关键字 |
| 集群无线传感器网络，SET-IBS, SET-IBOOS，数字签名和密码学。 |
介绍 |
| 无线传感器网络是专门用于监测温度、声音、压力、运动等物理或环境状况的传感器节点的集合。在无线传感器网络中，每个节点都能对环境进行局部感知，并将数据发送到另一个传感器节点或基站。高性能和高效的数据处理是无线传感器网络的一个重要问题。无线传感器网络最确定的应用是过程管理、卫生保健监测、空气污染监测、森林火灾探测、自然灾害预防和军事应用。在无线传感器网络中，安全高效的数据传输是必不可少的。 |
| 在无线传感器网络中，为了网络的可扩展性和管理，实现了集群化，提高了传感器节点的寿命，降低了能耗。在聚类无线传感器网络中，每个集群都有一个簇头(CH)，集群中的其余节点是叶节点(非簇头传感器节点)，由叶节点(非簇头传感器节点)聚合的数据发送到簇头(CH)，簇头(CH)再将数据传输到基站。在无线传感器网络中，低能耗自适应簇结构(LEACH)最可能用于实现传感器节点的低能耗。为了避免CH的快速能量消耗，LEACH协议将CH在传感器节点之间随机旋转，从而提高网络寿命。与LEACH类似的协议是APTEEN和PEACH。 |
| 实现LEACH类协议的安全性具有挑战性，因为数据链路和网络集群是动态、随机和周期性地重新排列的。因此，像LEACH(分布式无线传感器网络是现有的解决方案，但集群无线传感器网络(cswsn)没有解决方案)这样的协议缺乏通用的密钥分发和节点间信任。与LEACH最相似的协议是SecLEACH, GSLEACH和RLEACH，这些协议很可能使用对称密钥管理来保证安全，这将导致所谓的孤节点问题。孤节点是指任何不与预加载密匙环中的其他节点共享成对密匙的节点。 |
| 为了降低对称密钥的存储成本，在无线传感器网络中，密钥环不足以与所有节点成对共享对称密钥，因此孤节点会选择自己作为簇首。它不与任何其他节点共享，这通常会降低节点的能量，通常是长时间的操作。如果CH是自己选出来的，那么每个簇头的能量消耗会更多。非对称密钥管理(PANEL)技术的出现弥补了对称密钥管理在无线传感器网络中的不足。非对称密钥管理中的数字签名是提供最重要安全服务的密码学之一，id和公钥是从数字证书中获得的。基于身份的数字签名基于基于身份的密码学的整数分解。为了减少签名过程中的计算开销，提出了IBOOS算法。基于IBS方案和IBOOS方案，提出了两种用于集群无线传感器网络的协议，分别为IBS和IBOOS。IBS和IBOOS协议的核心思想是通过对感知到的数据(消息包)进行数字签名来验证加密后的数据，从而提高通信效率，并应用非对称密钥管理来保证安全性。密钥和配对参数最初由基站预加载并分布在所有传感器节点上，解决了密钥托管问题。 Finally we just compare the proposed protocol with the existing protocol for efficiency and security. |
相关工作 |
| 在无线传感器网络中，为了网络的可扩展性和管理，实现了集群化，提高了传感器节点的寿命，降低了能耗。在无线传感器网络中，低能耗自适应簇结构(LEACH)最可能用于实现传感器节点的低能耗。为了避免CH的快速能量消耗，LEACH协议将CH在传感器节点之间随机旋转，从而提高网络寿命。与LEACH类似的协议是APTEEN和PEACH。实现LEACH类协议的安全性具有挑战性，因为数据链路和网络集群是动态、随机和周期性地重新排列的。因此，像LEACH(分布式无线传感器网络是现有的解决方案，但集群无线传感器网络(cswsn)没有解决方案)这样的协议缺乏通用的密钥分发和节点间信任。与LEACH最相似的协议是SecLEACH, GS-LEACH和RLEACH，这些协议很可能使用对称密钥管理来保证安全，这将导致所谓的孤节点问题。孤节点是指任何不与预加载密匙环中的其他节点共享成对密匙的节点。 |
算法 |
| IBS和IBOOS协议的核心思想是通过对感知到的数据(消息包)进行数字签名来验证加密后的数据，从而提高通信效率，并应用非对称密钥管理来保证安全性。密钥和配对参数最初由基站预加载并分布在所有传感器节点上，解决了密钥托管问题。 |
设计注意事项: |
| •创建一个网络模型。 |
| 协议初始化(IBS)。 |
| •协议操作(IBS)。 |
| 协议初始化(IBOOS)。 |
| •协议操作(IBOOS)。 |
| •绩效评估。 |
| 提出的算法描述: |
| 该协议的目的是增加被测数据的安全性和身份验证，同时降低传感器节点的能耗。提议的协议有以下步骤。 |
| 步骤1:创建网络模型。 |
| 无向图G (V,E)，其中垂直V的集合表示网络中的传感器节点，E表示图中的边的集合，表示传感器节点之间的物理和逻辑链路。 |
| 设n为n1,n2,n3，............的传感器节点数nm, D是数据d1,d2,d3，.........dn，发送方节点和接收方节点，用Ni和Nj表示。tij数据传输延迟时间。 |
步骤2:初始化协议(IBS): |
| 设置阶段:基站将把密钥预分发给所有传感器节点。 |
—生成加密密钥K，其中 |
—生成配对参数 |
| -选择两个哈希函数G1和h |
—选择一个随机的整数作为主密钥集 |
—传感器节点根据系统参数预加载 |
提取阶段: 其中IDj和tj是节点j在当前轮中的时间间隔的时间戳，由其CH 's I从TDMA控件生成 |
签名签署:传感器节点j选择一个随机数 和计算 传感器节点进一步计算 |
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| 验证阶段:基站最后通过当前时间间隔验证数据是否当前发送接收到的消息 |
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Step3:协议操作(IBS) |
| 协议初始化结束后，按以下步骤轮流进行通信。在验证阶段，CH I将消息发送到集群中的所有叶节点。 |
| 叶节点将通过加密并通过参数向其Cluster Head添加数字签名来发送聚合数据。群集头将聚合的数据发送到基站。最后在基站中对加密数据进行解密。 |
步骤4:初始化协议(IBOOS) |
| 设置阶段:基站将把密钥预分发给所有传感器节点。 |
—生成加密密钥K，其中 |
—生成配对参数 |
| —选择两个哈希函数G1和h |
—选择一个随机的整数作为主密钥集 |
—传感器节点根据系统参数预加载 |
提取阶段: 其中IDj和tj是节点j在当前轮中的时间间隔的时间戳，由其CH 's I从TDMA控件生成。 |
离线签名阶段:节点将生成带有时间戳的脱机值 |
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| 在线签约阶段:Node将生成在线值 |
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| 验证阶段:基站最终通过当前时间间隔tj验证数据是否被当前发送 |
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Step5:协议操作(IBOOS) |
| 协议初始化结束后，按以下步骤轮流进行通信。在验证阶段，CH I将消息发送到集群中的所有叶节点。 |
| 叶节点将通过加密并通过参数向其Cluster Head添加数字签名来发送聚合数据。群集头将聚合的数据发送到基站。最后在基站中对加密数据进行解密。 |
| 第六段:绩效评估 |
| 现有的和提议的协议的性能进行了评估。 |
| 现有的LEACH、SecLEACH协议主要用于无线传感器网络中被测数据的安全性和身份验证。在该协议中，我们提出了基于身份的数字签名(IBS)和基于身份的数字签名(IBOOS)协议，用于安全性和身份验证。在这里，我们将提出的协议与现有的协议进行性能评估比较。 |
仿真结果 |
| 仿真研究涉及确定性的30个节点的小网络拓扑结构，如图1所示。提出的集群无线传感器网络的安全性和性能在NS-2中实现。给出了所提出的安全高效数据传输协议SET- ibs和SET- iboos的传输报文大小和能量消耗的仿真结果。节点数量定义为网络设置中所取的节点数量。能耗，指无线传感器网络所消耗的能量。用于传输的消息大小，定义为无线传感器网络中用于数据传输的消息包大小。 |
| 在上述图2中。显示能耗图。x轴表示节点数。y轴为能耗。该方法提出了安全高效的cswsns数据传输协议SET- ibs和SET- iboos。在这种方法中，节点数量增加，能耗增加。上图中，图3显示了消息大小图。x轴表示节点数。y轴表示消息大小。该方法提出了安全高效的cswsns数据传输协议SET- ibs和SET- iboos。 This graph clearly shows that the number of nodes is increases the message size is increases in the proposed methods. |
| 上图1展示了利用omnet++ 3.0网络模拟器实现无线传感器网络的部署 |
| 在上述图2中。这张图显示了能源消耗。x轴为节点数。y轴表示能耗。现有系统采用LEACH协议。提出了低能量自适应聚类层次协议(LEACH)，该协议是基于聚类的无线传感器网络中降低和平衡总能量消耗的有效协议。该方法提出了安全高效的cswsns数据传输协议SET- ibs和SET- iboos。在这种方法中，节点数量增加，能耗增加。 |
| 在上图中，图3显示了消息的大小。x轴为节点数。Yaxis表示消息大小。现有系统采用LEACH协议。提出了低能量自适应聚类层次协议(LEACH)，该协议是基于聚类的无线传感器网络中降低和平衡总能量消耗的有效协议。该方法提出了安全高效的cswsns数据传输协议SET- ibs和SET- iboos。这张图清楚地表明，在提出的方法中，节点数量增加，消息大小也增加。 |
| 活动节点的数量显示在这个图中。x轴为节点数。y轴为活动节点数。现有系统采用LEACH协议。提出了低能量自适应聚类层次协议(LEACH)，该协议是基于聚类的无线传感器网络中降低和平衡总能量消耗的有效协议。这显示了LEACH、SET-IBS和SET-IBOOS协议的活节点比较图。结果表明，由于IBS和/或IBOOS进程的通信和计算开销，所提出的SET-IBS和SET-IBOOS协议比LEACH协议消耗能量更快。 |
结论及未来工作 |
| 仿真结果表明，该算法在数据传输安全、能耗低的情况下优于现有算法。在现有的方法中，分析了cswsns中的数据传输问题和安全问题。讨论了对称密钥管理在数据安全传输方面的不足。提出了两种安全高效的CWNSs数据传输协议SET-IBS和SET-IBOOS。该算法为无线传感器网络提供了节能的数据传输路径，最大限度地延长了无线传感器网络的生命周期。该算法可与其他节能算法进行比较。我们已经使用了30个节点的非常小的网络，随着节点数量的增加，复杂性也会增加。 |
| 在今后的工作中，为了提供有效的安全性，SET-IBS和SET-IBOOS协议中考虑了一些修改。 |
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数字一览 |
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参考文献 |
- a.a.a Abbasi和M. Younis，“无线传感器网络的聚类算法综述”，计算机通信，第30卷，第14/ 15期，页。2826 - 2841年,2007年。
- W. Heinzelman, A. Chandrakasan，和H. Balakrishnan，“无线微传感器网络的特定应用协议架构”，IEEE Trans。《无线通讯》，第1卷，第1期。4，第660- 670页，2002年10月。
- Manjeshwar Q.-A。曾，和D.P. Agrawal，“在无线传感器网络中使用增强apteen协议的信息检索的分析模型，”IEEE Trans。并行与分布式系统，第13卷，no。12，第1290-1302页，2002年12月。
- S. Yi等人，“无线传感器网络的PEACH:节能和自适应聚类层次协议”，计算机通信，第30卷，no。14/15，页2842-2852,2007。
- K. Pradeepa, W.R. Anne，和S. Duraisamy，“无线传感器网络中集群的设计和实现问题”，国际计算机应用，第47卷，no. 1。11, pp. 23-28, 2012。
- L.B. Oliveira等人，“secleach -集群传感器网络的安全性”，信号处理，第87卷，第2882-2895页，2007。
- P. Banerjee, D. Jacobson，和S. Lahiri，“一种用于传感器网络的安全聚类协议的安全性和性能分析”，IEEESixth国际会议。网络计算与应用(NCA)， pp. 145-152, 2007。
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菜单
其中IDj和tj是节点j在当前轮中的时间间隔的时间戳，由其CH 's I从TDMA控件生成
和计算
传感器节点进一步计算
其中IDj和tj是节点j在当前轮中的时间间隔的时间戳，由其CH 's I从TDMA控件生成。
