一種新的物聯網能量感知多跳路由協議

殷彤麗

(烏魯木齊職業大學 職業教育研究所， 新疆 烏魯木齊 830002)

0 引言

無線傳感器網絡(WSN)由多個傳感器節點組成，這些節點以臨時和自組織的方式連接，以感測信息并將收集到的信息轉發到稱為基站(BS)或網關節點的中心位置。在傳統的網絡中，為了提高網絡的性能和發展，人們開發了不同的路由算法。由于物聯網(IoT)的結構在不可靠的無線環境中是復雜的、動態的，這樣的傳統算法不適合物聯網應用[1-2]。大多數無線傳感器網絡應用中，傳感器節點都是單獨工作的，并且暴露在各種安全威脅之下。雖然針對無線傳感器網絡開發了不同的安全路由協議[3-4]，但它們需要一些標準的加密和身份驗證方法，并導致高處理能力和路由成本[5-6]。此外，這種解決方案不考慮針對惡意節點的多點安全通信。因此，本文提出一種能量感知的安全多跳路由(energy-aware and secure multi-hop，ESM)協議，該協議是基于異或的秘密共享方案，通過異或運算在簇頭和基站之間提供多跳的數據保護，從而實現可靠的端到端連接，然后通過安全的中間節點提供能量有效性和可靠的轉發以抵御數據威脅。最終在對網絡節點進行定量分析的基礎上，實現了最小化路由中斷的路由維護方案。

1 ESM原理

在這里主要介紹了ESM的原理。整個ESM協議的框架如圖1所示。

圖1 ESM協議框圖

首先，根據距離因子將網絡節點分解為內部和外部區域。然后，利用k-最近鄰(k-NN)算法[7-8]，將每個區域內的節點組織成不同的簇。所有的集群都以層次結構的形式排列，以完成后續的數據路由。在這里，主要目的是平衡能量消耗和可靠數據轉發之間的關系，并提出一種安全的、節能的多跳路由方法來對抗惡意威脅。通過提出一種基于異或秘密共享方案的傳感器節點輕量化解決方案。此外，它不會給網絡帶來額外的計算開銷。在第三部分，執行路由維護以識別已構建路由路徑中的故障鏈路，并降低路由中斷和重新傳輸的機會。在這種情況下，所提出的協議基于可量化的度量重新調整轉發器，從而在提高路由可靠性的同時提高網絡壽命。

1.1 區域分區建設

將n個節點隨機分散，覆蓋監測面積。部署完成后，所有節點都將使用唯一標識進行固定。節點在特征上具有同質性和有限的約束，而網關節點具有最強大的特征，沒有資源限制。首先，BS以多跳的方式在傳感器區域發送其身份和位置信息。所有節點通過下一跳接收基站的信息，并將其存儲在路由表中。節點的路由表根據其鄰居條件進行更新。然后，根據與基站的動態距離閾值構造每個區域的邊界，如式(1)。

(β-1)α

(1)

式中，β表示區域β∈(1,2,…,n)；α表示預設距離。假設，對于第二個區域，即2區，β=2?α

圖2 內外部區域的生成和簇的形成

在該方法中，利用K-NN技術，通過使用距離函數將最近的鄰居分組到一個特定的簇中，并且計算量小。K值是通過使用特定區域中節點數的平方根來定義的。當每個區域被分解成不同的簇時，每個簇被賦予一個唯一的標識，以區別于其他簇。此外，為了降低網絡開銷，在每個簇內指定一個靠近質心的節點作為初始簇頭。基本上，質心是一個虛擬節點，位于簇的中間位置。設(n1,n2,n3,…,nk)是特定集群ci中的節點集。通過探測節點的空間位置，計算得到簇的質心c(x,y)，如式(2)。

(2)

式中，m表示群集中的節點總數。

1.2 基于(n,n)XOR的多跳安全數據路由秘密共享方案(SSS)

在將BS周圍的區域分割成不同的圓形區域Zβ后，最近的區域被指定為區域“Zβ=1”，然后是“Zβ=2”，依此類推直到“Zβ=n”。如果數據包大小為k位，并且BS周圍的區域總數為n，則通過以下步驟給出所提出的基于(n,n)XOR的多跳路由秘密共享方案。

(i) BS生成n個隨機密鑰(S1,…,Sn)，每個密鑰的大小相當于k位的數據包。這些密鑰被傳送到每個區域的相應簇頭Zβ。

(ii) 通過執行異或運算，將來自簇頭的大小為k位的區域“Zn”的數據Dn用區域的密鑰Sn加密，如式(3)。

En=Sn⊕Dn

(3)

(iii) 區域n中特定簇的加密數據位En被轉發到“Zn”在相應的上部區域Zn-1中的選定簇頭。

(iv) 當數據到達區域Zn-1中的簇頭時，使用區域密鑰Sn-1通過執行XOR操作對其進行加密。

(v) 使用XOR操作的加密過程從最低區域Zn的簇頭繼續到BS周圍的最高的區域Z1。

(vi) 在最上面的區域Z1，加密的數據被發送到BS，BS可以通過對具有所有密鑰Si的數據執行異或操作來容易地解密，如式(4)。

Di=S1⊕S2⊕S3,…,⊕Sn

(4)

所提出的秘密共享方案可以從任何區域執行，并且擔心數據丟失或性能不一致。

1.3 路由維護

路由維護的組成部分是為了減少路由損壞和重新轉發的機會。如果ESM認為上層區域的簇頭不適合進一步的數據轉發，那么它將啟動備用路由路徑的發現。主要是在后續條件下調用路線維護過程。

首先，當在上層區域中簇頭的能量資源小于指定的閾值時，受影響的簇頭只需退出數據轉發過程并在特定邊界內重新選擇轉發過程。然后，選擇離質心較近的節點作為新的簇頭并更新其狀態。

其次，基于包時延偏差(PDV)參數，對簇頭Li,j之間建立的鏈路的性能進行了評估。PDV給出一個絕對值，即屬于同一通信鏈路的兩個連續分組之間的差值。比如，如果發送包α，它覆蓋t0穿越網絡的時間，而包β被發送并且覆蓋了穿越網絡的t1時間，如式(5)。

PDV=|t0(α)-t1(β)|

(5)

2 網絡設置和模型

本節使用網絡模擬器NS2來衡量ESM協議對Fr-AODV和TSRF解決方案的有效性。本研究在網絡領域部署了100個具有相同特征的傳感器節點，惡意節點從1到5個不等。惡意節點廣播錯誤的路由響應，從而將其選為數據路由的轉發器。但實際上，它們會丟棄接收到的數據包。最初，所有節點的能量水平為2J，而每個節點的傳輸功率固定為25 m。在這里評估了ESM在網絡生存期、網絡吞吐量、端到端時延和路由開銷等方面的性能結果，具體仿真參數如表1所示。

表1 仿真參數

3 結果與討論

3.1 網絡生命周期

所提出的ESM協議與Fr-AODV[9]和TSRF[10]解決方案在網絡生存期方面的性能，如圖3所示。

圖3 不同惡意節點的網絡生命周期

實驗結果表明，與其他方案相比，ESM協議平均提高了38%的網絡生存期性能。這樣做是因為它關注的是網絡節點的能量效率和可靠性。FR-AODV和TSRF協議都是在不考慮網絡條件的情況下選擇轉發器的，這可能會導致轉發器的早期能量消耗，從而導致生命周期的縮短。與其他解決方案不同，ESM在主動路由路徑中選擇節能可靠的轉發器。此外，定量分析還使得網絡節點間的能量消耗均衡。

3.2 網絡吞吐量

ESM協議的網絡吞吐量以及在不同數量的惡意節點下與其他解決方案的比較，如圖4所示。

圖4 不同惡意節點的網絡吞吐量

實驗結果表明，ESM的網絡吞吐量對路由協議性能有顯著影響。還可以注意到，在與其他解決方案的評估中，ESM平均提高了34%的網絡吞吐量。這是因為ESM具有節能和健壯的集群管理以及多跳安全性。Fr-AODV和TSRF協議在存在惡意威脅的情況下，缺乏在能量感知和可靠路由路徑上檢測網絡狀況和轉發數據包的能力，導致網絡吞吐量下降。

3.3 能量消耗

將ESM協議與其他方案進行比較時對能量消耗的評估，如圖5所示。

圖5 不同惡意節點的能量消耗

結果表明，由于基于最近鄰方案的簇群形成，ESM比現有工程平均提高了34%的能耗。Fr-AODV和TSRF協議會導致更多的路由中斷，這可能會導致額外的能量消耗。此外，在惡意節點存在的情況下，ESM的性能優于Fr-AODV和TSRF，這是因為ESM通過合并可靠且能量充足的節點組成路由路徑，從而減少了重傳，并最終對能量利用產生了積極的影響。

3.4 平均端到端延遲

對ESM協議在不同數量惡意節點下的端到端時延與現有的解決方案進行了比較。在存在惡意節點的情況下，與其他解決方案相比，ESM協議在端到端延遲方面實現了28%的平均改善，如圖6所示。

圖6 端到端平均惡意延遲變化

此外，由于選擇了路由路徑最短的最佳轉發器，ESM的性能優于Fr-AODV和TSRF方案。Fr-AODV和TSRF協議由于路由路徑較長而消耗轉發節點的能量。較長距離的路由路徑更容易發生重傳，并導致更多的端到端延遲。此外，現有的解決方案缺乏定量分析的方法來識別擁塞和故障鏈路，從而限制了數據包無線信道的可用性。

3.5 路由開銷

路由開銷對任何數據轉發協議的評估都有重要影響，因為路由開銷的增加可能會導致能量效率和傳輸結果的降低。此外，惡意威脅的增加，頻繁的呼叫備用路由建設，以及重新傳輸的增加，都會導致開銷加大。ESM將路由開銷的性能平均提高了36%，因為數據轉發路徑是基于可靠性和能效的方式構建的如圖7所示。

圖7 不同惡意節點的路由開銷

此外，ESM提出了一種輕量級異或加密技術來保護資源受限網絡中的轉發器。Fr-AODV和TSRF協議由于網絡節點間額外的能量消耗而產生過多的路由重調請求。Fr-AODV和TSRF協議中的不可預測和較長的路由會導致大量的路由恢復，從而導致較高的路由開銷，從而對網絡壽命產生負面影響。

4 總結

針對物聯網無線傳感器網絡，提出了一種基于秘密共享的能量感知和安全多跳路由協議，旨在針對惡意節點的包轉發行為實現可靠的能量感知路由。ESM協議根據節點位置生成內部和外部區域。此外，利用最近鄰算法，將網絡節點劃分為不同的簇。該協議還提供了一種輕量級的異或加密技術，以保證資源受限網絡中數據轉發的多跳安全。ESM協議指導轉發器在最短的路由上發送數據，該路由由可靠的、節能的節點組成。此外，該協議對特定鏈路進行定量分析，以識別其擁塞，從而減少路由干擾和重傳。仿真實驗證明了ESM協議的優越性。