基于簇的wsn可生存路由方法及生存性評(píng)估模型的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于簇的無線傳感網(wǎng)（WSN）可生存路由方法及生存性評(píng)估模型，集密鑰協(xié)商、身份認(rèn)證、備用簇頭鏈、半馬爾可夫鏈和簇間路由等機(jī)制于一體；SRPC抗攻擊能力強(qiáng)。通過密鑰協(xié)商和身份認(rèn)證機(jī)制抵御惡意節(jié)點(diǎn)的攻擊，保證監(jiān)測(cè)信息的可用性和完整性；低能耗、長(zhǎng)壽命。引入了能量因子，并結(jié)合單跳路由和簇間多跳路由來傳輸監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可以顯著提高網(wǎng)絡(luò)的抗攻擊能力，并通過均衡使網(wǎng)絡(luò)生存能力達(dá)到最佳；高投遞率。SRPC協(xié)議簇頭節(jié)點(diǎn)失效或者被摧毀后，將數(shù)據(jù)傳輸給優(yōu)先權(quán)最高的備用簇頭。生存性評(píng)估模型具有通用性。該模型適用于定量評(píng)估網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)逗留時(shí)間服從負(fù)指數(shù)分布的WSN，也可用來評(píng)估網(wǎng)絡(luò)生存狀態(tài)變化無常、狀態(tài)的逗留時(shí)間毫無規(guī)律的WSN。
【專利說明】CN 103501512 A
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基于簇的WSN可生存路由方法及生存性評(píng)估模型
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及提高應(yīng)急通信場(chǎng)合下WSN生存能力并有效量化評(píng)估WSN生存性的發(fā) 明，具體是一種應(yīng)急通信中基于簇的WSN可生存路由方法及生存性評(píng)估模型，涉及生存性 路由、密鑰協(xié)商、備用簇頭鏈和半馬爾可夫模型，特別是涉及基于簇的生存性路由協(xié)議和基 于半馬爾可夫過程的生存性評(píng)估模型。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，網(wǎng)絡(luò)可生存性的研究在學(xué)術(shù)界備受關(guān)注。ANSI Tl小組給出了一個(gè)得到廣 泛認(rèn)可的網(wǎng)絡(luò)可生存性定義：在網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障、失效和受到安全威脅及攻擊的情況下，仍能 保證系統(tǒng)提供必要服務(wù)或完成基本任務(wù)的能力。網(wǎng)絡(luò)可生存性是以提高網(wǎng)絡(luò)“容侵、容災(zāi)、 容錯(cuò)”能力為目的，提高網(wǎng)絡(luò)抗攻擊能力的同時(shí)，更加注重系統(tǒng)在攻擊時(shí)的識(shí)別能力、攻陷 后的恢復(fù)能力以及恢復(fù)后的演變和學(xué)習(xí)能力。
[0003]無線傳感網(wǎng)（Wireless Sensor Network, WSN)不依賴固定網(wǎng)絡(luò)設(shè)施、能夠快速展 開和自動(dòng)組網(wǎng)的特性使其在應(yīng)急通信中發(fā)揮著重要作用。無線傳感網(wǎng)絡(luò)具有節(jié)點(diǎn)能量有 限、存儲(chǔ)空間小、通信距離短以及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓l繁和信道傳輸不穩(wěn)定的特性。在應(yīng)急通信 環(huán)境中，傳感節(jié)點(diǎn)易受破壞和惡意攻擊，并且通信鏈路易受干擾，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化。這種 情況下，WSN必須能夠在惡劣的環(huán)境中持續(xù)提供基本的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，提聞網(wǎng)絡(luò)的生存能力，以 便讓指揮員實(shí)時(shí)掌握敵我雙方裝備、兵力以及行動(dòng)情況，及時(shí)調(diào)整作戰(zhàn)戰(zhàn)略和行動(dòng)方案。
[0004]設(shè)計(jì)高效的生存性協(xié)議有助于WSN在面臨生存性威脅時(shí)繼續(xù)完成網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵服務(wù)， 進(jìn)而增強(qiáng)WSN在應(yīng)急通信中的可生存性。LEACH協(xié)議是WSN中常用的一種分簇網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，用 于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)時(shí)主要面臨的安全威脅有：選擇性轉(zhuǎn)發(fā)攻擊、Sybil攻擊和HELLO Flooding攻 擊。近年來，已有學(xué)者針對(duì)其安全威脅提出了一些安全路由協(xié)議。例如，劉愛東等人通過利 用鏈路雙向性認(rèn)證和節(jié)點(diǎn)身份認(rèn)證機(jī)制提出了一種防御JELLO洪泛攻擊的方案，但是僅適 用于防御特定的攻擊，不能應(yīng)用于攻擊手段多樣的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中。鄧亞平等人提出了一種動(dòng) 態(tài)分簇的異構(gòu)傳感網(wǎng)絡(luò)安全路由協(xié)議，優(yōu)先考慮能耗均衡的基礎(chǔ)上有效提高網(wǎng)絡(luò)的抗俘獲 能力。Zhang K等人提出了基于改進(jìn)的隨機(jī)密鑰對(duì)的安全路由協(xié)議RLEACH，提高了 LEACH 協(xié)議防御攻擊的能力。然而，在分簇的無線傳感網(wǎng)絡(luò)中，簇頭節(jié)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)中骨干節(jié)點(diǎn)，簇頭 節(jié)點(diǎn)在戰(zhàn)場(chǎng)遭受攻擊被摧毀后，骨干網(wǎng)絡(luò)可能會(huì)癱瘓而不能完成關(guān)鍵的偵察任務(wù)，影響網(wǎng) 絡(luò)的可生存性。同時(shí)，RLEACH協(xié)議在數(shù)據(jù)傳輸階段和LEACH協(xié)議一樣，由簇頭直接將監(jiān)測(cè) 數(shù)據(jù)傳輸給基站，沒有考慮能耗均衡問題。目前，國(guó)內(nèi)生存性路由協(xié)議的研究相對(duì)較少，蘇 金樹等人對(duì)互聯(lián)網(wǎng)無中斷轉(zhuǎn)發(fā)的生存性協(xié)議進(jìn)行了研究，但是不適用于資源受限的無線傳 感網(wǎng)絡(luò)。杜君等人提出一種基于功率控制的無線傳感網(wǎng)絡(luò)的可生存路由，該算法利用反饋 機(jī)制并引入專用簇頭，能夠自適應(yīng)調(diào)整路由策略來保證網(wǎng)絡(luò)的可生存性。但是，該算法不適 用于戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中，不能防御惡意節(jié)點(diǎn)攻擊和簇頭損壞帶來的生存性威脅。
[0005]另一方面，評(píng)價(jià)WSN的生存能力需要建立有效的生存性評(píng)估模型。近年來，已有學(xué) 者提出不少評(píng)估模型對(duì)網(wǎng)絡(luò)的可生存性進(jìn)行評(píng)估，如卡內(nèi)基梅隆大學(xué)SEI研究中心提出的
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基于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的評(píng)估模型，即生存性分析方法SNA (Survivable Network Analysis);也有 人提出了基于系統(tǒng)狀態(tài)的評(píng)估模型，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)在特定場(chǎng)合下可能的狀態(tài)和各狀態(tài)之間的轉(zhuǎn) 移概率計(jì)算可靠性、可用性等可生存性的數(shù)值函數(shù)來定量評(píng)估網(wǎng)絡(luò)的生存能力，如Markov 過程模型、有限狀態(tài)機(jī)模型等。但是，這些評(píng)估模型有以下缺陷：一、SNA只能對(duì)網(wǎng)絡(luò)的3R 屬性（即抵抗性、識(shí)別性和恢復(fù)性）進(jìn)行定性評(píng)估，而且評(píng)估過程交互繁瑣，不利于實(shí)際操作 應(yīng)用；二、馬爾可夫過程模型中，系統(tǒng)狀態(tài)間的轉(zhuǎn)移概率服從負(fù)指數(shù)分布，不適用包含隨機(jī) 性生存性威脅的網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外對(duì)無線傳感網(wǎng)生存性評(píng)估的研究還處于起步階段，學(xué)者 們提出了一些評(píng)估模型來評(píng)價(jià)無線傳感網(wǎng)的生存能力。何欣等人提出了一種采用自愈技術(shù) 的無線傳感網(wǎng)基站生存模型，該模型使用半Markov過程來描述，通過自愈技術(shù)提高了入侵 檢測(cè)率，顯著降低了系統(tǒng)失效率，提高了系統(tǒng)的生存能力。但是，軟件自愈技術(shù)需要不斷監(jiān) 測(cè)系統(tǒng)狀態(tài)、做出決策并執(zhí)行相應(yīng)的操作，自愈操作的開銷較大，不適合資源受限的傳感節(jié) 點(diǎn)。Dong Seong Kim等人提出了一種基于半馬爾可夫過程（SMP)的適用于單個(gè)簇的WSN 生存性模型，并通過數(shù)值分析驗(yàn)證了模型的可行性。但是，在應(yīng)急通信中，節(jié)點(diǎn)容易發(fā)生故 障、遭受攻擊導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)生存狀態(tài)變化無常，狀態(tài)的逗留時(shí)間也毫無規(guī)律，僅通過評(píng)估單個(gè)簇 的生存性來衡量WSN的生存能力缺乏合理性。
[0006]總之，當(dāng)前的研究工作盡管考慮通過密鑰協(xié)商、身份認(rèn)證和能量消耗均衡來提高 WSN可生存性。但是沒有全面考慮網(wǎng)絡(luò)安全性和能量消耗均衡的問題，而且在簇頭損壞或 者發(fā)生故障后無法保證繼續(xù)完成網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵服務(wù)；盡管考慮通過建立生存性模型來量化評(píng)估 WSN可生存性，但是沒有考慮WSN受限的網(wǎng)絡(luò)資源以及應(yīng)急通信中WSN的特征；此外，當(dāng)前 工作也沒有考慮將生存性路由和生存性評(píng)估模型有機(jī)結(jié)合來增強(qiáng)應(yīng)并評(píng)價(jià)應(yīng)急通信中WSN 的生存能力。
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【發(fā)明內(nèi)容】

[0027]發(fā)明目的：針對(duì)無線傳感網(wǎng)絡(luò)在應(yīng)急通信中的自身缺陷和服務(wù)需求，為了增強(qiáng)應(yīng) 急通信中WSN的生存能力和服務(wù)能力，解決資源受限的無線傳感網(wǎng)絡(luò)在應(yīng)急通信中高效安 全地投遞監(jiān)測(cè)信息和客觀地量化評(píng)估生存能力的問題。本發(fā)明提供一種基于簇的WSN可 生存路由方法及生存性評(píng)估模型，即基于簇的生存性路由協(xié)議一SRPC和基于SMP的分簇 WSN可生存性評(píng)估模型。SRPC協(xié)議則有效驗(yàn)證了生存性評(píng)估模型的可行性和有效性；而生 存性評(píng)估模型作為設(shè)計(jì)生存性路由和評(píng)價(jià)WSN生存能力的理論依據(jù)。無線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用 于應(yīng)急通信時(shí)不僅能定量評(píng)估分析WSN的生存能力，而且可以有效抵御敵方惡意節(jié)點(diǎn)的攻 擊，在均衡能源消耗負(fù)載和延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命的同時(shí)提升數(shù)據(jù)包投遞率，避免了因簇頭節(jié)點(diǎn)摧 毀或損壞而引起關(guān)鍵偵察任務(wù)的中斷，進(jìn)而提聞了網(wǎng)絡(luò)的生存能力。
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[0028]SRPC協(xié)議通過密鑰協(xié)商和身份認(rèn)證等機(jī)制抵御惡意節(jié)點(diǎn)的攻擊；并在主簇頭被摧毀后啟用備用簇頭鏈將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)交?。SRPC協(xié)議不僅可以在均衡能耗的基礎(chǔ)上有效抵御惡意節(jié)點(diǎn)的攻擊，也能在簇頭節(jié)點(diǎn)遭受攻擊或者被摧毀后保證數(shù)據(jù)包的可靠投遞， 提高了 WSN在應(yīng)急通信中的生存能力。生存性評(píng)估模型利用了半馬爾可夫過程的思想，綜合考慮應(yīng)急通信中簇頭的生存狀態(tài)集合，并建立簇頭的生存狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，如附圖I所示；結(jié)合網(wǎng)絡(luò)生存性需求計(jì)算WSN的生存性效用函數(shù)，能夠滿足任何分布的狀態(tài)逗留時(shí)間，定量評(píng)估WSN生存能力，具有將強(qiáng)的靈活性和較高的客觀性，同時(shí)能對(duì)WSN的實(shí)際部署和應(yīng)用提供參考依據(jù)。
[0029]生存性模型定量分析生存性指標(biāo)間的相關(guān)性，及其對(duì)應(yīng)急通信中WSN生存能力的影響，進(jìn)而分析提高WSN生存能力的關(guān)鍵因素，另外可以作為依據(jù)來設(shè)計(jì)生存性路由提高 WSN生存性。在此基礎(chǔ)上，SRPC協(xié)議則從網(wǎng)絡(luò)安全性、服務(wù)生存性和數(shù)據(jù)包投遞率等方面提高了 WSN在戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中的生存能力，也驗(yàn)證了生存性模型的客觀性和有效性，兩者的結(jié)合可以定量評(píng)估并有效增強(qiáng)WSN在應(yīng)急通信中的生存能力，通過評(píng)估也可以對(duì)現(xiàn)有技術(shù)做出改進(jìn)，彌補(bǔ)WSN的生存缺陷，積極發(fā)揮WSN在應(yīng)急通信中的搶險(xiǎn)救災(zāi)能力。
[0030]技術(shù)方案：一種基于簇的可生存路由方法，針對(duì)惡意節(jié)點(diǎn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的HELLO洪泛攻擊、選擇性轉(zhuǎn)發(fā)和Sybil攻擊，對(duì)SRPC協(xié)議加入了密鑰協(xié)商以及身份認(rèn)證階段，并在數(shù)據(jù)傳輸階段利用密鑰會(huì)話進(jìn)行身份認(rèn)證，確保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的完整性。
[0031 ] 針對(duì)RLEACH協(xié)議沒有考慮能耗均衡的問題；在SRPC協(xié)議中引入了能量因子，并在簇頭向基站傳輸數(shù)據(jù)時(shí)采用簇間多跳和單跳傳輸相結(jié)合的方法，可以有效節(jié)約能源并完成傳輸任務(wù)，同時(shí)也均衡了能量消耗。
[0032]針對(duì)簇頭節(jié)點(diǎn)在戰(zhàn)場(chǎng)中易被摧毀的問題，SRPC協(xié)議中數(shù)據(jù)傳輸階段，簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)利用會(huì)話密鑰在分配時(shí)隙內(nèi)加密采集的數(shù)據(jù)并發(fā)送給簇頭節(jié)點(diǎn)，簇頭節(jié)點(diǎn)以組播形式發(fā)送 ACK消息給簇內(nèi)成員，若簇內(nèi)成員在設(shè)定的時(shí)間閥值內(nèi)沒有收到ACK，則認(rèn)為簇頭節(jié)點(diǎn)失效或者被摧毀，此時(shí)啟用備用簇頭鏈，將數(shù)據(jù)傳輸給優(yōu)先權(quán)最高的備用簇頭。利用參數(shù)0 (n) 來確定成為備用簇頭的優(yōu)先權(quán)，其中：
【權(quán)利要求】
1.一種基于簇的可生存路由方法，其特征在于：針對(duì)惡意節(jié)點(diǎn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的HELLO洪泛攻擊、選擇性轉(zhuǎn)發(fā)和Sybil攻擊，對(duì)SRPC協(xié)議加入了密鑰協(xié)商以及身份認(rèn)證階段，并在數(shù)據(jù)傳輸階段利用密鑰會(huì)話進(jìn)行身份認(rèn)證，確保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的完整性。
2.如權(quán)利要求1所述的基于簇的可生存路由方法，其特征在于：針對(duì)RLEACH協(xié)議沒有考慮能耗均衡的問題；在SRPC協(xié)議中引入能量因子，并在簇頭向基站傳輸數(shù)據(jù)時(shí)采用簇間多跳和單跳傳輸相結(jié)合的方法。
3.如權(quán)利要求2所述的基于簇的可生存路由方法，其特征在于：針對(duì)簇頭節(jié)點(diǎn)在戰(zhàn)場(chǎng)中易被摧毀的問題，SRPC協(xié)議中數(shù)據(jù)傳輸階段，簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)利用會(huì)話密鑰在分配時(shí)隙內(nèi)加密采集的數(shù)據(jù)并發(fā)送給簇頭節(jié)點(diǎn)，簇頭節(jié)點(diǎn)以組播形式發(fā)送ACK消息給簇內(nèi)成員，若簇內(nèi)成員在設(shè)定的時(shí)間閥值內(nèi)沒有收到ACK，則認(rèn)為簇頭節(jié)點(diǎn)失效或者被摧毀，此時(shí)啟用備用簇頭鏈，將數(shù)據(jù)傳輸給優(yōu)先權(quán)最高的備用簇頭；利用參數(shù)9 (n)來確定成為備用簇頭的優(yōu)先權(quán)， 其中：
4.如權(quán)利要求1所述的基于簇的可生存路由方法，其特征在于：對(duì)SRPC協(xié)議加入了密鑰協(xié)商以及身份認(rèn)證階段之前，先給每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)i分配一個(gè)標(biāo)識(shí)IDi和一個(gè)初始密鑰 Ki，將IDi和Ki對(duì)應(yīng)起來，賦予節(jié)點(diǎn)相同的初始能量，再從密鑰池中隨機(jī)地選取m個(gè)互異的密鑰形成密鑰環(huán)存儲(chǔ)在節(jié)點(diǎn)的內(nèi)存中，節(jié)點(diǎn)可以利用這些密鑰作為會(huì)話密鑰，最后每個(gè)節(jié)點(diǎn)再存儲(chǔ)一個(gè)單向Hash函數(shù)，可將其定義為Hash (IDi, Xi, Yi, Ei), Xi, Yi表示傳感器節(jié)點(diǎn)所處物理位置的坐標(biāo)，Ei表示該節(jié)點(diǎn)的剩余能量；基站保存所有傳感器節(jié)點(diǎn)的ID、整個(gè)密鑰池和單向Hash函數(shù)；密鑰協(xié)商以及身份認(rèn)證階段，節(jié)點(diǎn)向周圍鄰居廣播JELLO消息，內(nèi)容包括其標(biāo)識(shí)ID、物理位置、密鑰環(huán)和Hash (IDi,Xi, Yi,Ei);假設(shè)，節(jié)點(diǎn)B收到節(jié)點(diǎn)A的HELLO消息，節(jié)點(diǎn)B先查詢密鑰環(huán)來判斷和節(jié)點(diǎn)A是否有相同的密鑰，若有則該密鑰作為節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)B的會(huì)話密鑰，若沒有則計(jì)算Hash (IDa, Xa, Ya, Ea)并和HELLO消息中的對(duì)比，若相同則用Hash (IDa, IDb, Ea, Eb)產(chǎn)生會(huì)話密鑰,若不相同則把該節(jié)點(diǎn)放入數(shù)組malicious_nodes[n]中并給鄰居發(fā)送廣播通告，將此惡意節(jié)點(diǎn)隔離。
5.如權(quán)利要求3所述的基于簇的可生存路由方法，其特征在于：在簇頭的選舉中引進(jìn)
6.一種基于簇的WSN生存性評(píng)估模型，其特征在于：在半馬爾可夫過程的基礎(chǔ)上，綜合考慮應(yīng)急通信中簇頭的生存狀態(tài)集合，并建立簇頭的生存狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖；結(jié)合網(wǎng)絡(luò)生存性需求計(jì)算WSN的生存性效用函數(shù)，能夠滿足任何分布的狀態(tài)逗留時(shí)間，定量評(píng)估WSN的生存能力。
【文檔編號(hào)】H04W80/00GK103501512SQ201310497470
【公開日】2014年1月8日 申請(qǐng)日期:2013年10月22日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月22日
【發(fā)明者】王海濤, 朱世才, 宋麗華, 陳暉 , 張學(xué)平, 李建洲, 閆力 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍理工大學(xué)