近年来，随着无线通信技术、嵌入式技术、计算机技术与微系统技术的发展，由大量具有传感功能的小型移动设备所构造的无线传感器网络，广泛应用于收集、传播和处理各种海量感知信息，引起了人们的普遍关注。　　 无线传感器网络在军事国防、工农业控制、城市管理、卫生医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐以及商业应用等领域都有广泛的应用前景。但不管何种无线传感器网络，路由协议都是控制源节点和目的节点之间的数据传输，是无线传感器网络最关键的通信协议。然而，在大多数应用环境中，对无线传感器网络路由协议的安全性有很高的要求，其协议的安全性已经制约了无线传感器网络的进一步应用。为了实现安全通信，密钥管理是其安全架构的基础，但传统的密钥分配方案不能适用无线传感器网络。同时，由于无线传感器网络资源受限和开放的体系结构，也面临其它严重的安全问题，但是，原有的路由协议在设计之初，普遍缺乏安全方面的考虑，非常容易受到各种网络攻击。因此，综合考虑网络的能效和安全性，设计适合于无线传感器网络密钥分配方案和低能耗的安全路由协议，具有很高的应用价值。　　 多播在无线传感器网络中可用于批量传递控制信息、报警信号与其它组播信息，同时也是建立节点间路由的重要手段。但无线传感器网络具有与传统网络不同的特点，所以众多传统网络的路由协议与多播路由协议不能直接有效应用于无线传感器网络中。多播路由可采用泛洪方式实现，但是存在冗余转发节点多、冲突与碰撞严重等问题，大量消耗能量与带宽等资源。在大多数应用环境下，由于无线传感器网络节点自身所携带的能量非常有限，而能量消耗直接影响着其自身的使用寿命，所以，研究适合无线传感器网络的低能耗路由协议和多播路由协议，以及如何根据传感器网络的应用合理优化它们，显得尤为重要。　　 我们抓住无线传感器网络资源受限和面向特定应用两大主要特点，从安全和优化两个视角，围绕路由协议和拓扑结构两个中心，逐步对安全和优化展开研究。本文在研究路由协议和密钥分配方案的基础上，着重对路由协议的安全、多路径路由协议的优化以及多播路由优化等进行了深入研究，设计了相关模型，提出了相应算法，实现了延长网络生命周期、提高网络安全和改善网络性能等目标。论文的主要研究工作和创新成果可以概括为下面五个方面：　　 (1)针对 A.Wadaa等人训练后的传感器网络结构--ACWT结构(Architecture of Circle and Wedge Training)，提出了一种基于无线传感器网络楔环结构的路由协议(CWR协议)。CWR协议由能效AP选举算法、本地地址解析(LPRP)、网络地址转换(NPT)和CWR算法组成，与现有路由协议DD和LEACH应用到ACWT结构相比，CWR协议延长了网络生命周期，减少了传输延时。　　 (2)针对当前密钥管理和路由信息脱离现象，提出了一种基于按需路由协议的多项式密钥预分配改进方案PKPIS。PKPIS首次把WSNs路由信息与多项式密钥方案结合起来，较好地解决了WSNs资源受限问题。PKPIS充分利用网络路由的拓扑信息和基站功能，基站集中存储重要安全信息和承担大量计算负荷，而普通节点仅保存其邻居的多项式份额，这种机制不仅有效防止了密钥泄漏，增强了网络的安全性能，而且节省了传感节点的能量资源。　　 (3)根据无线传感器网络(WSNs)资源受限特别是能量受限的特点，针对路由协议的安全目标，设计了路由路径选择系统RPSS，提出了基于加密和验证的高效安全路由协议(BEARP)，较好地解决了WSNs路由协议与相关安全机制有机结合的难题。BEARP由三个阶段组成：安全邻居发现阶段；安全路由发现阶段；安全路由维护阶段。BEARP加密了所有通信路由信息包，验证了通信双方：基站和源节点，确保了路由信息的机密性、完整性、新鲜性和抗抵赖性。BEARP安全机制包括路由路径选择系统、入侵检测系统和多线程机制，它们组成安全联盟，高效抵制了各种典型的网络攻击。同时，BEARP迁移了路由相关负荷到基站完成，不仅均衡了网络能量，延长了网络生命周期，而且增强了网络安全。　　 (4)首次将遗传算法应用到WSNs多路径路由，设计了多路径路由优化模型，并进一步提出了一种求解WSNs最优多路径路由算法GAMR，较好地解决了能量资源的全局优化问题。GAMR充分利用能源充足、计算和存储功能强大的基站优势，把解决NP难问题的遗传算法应用到WSNs的多路径路由优化中，在基站中执行遗传算法的选择、交叉和变异操作，不仅高效优化了多路径路由，而且节约了网络能量。　　 (5)针对二层WSNs多播路由，设计了二层传感器网络优化模型，提出了基于扩展ST编码的遗传算法(GAEST)，首次用遗传算法理论高效解决了WSNs多播路由优化问题。该算法从网络全局能耗考虑，为每个簇头选择最佳输出功率，确定其最优的发送距离，对多播网络的耗能进行了全局优化，而且，扩展ST编码关联三个遗传操作：选择、交叉和变异，充分利用了传感节点本身信息，减少了搜索空间，有利于遗传算法寻找优化解。仿真结果表明，相比基于Prüfer编码的GAP，GAEST的包转发率、适用值变化和收敛速度都较优，相比EMRS和DD协议，GAEST延长了多播服务的网络生命周期。　　 本论文提出有关路由协议的安全和优化研究成果，是实现无线传感器网络安全架构的基础，对今后继续探讨低能耗、抗攻击的密码技术、安全定位技术和数据聚合与优化技术等研究，具有较高的研究和应用价值。　　 本项目研究工作受到教育部科学技术研究重点基金项目“普适计算中位置感知研究”(N0.104086)的资助。