基于最优簇头数的无线传感器网络安全LEACH路由协议

基于最优簇头数的⽆线传感器⽹络安全LEACH路由协议
第28卷第3期南京邮电⼤学学报(⾃然科学版)
V o.l 28 N o.3 2008年6⽉Journa l o f N an jing U niversity of Posts and T e lecomm un i cations(N atura l Sc i ence)Jun .2008
⽂章编号:1673 5439(2008)03 0027 06
基于最优簇头数的⽆线传感器⽹络安全LEACH 路由协议
王江涛1
,杨庚1,2
,陈⽣寿
1
1.南京邮电⼤学计算机学院,江苏南京 210003
2.南京邮电⼤学计算机技术研究所,江苏南京 210003
摘要:提出⼀种基于最优簇头数的⽆线传感器⽹络安全LE A C H 路由协议,该协议模拟真实传感器⽹
络情况建⽴了三维空间模型,通过理论分析和仿真实验⽅法得到LEAC H 协议的最优簇头数,使⽹络能耗达到最优。

在能量优化的同时把增强安全性作为设计⽬标,根据LEAC H 协议的特点,采⽤预置共享密钥对的⽅法,在簇头选举和数据传输阶段采⽤在数据包尾部捎带加密信息的⽅法,实现数据加密,在只增加少量能量开销的情况下数据机密性得到了实现。

仿真验证了新协议的有效性,在能量优化的同时提⾼了路由安全性,延长了⽹络⽣命期。

关键词:⽹络安全;⽆线传感器⽹络;LEACH;最优簇头数;共享密钥对中图分类号:TN915.08;TN 915.04 ⽂献标识码:A
Secure LEAC H Routi ng Protocol Based on Optim al Num ber of
Head Nodes forW ireless Sensor Network
WANG Jiang tao 1
,YANG Geng 1,2
,CHEN Sheng shou
1
1.C ollege ofC o mpu ter ,Nanji ng Un i versity of Posts and Teleco mmun ications ,Nan ji ng 210003,Ch i na
2.Research In stitute of Co m puter Tec hno l ogy ,Nan ji ng U n i vers it y
ofPosts and T el eco mmun icati ons ,N an ji ng 210003,C hina
Abst ract :I n th i s paper we put for w ar d a secure LEAC H (Lo w Energy Adaptive C lusteri n g H ierarchy )routing protoco l based on opti m al number of head nodes for w ireless sensor net w ork .Th i s protoco l establishes a three d i m en
si o nal space m ode l by si m ulating real sensor net w or k ,and achieves the opti m al num ber o f head nodes thr ough theory analysis and si m ulati o n testi n g o f LE AC H.Thus ,the opti m ized ener gy consumpti o n can be obtained .A t t h e sa m e ti m e ,t h e enhanced security is also regarded as the design goa.l A ccording to the characteristics o f LEAC H routing protoco ,l w e adopt the prefabricated shared key dispatch m ethod ,adding t h e encrypti o n infor m ation to the end o f the data package during the periods of head node selecti o n and data trans m ission .Therefore ,the dada encrypti o n can be realized at the cost of little additi o na l energy consu m ption .The si m u lation validated the effecti v eness of the ne w proto co,l wh i c h no t only opti m izes the ener gy consum ption but also i m proves t h e security of routing and net w or k lifeti m e .
K ey w ords :net w ork security ;w ireless sensor net w ork ;LEAC H;opti m a l nu m ber of head nodes ;shared key dispatch
收稿⽇期:2007 10 11;修回⽇期:2007 12 03基⾦项⽬:江苏省六⼤⼈才⾼峰 (06 E 044)资助项⽬通讯作者:王江涛电
话:139********
Emai:***************
0 引⾔
⽆线传感器⽹络(w ireless sensor net w ork ,W SN )
[1-2]
是⼀种能在事先没有构建⽹络基础设施
的环境下,由传感器节点临时组成的⼀种⾃组织、⾃管理的⽹络。

传感器节点通常使⽤容量有限、不可更换的电源,节点的计算、通信、存储能⼒也⾮常有限,这就要求W SN路由协议必须以节约能源为主要⽬标,最⼤限度地延长⽹络⽣存时间。

传感器节点最终要把搜集的信息以⽆线多跳的通信⽅式传送到远程基站以便实现进⼀步的分析和处理。

同时,基站的控制信息也通过节点间的协同交互传递到指定区域。

由于通信损耗能量同传送的数据量与到达⽬标的距离平⽅成正⽐,采⽤基于分簇的路由算法相对平⾯路由算法具有更好的适应性和节能性。

分簇路由的基本思想是通过簇头对簇内节点的信息融合及转发机制减少数据的传输量和距离,进⽽降低通信能量,达到⽹络节能的⽬的。

其中,如何优化簇头的选择是算法设计中所必须考虑的重要问题之⼀,它是影响⽹络能量损耗分布、提⾼⽹络⽣存时间的关键要素。

在⽬前典型的分簇路由算法中, LEAC H(Lo w Energy Adapti v e C l u steri n g H ierarchy)是第⼀个基于多簇结构的路由协议[3],其成簇思想贯穿于其后提出的很多协议中[4-6]。

LEACH是为W SN设计的低功耗⾃适应聚类路由算法,与⼀般的以数据为中⼼的路由协议和基于位置的路由协议相⽐[7-8],LEACH可以将⽹络⽣命期延长15%,主要通过随机选择簇头节点,平均分担中继通信业务来实现。

LEAC H通过分布式的成簇技术、⾃适应的成簇算法以及簇头位置的轮换算法,保证了所有节点公平地承担能量消耗的负担,最终可以延长整个系统的⽣命期。

传统的LE AC H协议仿真时⼀般仅考虑平⾯情况,在⽹络初始化时按照节点总数⽬的5%确定为簇头数[3]。

但是在实际⽹络中,地形⾼低有起伏,实际⽹络情况并不是⼀个平⾯,⽽是⼀个三维的空间,因此采⽤传统LEAC H协议进⾏仿真,将影响最优簇头数⽬的选取,不能使⽹络性能最优。

因此如何优化簇头的选择是算法设计中所必须考虑的重要问题之⼀,它是影响⽹络能量损耗分布、提⾼⽹络⽣存时间的关键因素。

另外在传统LEAC H协议中,由于节点根据信号的强弱来加⼊相应的簇,因此,恶意攻击者可以轻易地采⽤H ELLO fl o od攻击、Syb il 攻击、选择性转发、修改数据包等来达到攻击的⽬的。

为了防范以上攻击,LE AC H协议⼀般采⽤对称密钥分配⽅式。

但这种⽅法缺点是⼀旦⼀个节点被攻破,全⽹就被攻破,通信就不安全。

本⽂设计的路由协议是以LEAC H为基础,⾸先理论分析簇头数对于LE AC H协议性能的影响,然后通过NS 2仿真⼯具模拟W SN 三维空间情况,确定能耗最⼩时的簇头个数最优簇头数,并使⽤该簇头数⽬初始化⽹络,以使⽹络能耗达到最优。

在能量优化的同时把增加安全性作为设计⽬标,根据LEAC H协议的特点,采⽤预置共享密钥对的⽅法,在簇头选举和数据传输阶段采⽤在数据包尾部捎带加密信息的⽅法,实现数据加密,在只增加少量能量开销的情况下数据机密性得到了实现。

1 LEACH协议最优簇头数分析
簇头节点个数的选择是影响LE AC H协议性能优劣的⼀个关键因素。

如果簇头个数过少,那么⼀个簇所覆盖的区域会过⼤,成员节点到簇头节点的距离较远,传输数据造成的能量损耗就会增⼤。

若簇头个数过多,由于簇头所耗的能量要远远⼤于成员节点,会导致整个⽹络的节点在每轮中总的能耗增⼤。

另⼀⽅⾯簇头个数过多会导致数据融合的效率降低,产⽣过多不必要的数据融合。

因此需要找出能使⽹络能耗最少的簇头个数最优簇头数。

为了能找出最优簇头数,有必要先简要介绍LEAC H 协议的簇头选举算法并分析簇头数对于LEAC H协议性能的影响[3]。

1.1 LEACH协议簇头选举算法
假设W SN总节点数为N,期望的最优簇头个数为k,每个节点初始成为簇头的概率为p=k/N。

LEAC H是周期性执⾏的,系统⼀个周期的平均轮数R=N/k=1/p(其中N/k取整)。

为了简化,下⾯只讨论系统⼀个周期内的⾏为。

因为簇头选举只发⽣在每⼀轮的开始,采⽤离散的整数r代表每⼀轮(r=0,1,2, ,R)。

x(r)表⽰第r轮簇头选举产⽣的簇头个数,N(r)表⽰第r轮选举时候选簇头节点的个数(即第r-1轮选举后还未成为过簇头的节点数)。

可以将{x(r),r=0,1,2, ,R}看作⼀个随机过程。

簇头节点是通过下⾯的机制产⽣的:传感器节点⽣成0,1之间的随机数,如果⼩于阈值p(r),则选该节点为簇头节点。

p(r)的计算⽅法如下:
If n G p(r)=p
1-p [r mod(1/p)]
(1)
O ther w ise p(r)=0
其中,p(r)为节点成为簇头节点的百分数,r是当前的轮数,G是在过去的r-1轮没有被选择为簇头节
28南京邮电⼤学学报(⾃然科学版) 2008年
点的节点的集合,m od()是取整函数。

1.2 簇头数对于LEAC H 协议性能的影响
最优的簇头个数是在分析⽹络消耗能量的基础上得到的。

⼀⽅⾯,笔者希望每轮数据通信所耗费的总能量最⼩;另⼀⽅⾯,希望保证能量的损耗均匀分布在所有节点上。

其基本思想是选择最优的簇头个数使得每轮⽹络消耗的总能量最⼩。

参照LEAC H 协议的物理模型,可以计算LE AC H 协议的能量消耗值,根据此模型可以确定最优簇头数的范围。

图1是LEAC H
协议的物理模型。

图1 LEACH 协议物理模型
其中, a mp 是传输功放,E elec 是发送电路和接收电路消耗的能量,由于实际相差不⼤,在这个模式⾥简化为两者相等,⽽是由⽆线电信道决定的常量,d 是信号传输的距离。

其中,E elec k 远远⼩于k amp d
,这意味着,信号传输距离越短,能量消耗越少。

在发送距离较近时,适⽤⾃由空间信道模型,取 =2;⽽当发送距离较远时,适⽤多径衰落信道模型,取 =4。

为了简化算法,⾸先假设每个簇中的节点数⽬都是相等的,总共有N 个节点均匀分布在⼀定的区域内。

如果传感器⽹络包含有k 个簇,则每个簇⾥⾯的节点数为N /k ,其中包括⼀个簇头节点和N /k -1个成员节点。

根据上述物理模型和LEAC H 协议的具体流程,每个簇头节点要消耗的能量包括以下⼏个部分:接收来⾃成员节点的数据包,数据融合,发送经过融合后的数据包到基站。

鉴于基站离簇头节点距离⽐较远,故发送数据的能耗采⽤多径损耗模型。

因此,⼀个簇头节点在⼀个帧内消耗的能量E head 为:
E head =l E elec
N k -1+l E da N k
+l E elec +l amp d 4
b s (2)
其中,l 是每次数据传输所包含的⽐特数,E d a 是报⽂融合消耗,d b s 是簇头节点到基站的距离。

每个成员节点只需要在各⾃的时隙内传送数据到相应的簇头
节点。

⼀般来说,成员节点到各⾃的簇头节点距离较近,故发送数据的能耗采⽤⾃由空间模型。

因此,⼀个成员节点在⼀个帧内消耗的能量E member 为
E m e m ber =l E elec +l amp d 2
ch
(3)
其中,d ch 表⽰成员节点到簇头节点的距离。

假设整个区域⼤⼩为m m m,则每个簇覆盖m 3
/k 的区域。

不失⼀般性,设定任意形状的区域内节点分布概率为 ,则从成员节点到簇头节点的距离的平⽅的数学期望为 E [d 2 ch ]=
(x 2
+y 2
+z 2
) d x d y d y
=
r 2
r 2
sin d r d d (4)
式(4)中,x =r sin cos ,y =r si n si n ,z =r cos 。

如果假设⽆线传感器⽹络所覆盖的是⼀个半径为R =(m /k )的球形区域,式(4)可简化为E [d 2
ch
]=
2 0
d 0d
r ( , )
r 4
sin d r d d
=4
5
r 5m /k
=45 m k
5(5)
假设节点分布均匀,则分布概率 =1/(m 2
k
-1
),有 E [d 2ch ]=45 m k 5k m 2=4m
3
5k k (6)
将式(6)代⼊式(3)得
E member =l E elec +4m
35k k
l a m p
(7)
⼀个簇在⼀帧时间内消耗的能量为 E cluster =E head +
N k -1E m e mb er E head +N
k
E m e mb er (8)
则k 个簇消耗的总能量为E tota l =kE cluster k E head +
N k E member
=l E elec N +E da N +k E elec N +k a mp d 4b s
+
4 amp m
3
5k k
N
(9)
假设在三维情况下的基站坐标为(50,175,0),由于75 d b s 182,代⼊式(9)能得到⼀个理论值,上述推导是假设在理想情况下的结果,对于具体⽹络来讲,需要通过仿真论证,得出实际的最优簇头个数。

2 安全LEACH 协议
为解决计算开销和提⾼路由的安全性,根据LEAC H 协议的特点,安全LEAC H 采⽤预置共享密钥对的⽅法
[9]
,这样数据聚集和机密性要求都可以
29
第3期王江涛等:基于最优簇头数的⽆线传感器⽹络安全LE A C H 路由协议
很容易地实现。

安全LE AC H协议与LEACH⼀样也分为簇头选举、聚类建⽴,TD MA(时分多址)时隙分配和数据传输4个阶段。

2.1 协议描述
(1)簇头选举。

为了防⽌恶意节点不停地申请成为簇头节点,在本协议中设计应⽤预置共享密钥对的⽅法。

在安全LE AC H协议中,本轮申请成为簇头的节点定义为候选簇头节点,候选簇头节点向全⽹⼴播⾃⼰的信息,宣布⾃⼰为簇头节点。

由于安全LEAC H采⽤CS MA M AC协议,同⼀时刻只能有⼀个簇头节点⼴播⾃⼰的信息。

⾸先,候选簇头节点H⽤明⽂⼴播报⽂{sequence|I D H|ch(r)}给⾃⼰周围的节点,告诉当前轮数sequence和已当选过簇头节点的总个数ch(r),并告知密钥环上每个密钥的标志I D H。

(2)聚类建⽴。

每个⾮簇头节点决定⾃⼰属于哪个聚类。

每个节点可能会收到⼏个来⾃不同簇头节点的⼴播报⽂{sequence|I D H|ch(r)},节点就根据收到消息的信号强弱,选取信号最强的⼴播报⽂的发送源作为⾃⼰的簇头节点。

然后登记这个簇头节点的密钥标志I D H,并确定⾃⼰所对应的密钥S,发送{sequence|S}给簇头节点通知加⼊该簇,并告知与簇头节点通信时使⽤的密钥S。

同时簇头节点也获知了簇中的节点个数。

当其他簇头节点收到该信息后,分析节点H数据包中ch(r)值(ch(r)为已当选簇头节点总个数),如果⽐当前ch(r)⼤,则赋值为H的ch(r)值,如果相等则让⾃⾝的ch(r)加1,从⽽可以保证在每个簇头节点建⽴之时变量ch(r)及时更新。

(3)TDMA时隙分配。

每个簇头节点根据已经注册到它的聚类的节点个数,创建⼀个TDMA的时隙分配。

簇头节点向簇成员节点发送调度信息:{I D H| [sequence|CD MA code |TDMA schedule|ch(r)]},从⽽保证每个簇成员有⾃⼰发送数据的时间段。

簇头节点同时将变量ch(r)的值打包送到每个簇成员节点,以备下⼀轮选举使⽤。

这样做的⽬的是为了节省节点存储资源,当过簇头的节点在下⼀轮开始就不必去存储ch(r)值。

(4)数据传输。

簇建⽴完成后,簇成员节点开始在⾃⼰的TD MA时间段内采集数据并加密后发送到簇头。

在⼀帧结束后簇头解密信息并运⾏数据融合算法,把融合后的数据发送给基站。

每个聚类都被分配⼀个不同的CDMA码字,因此每个聚类的数据传输不会影响其他聚类的数据传输。

由于每个成员节点都有与簇头节点的成对密钥,因此数据可以保密发送。

2.2 算法分析
由于安全LEACH协议是在LEAC H协议基础上进⾏改进,在增加安全性能的同时把能量优化作为设计⽬标,避免了重新设计路由协议,降低了设计成本。

通过在节点部署前预置共享密钥对,任何两个节点之间的密钥是独享的,其他节点不知道,所以⼀个节点被俘不会泄漏⾮直接建⽴的任何安全通道,相⽐对称密钥分配⽅式⼤⼤增加了算法的安全性。

考虑到预置共享密钥对需要存储空间,当节点间使⽤8个字节的密钥时,100个节点规模的⽹络需要0.8K字节的密钥存储空间,这个空间对节点来说并不是很⼤。

考虑到LEAC H协议适⽤于中⼩规模的W SN,⽹络规模在⼏⼗个到⼏百个节点,因此安全LEAC H协议可完全⽀持此类⽹络的使⽤。

安全LE AC H协议在花费少量存储空间同时,使协议的安全性得到提⾼,并减少了设计成本、降低节点平均能量消耗和延长⽹络⽣命期。

3 实验结果及分析
⽤仿真分析的⽅法来对基于最优簇头数的⽆线传感器⽹络安全LEAC H协议进⾏性能评估。

由于以增加安全机制,算法本⾝具备
安全性,现主要在三维⽹络环境中进⾏仿真实验,分析⽐较不同簇头数每轮平均能耗、每轮节点存活数以及节点消耗的总能量值等指标,来验证新⽅案的有效性。

3.1 ⽹络仿真环境
仿真⼯具采⽤NS 2平台,操作系统为Linux,硬件配置情况为:CPU为赛扬2.8GH z、内存512M b。

仿真环境中,100个节点随机分布在100m 100m 10m的三维区域内,基站坐标取(50,175,0)。

每轮簇头选举时间间隔为10s。

表1中列出了仿真中使⽤的参数值。

表1 仿真中使⽤的参数值
名称数值
E ele c50n J/b it/m
传输功放
a m p
0.0013pJ/b it/m2
报⽂融合消耗E
da
5nJ/b it/si gnal
初始能量2J
30南京邮电⼤学学报(⾃然科学版) 2008年
3.2 仿真过程及数据分析
(1)不同簇头数每轮平均能耗。

每轮平均能耗⼤⼩决定着整个⽹络⽣命期长短,选择不同的簇头数每轮将产⽣不同的能量消耗。

簇头节点个数的选择对于传感器⽹络⾄关重要,因此需⽐较簇头数在不同值间变动时每轮消耗能量的平均值,选出最优簇头数,才能使⽹络能耗最优。

从图2可以看出,簇头数在4的时候平均能量消耗最⼩,在只有1个簇头节点的时候,平均能量消耗⾮常⼤,是簇头数为4时的近20倍。

对于这种情况下的传感器⽹络,应选择簇头个数为4,才能使⽹络能耗最优。

因此,对于不同地理情况下的W SN,应根据具体情况⾸先进⾏⽹络仿真,然后根据仿真结果确定节点撒布⽅案。

图2 不同簇头数每轮平均能耗
(2)每轮节点存活数⽐较。

每轮存活的节点数多少直接反映出了⽹络性能的优劣。

存活的节点数越多,覆盖的区域就越⼤,每轮参与选举的簇头数就多,⽹络的⽣命期就越长。

下⾯取簇头个数分别为4和5,其中4个簇头是我们仿真得出的最优簇头数,5个簇头是传统LEAC H 协议初始化⽹络时使⽤的簇头数,⽐较这两种情况下的每轮节点存活数。

由图3可以看出,选择5个簇头节点的W SN⽹络在第430s的时候就已经有节点开始死亡,到510s的时候节点已经全部死亡。

⽽选择4个簇头节点的⽹络,在510s附近才有节点开始死亡,直到620s,所有节点死亡。

说明选择4个簇头节点的⽹络⽣命期⽐选择5个簇头节点的长,这是因为选择5个簇头节点时每轮平均能耗较⼤,引起能量快速枯竭,以致有些节点提前死亡。

从图3可以看出,当节点出现死亡时,选择5个簇头节点时,节点死亡速度更快,在480s时,⽹络中死亡了27个节点,但是在490s时就有43个了,500s时激增到71个,510s 时就全部死亡了;⽽选择4个簇头节点时,节点死亡速度⽐较平均。

可见选择4个簇头初始化⽹络将能
优化⽹络性能,延长⽹络⽣命期。

图3 每轮节点存活数⽐较
(3)节点消耗的总能量⽐较。

对于节点能量有限的W SN来说,节点消耗的总能量是⽹络⽣命期的重要指标,总能量消耗的越少,⽹络⽣命期越长。

下⾯仍将簇头个数分别为4和5,⽐较这两种情况下节点消耗的总能量(见图4)。

图4 节点消耗的总能量⽐较
从图4可以看出,选择5个簇头节点的W SN⽹络在第510s才消耗完所有能量,⽽选择4个簇头节点的W SN⽹络在第620s才消耗完所有能量。

选择5个簇头节点的W SN⽹络能量消耗曲线⼀直在选择4个簇头节点的⽹络曲线之上,说明从第⼀轮簇头选举开始到节点全部死亡,选择5个簇头节点时每轮消耗的平均能量⼀直要⼤些。

上述情况在490s后表现最加明显,此时选择5个簇头节点的曲线有跳变,能量消耗突增,这⼀点从图3中也能得到解释,因为在490s时死亡了43个节点,500s时死亡71个,510s时就全部死亡了。

在500s时每个节点剩余的能量都很少了,仅⼀次通信就消耗了所有能量,这也从另⼀个⾓度说明了LEAC H通过分布式的成簇技术以及簇头位置的轮换算法,保证了所有节点公平地承担能量消耗的负担。

4 结束语
本⽂提出的基于最优簇头数的W SN安全LEAC H协议,在传统LEAC H基础上通过确定最优簇头数,并增加新的安全机制的⽅法,在降低了能量消耗同时增强了安全性。

新⽅案对W SN的实际应
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第3期王江涛等:基于最优簇头数的⽆线传感器⽹络安全LE A C H路由协议
⽤有重⼤指导意义:在撒布节点之前,通过仿真实际⽹络情况获取最优簇头数,从⽽降低节点的总能量消耗;采⽤预置共享密钥对加密的⽅法,可以在节点初始化就预先将共享密钥对设置在节点中,实现⽅便简单。

新⽅案虽然增加了少量密钥存储空间,却有效地提⾼了路由的安全性。

仿真数据表明,新⽅案在能量优化的同时提⾼了路由安全性,延长了⽹络⽣命期。

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作者简介
:
王江涛(1978-),男,安徽马
鞍⼭⼈。

南京邮电⼤学计算机学
院博⼠研究⽣。

2005年于兰州交
通⼤学计算机应⽤专业获硕⼠学
位。

研究⽅向为信息安全、⽆线
传感器⽹络、
计算机通信与⽹络。

杨庚(1961-),男,江苏建
湖⼈。

南京邮电⼤学计算机学院
院长,教授,博⼠⽣导师。

IEEE
CS、SLAM会员。

1985年在湖南⼤
学获硕⼠学位,1994年在加拿⼤
拉⽡尔⼤学获博⼠学位,1996年
在加拿⼤蒙特利尔⼤学计算机技
术及应⽤研究中⼼博⼠后出站。

⽬前主要研究⽅向为⽹络与移动计算、
并⾏与分布计算。

陈⽣寿(1984-),男,青海
西宁⼈。

南京邮电⼤学计算机学
院硕⼠研究⽣。

2005年毕业于
南京邮电⼤学计算机学院。

⽬前
研究⽅向为信息安全、⽆线传感
器⽹络。

32南京邮电⼤学学报(⾃然科学版) 2008年。