專利名稱：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)對(duì)惡意干擾的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種無線通信技術(shù)領(lǐng)域的方法，具體是一種基于IEEE 802. 15. 4 技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)對(duì)惡意干擾的方法。
背景技術(shù)：
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合了傳感器、嵌入式計(jì)算、分布式處理和無線通信等技術(shù)，是一 種全新的信息獲取和處理技術(shù)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由隨機(jī)分布的集成傳感器、數(shù)據(jù)處理單元 和通信模塊的微小節(jié)點(diǎn)通過自組織的方式構(gòu)成。它借助于節(jié)點(diǎn)中內(nèi)置的形式多樣的傳感 器，協(xié)作地實(shí)時(shí)監(jiān)測、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測對(duì)象的信息，對(duì)其進(jìn)行處理，并通過無線 和自組織多跳的網(wǎng)絡(luò)方式，將獲取到的信息送到終端用戶。隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展與應(yīng)用越來越廣泛，其安全問題也日益重要。同時(shí)，受 限于傳感器結(jié)點(diǎn)本身計(jì)算能力、能量、傳輸媒介等的限制，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全問題比以 往的因特網(wǎng)上的安全問題更為棘手。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，結(jié)點(diǎn)之間通信使用的是開放而 且通信帶寬受限的信道，這樣使得干擾結(jié)點(diǎn)可以很容易地觀測并參與到網(wǎng)絡(luò)中正常結(jié)點(diǎn)的 通信。所以，干擾結(jié)點(diǎn)只要繞過MAC層(介質(zhì)訪問控制層)和物理層的一些相應(yīng)安全機(jī)制， 通過簡單地發(fā)送錯(cuò)誤的信息就可以誤導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)中的正常結(jié)點(diǎn)，從而影響整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)的正 常工作。這種干擾攻擊可以看成DoS攻擊(denial-of-service，拒絕服務(wù)攻擊)的一個(gè)特 例。經(jīng)文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，作者Y. Law和P. Havinga在ISSNIP 2005的89-95頁上發(fā)表文 章"Howto secure a wireless sensor network，，，該文提至Ij的一些無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中抗 干擾的方法，如基于物理層的HISS擴(kuò)頻技術(shù)和DHSS擴(kuò)頻技術(shù)(直接序列擴(kuò)頻技術(shù))，或者 設(shè)計(jì)新的MAC層協(xié)議。前者需要改變現(xiàn)有的傳感器結(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)，成本比較高，后者與現(xiàn) 有的傳感器網(wǎng)絡(luò)不兼容。所以現(xiàn)在亟需發(fā)掘一些新的機(jī)制用于對(duì)干擾攻擊。這個(gè)機(jī)制需要 能達(dá)到一定的抗干擾能力，同時(shí)也需要能夠在現(xiàn)有的傳感器結(jié)點(diǎn)硬件上實(shí)現(xiàn)得了，并與當(dāng) 前的傳感器網(wǎng)絡(luò)互相兼容。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)對(duì)惡意干擾 的方法。本發(fā)明在IEEE 802. 15. 4協(xié)議的MAC層之上，通過引入相應(yīng)的機(jī)制，使無線傳感器 網(wǎng)絡(luò)具備抗干擾的能力而無須修改當(dāng)前的傳感器硬件設(shè)計(jì)，并且可與當(dāng)前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)
相兼容。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括以下步驟步驟1、傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行丟失節(jié)點(diǎn)判斷后計(jì)算所有一跳鄰居節(jié)點(diǎn)中的最大包傳輸 成功率所述的丟失節(jié)點(diǎn)判斷是指傳感器結(jié)點(diǎn)通過廣播數(shù)據(jù)包至所有一跳鄰居結(jié)點(diǎn)，并 根據(jù)收到的回復(fù)消息來更新其鄰居結(jié)點(diǎn)列表，當(dāng)原有的鄰居節(jié)點(diǎn)列表中有至少一個(gè)結(jié)點(diǎn)在更新后的鄰居表中不再出現(xiàn)，則該鄰居節(jié)點(diǎn)為丟失節(jié)點(diǎn)并執(zhí)行步驟4。所述的廣播數(shù)據(jù)包的周期為50ms。所述的最大包傳輸成功率是指當(dāng)不存在丟失節(jié)點(diǎn)時(shí)，傳感器結(jié)點(diǎn)分別統(tǒng)計(jì)其自 身及其鄰居結(jié)點(diǎn)的廣播數(shù)據(jù)包-回復(fù)消息的包傳輸成功率，并且得出包傳輸成功率中的最 大值作為最大包傳輸成功率。 所述的廣播數(shù)據(jù)包-回復(fù)消息的包傳輸成功率是指在一個(gè)時(shí)間窗口 W中，傳感器 結(jié)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)成功發(fā)送的數(shù)據(jù)包的個(gè)數(shù)和成功到達(dá)目的地的數(shù)據(jù)包的個(gè)數(shù)，二者的比值即為包 傳輸成功率Pdr ；其中W為2秒。步驟2、當(dāng)最大包傳輸成功率大于傳輸率閾值時(shí)返回步驟1，否則傳感器結(jié)點(diǎn)測量 當(dāng)前通信信道中的信號(hào)能量強(qiáng)度；所述的當(dāng)前通信信道中的信號(hào)能量強(qiáng)度通過以下方式獲得傳感器結(jié)點(diǎn)每隔 lms，連續(xù)50次讀取信道中的信號(hào)能量強(qiáng)度，并選取50個(gè)信號(hào)能量強(qiáng)度值中最大的三個(gè)，取 平均后作為當(dāng)前通信信道中的信號(hào)能量強(qiáng)度。所述的傳輸率閾值為50%。步驟3、當(dāng)信號(hào)能量強(qiáng)度小于信號(hào)強(qiáng)度閾值時(shí)回到步驟1 ；否則傳感器結(jié)點(diǎn)將當(dāng)前 通信信道切換至保留信道，并在保留信道上等待重新連接，當(dāng)重新連接則回到步驟1 ；否則 傳感器結(jié)點(diǎn)搜索所有可用通信信道并依次在各個(gè)可用通信信道上等待重新連接，當(dāng)重新連 接則回到步驟1 ；否則傳感器節(jié)點(diǎn)將當(dāng)前通信信道切換至初始信道，并等待連接，一直到連 接上后回到步驟1 ；所述的保留信道為傳感器網(wǎng)絡(luò)中在初始化時(shí)就預(yù)先設(shè)定好的無干擾信道序列，該 保留信道通過以下方式得到對(duì)所有的信道進(jìn)行編碼，網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)傳感器結(jié)點(diǎn)共享同一 個(gè)密鑰用于產(chǎn)生一個(gè)相同的隨機(jī)數(shù)序列，當(dāng)需要獲得一個(gè)保留信道編號(hào)時(shí)，按照所述的隨 機(jī)數(shù)序列進(jìn)行搜索得到的第一個(gè)空閑的信道即為保留信道。所述的空閑的信道是指當(dāng)信道中的信號(hào)能量強(qiáng)度低于閾值時(shí)，則斷定信道為空 閑。步驟4、傳感器結(jié)點(diǎn)將當(dāng)前通信信道切換至保留信道，并在保留信道上廣播數(shù)據(jù)包 給所有一跳鄰居結(jié)點(diǎn)，當(dāng)收到步驟1中所述丟失節(jié)點(diǎn)的回復(fù)則執(zhí)行下步驟5，否則傳感器結(jié) 點(diǎn)將當(dāng)前通信信道切換至初始信道并返回步驟1 ；步驟5、傳感器結(jié)點(diǎn)將當(dāng)前通信信道切換至初始信道，廣播即將切換通信信道的消 息，然后再將通信信道切換至保留信道上，返回步驟1。有益效果現(xiàn)在廣泛應(yīng)用在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的IEEE 802. 15. 4技術(shù)中并沒有應(yīng) 對(duì)干擾的機(jī)制，而傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)抗干擾的方法不能在現(xiàn)有的傳感器結(jié)點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明 在IEEE802. 15. 4技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出來了一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)對(duì)干擾的方法。通過 實(shí)驗(yàn)表明，這個(gè)方法能夠有效地應(yīng)對(duì)干擾，使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在存在干擾的環(huán)境中正常 工作。在大多數(shù)情況下，其干擾檢測精度達(dá)到80%以上，其信道切換時(shí)延可控制在百毫秒 級(jí)別，足以滿足大部分現(xiàn)有的傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的需要。同時(shí)這個(gè)方法的額外計(jì)算復(fù)雜度是 0(1)，基本不會(huì)影響到傳感器的正常工作。本發(fā)明采用了引入置信度檢驗(yàn)的包傳輸成功率 來進(jìn)行干擾檢測的判斷，這是這個(gè)抗干擾系統(tǒng)的基礎(chǔ)，使之在擁有較高抗干擾能力的前提 下，也不至于對(duì)傳感器結(jié)點(diǎn)造成過大的額外負(fù)擔(dān)。


圖1是本發(fā)明流程示意圖。
具體實(shí)施例方式下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行 實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施 例。運(yùn)行本發(fā)明方法的設(shè)備為普通的傳感器結(jié)點(diǎn)，具體的平臺(tái)型號(hào)是Telosb。發(fā)明方 法的具體實(shí)現(xiàn)平臺(tái)是=TinyOS 2操作系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)中所使用的通信技術(shù)是IEEE 802. 15. 4技 術(shù)。通過修改TinyOS 2里原來實(shí)現(xiàn)IEEE 802. 15. 4技術(shù)的代碼，來把本發(fā)明應(yīng)用到實(shí) 際的傳感器結(jié)點(diǎn)中。具體步驟如下步驟1、傳感器結(jié)點(diǎn)如果收到切換信道的消息通知的話，就把信道切換到消息中所 述的信道中。否則傳感器結(jié)點(diǎn)通過在每次廣播beacon數(shù)據(jù)包給所有一跳鄰居結(jié)點(diǎn)時(shí)，根據(jù) 收到的回復(fù)消息來更新其鄰居結(jié)點(diǎn)列表。如果結(jié)點(diǎn)沒有收到原來的某個(gè)鄰居結(jié)點(diǎn)列表上的 結(jié)點(diǎn)的回復(fù)消息，則傳感器結(jié)點(diǎn)可以斷定這個(gè)鄰居結(jié)點(diǎn)發(fā)生了丟失，接著轉(zhuǎn)步驟4繼續(xù)操 作，否則傳感器結(jié)點(diǎn)分別統(tǒng)計(jì)其自身及其鄰居結(jié)點(diǎn)的包傳輸成功率，并且得出包傳輸成功 率中的最大值作為最大包傳輸成功率，具體步驟包括1. 1)傳感器結(jié)點(diǎn)每隔t時(shí)間廣播一個(gè)beacon數(shù)據(jù)包至鄰居列表中的結(jié)點(diǎn)，以保證 網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)流量不小于T
threshold‘ 其中T
threshold
取20個(gè)數(shù)據(jù)包/秒，t取值50ms ；1. 2)傳感器結(jié)點(diǎn)在每次調(diào)用發(fā)包函數(shù)時(shí)，會(huì)統(tǒng)計(jì)成功發(fā)送的數(shù)據(jù)包的個(gè)數(shù)和成 功到達(dá)目的地的數(shù)據(jù)包的個(gè)數(shù)，二者的比值即為包傳輸成功率(記為Pdr)；最后在每個(gè) 長度為2秒的時(shí)間窗口內(nèi)都統(tǒng)計(jì)出它與自身鄰居結(jié)點(diǎn)之間的最大包傳輸成功率(記為 MaxPdr)；步驟2、比較步驟1所得到的MaxPdr與Pthresh。ld，如果MaxPdr > Pthreshold,轉(zhuǎn)步驟 (1)繼續(xù)操作，否則傳感器結(jié)點(diǎn)測量得到當(dāng)前通信信道中的信號(hào)能量強(qiáng)度SS。具體步驟為 通過設(shè)置一個(gè)定時(shí)觸發(fā)的任務(wù)，每隔Ims觸發(fā)一次，通過讀取硬件預(yù)備好存放在寄存器中 的信號(hào)能量強(qiáng)度數(shù)值；當(dāng)這個(gè)定時(shí)任務(wù)被觸發(fā)50次后，就不再被觸發(fā)，同時(shí)返回這50次測 量中所獲得的數(shù)值里最大的前三個(gè)數(shù)值的平均值，這可以當(dāng)作是所要求獲得的信號(hào)能量強(qiáng) 度SS;其中，Pthresh。ld為根據(jù)需要設(shè)定的閾值，通過實(shí)驗(yàn)，可以取為50%。步驟3、比較步驟2中所得到的SS與Sthresh。ld，如果SS < Sthreshold,轉(zhuǎn)步驟1繼續(xù)操 作，否則傳感器結(jié)點(diǎn)將當(dāng)前通信信道切換至保留信道，設(shè)置一個(gè)定時(shí)任務(wù)，任務(wù)內(nèi)容是如果 當(dāng)前結(jié)點(diǎn)在T時(shí)間內(nèi)重新被其他結(jié)點(diǎn)連接上，就轉(zhuǎn)步驟1繼續(xù)操作，否則傳感器結(jié)點(diǎn)搜索所 有可用通信信道并依次在各個(gè)可用通信信道上等待重新連接，等待的最長時(shí)間為T，當(dāng)重新 連接則回到步驟1 ；否則傳感器節(jié)點(diǎn)將當(dāng)前通信信道切換至初始信道，并等待連接，一直到 連接上后回到步驟1 ；其中，Sthresh。ld為根據(jù)需要設(shè)定的閾值，與傳感器結(jié)點(diǎn)的硬件實(shí)現(xiàn)方法有關(guān)，可以通過實(shí)驗(yàn)獲得一個(gè)合適的Sthresh。ld取值；在這里，Sthresh。ld可以取-82daii。所述的保留信道為傳感器網(wǎng)絡(luò)中在初始化時(shí)就預(yù)先設(shè)定好的無干擾信道序列，該 保留信道通過以下方式得到對(duì)所有的信道進(jìn)行編碼，網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)傳感器結(jié)點(diǎn)共享同一 個(gè)密鑰用于產(chǎn)生一個(gè)相同的隨機(jī)數(shù)序列。當(dāng)需要獲得一個(gè)保留信道編號(hào)時(shí)，就按照這個(gè) 序列搜索，遇到的第一個(gè)空閑的信道就是所求的保留信道。其中，判斷信道空閑與否的方 法是通過測量信道中的信號(hào)能量強(qiáng)度SS2，測量方法與步驟2中測量SS值相同。當(dāng)SS2 < SS2threshold時(shí)，就斷定信道為空閑。通常，SS\toesh。ld可以取-90cffim。步驟4、傳感器結(jié)點(diǎn)將當(dāng)前通信信道切換至保留信道；傳感器結(jié)點(diǎn)在保留信道上 廣播數(shù)據(jù)包給所有一跳鄰居結(jié)點(diǎn)，如果有收到步驟1中所述在新的鄰居列表中消失的結(jié)點(diǎn) 的回復(fù)的話，則執(zhí)行下一個(gè)步驟，否則傳感器結(jié)點(diǎn)將當(dāng)前通信信道切換至初始信道并返回 步驟1;步驟5、傳感器結(jié)點(diǎn)將當(dāng)前通信信道切換至初始信道，廣播即將切換通信信道的消 息，然后再將通信信道切換至保留信道上，返回步驟1。
權(quán)利要求
1.一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)對(duì)惡意干擾的方法，其特征在于，包括以下步驟步驟1、傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行丟失節(jié)點(diǎn)判斷后計(jì)算所有一跳鄰居節(jié)點(diǎn)中的最大包傳輸成功率步驟2、當(dāng)最大包傳輸成功率大于傳輸率閾值時(shí)返回步驟1，否則傳感器結(jié)點(diǎn)測量當(dāng)前 通信信道中的信號(hào)能量強(qiáng)度；步驟3、當(dāng)信號(hào)能量強(qiáng)度小于信號(hào)強(qiáng)度閾值時(shí)回到步驟1 ；否則傳感器結(jié)點(diǎn)將當(dāng)前通信 信道切換至保留信道，并在保留信道上等待重新連接，當(dāng)重新連接則回到步驟1 ；否則傳感 器結(jié)點(diǎn)搜索所有可用通信信道并依次在各個(gè)可用通信信道上等待重新連接，當(dāng)重新連接則 回到步驟1 ；否則傳感器節(jié)點(diǎn)將當(dāng)前通信信道切換至初始信道，并等待連接，一直到連接上 后回到步驟1 ；步驟4、傳感器結(jié)點(diǎn)將當(dāng)前通信信道切換至保留信道，并在保留信道上廣播數(shù)據(jù)包給所 有一跳鄰居結(jié)點(diǎn)，當(dāng)收到步驟1中所述丟失節(jié)點(diǎn)的回復(fù)則執(zhí)行下步驟5，否則傳感器結(jié)點(diǎn)將 當(dāng)前通信信道切換至初始信道并返回步驟1 ；步驟5、傳感器結(jié)點(diǎn)將當(dāng)前通信信道切換至初始信道，廣播即將切換通信信道的消息， 然后再將通信信道切換至保留信道上，返回步驟1。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)對(duì)惡意干擾的方法，其特征是，所述的 丟失節(jié)點(diǎn)判斷是指傳感器結(jié)點(diǎn)通過廣播數(shù)據(jù)包至所有一跳鄰居結(jié)點(diǎn)，并根據(jù)收到的回復(fù) 消息來更新其鄰居結(jié)點(diǎn)列表，當(dāng)原有的鄰居節(jié)點(diǎn)列表中有至少一個(gè)結(jié)點(diǎn)在更新后的鄰居表 中不再出現(xiàn)，則該鄰居節(jié)點(diǎn)為丟失節(jié)點(diǎn)并執(zhí)行步驟4。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)對(duì)惡意干擾的方法，其特征是，所述的 廣播數(shù)據(jù)包的周期為50ms。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)對(duì)惡意干擾的方法，其特征是，所述的 最大包傳輸成功率是指當(dāng)不存在丟失節(jié)點(diǎn)時(shí)，傳感器結(jié)點(diǎn)分別統(tǒng)計(jì)其自身及其鄰居結(jié)點(diǎn) 的廣播數(shù)據(jù)包-回復(fù)消息的包傳輸成功率，并且得出包傳輸成功率中的最大值作為最大包 傳輸成功率。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)對(duì)惡意干擾的方法，其特征是，所述的 廣播數(shù)據(jù)包-回復(fù)消息的包傳輸成功率是指在一個(gè)時(shí)間窗口 W中，傳感器結(jié)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)成功發(fā) 送的數(shù)據(jù)包的個(gè)數(shù)和成功到達(dá)目的地的數(shù)據(jù)包的個(gè)數(shù)，二者的比值即為包傳輸成功率Pdr ； 其中W為2秒。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)對(duì)惡意干擾的方法，其特征是，所述的 當(dāng)前通信信道中的信號(hào)能量強(qiáng)度通過以下方式獲得傳感器結(jié)點(diǎn)每隔1ms，連續(xù)50次讀取 信道中的信號(hào)能量強(qiáng)度，并選取50個(gè)信號(hào)能量強(qiáng)度值中最大的三個(gè)，取平均后作為當(dāng)前通 信信道中的信號(hào)能量強(qiáng)度。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)對(duì)惡意干擾的方法，其特征是，所述的 保留信道為傳感器網(wǎng)絡(luò)中在初始化時(shí)就預(yù)先設(shè)定好的無干擾信道序列，該保留信道通過以 下方式得到對(duì)所有的信道進(jìn)行編碼，網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)傳感器結(jié)點(diǎn)共享同一個(gè)密鑰用于產(chǎn)生 一個(gè)相同的隨機(jī)數(shù)序列，當(dāng)需要獲得一個(gè)保留信道編號(hào)時(shí)，按照所述的隨機(jī)數(shù)序列進(jìn)行搜 索得到的第一個(gè)空閑的信道即為保留信道。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)對(duì)惡意干擾的方法，其特征是，所述的空閑的信道是指當(dāng)信道中的信號(hào)能量強(qiáng)度低于閾值時(shí)，則斷定信道為空閑。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)對(duì)惡意干擾的方法，其特征是，所述的 傳輸率閾值為50%。
全文摘要
一種無線通信技術(shù)領(lǐng)域的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)對(duì)惡意干擾的方法，通過最大包傳輸成功率和信號(hào)能量強(qiáng)度對(duì)鄰居節(jié)點(diǎn)列表進(jìn)行更新；并通過保留信道實(shí)現(xiàn)應(yīng)對(duì)惡意干擾的信息傳輸。本發(fā)明使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具備抗干擾的能力而無須修改當(dāng)前的傳感器硬件設(shè)計(jì)，并且可與當(dāng)前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相兼容。
文檔編號(hào)H04W28/26GK102088741SQ201110050440
公開日2011年6月8日 申請(qǐng)日期2011年3月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月2日
發(fā)明者朱燕民, 李文賢 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)