一種基于時空相關性的WSN安全路由協議

寧林

（電子科技大學中山學院，中山528402）

一種基于時空相關性的WSN安全路由協議

寧林

（電子科技大學中山學院，中山528402）

針對現有無線傳感器網絡中存在的許多路由協議僅考慮節能因素而沒考慮安全因素，而那些專門為安全而設計的路由協議存在開銷較大、算法復雜等問題，提出一種安全節能的分簇路由協議TLEACH-STC。該協議在TLEACH的基礎上，利用WSN中數據之間具有的時空相關性，使上述問題得到很好的平衡。實驗結果表明該協議的有效性。

無線傳感器網絡；TLAECH協議；時空相關性

0　引言

無線傳感器網絡（Wireless Sensor Networks，WSN）中能源和安全一直是困擾研究人員的兩個重要問題。因此，如何解決這兩個問題是當前WSN的研究熱點。例如，分簇能有效節約能量問題，如LEACH[1]、HEED[2]等都是分簇的路由協議；SPINS[3]、INSENS[4]、TLAECH[5]等都是基于安全提出的路由協議。

以上協議雖然具有較好的性能，但忽略了傳感數據之間具有的時空相關性[6]。實際上，一個傳感器節點可以同時采集多種數據，這些不同的數據之間具有空間相關性。同種數據中隨著時間的變換也會呈現出時間相關性。挖掘出傳感數據之間的這種時空相關性，可以大大地減少冗余信息。

因此，本文在TLEACH協議的基礎上提出了一種時空相關的TLEACH-STC協議，利用傳感數據之間存在的時空相關性來減少冗余數據，從而使協議在安全性和節能上達到很好的平衡。實驗結果表明，該協議通過利用數據之間的時空相關性，使得在安全和節能上達到了很好的平衡，具有有效性。

1　協議的設計與實現

在實際應用中，大量的傳感器節點連續采集數據，使得WSN具有時空相關性。由于WSN中節點的部署密度較大，往往使得空間上相近的傳感器節點檢測到同一事件，從而得到的觀測值具有很高的相關性。此外，由于傳感器節點連續性地采集數據，使得單節點在相近采樣時間上采樣到的數據具有很高的相關性。

針對TLEACH協議中簇頭選舉時忽視了節點當前的剩余能量和簇頭負載過重的缺點，利用傳感數據之間存在的時空相關性，提出了一種時空相關的TLEACH-STC協議，該協議可分為：區域劃分、簇頭選舉與成簇階段、簇頭更新與簇重建和數據傳輸。

1.1區域劃分

區域劃分又可分為以下步驟：

（1）由于第一輪具有時空相關性的數據無法辨別，所以第一輪仍使用TLEACH協議原有的方式成簇；

（2）基站通過分析由簇頭傳輸來的數據和對應ID，找出具有時空相關性的區域和對應ID，同時為各個具有時空相關性的區域分配一個特征值；

（3）基站對網絡節點發布消息，其中包括區域特征值和相應ID；

（4）每個節點分別對比自身ID以及目標ID，若自身ID屬于目標ID，則接收消息并將含有的區域特征值保存下來，同時把這一特征值添加到之后發送的消息內，若不屬于，則丟棄。

1.2簇頭選舉與成簇階段

（1）簇頭選舉

在1.1結束后，網絡進入簇頭選舉階段，可分以下步驟：

①各節點將含有區域特征值、剩余能量和ID的信息傳播給鄰居節點。

②各節點對比鄰居節點和自身的特征值，若相同，則把相應信息存儲在自身的鄰接表里；反之，則不接收。

③每個節點從其鄰接表里選出剩余能量最大的鄰節點發送消息，并宣布自己為簇頭。

（2）成簇階段

①收到簇頭信息的節點先比較簇頭信息里的區域特征值與自身的特征值。若相同，則接收；反之，則丟棄。如果在Ti里，節點接收到多個簇頭發來消息，則選擇信號強度最大的加入。

②若收到簇頭信息的節點本身是簇成員節點，則只需將該簇頭信息儲存在自身的簇頭鄰接表里；反之，則先需要將自身身份轉為簇成員節點，然后向源方發送加入消息。

③簇頭在接收到簇成員節點的加入請求之后，把相應信息添加至其簇成員列表里，再對簇成員節點發送確認信息。在接收到確認信息后，簇成員節點即加入簇，并等待信息發送。

④在K輪后，一級簇基本形成。此時，又需分為2種情況：

●若簇頭的簇頭鄰接表為空，則說明該數據相同區只有一個簇；

●反之，則說明數據相同區形成了多個簇，就要進行二級簇的建立。方法如下：

每個簇頭節點先直接向距離自己最近且剩余能量大于自己的鄰居簇頭發送加入消息，鄰居簇頭再返回確認信息，接著把相應二級簇成員節點添加至其二級簇成員列表里，同時把剩余能量最大的簇頭節點作為最后的二級簇頭節點。完成成簇階段后，各級簇頭將數據融合后把其傳送給基站。

1.3簇頭更新與簇重建

因為WSN中數據間具有時空相關性，所以具有時空相關性的區域在一定時間里沒有必要進行重新劃分。但基于簇頭節點相較普通節點耗能更大和為了延長整個網絡生存時間，本文采取對簇頭進行更新，并重新分簇，從而使得網絡能量均衡，以達到延長網絡生存時間的目的。可分為三種情況：

（1）對簇頭進行更新和重新分簇只要在具有相同時空相關性的區域內進行即可，所以只要把每個節點初始化為自由節點，然后從2.2開始進行；

（2）一段時間過后，一開始劃分的區域內一定會出現采集信息差異較大的節點，此時基站則需要分析區域是否需要重新劃分。若需要，則從2.1開始進行；

（3）當簇頭節點死亡時，才要重新分簇。若有新節點加入，新節點通過鄰居節點發送的消息自動分析確定自身的區域特征值。網絡再重新分簇，在選擇簇頭上對新加入的節點有優先權。

1.4數據傳輸

最后進入數據傳輸階段，簇頭和各簇成員均采取的是原有的TLEACH的方式。

簇成員節點在每次發送消息前先保存好收集到的信息，下一次給簇頭節點發送消息之前，先對比新收集到的信息與上次保存的信息，由于WSN中數據間具有時間相關性，所以在短時間內連續發送的信息相似度很高，于是節點只需要把必要的區域特征值等信息發送即可，而最后的信息只需要簇頭節點傳輸即可。對于有二級簇的區域，也只要二級簇頭節點發送數據消息。采用上述方式，可大大減少了冗余數據的傳輸，從而降低了能量消耗。

2　實驗與仿真

本文以MATLAB 7.0作為仿真工具，模擬了一個仿真場景，如圖1所示。假設200個傳感器節點隨機分布在200m×200m的區域內，Sink點離網絡較遠，位于（100,250）的位置，每個節點的初始能量一致，均為0.5焦耳（J）。

圖1　仿真場景圖

2.1網絡生存周期

圖2為TLEACH和TLEACH-STC協議的網絡生存周期對比圖。如圖2所示，TLEACH協議節點大概從第160輪開始失效，直至第800輪生存周期結束。而TLEACH-STC能較好地均衡能耗，在第240秒時才開始有節點失效，直至第1100輪時，才結束。可見由于TLEACH-STC考慮了時空相關性，并根據時空相關性分簇，可以大大減少了能耗，從而延長網絡生存時間。

2.2網絡總能耗

圖3為TLEACH和TLEACH-STC協議網絡剩余總能量對比圖。由圖3可以看出，TLEACH-STC協議的節點能量下降曲線比TLEACH協議平緩。經分析，主要是由于TLEACH-STC考慮了節點之間的時空相關性，從而在每輪通信中大量減少了冗余數據，降低了節點間的通信能耗。

3　結語

本文在TLAECH協議的基礎上，提出了一種時空相關的TEACH-STC協議，該協議利用傳感數據之間存在的時空相關性來減少冗余數據，實驗結果表明，該協議相對TLEACH協議具有更好的特性，使得在安全和節能上達到了很好的平衡。

圖2　網絡生存周期對比圖

圖3　網絡剩余總能量對比圖

[1]Heinzelman W,Chandrakasan A,Balakrishnan H.Energy-Efficient Communication Protocol for Wireless Microsensor Networks.In: Proc.of the 33rd Annual Hawaii Int'l Conf.on System Sciences.Maui:IEEEComputer Society,2000

[2]Younis O,Fahmy S.HEED:A Hybrid,Energy-Efficient,Distributed Clustering Approach for Ad Hoc Sensor Networks[J].IEEE Transactions on Mobile Computing,2004

[3]Perrig A,Sivalingam R,Wcn V,eta1.SPINS:Security Protocols for Sensor Networks[J].Wireless Networks，2002

[4]Deng J，Han R，Mishra S.INSENS:Intrusion-Tolerant Routing in W ireless Sensor Networks[J].Computer Communications，2006

[5]宋飛.無線傳感器網絡安全路由機制的研究[D].安徽:中國科學技術大學，2009

[6]Akyildiz IF,Vuran M C,Akan O B.On Exploiting Spatial and Temporal Correlation in Wireless Sensor Networks[C].Proc ofWiOpt, 2004

Wireless Sensor Networks;TLEACH Routing Protocol;Temporal-Spatial Correlation

A Secure Routing Protocol Based Tem poral-Spatial Correlation forW ireless Sensor Networks

NING Lin

（University of Electronic Science and Technology of China,Zhongshan Institute,Zhongshan 528402）

Introduces a new secure and energy saved routing protocol TLEACH-STC,it is focused on existing issues of protocols in wireless sensor networkswhat just considered energy saving only without security concern or designed for security only ignored large overheads and complex algorithm,so on.Considering temporal-spatial correlation of sensed data,this protocol is built up based on TLEACH protocol.It balances above existing issues of protocols in WSNs.Simulation results show that the new routing protocol is effective.

1007-1423（2015）16-0008-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.16.002

寧林（1988-），女，廣東信宜人，碩士研究生，助理實驗師，研究方向為無線傳感器網絡

2015-05-25

2015-06-01