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一种新颖的安全-----基于WSN的多路径路由算法

文摘：基于WSN的多路径路由算法是为了处理节点故障和提高数据路由的可靠性而使用。为了做出一个适应应用程序敏感性的多路径路由算法，网络中的通信节点应该能明确到什么程度的确定路径是不相交的。在此，我们提出一个新奇的基于WSN的路由算法。命名为安全的多路径路由算法。我们延伸了K连接到K-X连接的概念，X是节点的阀值代表最大值共享任意两个已确定的K路径中的值。其中：a）基于按需路由；b）在路由发现期间，在数据交换时使用标签去发现阀值X；c）因为使用了门限标签，所以是安全的。运用仿真来证明算法的效率与评估额外开销。

1介绍

WSN是由大量被称作传感器节点的小型装置组成的，传感器节点配有一个无线收发器、天线、处理器、内存和一块短寿命电池。这些传感器被限制在计算机和沟通能力方面。WSNs主要用在收集数据与感知样本，然后将其发送到中心网站去进行分析。与有线网络不同的是，传感器节点可以被部署在恶劣的环境中，使他们极易受到物理和逻辑上的安全攻击。

WSNs以不自然的基础设施，易于调度和独立于任何预先存在的结构，这使得WSNs路由协议的设计非常具有挑战性。事实上，由于节点移动性和干扰发生，路线可能很容易被打破。此外，节点间的连接可能限制带宽并且节点会出现资源匮乏。为了减缓这些问题，多路径路由算法被发展作为一个可选择的解决方案来提高路由过程的效率。他们利用资源实施容错冗余和多样性,负载平衡和端到端交付延迟最小化。

K连通性是被多路径使用的一个概念路由。在两个通信节点之间，它定义了一个最小数量的K不同路径。发送数据前，传感器节点应该保证一组K路径在它本身和基站之间是可用的。然后通过可选择的路径发送重复的数据副本来降低通信失败的概率。几个命题是根据文献来设计多路径路由算法。例如，多路径按需路由算法。确保在源头和目的地之间建立分离。它将原始数据打包进K部分，并发送这些新的子包而不是可用路径的整个包。当目的地接收到一个路由请求信息才会意识到路径的存在。它返回包含许多旅行很远的啤酒花的一个路径答复。每个节点接受一个路由应答，跳数的增加消息，然后将消息通过最初的路由请求转发到邻包。这种解决方案可能会导致大量的网络开销。在动态多路径源路由，每个节点为了找到更好的给予可用宽度的路径转发数据包而写下自己的宽度。BEGHR利用节点位置转发数据，需要使用定位系统，如全球定位系统。然后，不同节点对资源的需求是相当高的，这会影响电池的寿命。

根据可用的节点数量，建立的路线可能不是完全不相交的。而大多数的多径路由算法采取了利益最大的建立不相交路径，节点的性能可能会受到严重影响，资源可以被迅速耗尽，特别是如果路线包括多跳数和节点密度高。为了应对这个问题，扩展的多路径路由算法将是有用的，在路由发现并创造一个容错和性能之间的平衡期间，要定义和开发一个不相交的阀值。

在本文中，K连通性的概念被推广到x是一个不相交阀值并代表节点的最大阀值的k-x连通性里，在K建立路径的设置中共享任何两个路径。这个概念被应用于一个安全的按需路由算法，称为SeMuRa。在路由发现去携带阀值x的期间，在报文交换中使用标签。由于椭圆门限签名的使用，SeMuRa是安全地，并利用看门狗的你去容忍几种路由攻击。

本文的贡献有五个方面。首先，提出路由算法是自适应的。它允许一个源节点在建立一个路径和发送数据前，调整不相交的阀值到一个合适的价值。阀值的价值取决于发送给消息的灵敏度或在之间通信中的路径破坏率。第二，由于门限标签的使用，该算法是安全的且不需要一个广泛的数字储存每个传感器节点的键。方法签名的技术可用于证据的生成，这可以被用于数字调查方案证明恶意节点的身份和跟踪并分析攻击。第三，该算法可以承受一大套的路由攻击，例如虫洞。第四，在无线传感器网络的特征，建筑方面，节点资源的限制和攻击的类别方面，都要考虑SeMuRa。第五，网络拓扑结构的变异可以使节点无法建立了多个不相交的路径到目的地。如果WSN被用于一些要求高水平的耐受性的节点和链路故障的应用，通过调整阀值的定义，节点可以处理拓扑变化和继续受益于退化的耐受水平。

本文剩下的部分组织如下。下一节主要叙述要求是通过一个安全的多路径路由算法来满足。第三部分介绍了本文提出的路由算法。第四节，提出了安全机制所提出的算法。在第五节中，解决提出的算法的验证。第六小节介绍并讨论了仿真结果。最后一部分总结了工作。

2.k-x连通性的要求

本节描述应满足通过一个基于概念的多路径路由算法对k-x-connectivity的要求。首先，本文提出的算法应该对路由协议的攻击性。在虫洞攻击，例如，一个节点可以执行一个高性能的传输路由请求数据报一个非邻居节点，迫使路由算法在路由建立包括路径。这种攻击，使得恶意节点出现一个高度连接的节点，而在现实中，它是连接到节点数。所提出的算法验证包好在网络中转发和身份节点附加安全路由请求。第二，该算法应包括代的证据的身份

行为节点参与建立在多路径。这是非常重要的如果数字调查方案是用来追踪一个发生攻击，定位恶意节点，并证明假路径的存在。

第三，算法是无功相比主动将是更好的。事实上，源节点通常是指定阈值价值的不相交的节点。这个值可能取决于敏感传输的数据。第四，算法必须分布在中间节点开始学习和收集关于潜在可用路径当路由请求报传播的信息。由于在无线传感器网络中的节点具有有限的能量，从而限制网络寿命，这是分享路线计算任务的本质节点之间。此外，分布式计算有一个更好的机会在被攻击的情况下承受失败。第五，路由算法必须保存网络性能。特别是，对于潜在的可用的路线，与在网络中的分布式计算的路由路径的中间节点的信息的储存而引起的开销应该减少。

3.提出的路由算法的描述

提出的多路径路由算法，semura，扩展了动态源路由算法（DSR）.（johnson and maltz.，1996年），它是反应式路由方法广泛使用的基础上，大集路由协议的扩展。我们考虑跟踪无线传感器网络，一套传感器节点是随机分布在网络中并且是负责从周围的环境和收集到的数据发送到基站的感应活动。传感器节点与基站是通过他们的邻居转发数据报进行沟通。传感器节点相比，该基站是典型的具有足够的计算资源和高存储容量。

3.1 SeMuRa阶段

该协议包括两个步骤：路由发现和路由维护，这允许在任何传感器源节点之间发现和保持多个可能的路径。

路由发现机制：是时使用的要建立一套与BS路径。路线请求数据包，说RREQ，发送的时候它没有路由到BS。完全按需性能允许semura最小化指定的路径不相交的开销和阈值价值。接收的潜在路径列表后，S计算所有路径来满足目标指定的阈值，所选择的路径列表使用高速缓存，剩下的人，并开始发送数据。保持信息关于未使用路径，允许路线改性反应是快速下降到生成相关的开销一种新的RREQ.。

路由维护：是用来让机制更新的路径，使用列表如果网络拓扑变化，或一些路线是由于攻击破或睡眠周期的节点。这一机制的研究让中间节点使用看门狗的概念每包他们向前（Lee等人。，2007）检测行为不端的节点的身份或检测路线错误。如果下一跳，似乎被打破，一路由错误分组，说RERR，生成和发送到为了减少可能的路径数量目的地。将考虑所有的路径断并尝试利用另一条路线，在非响应存储在缓存它允许保持的k-x-connectivity。如果没有备份路由的BS在缓存中，源节点调用一次路由发现机制。

semura可以很容易地扩展到上下文Ad Hoc网络，其中的一组特征进行由BS将在这个网络中的任何节点支持，和目的地节点会产生多条路线，将其中的任何一个。

3.2 SeMuRa路由发现

五种类型的数据包所使用的semura期间路由发现阶段：（一）路由请求：是的第一个数据包是由节点想要播放建立BS多径路由。每一个中间节点利用这个数据包发现不完整网络中的路由。它还添加了自己的身份在广播RREQ和它的邻居。（b）路由响应：寄回用BS接收时对RREQ。这个数据包中包含的优化路径和源路由到所产生的节点RREQ。（c）通知：由目标应用节点要求中间节点转发信息他们学会了关于源路由节点。这些信息会被看不见的由BS当它收到RREQ报文。（D）转发：通过中间节点列表用于转发他们对于现有信息存储在网络路径。（e）条发出的错误：中间节点到源节点时，它检测到的一个路由失效。它也可以让源节点更新的路径，它使用到BS。

网络发现.当一个节点，表示S1，加入网络，广播一二跳HELLO消息，其中包括其身份和生存时间（TTL）值等于2。任何节点，S2，说，听到这个消息包括在其S1的身份一跳邻居列表，设置的TTL值好消息，等于1，低于其收到值，并将数据报。任何节点，说S3，听到消息包括在其S2的身份一跳邻居列表，和S1在其两跳表邻居，套Hello消息的TTL值等于1，低于其收到的价值，并丢弃数据报。被认为是积极的，每一个节点应定期发送一二跳HELLO消息并按照上面描述的过程。这允许每个节点维护两个新的清单：它的邻居列表，和其邻国的邻居列表。

生成和转发路由请求。一个要建立一个路径节点到BS，启动通过生成一个RREQ数据克的BS和广播网络中的路由发现。每一个生成的RREQ包括一三元组信息：lang;SEQ，RREC，DTrang;。序列代表一个序列这应该是每一个新产生的不同的数RREQ。序列号，连同发送者的IP地址，允许识别RREQ和它关联到随后的产生反应。DT是不相交的阈值为由发送者指定的最大数量节点可以共享的任何两个路径之间路径建立与BS组。价值DT的转发过程中保持不变分组到目的地。RREC是路线记录用于包括所遵循的路径，对RREQ达到BS。事实上，当一个节点在网络中收到这个数据包的时候，它附加身份的RREC场，和广播它的邻居。每一个节点，说，包括BS，它接收的数据报的第二个拷贝，提取了RREC字段的内容。后者提供一条路径从发送者到节点的节点n将附加RREC内容一起值Seq到列表，为RP，代表名单接收路径。然后丢弃该数据报。

路线反应生成和转发。RREQ报文到达一次不同的副本目的地（即，BS），后者将产生路由响应报文RREP来，说，源。它包括三元组信息lang;SEQ，R，RNC，RPBsrang;序列代表的价值在哪里该序列号出现在收到RREQ，R是路由，这是组成的节点的最短序列的恒等式路径（之间的源和BS）其中接收到的范围内的不同副本rreqs。RCN代表共同剩余数

节点。它是由BS发起x的值在收到的RREQ。这个值下降1每次RREP路由的节点包含一个非空的列为同一接收到的路径该序列号的值。该RREP报文将源路由到基于内容发件人R.此外一个名单，说RPBs，包含所有的路由路径连接源节点列表以BS添加到RREP。当RREP包路由到源，后者与所有中间节点将发现一个路由到BS，储存在他们的高速缓存，并使用它作为一种替代的路径，如果一些链接错误可能会发生。我们提醒读者：任何不同的路线的要求，将收到的BS，可能有一些节点。他们每个人都可以写的一系列与其他路线的共享节点，其次是一系列不同的节点。

数据报列表生成和转发转发。每一个节点是减少 RCN的酒店价值的NP，哪里转发数据报的名单包含序列号（在已经收到在NP）和一个列表（序列获得的RP美联社和RP数应为同一在一个二维滤波器应用NP）后，说 F1和F2。转发数据包的列表是发送到源节点的节点（即，它引发的RREQ）。第一个过滤器（F1 反相路径是比任何rcnminus;1共享节点。任何现有的路径中发现窄。第二滤波器F2在F1 s输出一组节点共享minus;1 RCN比节点。它取代了每一个论文在RP组列表的最短路径。当源节点平等应该提醒X为0（即，所有的路径必须是不相交的）发现，NP将发送在一个平等的价值为0。中间节点后者有一个空的，本想和RP，前锋分组到他们的邻居。如果它是不案例，每个节点发送其反相时间它靠近源节点列表，这个列表从记忆存储资源。如果没有额外的空间在一个节点存储解决方案在使用近邻的记忆。两类大学节点：节点可以用一个高存储容量与有限的存储容量和节点。每个节点知道其近邻的分类。一个节点低存储容量有可能发送的配件它的邻居节点的数据只与高店存储容量。事实上，如果接收节点发送反馈到发射机的位置数据在它去了大学它的覆盖或睡。如果发射机的记忆仍然全，应该找到一个邻居节点接收节点。所以这是一个发射器和有点高存储容量，传输数据的节点和认为，它的身份信息的发射机。

3.3 重建源路线

重建过程的目的是构建K路径满足阈值x如果几个不相交组合都是可能的，发送者可以选择其中使用共享的最小数量节点，或选择一个使用最短K可能的路径。第一个方案可供选择如果可用性比交货延迟更敏感。我们提醒，x的值在RREQ指定的，有防止中间节点转发无用的列表路径，如果由源组装在一起节点，将生成的路线，包括一些共享节点高于预计的X。

重建的路径集，下面的算法执行。让LCP是完整的列表满足阈值x生成的路径算法，和LP是路径接收到的序列不同单转发数据报发送到中间网络中的节点。LP = lt; P1，hellip;hellip;，PN gt;在每一个Pisin;LP表示任意路径，如果形式lt; S1，hellip;hellip;，SBL gt;，其中：A）S1代表身份节点，发起路由发现；和b）SBL表示出任何中间节点在网络包括基站，它丢弃的RREQ报文第二份。

起动与FIFO队列Q的说，含集接收的BS型路径中。直到lang;rang;Q =或LP = 0的算法：设r＜S′1，hellip;，S′n＞，在WHERE子句中的第一路由路径，Q，S′1架是在源节点和S′n的BS。启动从该值等于N i i，直到成为等于1（1），即是在每一decreas

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