戴國勇，呂何新，丁健龍，趙 方，毛科技，彭 豐

(1.浙江樹人大學(xué)信息科技學(xué)院，浙江 杭州 310015；2.浙江工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 310023；3.衢州華數(shù)廣電網(wǎng)絡(luò)有限公司，浙江 衢州 324000)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks，WSNs)是物聯(lián)網(wǎng)的一項(xiàng)重要技術(shù)，由大量具有計(jì)算能力、通信能力和數(shù)據(jù)處理能力的傳感器節(jié)點(diǎn)，通過無線自組織的形式構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)[1-2]。路由技術(shù)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)除節(jié)點(diǎn)定位、網(wǎng)絡(luò)覆蓋、能量管理和隱私保護(hù)等問題外的一個(gè)重要研究方向[3]。一種良好的路由技術(shù)能夠提供可靠的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、較好的能耗均衡以及安全的數(shù)據(jù)路由[4]。由于傳感器網(wǎng)絡(luò)部署的環(huán)境復(fù)雜，傳感器節(jié)點(diǎn)更換電池困難，當(dāng)節(jié)點(diǎn)負(fù)載不均衡時(shí)，負(fù)載大的節(jié)點(diǎn)消耗的能量多，死亡較快，從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)過早失效。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，惡意節(jié)點(diǎn)可偽裝成網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的成員節(jié)點(diǎn)破壞網(wǎng)絡(luò)或者竊取網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，給WSN帶來安全威脅，因此路由協(xié)議設(shè)計(jì)時(shí)需考慮數(shù)據(jù)安全性。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議主要分為兩種，一種是鏈?zhǔn)铰酚蓞f(xié)議，另一種是層次路由協(xié)議[5]。其中鏈?zhǔn)铰酚蓞f(xié)議在數(shù)據(jù)流量較大時(shí)容易導(dǎo)致鏈路擁塞，因此適合應(yīng)用于小規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)中。而層次路由協(xié)議是一種劃分區(qū)域的路由協(xié)議，適用于大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)。分簇路由協(xié)議作為層次路由協(xié)議的一種，具有較好的能耗均衡性，被廣泛地應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由中。LEACH(low energy adaptive clustering hierarchy，LEACH)路由協(xié)議[6]首次提出了分簇思想，該協(xié)議分為簇建立階段和穩(wěn)定階段，在簇建立階段通過循環(huán)方式隨機(jī)選擇簇頭節(jié)點(diǎn)，將網(wǎng)絡(luò)能耗平均分配至每個(gè)節(jié)點(diǎn)，從而在一定程度上提高網(wǎng)絡(luò)能耗均衡性，延長網(wǎng)絡(luò)整體生存時(shí)間。通過隨機(jī)方式選擇簇頭可能導(dǎo)致能量較低的節(jié)點(diǎn)作為簇頭，造成能耗不均勻。文獻(xiàn)[7]將LEACH改進(jìn)為一種節(jié)能多跳路由協(xié)議，對LEACH簇的創(chuàng)建、數(shù)據(jù)傳輸以及簇的更新等階段進(jìn)行了修改，然而該方法構(gòu)造的多跳路徑是未優(yōu)化的，從而容易導(dǎo)致路由中斷。

在網(wǎng)絡(luò)可靠性方面，文獻(xiàn)[8]提出了一種負(fù)載均衡和數(shù)據(jù)收集算法，該算法節(jié)約了能耗，提高了數(shù)據(jù)聚合和轉(zhuǎn)發(fā)方面的性能。然而通過多跳的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，提高了通信成本。文獻(xiàn)[9]提出了基于鏈的路由協(xié)議(Chain-chain based routing protocol，CCBRP)，CCBRP集成了傳感器信息系統(tǒng)(PEGASIS)的過濾和能量高效收集功能，將整個(gè)節(jié)點(diǎn)安排到不同的鏈中。CCBRP提供了一個(gè)混合方案，并在兩個(gè)不同的階段執(zhí)行所構(gòu)建的鏈。該協(xié)議的主要問題是隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增大而帶來的高能耗和高延遲。因此，由于可擴(kuò)展性的限制，CCBRP不適合于大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)。文獻(xiàn)[10]提出了LEACH-MAC協(xié)議，改進(jìn)了LEACH協(xié)議隨機(jī)產(chǎn)生簇頭節(jié)點(diǎn)導(dǎo)致能耗不均的問題，該方法通過控制簇頭數(shù)量為一定數(shù)值，提高網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間。文獻(xiàn)[11]提出了LEACH-ER協(xié)議，通過能量和數(shù)據(jù)可靠性因子選擇簇頭，該協(xié)議通過降低簇頭和成員節(jié)點(diǎn)之間的簇內(nèi)部數(shù)據(jù)包的接收速率，從而提高網(wǎng)絡(luò)壽命和能源效率。然而該協(xié)議并未對路由進(jìn)行優(yōu)化，容易導(dǎo)致數(shù)據(jù)重傳和路由中斷，可靠性有所欠缺。

在路由數(shù)據(jù)安全性方面，文獻(xiàn)[12]提出的大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的可靠且節(jié)能的數(shù)據(jù)收集方法，在熱點(diǎn)區(qū)域，選擇較少的節(jié)點(diǎn)來捕獲信息，而在非熱點(diǎn)區(qū)域則選擇較多的監(jiān)控節(jié)點(diǎn)。然而，所提出的解決方案忽視了數(shù)據(jù)安全，在惡劣復(fù)雜的環(huán)境中，將會(huì)給網(wǎng)絡(luò)帶來安全性問題。文獻(xiàn)[13]提出了三因素認(rèn)證方法，為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)提供了數(shù)據(jù)安全保障，提出的方法在節(jié)點(diǎn)之間提供了適當(dāng)?shù)南嗷フJ(rèn)證，但是在認(rèn)證過程中消耗了不必要的能量，降低了網(wǎng)絡(luò)的生存期。文獻(xiàn)[14-15]使用Shamir加密共享方案設(shè)計(jì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)加密方法，為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)提供了安全的傳輸環(huán)境，具有一定的代表性。

針對目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議存在安全性不高、網(wǎng)絡(luò)可靠性差等問題，提出了一種安全可靠的WSN路由協(xié)議(Shamir-based Secure Reliable Routing，SSCRP)，在簇頭的選舉中對節(jié)點(diǎn)剩余能量、信號強(qiáng)度以及節(jié)點(diǎn)到基站的最短路徑長度等進(jìn)行綜合考慮，考慮到惡意節(jié)點(diǎn)的加入，網(wǎng)絡(luò)使用Shamir密鑰共享算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)工作一段時(shí)間后進(jìn)行簇首的輪換。該協(xié)議能夠在保證數(shù)據(jù)安全性的情況下，提高網(wǎng)絡(luò)能耗的均衡性以及網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

1 網(wǎng)絡(luò)能耗模型

1.1 網(wǎng)絡(luò)相關(guān)假設(shè)

假設(shè)1 網(wǎng)絡(luò)采用星型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，即網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)可以直接與基站通信。

假設(shè)2 基站由服務(wù)器供電，能量充足有足夠處理能力。

假設(shè)3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)同構(gòu)，初始能量相同都為E0。

假設(shè)4 網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)的通信半徑為r，在通信半徑內(nèi)節(jié)點(diǎn)通信穩(wěn)定。

1.2 節(jié)點(diǎn)能耗模型

節(jié)點(diǎn)通信時(shí)，節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)和接收收據(jù)時(shí)都需要消耗能量，其中節(jié)點(diǎn)通信能耗模型如圖1所示。發(fā)送數(shù)據(jù)能耗和接收數(shù)據(jù)能耗如式(1)和式(2)所示。

圖1 節(jié)點(diǎn)通信能耗模型

式(1)、式(2)中:Ee表示數(shù)據(jù)在發(fā)送和接收時(shí)每處理1 bit數(shù)據(jù)時(shí)消耗到的能量；Eamp表示功率放大電路的系統(tǒng)；k表示數(shù)據(jù)包的位數(shù)；d表示數(shù)據(jù)傳輸距離；dt是距離閾值。

2 路由協(xié)議設(shè)計(jì)

SSCRP協(xié)議的主要步驟為:①簇頭選擇與成簇:根據(jù)節(jié)點(diǎn)剩余能量、接收信號強(qiáng)度、節(jié)點(diǎn)與基站的最短路徑長度以及節(jié)點(diǎn)的負(fù)載率等因素，進(jìn)行簇頭節(jié)點(diǎn)的選擇，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)全部加入相鄰簇頭形成簇。②數(shù)據(jù)加密傳輸:基站使用Shamir密鑰共享算法給網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)發(fā)送密鑰，驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)是否為非法節(jié)點(diǎn)。③簇頭輪換:利用簇頭輪換方法更新簇頭，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)能耗的均衡性，提高網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

2.1 簇頭選擇與成簇

在初始階段，節(jié)點(diǎn)被隨機(jī)部署于正方形的網(wǎng)絡(luò)區(qū)域內(nèi)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都保持靜態(tài)，且具有唯一的ID?；鞠蚓W(wǎng)絡(luò)區(qū)域內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)通過多跳的方式廣播其位置，節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)后通過合并鄰居節(jié)點(diǎn)的信息更新自身的路由表。接著在網(wǎng)絡(luò)區(qū)域內(nèi)以分散的方式發(fā)布簇頭選擇機(jī)制。由于簇頭節(jié)點(diǎn)不僅需要處理簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，還需要轉(zhuǎn)發(fā)其他簇頭的數(shù)據(jù)至下一跳簇頭節(jié)點(diǎn)，所以與簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)相比需要更多的剩余能量、更強(qiáng)的接收信號強(qiáng)度等。

因此本文提出的簇頭選擇機(jī)制，通過節(jié)點(diǎn)剩余能量(Eres)、接收信號強(qiáng)度指示(Received Signal Strength Indicator，RSSI)、節(jié)點(diǎn)到基站的最短路徑長度(Dsp)以及節(jié)點(diǎn)的負(fù)載率(LF)等因子，計(jì)算所有節(jié)點(diǎn)的競爭值CV，競爭值CV越大表示節(jié)點(diǎn)出任簇頭的機(jī)會(huì)越大，就越容易成為簇頭。每個(gè)節(jié)點(diǎn)通過交換控制消息來接收鄰居節(jié)點(diǎn)信息。節(jié)點(diǎn)剩余能量(Eres)是影響網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間最重要的因素，節(jié)點(diǎn)的剩余能量越多，表示節(jié)點(diǎn)的競爭能量越強(qiáng)，就越容易成為簇頭。接收信號強(qiáng)度指示(RSSI)是衡量無線鏈路質(zhì)量的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)，假設(shè)節(jié)點(diǎn)信標(biāo)包的接收速率為X，某段時(shí)間內(nèi)，有N個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)向該節(jié)點(diǎn)發(fā)送信標(biāo)數(shù)據(jù)包，節(jié)點(diǎn)能夠順利接收數(shù)據(jù)包且沒有發(fā)生丟失和重傳，則該節(jié)點(diǎn)信標(biāo)數(shù)據(jù)包的平均接收速率為RSSIth，如式(3)所示，則可將RSSIth作為RSSI的閾值。

當(dāng)節(jié)點(diǎn)的RSSI值小于閾值時(shí)，表明鏈路質(zhì)量低，丟包率上升。當(dāng)RSSI值大于RSSIth時(shí)，能夠提供良好的包接收速率，數(shù)據(jù)傳輸就越穩(wěn)定，此時(shí)該節(jié)點(diǎn)就越容易出任簇頭。當(dāng)節(jié)點(diǎn)至基站的最短路徑長度(Dsp)越小時(shí)，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的次數(shù)就越少，能耗就越低，因此盡量選擇最短路徑長度短的節(jié)點(diǎn)作為簇頭。節(jié)點(diǎn)的負(fù)載率(LF)也是影響數(shù)據(jù)傳遞性能的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)，節(jié)點(diǎn)負(fù)載率通過節(jié)點(diǎn)此時(shí)接收的包的字節(jié)數(shù)(RP)，以及節(jié)點(diǎn)的總緩沖大小(TB，以字節(jié)為單位)進(jìn)行衡量，如式(4)所示。

節(jié)點(diǎn)的負(fù)載率越小表示該節(jié)點(diǎn)此時(shí)的處理能力就越強(qiáng)，網(wǎng)絡(luò)越不容易擁塞，該節(jié)點(diǎn)出任簇頭的概率就越大。

最后，對所有影響因子進(jìn)行加權(quán)，計(jì)算出節(jié)點(diǎn)的競爭值CV，如式(5)所示。對網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的競爭值進(jìn)行排序，選舉出前K個(gè)CV值最大的節(jié)點(diǎn)作為簇頭節(jié)點(diǎn)，其中K為網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的簇頭節(jié)點(diǎn)數(shù)量。

式中:w1、w2、w3、w4分別表示影響因子對應(yīng)的加權(quán)值，且權(quán)值滿足w1+w2+w3+w4＝1。

當(dāng)選舉出K個(gè)簇首節(jié)點(diǎn)時(shí)，簇首節(jié)點(diǎn)向周圍鄰居節(jié)點(diǎn)廣播信號幀，當(dāng)鄰居節(jié)點(diǎn)接收到狀態(tài)信息后，都加入至相鄰簇頭以形成簇，由于鄰居節(jié)點(diǎn)可能接收到多個(gè)簇頭發(fā)送的狀態(tài)信息，此時(shí)鄰居節(jié)點(diǎn)將與RSSI值最大的簇頭關(guān)聯(lián)形成簇。當(dāng)完成簇的建立之后，為所有的簇分配一個(gè)唯一的簇ID，形成簇集合(Scluster＝{c1，c2，…，ck})，以指定簇邊界，所有簇頭節(jié)點(diǎn)根據(jù)時(shí)分多址(Time Division Multiple Access，TDMA)發(fā)布信道訪問方案時(shí)間表。從而完成整個(gè)網(wǎng)絡(luò)路由建立。其中具體的路由建立過程如表1所示。

表1 路由建立過程

2.2 簇頭選擇與成簇

為防止惡意節(jié)點(diǎn)入侵網(wǎng)絡(luò)從而破壞或者竊取網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，提出了基于Shamir密鑰共享算法的數(shù)據(jù)加密方法?；旧擅荑€S，該密鑰使用Shamir的(t，n)密鑰共享算法將其傳遞給n個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)，其中簇頭的任意t個(gè)子集都能夠重建密鑰S。Shamir密鑰共享算法需要滿足下面兩個(gè)條件:

條件1:任意t個(gè)或者大于t個(gè)子鍵的組合(S0，S1，…，St-1)都能夠重構(gòu)密鑰S。

條件2:小于t個(gè)子集的組合不能重構(gòu)密鑰S。

在Shamir密鑰共享算法中，利用t-1次多項(xiàng)式對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，其中構(gòu)造的多項(xiàng)式如式(6)所示，假設(shè)將S的值賦值給a0，當(dāng)通過t個(gè)子集求解出多項(xiàng)式的系數(shù)集合(a0，a1，…，at-1)時(shí)即可實(shí)現(xiàn)密鑰的重構(gòu)。

為了實(shí)現(xiàn)加密密鑰的重構(gòu)，需要通過拉格朗日插值公式進(jìn)行計(jì)算，如式(7)所示。

基站將密鑰Si的每個(gè)子鍵分配給K個(gè)簇頭，簇頭將密鑰發(fā)送給簇中的成員節(jié)點(diǎn)。當(dāng)成員節(jié)點(diǎn)向簇頭節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)Di時(shí)，將密鑰Si和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)Di進(jìn)行異或操作進(jìn)行加密，如式(8)所示。

簇頭從成員節(jié)點(diǎn)接收到加密數(shù)據(jù)EDi后，將其傳輸至基站，基站使用解密密鑰S對數(shù)據(jù)進(jìn)行解密，最終實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的安全傳輸，從而防止惡意節(jié)點(diǎn)的侵入給網(wǎng)絡(luò)帶來安全性問題。具體的安全數(shù)據(jù)路由實(shí)現(xiàn)步驟如表2所示。

表2 安全數(shù)據(jù)路由實(shí)現(xiàn)過程

2.3 簇頭輪換

由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，不同區(qū)域的簇負(fù)載程度不同，負(fù)載大的簇頭消耗的資源多，容易因能量耗盡而死亡。為了實(shí)現(xiàn)能耗的負(fù)載均衡提高網(wǎng)絡(luò)整體的生存期，需要?jiǎng)討B(tài)地輪換簇內(nèi)的簇頭。當(dāng)出現(xiàn)以下情況時(shí)需要進(jìn)行簇頭輪換:

情況1當(dāng)簇頭接收到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包時(shí)，首先判斷是否已經(jīng)接收到相同的數(shù)據(jù)包，如果是，則丟棄該數(shù)據(jù)包，以減少網(wǎng)絡(luò)擁塞和能耗。如果接收到的是一個(gè)新的數(shù)據(jù)包，簇頭將會(huì)判斷自身的剩余能量是否充足，即是否滿足Eresi≥Ethreshold(其中Ethreshold是簇頭所在的簇的所有節(jié)點(diǎn)的平均能耗)，如果不滿足則不進(jìn)行數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)，此時(shí)在簇內(nèi)計(jì)算所有成員節(jié)點(diǎn)的競爭值CV，并將CV值最大的節(jié)點(diǎn)作為該簇新的簇頭節(jié)點(diǎn)。

情況2計(jì)算每個(gè)簇的擁塞率Cr，如式(9)所示。不斷地檢查擁塞率Cr的值，當(dāng)檢查到Cr的值不在[0，1]范圍內(nèi)時(shí)，表明該簇的簇頭已經(jīng)出現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)擁塞，此時(shí)需要利用2.1中的方法重新進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)內(nèi)簇頭的選擇，實(shí)現(xiàn)新一輪簇頭的輪換。其中簇頭輪換的具體實(shí)現(xiàn)如表3所示。

表3 簇頭輪換過程

式中:ADR表示數(shù)據(jù)包之間到的平均延遲率；ARR表示數(shù)據(jù)包的平均接收效率。

3 仿真實(shí)驗(yàn)分析

在i7處理器、8 G內(nèi)存的PC機(jī)中利用NS2仿真平臺對本文提出的WSN路由協(xié)議進(jìn)行性能分析。將不同數(shù)量的節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署于正方形區(qū)域內(nèi)，其中包含了10個(gè)惡意節(jié)點(diǎn)，惡意節(jié)點(diǎn)通過廣播錯(cuò)誤的路由數(shù)據(jù)包，以便被選作數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的下一跳。其中仿真參數(shù)如表4所示。

表4 仿真參數(shù)表

3.1 權(quán)重因子影響

為了衡量本文提出的SSCRP協(xié)議在不同加權(quán)值情況下對網(wǎng)絡(luò)性能的影響，將100個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署于100 m×100 m的區(qū)域內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)參數(shù)按照表4設(shè)置，將不同加權(quán)值參數(shù)分為三組:組1權(quán)值配置為w1＝0.1、w2＝0.5、w3＝0.3、w4＝0.1；組2配置為w1＝0.2、w2＝0.1、w3＝0.1、w4＝0.6；組3配置為w1＝0.5、w2＝0.3、w3＝0.1、w4＝0.1；對這三組配置進(jìn)行能耗、路由中斷次數(shù)和數(shù)據(jù)包傳遞率分析。結(jié)果如圖2~圖4所示。

圖2 簇頭節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)與網(wǎng)絡(luò)能耗關(guān)系

圖4 簇頭節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)與數(shù)據(jù)包投遞率關(guān)系

從圖2~圖4可以看出，不同權(quán)值情況下，選舉的不同簇頭對網(wǎng)絡(luò)的能耗、網(wǎng)絡(luò)中斷次數(shù)以及數(shù)據(jù)包投遞率都有相應(yīng)影響。從圖2中可以看出分配給剩余能量(Eres)權(quán)重值最大的組3，網(wǎng)絡(luò)能耗最低。因?yàn)樵诖仡^的選舉時(shí)，能耗所占權(quán)值大，因此對能耗考慮的越充分。從圖3可以看出組1分配給信號強(qiáng)度(RSSI)的權(quán)值最大，路由中斷次數(shù)最少。因?yàn)楫?dāng)節(jié)點(diǎn)信號強(qiáng)度較大時(shí)，表明此時(shí)節(jié)點(diǎn)的通信質(zhì)量高，則此時(shí)網(wǎng)絡(luò)中斷次數(shù)少。從圖4可以看出組2的節(jié)點(diǎn)的負(fù)載率(LF)占比最大，此時(shí)數(shù)據(jù)包的投遞率最高。原因是當(dāng)對節(jié)點(diǎn)的負(fù)載率考慮越充分時(shí)，此時(shí)節(jié)點(diǎn)能夠轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包能力就越強(qiáng)，則數(shù)據(jù)包投遞率就越高。

圖3 簇頭節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)與路由中斷次數(shù)關(guān)系

3.2 端到端時(shí)延分析

為了評估本文提出的WSN路由協(xié)議性能，本文以下的實(shí)驗(yàn)部分將其與CCBRP[9]、LEACH-MAC[10]和LEACH-ER協(xié)議[11]進(jìn)行對比。并將簇頭選舉時(shí)的權(quán)值參數(shù)設(shè)置為相同，即w1＝w2＝w3＝w4＝0.25。

理論上隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增多，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的流量增大，擁塞情況嚴(yán)重，此時(shí)端到端的時(shí)延就會(huì)增大。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 端到端平均延時(shí)

從圖5可以看出，隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增多，端到端的延時(shí)都在不斷增大，其中本文提出的SSCRP方法平均延時(shí)最低，且隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增多網(wǎng)絡(luò)流量和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載迅速上升，SSCRP協(xié)議具有更低的端到端延遲。原因是SSCRP協(xié)議通過自適應(yīng)的方式形成簇，并根據(jù)簇頭的當(dāng)前性能進(jìn)行及時(shí)輪換，從而減少了路由空洞的出現(xiàn)，降低了數(shù)據(jù)延遲。

3.3 數(shù)據(jù)包交付率分析

數(shù)據(jù)包交付率是評價(jià)路由協(xié)議性能的重要指標(biāo)之一，理論上網(wǎng)絡(luò)處理能力越強(qiáng)，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)安全性越高，數(shù)據(jù)包交付率就越高。其中數(shù)據(jù)包交付率實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)包交付率

從圖6可以看出隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增多，數(shù)據(jù)包交付率都在降低，原因是隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增多，網(wǎng)絡(luò)流量和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載都在急劇上升，因此導(dǎo)致有些數(shù)據(jù)包出現(xiàn)擁塞，導(dǎo)致數(shù)據(jù)包丟失，交付率降低?？梢钥闯霰疚奶岢龅腟SCRP交付率最高，且隨著節(jié)點(diǎn)增多，交付率仍維持在較高水平。原因是SSCRP在簇頭選擇時(shí)充分考慮了多個(gè)因素，優(yōu)先考慮性能較優(yōu)的節(jié)點(diǎn)出任簇頭，從而生成更加穩(wěn)定高效的簇。并且SSCRP采用基于Shamir密鑰共享算法的數(shù)據(jù)加密方法實(shí)現(xiàn)了基站和簇頭之間通信時(shí)數(shù)據(jù)包的可靠性，減少了路由的中斷，最終提高數(shù)據(jù)交付性能。

3.4 節(jié)點(diǎn)平均通信成本分析

節(jié)點(diǎn)平均通信成本是衡量WSN路由協(xié)議性能的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，節(jié)點(diǎn)的平均通信成本越低，則該路由協(xié)議性能就越優(yōu)越。其中節(jié)點(diǎn)平均通信成本的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 節(jié)點(diǎn)平均通信成本

從圖7可以看出隨著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)密度的增大，四種協(xié)議的平均通信能耗都在不斷上升，其中本文提出的SSCRP協(xié)議的平均通信成本最低，特別在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載增大時(shí)，節(jié)點(diǎn)的平均通信成本仍維持了較低的水平。是因?yàn)镾SCRP在簇頭選舉時(shí)，對節(jié)點(diǎn)的剩余能耗進(jìn)行充分考慮，當(dāng)簇的剩余能量不足或者簇的擁塞率大于一定閾值時(shí)，進(jìn)行簇頭輪換。SSCRP采用基于Shamir密鑰共享算法的數(shù)據(jù)加密方法保證了數(shù)據(jù)的安全性和可靠性，從而降低了數(shù)據(jù)包重發(fā)次數(shù)，降低通信成本。

3.5 網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間分析

網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間是衡量路由協(xié)議優(yōu)劣的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)。在同等條件下，網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間越長的網(wǎng)絡(luò)，表示網(wǎng)絡(luò)的能耗均衡性就越好，路由協(xié)議就越優(yōu)秀。其中網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

從圖8可以看出，在相同節(jié)點(diǎn)密度下SSCRP路由協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間明顯高于CCBRP、LEACHMAC和LEACH-ER協(xié)議。因?yàn)楫?dāng)簇頭節(jié)點(diǎn)的剩余能量低于簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)的平均剩余能量時(shí)，SSCRP在該簇內(nèi)重新計(jì)算節(jié)點(diǎn)競爭值CV，并指定競爭值最大的節(jié)點(diǎn)出任簇頭，而不是重新計(jì)算整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的競爭值，重新輪換所有簇頭，因此在一定程度上降低了計(jì)算時(shí)的能耗，提高了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。可以看出LEACH-ER的生命周期最短，雖然LEACH-ER在簇頭選舉時(shí)考慮了節(jié)點(diǎn)的剩余能耗和RSSI值，但是并沒有考慮到節(jié)點(diǎn)與基站的最短路徑長度以及網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率等因素，因此容易導(dǎo)致數(shù)據(jù)重傳和路由中斷，能耗上升，生命周期縮短。

圖8 網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間

4 總結(jié)

本文基于Shamir密鑰共享算法提出了一種安全可靠的WSN路由協(xié)議(SSCRP)，與現(xiàn)有的路由協(xié)議相比，在端到端時(shí)延、數(shù)據(jù)包交付率以及網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間方面都表現(xiàn)出較好的性能。提出了一種優(yōu)化簇頭的選擇過程，采用分布式策略生成簇，并根據(jù)簇頭剩余能耗和簇的擁塞率及時(shí)輪換簇頭，使能耗更加均衡。為了防止惡意節(jié)點(diǎn)侵入網(wǎng)絡(luò)，使用基于Shamir密鑰共享算法的數(shù)據(jù)加密方法，保護(hù)數(shù)據(jù)從節(jié)點(diǎn)到簇頭再到基站這條鏈路的數(shù)據(jù)安全。下一步的工作，將SSCRP協(xié)議應(yīng)用到實(shí)際場景之中，進(jìn)行性能驗(yàn)證。