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1、摘要WSNs安全协议分析设计摘要无线传感器网络是一套由微型廉价的传感器节点利用无线通信方式构成的自组织网络系统。在无线传感器网络中，传感器节点的安全将直接影响整个网络的安全性和可用性。所以，本文采用NS-2仿真平台针对恶意节点对经典的分簇路由协议算法进行仿真分析，在还原该算法的基础上，掌握设计理论及编程经验，将高效、安全的路由协议应用于实践，来解决实际问题，从而改善应用系统的性能、节约能耗等，这对于工业生产与科技创新具有重大意义。论文要求对无线传感器网络的节点特性、遭受的攻击种类及防御措施进行详细阐述，重点对路由协议进行研究，选取LEACH协议对其进行深入探讨和仿真，特别针对恶意节点对现有改进
2、算法在安全方面进行分析。基于LEACH路由协议，通过增加对恶意节点的检测技术，引进更为安全的路由策略SE-LEACH，在对该策略进行设计后给出了详细的分析报告，体现改进算法在安全性能优化、能量利用率和延缓网络生存周期上的突出表现。关键词：无线传感器网络；分簇；LEACH；安全检测AbstractThe Analysis and Design of WSNs Security ProtocolAbstractWireless sensor network (WSN) is a set of the miniature of cheap sensor nodes by wireless commu
3、nication mode of self-organizing network system. In wireless sensor networks, the safety of the sensor nodes will directly affect the safety and availability of the entire network. So, this article uses the NS-2 simulation platform against malicious nodes on the classical clustering routing protocol
4、 algorithm simulation analysis, the reduction on the basis of the algorithm, master the design theory and programming experience, efficient and secure routing protocol was applied to practice, to solve practical problems, so as to improve the performance of the application system, saving energy cons
5、umption, etc., for the industrial production and scientific and technological innovation is of great significance.Paper requirements of wireless sensor network node characteristics, type of attack and defense measures in detail, studies the key right by the agreement, select LEACH agreement to in-de
6、pth study and simulation, especially for malicious node to the existing algorithm is analyzed in terms of security. Based on LEACH routing protocol, by increasing the detecting technology of malicious nodes, introduce more safety-SE-LEACH routing strategy, strategy on the design is given after detai
7、led analysis, reflects the improved algorithm in safety performance optimization, energy utilization and delay the outstanding performance of the network life cycle.Key words: wireless sensor networks (WSNs); clustering; LEACH; safety inspection目录第1章 绪论11.1课题研究背景及意义11.2 无线传感器网络概述11.2.1 无线传感器网络结构11.2
8、.2 无线传感器网络节点结构21.2.3 无线传感器网络协议栈31.2.4 无线传感器网络特点及应用41.3 本论文的组织结构6第2章 无线传感器网络安全问题72.1 无线传感器网络安全需求72.2 无线传感器网络面临的威胁72.3 无线传感器网络的安全防御措施92.4 几种典型的路由协议及其安全性分析102.4.1 SPINS102.4.2 LEACH112.4.3 INSENS112.4.4 CSRP122.4.5 SRDC122.4.6 TRANS13第3章 算法改进SE-LEACH133.1 经典LEACH协议的拓扑结构143.2 LEACH算法的实现143.3 SE-LEACH算法1
9、63.3.1 理论分析173.3.2 算法流程图173.3.3 安全性分析18第4章 仿真实验及结果194.1 NS-2介绍194.2 仿真过程与结果分析214.2.1 LEACH源码分析224.2.2 SE-LEACH参数设置264.2.3 安全方面的性能分析264.2.4 与LEACH仿真结果对比29第5章 工作总结和展望33致谢34参考文献34III计算机信息工程学院毕业论文 前言在无线传感器网络的路由安全研究方面，当前采用的基本方法是在已有路由基础之上通过增加安全机制提高性能。国外学者在无线传感器网络的路由安全协议研究方面的论述较多，如SMishr等人提出了一种在动态路由DSR中融入安
10、全机制形成的安全路由协议INTRSN1，此协议基于入侵容忍策略，即通过冗余机制允许恶意节点威胁它周围的少量节点，但威胁被限制在一定范围内；R. Sivalingam等人给出的无线传感器网络安全方案 SPINS2较为实用，被广泛接受，它分为SNEP和TESLA两个部分。SNEP用以实现通信的点到点认证、新鲜性、机密性和完整性，而TESLA用以实现点到多点的广播认证；STanachaiwiwat等人提出了SLEACH协议，它是在SPINS安全机制的基础上加以改进后再应用到LEACH路由协议中的，网络中每个节点使用唯一的共享密钥与基站联系，SLEACH协议通过MAC(消息验证码)提供消息认证，MAC
11、使用唯一的共享密钥解密，然后在基站的帮助下，信誉值高的簇头会吸引节点的加入，但也由于基站介入其中，而使得网络的可扩展性变差；Leonardo B等人提出了SecLEACH协议，它使用密钥预分配方案，在预分配阶段每个节点从包含P个密钥的密钥池中选出K个密钥(KP)，此协议主要的优点是节点认证和安全链接基站不参与其中；LEACH（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy）协议是由 MIT 学者Heizelman 等人专为无线传感器网络而设计的低功耗自适应分簇路由协议3；阈值敏感的高效传感器网络TEEN协议（Threshold Sensitive Energy
12、 Efficient Sensor Network）是一个基于簇群的路由协议，为LEACH协议的衍生物，该协议中定义了硬门限和软门限两个概念2。我国研究无线传感器网络的步伐紧跟国际的脚步。例如张涛等人提出了一种基于分簇的安全路由协议CSRP4，该协议是在LEACH的基础上，以增强路由安全性同时兼顾网络能耗为设计目标，并引入双向评测机制，能对恶意节点进行检测，有效地提高了网络的安全性能，一定程度上保证了数据的认证性、保密性以及完整性；邓亚平等提出的SRDC1是一种基于动态分簇的异构传感器网络安全路由协议，该协议通过多种安全机制实现节点认证、组密钥更新和密钥协商，不仅降低了能耗，对节点的抗入侵能力
13、和自我恢复能力也有一定作用；郭芸在LEACH路由协议的基础上，通过增加身份认证机制、密钥的动态更新机制，以及双重密钥加密机制，提出了一个新的安全策略ISLEACH5来提高LEACH协议的抗攻击能力。另外在卢锡城院士的带领下国防科技大学的相关科研人员己着手在该领域进行探索研究，虽收获一些成果，但是这些研究成果距离实际需求还有一定距离，因此传感器网络的研究任重而道远。第1章 绪论1.1课题研究背景及意义无线传感器网络(wireless Sensor Networks WSNs)通过网络自组织方式进行通讯，用大量成本低、功耗低的传感器节点部署网络系统。它能够实时感知、监测周围各种对象或环境的信息，进
14、而对采集的信息进行相应的数据处理，因此WSNs从最初的军用需求，扩展到一般民用和社会领域，涉及医疗健康、智能楼宇、便捷交通、环境预报、产业自动化等诸多领域。但是，由于传感器节点通常分布在恶劣环境下或无人管理区域，其应用也依赖于分散的传感器节点所采集到的数据的及时性与准确性，所以在没有人工参与维护的情况下，确保WSNs传输过程中信息的安全性将显得尤为重要。WSNs在安全机制方面的设计及实现，由于自身某些特性使得其面临前所未有的挑战1。首先，传感器节点的运算能力、存储能力和通信能力有限，一定程度上制约了节点能够采用的加解密算法以及认证措施；其次，由于传感器节点没有人工参与管理与维护，使得其容易受到
15、各种各样的物理攻击；最后，由于WSNs采用的是无线通信的方式，较传统的有线网络其给无线网络带来了更加严重的安全问题，使得网络遭到欺骗、窃听以及非法访问等攻击的可能性增大。通过保证WSNs的安全、保证路由和数据转发的安全性，来减少或避免因为信息遭到泄露、破坏而造成的损失，已经成为目前限制WSNs进一步普遍应用的关键问题。路由协议是否安全直接影响了WSNs的可靠性和安全性，因此安全路由协议的研究已成为WSNs安全研究的重点。1.2 无线传感器网络概述无线传感器网络集通信、传感器和计算机三项技术为一体，是一种崭新的信息获取和处理技术。它是一个无线自组织网络系统，由大量廉价的微型传感器节点组成，其工作是将传感器网络覆盖区域中经过感知、采集和处理操作后的信息发送给观察者。传感器网络的三要素为感知对象、观察者和传感器。无线传感器网络既能在独立的环境下运行，也能通过网关连接到现有的网络基础设施上，如Internet，这样用户可以直接使用Internet远程访问无线传感器网络采集的信息。 1.2.1 无线传感器网络结构无线传感器网络中除个别节点需要动态移动以外，其余节点都处于静止状态。一个典型的传感器网络体系结构主要包括以下几个部分：传感器节点、Sink节点、互联网以及用户界面等7，如
