关键字 |
| 数据收集，能源效率，多路径，安全，无线传感器网络。 |
介绍 |
| 无线传感器网络是组织成合作网络的节点的集合。无线传感器网络中的节点可以从简单的星型网络到先进的多跳无线网状网络。每个传感器节点与相邻节点通信，完成数据传输。因此，传感器通常分散在一个特定的区域来收集数据。一跳一跳地从一个传感器到另一个传感器收集和传输数据。通过这种方式，收集到的数据被传输到基站进行进一步分析或进行远程监控。因此，需要路由协议来保证消息的传递。即使有节点故障，健壮的路由协议也应该动态地相应地调整传输路径。针对无线传感器网络的网络层协议研究较多，如泛洪协议[1,2]、定向扩散协议[3]、顺序分配路由协议[4]等。此类网络存在安全威胁，攻击者可以物理破坏传感器网络中的一部分传感器节点来窃听信息。这些受损的节点就像一个黑洞[5]。 Therefore, network security is an important issue to WSNs. As well, these sensors work on battery power, which is limited and therefore the routing algorithm should also be efficient enough to conserve battery power and ensure security. To ensure security, the location of adversary has to be known prior, which is not possible. Hence to locate the adversary, we can use algorithms proposed in [6], but each time running a algorithm to locate a black-hole and then sending data is a overhead and it is difficult to obtain such precise information in practical. Therefore to overcome this drawback, we design a routing protocol that is random and also ensuring secured data transfer using minimum battery power. |
| 数据使用多路径路由(Multipath routing)传输，该路由允许在单个源节点和目的节点之间建立多条路径。多路径路由并不能确保完全的安全性，因为攻击者可以通过获取用于构建多路径路由的算法的信息来破坏节点。而且，一旦构建，这些路径从源到目的地是固定的。因此，该问题的解决方案是通过不同的路径随机传递信息，而不是固定的一组路由[7]。虽然对手仍然可以截取部分信息，但我们可以通过某种机制将截取的概率降低到可接受的程度。 |
| 本文提出了一种有效的无线传感器网络安全数据采集方法。我们利用Shamir的秘密共享和基于功率的最小跳数路由算法，在节点受损的WSN中实现安全的数据采集。本文提出的路由算法充分利用了无线传感器网络的路由功能，提高了数据采集质量。 |
节能多路径路由 |
| 无线传感器网络(WSN)主要用于监控环境。无线传感器节点的主要任务是感知和收集某一领域的数据，对其进行处理并传输到应用程序所在的接收器。然而，确保接收器之间的直接通信可能会迫使节点以如此高的功率发出消息，以至于它们的资源可能很快耗尽。因此，需要节点之间的协作，以确保远程节点与接收器通信。通过这种方式，消息通过中间节点传播，从而建立到接收器的具有多个链路或跳的路由。在无线传感器网络中，多路径路由被用于不同的目的，如负载均衡、能源效率等。 |
| 传感器在构造消息包时，利用Shamir算法[8]，(t, n)-阈值秘密共享算法对数据进行编码。需要发送数据包(源)的传感器节点，首先将数据包分成N份，按照算法通过路由路径下发。路由可以按照[7]中的建议进行。但是[7]中的算法没有考虑节点的密度，如果源节点的传感器节点度较小，相对于它划分的份额，可能没有足够的相邻节点来交付份额。由于传感器节点随机分布在较大的区域，因此每个传感器节点的度数不同。 |
| [7] PRP、NRP或DRP中的算法不能保证其传播的方向性。共享可以来回传播，也可以传播到远离基站的地方。此外，当共享向基站的相反方向移动时，最后一个接收到共享的传感器需要使用某种最小跳路由算法将共享传递到基站，这再次消耗了大部分能量，因为当共享从基站进行随机游走时，路径可能很长。此外，它使共享在网络中长期存在，以便对手可以很容易地获得信息。这些算法没有考虑传感器的电池，这是需要考虑的重要因素。因此，对[7]中提出的算法进行修改，使其随机生成用于数据收集的路由路径。 |
| 该算法是一种高效节能的随机多路径路由算法。该算法使用每个节点的父列表将数据从源传递到目标。通过从父列表(即依次表示跳数)中选择传感器[9]的电池功率来实现随机性。算法如下: |
| 该算法分为两个阶段。首先，各节点路由信息的构建和维护。第二，数据的路由。 |
| 在这个传感器网络模型中，每个传感器维护一个路由表，其中包含所有相邻传感器的信息，即它的父节点、兄弟节点和子节点，“跳”——发送节点和基站之间的跳数，以及它们的能量级别。这是传感器网络初始化过程的一部分，其中汇聚节点广播一个具有“setup - id - hop - energy”信息的设置数据包。 |
| 最初，能量被设置为一个非常高的值，并转发给一跳距离内的所有传感器。这些传感器用这些信息更新它的路由表。其中Setup为设置报文，ID为发送节点ID, hop为从发送节点到基站的跳数，Energy为传感器电池电量。所有从基站出发一跳的接收节点收到该设置包后，其跳数加1。这些节点构造新的设置报文，发送节点id为新的“id”，改变的跳数为“hop”，发送节点的能量级别为“energy”。这个过程会重复，直到网络中的所有节点都收到通知。为了避免多次接收设置而产生冲突，每个传感器等待一段固定时间，然后更新路由表。固定时间的选择与收到的报文的跳数成正比。这也确保了传感器永远不会接收到值小于此值的设置包。 |
| 每当传感器检测到其能量水平(电池电量)发生变化时，它就会向所有具有变化能量水平的邻居发送消息。因此，相邻节点更新其路由表中的信息。通过这种方式，每个传感器都维护着在路由数据时使用的关于其邻居的信息。因此，我们可以使用传感器的功率(能量)来选择一个邻居发送共享，这不仅确保了随机性，而且我们还可以避免将共享转发到电池电量非常少的传感器，否则在将共享传输到其邻居之前，传感器就会耗尽电量，或者没有足够的电量将共享发送到其范围内的邻居。 |
| 其次，当传感器感知到数据时，它构造数据包，并将该信息或消息伪装(编码)发送，根据Shamir的秘密共享算法将其分解为N份。然后，为了在网络中对已被破坏的节点执行共享路由，它使用了一种安全的路由算法，除了本质上是随机的，如下所示。 |
| 源使用它的路由列表，选择父节点中的一个邻居。这也确保了其传播的方向性。通过这种方式，每个传感器选择它的父节点，在每条路径上跳k次到达基站。这样，对于每个传感器如果有M个父节点，那么从源到基站就有M条路径。 |
| 情况1:当发送节点(源)的度数，即源节点的路径数M大于共享数N，(如果M > N)则选择要中继的直接节点是父节点之一，且其在其他父节点中具有最高幂的路径。选择父节点确保到达基站的跳数最少。因此，共享被转发给这个邻居。通过这种方式，每个邻居从它的父邻居列表中选择一个具有最高权力的邻居，并将份额转发到基站。如果父节点不满足条件，则使用上述过程选择兄弟节点。 |
| 每当传感器接收到共享信息时，它都会更新其接收数据包的父节点，使其具有新的能量级别。因此，通过基于功率选择邻居，我们确保了随机性，并通过使用父列表选择邻居的方向性得到了保证。能量不会因为发送到不在基站方向的邻居而浪费。它还确保消息不会在长时间存在的网络中来回移动。 |
| 情况2:如果共享数N大于父共享数M(如果M <= N)，则将消息报文分成PS共享，进行单播。对于每个共享，首先从其父母列表中选择一个邻居，如果所有的父母都已经选择了，则从兄弟姐妹列表中选择邻居。在这里选择邻居也涉及到具有最高功率的传感器，然后转发共享。这个邻居依次执行相同的操作。通过这种方式，共享从源传播到目标。 |
能源消耗分析 |
| 无线传感器节点的电池电量有限，传感器节点的寿命在任何算法的设计中都起着重要的作用。传感器的主要任务是检测事件，执行快速处理然后传输数据，功耗从此可以分为三个领域。感知事件、通信和数据处理所需的功率。在不同的应用场合，传感功率不同。事件检测的复杂性也取决于噪声级别。噪音水平越高，消耗的能量就越高。除此之外，数据通信在功耗方面发挥着重要作用。数据通信又分为发送和接收两部分。 |
| 设能量E(Rx)表示接收数据所消耗的能量，E(Tx)表示传输数据所消耗的能量。要在距离d上传输大小为x的数据(以位为单位的数据大小)(使用分别应用于发送方和接收方位置的两个坐标(x1,y1)，(x2,y2)上的距离公式获得)。 |
| E(Rx)可以被认为是某个常数，比如c。，E(Rx)= xEelec, where Eelec is the electronics energy) and the E(Tx) (x,d) can be obtained as the x Eelec + xEefsd2. Hence the total energy dissipated for transmitting a share across a route is given as |
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| 其中K是共享文件到达目的地所经过的节点数。 |
相关工作 |
| 文献中已经有一些关于安全数据收集的多路径路由的正在进行的努力。例如，[10]中的SPREAD算法试图找到多个最安全且节点不相交的路径。采用改进的Dijkstra算法迭代寻找前k个最安全节点不相交路径。H-SPREAD算法[11]对SPREAD算法进行了改进，同时兼顾了安全性和可靠性要求。在[7]中，Shu等人提出了一种使用(t, n)阈值秘密共享算法和随机多路径路由的安全数据采集方法。数据包被分解成共享，这些共享通过随机生成的路径发送到sink。 |
结论 |
| 提出了一种高效、安全的无线传感器网络路由方案。所提议的协议的时间复杂度不在本文讨论范围之内。在提出的数据路由方案中，传感器节点(源)构造消息包，然后将其分成共享并传播到邻居。邻居是根据能量最高且到达基站跳数较少的节点随机选择的。由于无线传感器网络的电池功率在所有传感器节点之间得到了有效且均匀的利用，因此可以将无线传感器网络的寿命延长到最佳状态。此外，随着传感器在路由表中更新其功率信息，我们得到了最优路径。因此，该方案具有鲁棒性、节能性和可扩展性。 |
参考文献 |
- J. N. Al-Karaki和A. E. Kamal，“无线传感器网络中的路由技术:调查”，IEEE无线通信，第6-28页，2004年12月。
- I.F. Akyildiz, S. Weilian, Y. Sankarasubramaniam，和E. Cayirci，“传感器网络的调查”，IEEE通信杂志，第40卷，no. 4。8, pp. 102-114, 2002。
- C. Intanagonwiwat, R. Govindan，和D. Estrin，“定向扩散:传感器网络的可扩展和鲁棒通信范式”，ACM移动通信论文集，56-67页，2000。
- K. Sohrabi, J. Gao, V. Ailawadhi，和G. Pottie，“无线传感器网络的自组织协议”，IEEE个人通信，pp。16-27, 2000年。F。
- Akyildiz, W. Su, Y. Sankarasubramaniam，和E. Cayirci:传感器网络的调查，IEEE通信杂志，第40卷(8)，第102-114页(2002)。
- T. Shu, S. Liu，和M. Krunz:“使用随机分散路由的无线传感器网络中的安全数据收集”，IEEEINFOCOM会议进程，第2846-2850页(2009)。
- a . shamir:《如何分享秘密》，《ACM通讯》，第22卷(11)，第612-613页(1979)。
- 蒋绍山，黄志宏，邝青昌:“无线传感器网络的最小跳数路由协议。”
- Lou W.， Liu W.， and Y. Fang，“传播:增强移动Ad Hoc网络中的数据机密性”，《IEEEINFOCOM》，第4卷，第2404-2413页，2004年3月。
- W. Lou和Y. Kwon，“H-Spread:无线传感器网络中安全可靠数据收集的混合多路径方案”，IEEE Trans。车辆技术，第55卷，no。第4页，第1320- 1330页，2006年7月。
- P.C. Lee, V. Misra，和D. Rubenstein，“安全多路径路由的分布式算法”，IEEE INFOCOM, 1952- 1963页，2005年3月。
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