基于投票机制与椭圆曲线加密技术的无线传感器网络簇头选择优化方法（ECHVM）

《Scientific Reports》：Enhancement of selecting the cluster head based on the voting mechanism and Elliptic Curve Cryptography for Wireless Sensor Networks (ECHVM)

　　

摘要

无线传感器网络通常部署在恶劣环境中，极易出现电池耗尽的问题，同时还面临各种路由安全威胁，尤其是“沉洞攻击”和数据篡改攻击。本文提出了一种名为ECHVM的新型安全且节能的路由框架，该框架通过投票机制优化簇头选择，并结合基于椭圆曲线加密的区块链技术，从而在网络安全与硬件资源效率之间实现最佳平衡。ECHVM协议将椭圆曲线加密技术与轻量级的分布式账本相结合，通过将关键网络事件的验证工作从单一且易受攻击的集中式节点转移到相邻节点之间的去中心化投票共识机制中，有效降低了集中式控制带来的风险。在簇头选择过程中，该协议采用了基于节点属性及距离的加权投票算法，并运用51%邻居共识规则来识别恶意行为，确保本地账本交易的安全性。此外，还设计了一种考虑局部能量密度及拓扑结构特点的节能型簇头选择算法，以此保证网络高密度区域中的簇头分布均匀，避免出现能量耗尽问题。利用标准的一阶无线电能量模型，在MATLAB中进行的定量模拟表明，相较于现有的先进协议（如ELSO和SEC-HDT），ECHVM能够以98.2%的准确率检测出恶意节点，同时还能将网络使用寿命延长30%，这得益于其有效的拓扑防御机制以及快速的节点休眠功能。通过威尔科克森符号秩检验进行的统计分析也证实，ECHVM在降低能耗和延长网络寿命方面的效果极为显著（p?=?0.019），因此可作为一种具有数学依据、稳定可靠且可扩展的安全框架，适用于资源受限的高密度物联网及智能传感应用，为下一代通信系统提供有力支持。