[发明专利]一种能量优化的安全路由方法

说明书

技术领域

本发明是一种用于信息网络、特别是无线传感器网络路由协议中一种基于能量优化的安全路由协议，属于计算机与信息安全技术领域。

背景技术

无线传感器网络一般分为两种结构：平面结构和层簇式结构。平面结构规模受到很大限制，可扩展性差，且能量较高。为了降低节点能量消耗，提供灵活、可靠的通信，并提升无线传感器的可扩展性，通常采用分级结构对网路进行管理：网络被划分为簇，每个簇由一个簇头和多个簇成员组成，这些簇可以形成高一级的网络。

无线传感器节点硬件设计最重要的因素之一就是电池的能量。目前比较成熟的无线传感器节点电池都是一次性损耗电池，不可再生。由于体积小，所带电池能量有限，无线传感器节点各层通信协议设计都要把节能放在和性能同等重要的地位，有时甚至是第一位。针对这些特点和难题，所以传统网络中各种成熟的网络协议不再适用，需要采用类似分簇的路由协议，通过减少参与路由计算的节点数目，减小路由表的大小，降低交换路由信息所需的通信开销和维护路由表所需的内存开销；并且通过基于某种簇形成算法尽量选举产生较为稳定的子网络，从而减少拓扑结构变化对路由协议带来的影响；簇头节点对其簇内的节点进行管理，能方便地向基站传达节点的各种信息，例如能量、安全性、故障等。另外基站通过簇头节点可以有效地向网络中其它节点发送命令。

应用于传感器网络通信协议的安全算法同样需要消耗能量。这主要有三方面：一是CPU对安全算法计算(加密、解密、数据签名、数据签名认证等)的能耗。大小取决于CPU的功率损耗、时钟频率和用于处理该算法的时钟个数。公钥加密算法(如RSA)是计算密集型的算法，每执行一个安全操作都需要CPU执行几百万甚至更多的乘法指令操作。而对称密钥加密算法的加密、解密和用于签名认证的散列函数来说，所需CPU操作指令数却少的多。因此选择不同的安全机制将会深深影响传感器网络的使用寿命，尤其是在一点原则之下：传感器网络使用安全机制的根本目的是为完成正常任务保驾护航，任何舍本求末的做法都是不可行的。

为节约能量开销和提高路由的安全性，可以根据分簇协议的特点，设计一种低能耗的安全路由协议。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种基于能量优化的安全路由方法。该方法采用在簇头选举时相互协作获取当前参加选举的节点总数，从而准确计算当前产生簇头节点的阈值，使得每轮产生最佳簇头数的概率最大，达到网络能耗最优。采用预置共享密钥对分配方法，有效地提高路由的安全性。

技术方案：若想使选出最优簇头节点个数的概率最大，网络需要知道系统中当前参加选举的节点个数N(r)。由于N(r)为全局信息，如果专门设定节点来统计N(r)值，这就需要耗费大量的能量，增加网络负担。提出一种在簇头形成阶段，通过采用簇头间相互协作方式，获取当前N(r)值，从而准确计算当前产生簇头节点阈值的新算法。具体算法流程如图1所示。

a.当簇头A节点身份确立以后，会向全网广播簇头信息，当簇头节点B收到该信息后，分析A节点数据包中的已当选簇头节点总个数ch(r)，如果比自身ch(r)大，则赋值为A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)的及时更新，

b.根据已有的低能自适应簇体系协议(Low Energy Adaptive ClusteringHierarchy，LEACH协议)的能量消耗模型，基站(Sink)分析比较簇头数在不同值间变动时每轮消耗能量的平均值，得出能耗最低时的簇头个数，

c.设当前轮簇头轮选次数为sequence、当选过簇头节点的总个数为ch(r)、候选簇头节点H的标识为ID_H，候选簇头节点H用明文广播报文{sequence|ID_H|ch(r)}给自己周围的节点，告诉当前正在进行簇头轮选次数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ID_H。

d.在簇建立阶段成员节点登记该簇头节点的密钥标志ID_H，并在密钥池中查找自己所对应的密钥S，发送{sequence|S}给簇头节点通知加入该簇，告诉当前正在进行簇头轮选次数sequence和通信时使用的密钥S，

e.完成密钥分配后，簇头节点与每个成员节点都有成对的密钥S，后继在成员节点向簇头节点转发数据时，可以应用该密钥进行加密，从而增强了路由协议的安全性。