[发明专利]无线传感器网络中基于接收信号强度的安全保障协议

说明书

技术领域

本发明涉及安全路由的建立和动态密钥的管理，属于无线通信技术领域。

技术背景

无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSN)是由部署在监测区域内大量的廉价微型无线传感器节点组成，通过协作方式感知、采集、处理和传输监测数据。WSN通常工作在恶劣的环境中，具有节点间链接脆弱、拓扑结构动态变化等特性。因此，无线传感器网络容易遭受各种类型的攻击，所以建立安全路由和数据密钥管理势在必行。

公钥密码机制原理是将加密密钥和解密密钥分离。密钥成对生成，每对密钥由一个公钥和一个私钥组成。密钥越长，加密效果越好，但加密解密的开销越大。对称密码机制则是采用相同的密钥进行加密解密，加解密速度快，开销小。对于无线传感器网络，如何利用公钥密码机制和对称密码机制把密钥和数据安全地传递到汇聚节点成为了WSN中数据收集的热点问题。

考虑节点一般部署在危险区域，将面对各种复杂情况，故需在节点中设定异常检测机制，以提高防范攻击能力，保障数据可靠性。因节点能量有限，能量的均衡分配成为关键问题，故需根据剩余能量动态选择汇聚节点，保证汇聚节点选择的合理性。传感器节点在实际运用中，由于节点分布不均匀，感知数据量大小不同，故需动态判定热区。对于传输过程，采用公钥密码机制和对称密码机制相结合的方式，有助于保证数据和密钥的安全。

针对以上情况，本发明专利实现了汇聚节点动态选择、热区的动态选择、数据和密钥的安全传输等，设计了一个更具有安全性的无线传感器网络协议。

发明内容

为解决无线传感器网络中的上述问题，本发明将安全路由的建立和动态密钥管理办法结合起来，形成高效安全协议。

1、安全路由的建立，包括以下前提、定义和步骤。

前提如下：

1)基站节点是安全的，不会被假冒；

2)在未知区域有N个传感节点{S₁，S₂，...，S_N}，每个传感器节点有唯一ID号，节点间互不相关，即节点能独立确定感知数据；

3)每个节点中预存数据异常的特征值，用于检测受怀疑节点。

定义如下：

1)广播信号发送消息的格式：

源地址目的地址当前时间通信流量跳数

2)汇聚节点负责收集所有传感器节点感知的数据，并与控制中心通信；

3)节点设定间隔时间t，用于计算t时间内汇聚节点的吞吐量；

4)节点预设置汇聚选择因子的阈值为F_Th、热区选择因子的阈值为D_Th、汇聚节点剩余能E_Th和数据异常特征相似度的阈值为Y_Th；

5)设定网络汇聚节点的更新时间为T。

步骤包括汇聚节点的选择、热区的选择和数据异常的检测三个方面：

一、汇聚节点的选择步骤如下：

1)所有节点向其邻居节点发送广播消息；

2)邻居节点根据接收到的广播消息，获取接收信号的强度、信号的来源及方向，并根据信标节点(基站)方位计算自身的具体位置；

3)所有节点根据邻居节点数、接收信号强度和自身能量值，利用汇聚节点选择公式计算汇聚节点选择因子θ，若θ大于F_Th，则从普通节点转为汇聚节点，否则保持为普通节点；汇聚节点选择公式如下：