者其節點效用低于效用閾值，則丟棄數據包，否則繼續。

⑤傳感器節點存儲并更新RFP：a將跳數加1；b更新前向節點ID并其加入到路徑中；c更新路徑效用；d更新路由表。

⑥這個過程重復到所有傳感器節點都建立了用于存儲到達匯聚節點路徑的路由表。

其中，每個節點按照公式（1）計算自己的節點效用。

RFP中路徑效用為后向路徑中所有節點效用總和與最小節點效用連接值。前者為低16位，后者為高16位。設路徑效用值為x，則效用閾值

N軓utility=k×（（x>>16）0xFFFF）

如果節點接收RFP，則需更新RFP的路徑效用x，具體方式為：

2.3 EEMRP數據傳輸與自適應成簇設k是節點j和匯聚節點之間的路徑數，m是路徑Pi上節點的數目。搜索到到達匯聚節點的所有路徑后，節點基于最大路徑效用原則選擇最優主路徑，其綜合考慮了路徑上節點效用總和及最小節點效用兩個因素。

為了選擇最優的主路徑，節點首先計算各路徑的路徑效用PCi=a*（x>>16）+b*（x0xFFFF）。其中，a+b=1；a、b為恒定平滑因子。為了較好的反映當前路徑效用情況，本文將a設為0.7。路徑效用既考慮了路徑瓶頸問題———最小節點效用，同時也考慮了路徑效用整體最大化。最終，節點選擇路徑效用最大的路徑作為到達匯聚節點的主路徑，即PP=max{PCi，其中，i∈k}。

這意味著主路徑能夠處理最多的數據流并且路徑上不會有單個節點過早死亡。主路徑是所有節點不相交路徑中最可靠的路徑。

EEMRP根據定義1和定義2實現自適應成簇。

定義1（簇的定義）設網絡中網關節點數目為m，則將網絡中除匯聚節點外的所有節點劃分為m個簇。每個簇有且僅有一個網關節點；網關節點作為各簇的簇首，負責簇內節點管理、數據融合和路由轉發等功能。

定義2（自適應成簇）EEMRP中路由生成過程由匯聚節點發起，且RFP均經由網關節點發送到傳感器節點。因此，到達匯聚節點的任意路徑都至少包含一個網關節點。源節點自動加入距離最近的網關節點為簇首的簇。簇首負責簇內傳感器節點管理，數據融合及數據轉發等功能。每個源節點都有到達匯聚節點的唯一主路徑，由于每條主路徑上有且僅有一個距離源節點最近的網關節點，因此，網絡中所有節點均能自適應的加入唯一的一個簇中，從而，完成網絡的自動成簇。

主路徑確定后，源節點沿主路徑將感知信息發送給匯聚節點。由于主路徑上的節點需要承擔路由功能，所以它會比其他節點消耗更多的能量和系統資源。為了更大程度地均衡網絡能耗及保證數據傳輸的可靠性，主路徑需定期更新和維護。EEMRP基于兩個定時器Timer1和Timer2實現主路徑的更新。Timer1時間到達時，采用備用路徑作為主路徑。Timer2時間到達時進行基于局部查詢的路由更新或全網路由更新。

3 EEMRP的安全性

公鑰密碼體制是基于非對稱密鑰對（公鑰和私鑰）的密碼體制。它的顯著優點是無需密鑰分發便能保證數據傳輸的機密性，它通常能夠更好的適用于開放的多用戶環境。與公鑰密碼體制對應的是對稱密鑰密碼體制，它常用于WSN環境。然而，對稱密鑰密碼體制需要節點之間協商共享密鑰對，密鑰的協商和管理會增加網絡的控制開銷。

公鑰密碼體制可以保證數據傳輸的私密性、完整性和認證性。之前，很多學者認為公鑰密碼體制較高的計算開銷和能量消耗使其應用于WSN顯得不切實際。然而，最近一些學者證明，經過良好的設計公鑰密碼體制也可以配置在資源受限的傳感器網絡設備上。目前，不少研究者試圖使用公鑰密碼體制解決WSN中的安全問題。

EEMRP致力于保證數據傳輸的私密性、完整性、認證性和不可否認性。EEMRP的安全性基于橢圓曲線密碼和MD5實現。橢圓曲線密碼（ECC）僅需輕量級的計算開銷和能量消耗便可保證數據傳輸的安全性，非常適合特殊的WSN環境。

在EEMRP路由建立階段，匯聚節點向鄰節點廣播RFP。收到RFP后，如果選擇轉發RFP，則在轉發之前鄰節點先使用自己的公鑰更新RFP，然后再向它的鄰節點廣播REP。基于此過程，網絡中所有節點均可獲知其鄰節點的公鑰。

如果驗證正確，則鄰節點接受消息；否則，拒絕消息并生成路由錯誤數據包通知發送者消息已被改變。主路徑上每跳的源和目的節點都執行此過程。

網關節點接收并驗證數據簽名后，使用私鑰對消息M解密。經過數據融合和數據壓縮等處理后，網關節點將從簇內傳感器節點收集的感知數據統一發送給匯聚節點。最終，EEMRP能夠保證無線傳感器網絡數據傳輸的私密性、完整性、認證性和不可否認性。

4仿真與分析

使用NS2.35實現了EEMRP。仿真范圍為400*400m2，網絡中共有50到500個節點，采用802.15.4 MAC層協議和TwoRayGround傳播模型。在包轉發率、端到端延遲和平均能量消耗方面將EEMRP與經典的DSR相比較。

4.1包轉發率與DSR相比，EEMRP包轉發率總是更高，即EEMRP中數據包丟失率總是小于DSR。這是因為EEMRP基于最大路徑效用原則從路由表中選擇主路徑，最大路徑效用原則考慮了節點隊列長度和鏈路質量等因素。如果路徑上節點隊列已占用率較大或鏈路質量較差，則選擇該路徑作為主路徑的幾率就會相應減小。因此，EEMRP能夠更為有效地避免因隊列占滿或無線信道惡劣而引起的數據包丟失。

4.2端到端延遲端到端延遲包括數據傳輸過程中所有可能出現的延遲，如緩沖延遲、排隊延遲、MAC層的數據轉發延遲以及數據傳輸延遲等。當源節點向匯聚節點發送數據時，DSR和EEMRP分別產生的端到端延遲情況。與DSR相比，EEMRP的端到端延遲更小。這是由于EEMRP中所有節點均建立并維護節點不相交多路徑路由表，到達匯聚節點的路徑直接可用。而DSR是被動式多路徑路由協議，當有數據需要傳輸時，需先啟動路由發現過程，所以其端到端延遲會更大。另外，EEMRP在選擇主路徑時考慮到了鏈路延遲等因素，因此，與DSR相比，EEMRP端到端延遲會有明顯減少。當節點數分別為50和500時，DSR端到端延遲分別為0.917s和4.678s，而EEMRP端到端延遲僅分別為0.197s和2.078s。EEMRP比DSR平均延遲減少了44.17%。

4.3平均能量消耗無線傳感器網絡中平均能量消耗是評估路由協議性能的重要參數之一。與DSR相比，EEMRP平均能量消耗更少。EEMRP是主動式路由協議。在路由生成過程中，每個節點建立維護路由表并以節點剩余能量和路由能量消耗為重點考慮來確定到達匯聚節點的主路徑。因此，與DSR相比，EEMRP路由能量消耗大大減少，平均能量消耗減少了79.1%。

4.4安全性分析EEMRP協議能夠有效抵御篡改攻擊、女巫攻擊、選擇轉發攻擊和污水池攻擊等各種攻擊。EEMRP采用公鑰密碼體制實現數據加密及點對點消息認證。如果接收節點能夠驗證數據簽名的正確性，則可以有效確保消息傳輸的完整性、認證性和不可否認性。因此，EEMRP可以有效抵御篡改攻擊。另外，由于EEMRP中每個節點都知道其鄰節點信息并且主路徑選擇由源節點完成，惡意節點沒有機會形成黑洞從而惡意丟棄數據包或改變網絡數據流特征。因此，EEMRP能夠有效抵御選擇轉發攻擊和污水池攻擊。對于共謀攻擊，EEMRP也能有效防范。這是因為EEMRP中路由生成過程由匯聚節點發起，最優主路徑由源節點基于最大路徑效用原則來選擇，從而可以有效避免路由環路的生成及多個被俘節點聯合進行共謀攻擊?？梢?，EEMRP由于其路由原理及公鑰密碼體制的采用，大大提高了協議的安全性能。

5結束語

本文提出安全能量高效節點不相交多路徑路由協議EEMRP。協議中源節點和匯聚節點之間主路徑的選擇考慮了節點剩余能量、路由能量消耗以及緩存利用率等重要因素，從而有效提高了路由的可靠性，延長了網絡壽命。EEMRP中網絡節點可以自適應成簇，進一步提高了協議的可擴展性，在網絡規模較大時仍能保證較好的網絡性能。仿真結果顯示，EEMRP性能比DSR更為優越。另外，EEMRP基于橢圓曲線密碼體制和MD5實現加密和數字簽名，從而更好地保證了網絡的安全性。EEMRP能夠有效抵御篡改攻擊、選擇轉發攻擊和女巫攻擊等各種攻擊。一種具有鏈路可靠性的能量及QoS預測機制仍待進一步研究。

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