降低ZigBee網(wǎng)絡能耗的路由安全算法

蔣建平,陳 輝

（桂林電子科技大學 信息與通信學院,廣西 桂林 541004）

ZigBee網(wǎng)絡協(xié)議在PHY層和MAC層采用802.15.4協(xié)議標準，在 EWK(網(wǎng)絡)層和 APL(應用)層則采用由ZigBee聯(lián)盟定義的ZigBee協(xié)議標準，具有低功耗、低速率、高穩(wěn)健、可靠、靈活的特點[1]。隨著 ZigBee協(xié)議的不斷升級，基于ZigBee技術的無線傳感網(wǎng)絡（簡稱ZigBee網(wǎng)絡）將在家庭網(wǎng)絡、工業(yè)控制、工業(yè)無線定位、汽車自動化、樓宇自動化和醫(yī)療設備等多個領域實現(xiàn)更廣泛的應用[2-3]。本文研究的重點是將ZigBee網(wǎng)絡與其他網(wǎng)絡進行鏈接，提出一種有效降低節(jié)點能耗、增加網(wǎng)絡安全、延長網(wǎng)絡生存時間的高效路由算法。結合AODVJr(按需路由協(xié)議的簡化版)和樹路由算法，并將SRP（安全遠程密碼協(xié)議）算法[4]加以考慮，提出一種具有降低網(wǎng)絡開銷、提高網(wǎng)絡安全的路由安全協(xié)議。

1 節(jié)能算法的提出

ZigBee網(wǎng)絡中,若路由節(jié)點的電池能量消耗較大，會導致網(wǎng)絡分割時刻提前，使網(wǎng)絡的吞吐量、傳輸時延等性能指標急劇惡化。適當?shù)亟档途W(wǎng)絡路由節(jié)點的能量開銷對于網(wǎng)絡具有更大的優(yōu)化效果。

AODVJr算法繼承了AODV(按需路由協(xié)議)算法的特性，同時在AODV算法基礎上取消了Hello包的發(fā)送，并規(guī)定只有目的節(jié)點對RREQ(路由請求)包進行應答,中間節(jié)點不會產生RREP(路由響應)。通過采用這種端到端的通信方式，可以大大降低網(wǎng)絡的開銷。雖然AODVJr算法在尋找路徑的過程中有較大的優(yōu)勢，然而該算法在路由發(fā)現(xiàn)過程中仍然會產生一些多余的RREQ分組，該分組雖然也參與了路由發(fā)現(xiàn)過程，然而卻對最終結果卻不起任何作用，如果在路由發(fā)現(xiàn)過程中去除掉這些RREQ包，將會有效地降低節(jié)點的開銷，增加網(wǎng)絡的生存時間。

問題的提出：

(1)按照圖1所示的樹路由傳輸規(guī)律，節(jié)點3發(fā)送數(shù)據(jù)給節(jié)點17要經(jīng)過3跳,如果在RREQ分組跳數(shù)大于4的情況下仍然繼續(xù)泛洪,則對最終找到路徑?jīng)]有任何作用；

(2)當節(jié)點12需要發(fā)送數(shù)據(jù)到節(jié)點7時，若節(jié)點12沒有到節(jié)點7的路由表項,則節(jié)點12向其所有的鄰居節(jié)點發(fā)送RREQ分組進行路由發(fā)現(xiàn)過程。由于節(jié)點7并不是節(jié)點12的后裔節(jié)點，所以節(jié)點12向其后裔節(jié)點發(fā)送RREQ分組對于需找到節(jié)點7的最優(yōu)路徑絲毫不起任何作用；

(3)若節(jié)點12發(fā)送數(shù)據(jù)到其后裔節(jié)點19，從而節(jié)點12發(fā)送RREQ分組到其父節(jié)點3來尋找最優(yōu)路徑所起的作用也不大。

(4)由于AODVJr協(xié)議過于簡化，沒有考慮路由的安全性，使得路徑信息可能被更改，數(shù)據(jù)在傳輸過程中也極有可能被丟棄或者篡改，不利于安全機制的運行。

針對這些問題，本文將TR算法和AODVJr算法相結合，并適當限制路由過程中RREQ分組的泛洪，規(guī)定在改進算法中RREQ的最大傳輸范圍為網(wǎng)絡最大深度L的2倍，這樣當RREQ的傳輸范圍超過2L時，節(jié)點便丟棄接收到的RREQ分組。

2 降低能耗的安全算法設計

在上述提出降低能耗的基礎上，結合SRP安全算法，使得改進的算法既起到降低能耗又能保障路徑傳輸數(shù)據(jù)的安全。由于SRP與AODVJr在路由機制上略有差異,本文在此對SRP算法也進行了一些適用于AODVJr的改進：

(1)考慮到AODVJr協(xié)議禁止中間節(jié)點對路由請求作出響應，本文也將SRP算法限制中間節(jié)點對路由請求作出響應。

(2)根據(jù)AODVJr協(xié)議中的“最快即最好”原則，本文同樣對SRP進行一些設定，即目的節(jié)點只響應最先收到的RREQ,對之后接收到的全部丟掉。

(3)考慮到AODVJr協(xié)議中的RREP（路由響應）報文只能以單播的方式傳送回源節(jié)點，因此在SRP算法中，目的節(jié)點發(fā)出的RREP包只能以逆著接收到RREQ報文來的路徑傳回到源節(jié)點。

在SRP和AODVJr協(xié)議基礎上，對RREQ分組中增加flag標志位和隨機問詢標志QID，flag=0表示當前節(jié)點的父節(jié)點不應該轉發(fā)RREQ分組，flag=1表示當前節(jié)點的后裔節(jié)點不宜轉發(fā)RREQ分組。為避免中間節(jié)點將同一問詢轉發(fā)多次或者目的節(jié)點對同一問詢作出多次響應，應使源節(jié)點在同一次發(fā)出的問詢獲得相同的標志。結合樹路由算法、AODVJr協(xié)議和SRP協(xié)議的改進路由算法步驟如下：

(1)如果 ZigBee網(wǎng)絡中的 RFD(終端)節(jié)點要發(fā)送數(shù)據(jù)到該網(wǎng)絡中的其他節(jié)點,則RFD首先將數(shù)據(jù)發(fā)送給其具有路由功能的父節(jié)點，再由其父節(jié)點進行轉發(fā)。

(2)如果具有路由功能的FFD節(jié)點要發(fā)送數(shù)據(jù)到網(wǎng)絡中的其他節(jié)點，則RFD首先查看目的節(jié)點是否在鄰居列表中，如果沒有則啟動路由發(fā)現(xiàn)請求；否則，直接進行數(shù)據(jù)轉發(fā)。

(3)將源節(jié)點IP地址、目的節(jié)點IP地址、問詢標示QID地址、flag標志位、SRP消息識別碼 MAC和初始值為0的跳數(shù)值hops加入到RREQ包中。其中QID是在源節(jié)點發(fā)起RREQ時激發(fā)產生的一個32 bit隨機問詢標志，在路由發(fā)現(xiàn)階段，中間節(jié)點通過該標志來識別路由請求，如果轉發(fā)成功，則跳數(shù)值hops加1。而MAC碼是由目的節(jié)點地址，源節(jié)點地址和共享的鑰匙KS、D作為單向散列函數(shù)的輸入，通過計算其輸出[6]，可以獲得相應的MAC碼。

(4)當源節(jié)點需要與另一節(jié)點進行通信而又沒有通往該節(jié)點的路徑信息時，源節(jié)點便向鄰居節(jié)點廣播一個路由請求消息RREQ發(fā)起一個路徑尋找過程[5]。

(5)假如節(jié)點M作為中間轉發(fā)節(jié)點收到節(jié)點N發(fā)送來的RREQ包時，首先查看分組RREQ分組里的跳數(shù)值和對隨機問詢標志QID提取，如果跳數(shù)hops＞2L或者是當QID與節(jié)點問詢表的某個入口相符合時,則丟棄該RREQ包。

(6)否則若QID與節(jié)點問詢表的某個入口不相符合且hops＜2L時，節(jié)點M繼續(xù)提取出源節(jié)點和目的節(jié)點地址,與QID一起在問詢表中創(chuàng)建一個入口，且同時查看RREQ包里的flag值：如果flag=0，則說明N的父節(jié)點不適合轉發(fā)此RREQ包;如果flag=1，說明N的子節(jié)點不適合轉發(fā)RREQ。

(7)路徑上的每個中間節(jié)點都會重復步驟 (5)～(6),同時檢測從鄰節(jié)點接收到問詢的頻率次數(shù)。檢測到的頻率次數(shù)大于預先設定的一個頻率次數(shù)值時，可以將該鄰居節(jié)點看成一個壞節(jié)點而丟棄，這樣壞節(jié)點就達不到消耗網(wǎng)絡資源、消耗網(wǎng)絡性能的目的了。

(8)當目的節(jié)點接收到RREQ包時,利用改進的SRP算法來驗證該RREQ是否有效，如果有效則目的節(jié)點開始構造響應的路由響應RREP，并將該響應RREP逆著RREQ來的路徑傳輸回源節(jié)點。

(9)當接收到來自目的節(jié)點的路由響應時，源節(jié)點先檢查RREP中源節(jié)點地址、目的地址和問詢標志QID，如果與當前最迫切的問詢不一致，則將RREP丟棄；若一致，則源節(jié)點利用參考文獻[6]計算消息識別碼MAC。若結果與RREP中的MAC碼相符合，則源節(jié)點就會認為路由請求確實完好無損地到達了目的節(jié)點，并且目的節(jié)點的響應能夠沿著該路徑被源節(jié)點S成功，從而證實了該連接信息的有效性。具體的實現(xiàn)過程如圖 2、圖 3、圖 4所示。

3 改進算法的仿真及圖形分析

網(wǎng)絡仿真軟件采用NS-2對改進后的ZigBee算法進行模擬實驗。模擬的區(qū)域是1 000 m×1 000 m，節(jié)點的總數(shù)為 100個，隨機分布在這個區(qū)域內，每個節(jié)點的初始能量均為1 000 J，數(shù)據(jù)包長度為128 bit，信道傳輸數(shù)據(jù)的傳輸率為250 kb/s。將改進安全算法與傳統(tǒng)AODVJr算法的仿真結果進行比較，如圖5和圖6所示。

圖2 源節(jié)點發(fā)送RREQ分組流程圖

圖3 目的節(jié)點對RREQ的處理流程圖

圖4 中間節(jié)點對RREQ的處理流程

圖5中，曲線1表示傳統(tǒng)的AODVjr路由算法運行時網(wǎng)絡消耗的總能量，曲線2表示改進算法運行時網(wǎng)絡消耗的總體能量。由于改進算法引入了鄰居列表，在路由傳輸?shù)倪^程中綜合考慮了路由跳數(shù)并限制了路由泛洪，在網(wǎng)絡運行到6 s時大約節(jié)省17.0%的網(wǎng)絡總能量。

圖6中，曲線3表示傳統(tǒng)網(wǎng)絡在受到惡意節(jié)點攻擊時，數(shù)據(jù)包的丟失率隨惡意節(jié)點的增多而變化的曲線。曲線4表示由于考慮了網(wǎng)絡的路由安全，將SRP算法與AODVJr算法相結合，提高了網(wǎng)絡的安全性，即使存在惡意節(jié)點的攻擊時，數(shù)據(jù)包的丟失率相對曲線3和會減少很多。而在初始時刻，不存在惡意節(jié)點時，曲線3曲線4幾乎相聚于零點，因而可以得出在無攻擊的惡意節(jié)點時，兩種算法的丟包率接近，且都非常小。

針對傳統(tǒng)的ZigBee路由算法，本文提出一種在傳統(tǒng)的ZigBee路由算法的基礎上，引入鄰居表，在數(shù)據(jù)傳輸過程中，考慮了跳數(shù)hops，并與 SRP算法相結合，通過實驗驗證了該算法降低了網(wǎng)絡總能耗，提高了網(wǎng)絡安全。但是該算法僅僅考慮了局部的路由跳數(shù)而沒有考慮整體的路由跳數(shù)的最優(yōu)化，同時只采用了傳統(tǒng)的SRP算法,面對惡意節(jié)點的攻擊時還不能很好地保護傳輸數(shù)據(jù)。今后的工作中，可以在這兩方面做進一步的研究。

[1]ZigBee Alliance.ZigBee Specification(version 1.1)[S].2006.

[2]謝川.基于ZigBee的AODVjr算法研究[J].計算機工程.2011,37(10):87-89.

[3]鐘永鋒，劉永俊.ZigBee無線傳感網(wǎng)絡[M].北京:北京郵電大學出版社，2011：93-95.

[4]MARSHALL J.An analysis of SRP for mobile Ad Hoc networks[C].Proceeding of the 2002 Internation Multi Conference in Computer Science.Las Vegas,USA.2002.

[5]戴逸民,王培康,陳巍.通信網(wǎng)的安全理論與技術[M].北京：清華大學出版社，2006：126-246.

[6]鄭東,李祥學,黃征.密碼學—密碼算法與協(xié)議[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009:84-90.