基于无证书蚂蚁算法的WSNs路由协议研究

摘要

WSNs是一种大多部署在野外无人区，网络节点资源极其有限，网络结构动态拓扑、自组织，网络生命周期也因节点生命周期影响很大的无线网络。这些特性都使得WSNs的路由通信和安全就显得十分重要，设计满足WSNs特性的安全路由是一项巨大的挑战。本文介绍了WSNs现有的路由协议体系结构、网络安全体系结构和SPINS安全协议框架，从不同层面分析了WSNs的安全需求、路由需求，得出基本的安全路由性能需求。并结合无证书公钥密码体制和蚂蚁算法各自的优点，在SPINS安全协议框架下，分析适合WSNs的安全路由协议研究架构。
　　 综合考虑WSNs安全路由需求、现有的安全算法和蚂蚁路由算法后，本文提出了基于无证书和蚂蚁算法的WSNs路由算法(B-(CL-PKC)&ACO-R)。该算法由动态信息素自适应蚂蚁路由主算法(DAPAS)和无证书多节点协同认证算法((CL-PKC)-MNCSA)组成。DAPAS负责在以Sink节点查询驱动模型的查询任务下进行Sink节点到目的节点间的路由建立过程；(CL-PKC)-MNCSA则负责在DAPAS算法路由建立后对路径节点进行安全认证，保障通信安全。为了克服蚂蚁算法的信息素和算法收敛的呆板，DAPAS采用了信息素跟网络节点数据贡献值相关的动态自适应信息素调节机制。此算法包括3个子算法：信息素自适应调节算法(PAA)，根据链路的数据贡献值和阈值来确定，负责路径信息素的自我调节；信息素自适应挥发算法(PAV)，根据查询的数据项数及其节点贡献的数据项计数和阈值，自适应调节信息素挥发因子；信息素自适应分发算法(PAD)，根据节点和链路质量因素对查询任务的贡献，来确定信息素分发量。WSNs节点的众多和廉价的特性要求其安全认证靠传统的专门认证服务器是不划算的，于是在(CL-PKC)-MNCSA算法中采用邻节点协同认证，把可信节点组成的认证集划分为仲裁节点、监护节点和认证节点。其中，认证节点——负责进行节点的认证；仲裁节点——负责认证过程中冲突的协商解决，其本身不参与任何节点的认证，但生成系统公共参数且具有较强的安全维护功能；监护节点——监护其他认证节点的认证，辅助仲裁节点的仲裁，本身参与待认证节点的认证。
　　 实验结果表明该算法路由是有效的，快速收敛的，能满足一定的网络实时性要求和较长的网络生命周期；同时该算法在安全方面能满足WSNs基本的安全需求，具有一定的抗攻击特性。