一种新的物联网能量感知多跳路由协议

殷彤丽

(乌鲁木齐职业大学 职业教育研究所， 新疆 乌鲁木齐 830002)

0 引言

无线传感器网络(WSN)由多个传感器节点组成，这些节点以临时和自组织的方式连接，以感测信息并将收集到的信息转发到称为基站(BS)或网关节点的中心位置。在传统的网络中，为了提高网络的性能和发展，人们开发了不同的路由算法。由于物联网(IoT)的结构在不可靠的无线环境中是复杂的、动态的，这样的传统算法不适合物联网应用[1-2]。大多数无线传感器网络应用中，传感器节点都是单独工作的，并且暴露在各种安全威胁之下。虽然针对无线传感器网络开发了不同的安全路由协议[3-4]，但它们需要一些标准的加密和身份验证方法，并导致高处理能力和路由成本[5-6]。此外，这种解决方案不考虑针对恶意节点的多点安全通信。因此，本文提出一种能量感知的安全多跳路由(energy-aware and secure multi-hop，ESM)协议，该协议是基于异或的秘密共享方案，通过异或运算在簇头和基站之间提供多跳的数据保护，从而实现可靠的端到端连接，然后通过安全的中间节点提供能量有效性和可靠的转发以抵御数据威胁。最终在对网络节点进行定量分析的基础上，实现了最小化路由中断的路由维护方案。

1 ESM原理

在这里主要介绍了ESM的原理。整个ESM协议的框架如图1所示。

图1 ESM协议框图

首先，根据距离因子将网络节点分解为内部和外部区域。然后，利用k-最近邻(k-NN)算法[7-8]，将每个区域内的节点组织成不同的簇。所有的集群都以层次结构的形式排列，以完成后续的数据路由。在这里，主要目的是平衡能量消耗和可靠数据转发之间的关系，并提出一种安全的、节能的多跳路由方法来对抗恶意威胁。通过提出一种基于异或秘密共享方案的传感器节点轻量化解决方案。此外，它不会给网络带来额外的计算开销。在第三部分，执行路由维护以识别已构建路由路径中的故障链路，并降低路由中断和重新传输的机会。在这种情况下，所提出的协议基于可量化的度量重新调整转发器，从而在提高路由可靠性的同时提高网络寿命。

1.1 区域分区建设

将n个节点随机分散，覆盖监测面积。部署完成后，所有节点都将使用唯一标识进行固定。节点在特征上具有同质性和有限的约束，而网关节点具有最强大的特征，没有资源限制。首先，BS以多跳的方式在传感器区域发送其身份和位置信息。所有节点通过下一跳接收基站的信息，并将其存储在路由表中。节点的路由表根据其邻居条件进行更新。然后，根据与基站的动态距离阈值构造每个区域的边界，如式(1)。

(β-1)α

(1)

式中，β表示区域β∈(1,2,…,n)；α表示预设距离。假设，对于第二个区域，即2区，β=2⟺α

图2 内外部区域的生成和簇的形成

在该方法中，利用K-NN技术，通过使用距离函数将最近的邻居分组到一个特定的簇中，并且计算量小。K值是通过使用特定区域中节点数的平方根来定义的。当每个区域被分解成不同的簇时，每个簇被赋予一个唯一的标识，以区别于其他簇。此外，为了降低网络开销，在每个簇内指定一个靠近质心的节点作为初始簇头。基本上，质心是一个虚拟节点，位于簇的中间位置。设(n1,n2,n3,…,nk)是特定集群ci中的节点集。通过探测节点的空间位置，计算得到簇的质心c(x,y)，如式(2)。

(2)

式中，m表示群集中的节点总数。

1.2 基于(n,n)XOR的多跳安全数据路由秘密共享方案(SSS)

在将BS周围的区域分割成不同的圆形区域Zβ后，最近的区域被指定为区域“Zβ=1”，然后是“Zβ=2”，依此类推直到“Zβ=n”。如果数据包大小为k位，并且BS周围的区域总数为n，则通过以下步骤给出所提出的基于(n,n)XOR的多跳路由秘密共享方案。

(i) BS生成n个随机密钥(S1,…,Sn)，每个密钥的大小相当于k位的数据包。这些密钥被传送到每个区域的相应簇头Zβ。

(ii) 通过执行异或运算，将来自簇头的大小为k位的区域“Zn”的数据Dn用区域的密钥Sn加密，如式(3)。

En=Sn⊕Dn

(3)

(iii) 区域n中特定簇的加密数据位En被转发到“Zn”在相应的上部区域Zn-1中的选定簇头。

(iv) 当数据到达区域Zn-1中的簇头时，使用区域密钥Sn-1通过执行XOR操作对其进行加密。

(v) 使用XOR操作的加密过程从最低区域Zn的簇头继续到BS周围的最高的区域Z1。

(vi) 在最上面的区域Z1，加密的数据被发送到BS，BS可以通过对具有所有密钥Si的数据执行异或操作来容易地解密，如式(4)。

Di=S1⊕S2⊕S3,…,⊕Sn

(4)

所提出的秘密共享方案可以从任何区域执行，并且担心数据丢失或性能不一致。

1.3 路由维护

路由维护的组成部分是为了减少路由损坏和重新转发的机会。如果ESM认为上层区域的簇头不适合进一步的数据转发，那么它将启动备用路由路径的发现。主要是在后续条件下调用路线维护过程。

首先，当在上层区域中簇头的能量资源小于指定的阈值时，受影响的簇头只需退出数据转发过程并在特定边界内重新选择转发过程。然后，选择离质心较近的节点作为新的簇头并更新其状态。

其次，基于包时延偏差(PDV)参数，对簇头Li,j之间建立的链路的性能进行了评估。PDV给出一个绝对值，即属于同一通信链路的两个连续分组之间的差值。比如，如果发送包α，它覆盖t0穿越网络的时间，而包β被发送并且覆盖了穿越网络的t1时间，如式(5)。

PDV=|t0(α)-t1(β)|

(5)

2 网络设置和模型

本节使用网络模拟器NS2来衡量ESM协议对Fr-AODV和TSRF解决方案的有效性。本研究在网络领域部署了100个具有相同特征的传感器节点，恶意节点从1到5个不等。恶意节点广播错误的路由响应，从而将其选为数据路由的转发器。但实际上，它们会丢弃接收到的数据包。最初，所有节点的能量水平为2J，而每个节点的传输功率固定为25 m。在这里评估了ESM在网络生存期、网络吞吐量、端到端时延和路由开销等方面的性能结果，具体仿真参数如表1所示。

表1 仿真参数

3 结果与讨论

3.1 网络生命周期

所提出的ESM协议与Fr-AODV[9]和TSRF[10]解决方案在网络生存期方面的性能，如图3所示。

图3 不同恶意节点的网络生命周期

实验结果表明，与其他方案相比，ESM协议平均提高了38%的网络生存期性能。这样做是因为它关注的是网络节点的能量效率和可靠性。FR-AODV和TSRF协议都是在不考虑网络条件的情况下选择转发器的，这可能会导致转发器的早期能量消耗，从而导致生命周期的缩短。与其他解决方案不同，ESM在主动路由路径中选择节能可靠的转发器。此外，定量分析还使得网络节点间的能量消耗均衡。

3.2 网络吞吐量

ESM协议的网络吞吐量以及在不同数量的恶意节点下与其他解决方案的比较，如图4所示。

图4 不同恶意节点的网络吞吐量

实验结果表明，ESM的网络吞吐量对路由协议性能有显著影响。还可以注意到，在与其他解决方案的评估中，ESM平均提高了34%的网络吞吐量。这是因为ESM具有节能和健壮的集群管理以及多跳安全性。Fr-AODV和TSRF协议在存在恶意威胁的情况下，缺乏在能量感知和可靠路由路径上检测网络状况和转发数据包的能力，导致网络吞吐量下降。

3.3 能量消耗

将ESM协议与其他方案进行比较时对能量消耗的评估，如图5所示。

图5 不同恶意节点的能量消耗

结果表明，由于基于最近邻方案的簇群形成，ESM比现有工程平均提高了34%的能耗。Fr-AODV和TSRF协议会导致更多的路由中断，这可能会导致额外的能量消耗。此外，在恶意节点存在的情况下，ESM的性能优于Fr-AODV和TSRF，这是因为ESM通过合并可靠且能量充足的节点组成路由路径，从而减少了重传，并最终对能量利用产生了积极的影响。

3.4 平均端到端延迟

对ESM协议在不同数量恶意节点下的端到端时延与现有的解决方案进行了比较。在存在恶意节点的情况下，与其他解决方案相比，ESM协议在端到端延迟方面实现了28%的平均改善，如图6所示。

图6 端到端平均恶意延迟变化

此外，由于选择了路由路径最短的最佳转发器，ESM的性能优于Fr-AODV和TSRF方案。Fr-AODV和TSRF协议由于路由路径较长而消耗转发节点的能量。较长距离的路由路径更容易发生重传，并导致更多的端到端延迟。此外，现有的解决方案缺乏定量分析的方法来识别拥塞和故障链路，从而限制了数据包无线信道的可用性。

3.5 路由开销

路由开销对任何数据转发协议的评估都有重要影响，因为路由开销的增加可能会导致能量效率和传输结果的降低。此外，恶意威胁的增加，频繁的呼叫备用路由建设，以及重新传输的增加，都会导致开销加大。ESM将路由开销的性能平均提高了36%，因为数据转发路径是基于可靠性和能效的方式构建的如图7所示。

图7 不同恶意节点的路由开销

此外，ESM提出了一种轻量级异或加密技术来保护资源受限网络中的转发器。Fr-AODV和TSRF协议由于网络节点间额外的能量消耗而产生过多的路由重调请求。Fr-AODV和TSRF协议中的不可预测和较长的路由会导致大量的路由恢复，从而导致较高的路由开销，从而对网络寿命产生负面影响。

4 总结

针对物联网无线传感器网络，提出了一种基于秘密共享的能量感知和安全多跳路由协议，旨在针对恶意节点的包转发行为实现可靠的能量感知路由。ESM协议根据节点位置生成内部和外部区域。此外，利用最近邻算法，将网络节点划分为不同的簇。该协议还提供了一种轻量级的异或加密技术，以保证资源受限网络中数据转发的多跳安全。ESM协议指导转发器在最短的路由上发送数据，该路由由可靠的、节能的节点组成。此外，该协议对特定链路进行定量分析，以识别其拥塞，从而减少路由干扰和重传。仿真实验证明了ESM协议的优越性。