一種無線傳感器網絡溯源追蹤方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種無線傳感器網絡溯源追蹤方法，包括如下步驟：(1)設定從遠基站到基站方向上第一個將所有的標記信息進行日志或者遷移的環(huán)為第一個減緩環(huán)；(2)路由的數(shù)據(jù)包在到達第一個減緩環(huán)前，每個節(jié)點對接收到的數(shù)據(jù)包進行標記，當數(shù)據(jù)包標記的次數(shù)達到預設次數(shù)后就日志；如果日志節(jié)點的剩余存儲空間小于預設值時，則反向遷移到遠基站區(qū)域的節(jié)點上存儲；(3)當數(shù)據(jù)包達到第一個減緩環(huán)后，每個節(jié)點對接到的數(shù)據(jù)包進行日志。本發(fā)明直接降低熱點區(qū)域的能量消耗與存儲需求，就可以直接的提高網絡壽命，降低節(jié)點的存儲需求，從而提高網絡性能。
【專利說明】一種無線傳感器網絡溯源追蹤方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及無線傳感器網絡領域，具體涉及一種無線傳感器網絡溯源追蹤方法。
【背景技術】
[0002]目前適用于無線傳感器網絡溯源追蹤的主要策略有二種，一種是采用數(shù)據(jù)包標記(marking)的方法,一種是基于日志(logging)的方法。
[0003]采用數(shù)據(jù)包標記(marking)的方法是在數(shù)據(jù)路由的過程中，中間節(jié)點將路由經過的路徑加在數(shù)據(jù)包后面，從而使得如果能夠在獲得惡意數(shù)據(jù)包后，提取數(shù)據(jù)包中的路徑信息就能夠知道數(shù)據(jù)包的路由路徑(部分或者全部的路由路徑信息)，如果獲得惡意數(shù)據(jù)包個數(shù)達到一定程度，就能夠完全獲悉惡意的源節(jié)點信息，從而可以成功進行惡意節(jié)點溯源追蹤。采用這種方法的優(yōu)點是協(xié)議簡單，對節(jié)點的存儲空間幾乎沒有要求，而且容易實施:每個節(jié)點僅將自己的路由路徑信息附加在數(shù)據(jù)包中既可。不足的地方是如果標記的節(jié)點較多的話，那么會導致數(shù)據(jù)包的長度不斷的增長，從而節(jié)點甚至需要將數(shù)據(jù)包分成多片后才能發(fā)送，不僅增加了路由的沖突，而且嚴重降低了傳感器網絡的壽命。因此，為提高網絡壽命，一般不會在數(shù)據(jù)包路由的整個過程中都進行標記(這樣數(shù)據(jù)包長度會很大，嚴重影響網絡壽命)，而是限定了只在路由路徑中最多只有A節(jié)點標記，而其它節(jié)點不標記的方法。這雖然減少了節(jié)點的能量消耗，就需要系統(tǒng)收集到更多的數(shù)據(jù)包，進行綜合分析才能夠確定惡意源節(jié)點，增加了收斂時間。另外，很多研究發(fā)現(xiàn)采用標記的方法，如果限定每個數(shù)據(jù)包只被最多標記k次，則近基站的節(jié)點標記的概率就會高，而遠基站的概率較小。這是因為在這樣的策略中，每個節(jié)點都會以一定概率來決定自己是否來標記數(shù)據(jù)包，而數(shù)據(jù)包被標記k次后，則后面的節(jié)點就會將替換掉已經標記的信息，因而近基站節(jié)點的標記概率高，而遠基站節(jié)點標記概率低。
[0004]基于日志(logging)的方法的要點是節(jié)點記錄數(shù)據(jù)包的路徑信息，這樣，當進行溯源追蹤時，通過獲取日志中的路徑信息來重建惡意節(jié)點的攻擊路徑。在基于日志的溯源追蹤方法中，數(shù)據(jù)包中的標記信息比例較小，節(jié)點主要是轉發(fā)必要的數(shù)據(jù)包，而路由的路徑信息是通過日志的形式保存在節(jié)點中的，只有當受害節(jié)點感知到有攻擊行為，或者需要進行溯源追蹤操作時，才向所需要的節(jié)點發(fā)去詢問請求，這些日志存儲的信息才被發(fā)送到基站，因而能夠大大減少發(fā)送到基站的數(shù)據(jù)量，故這種方式的優(yōu)點是網絡壽命較高，在一定程度上克服了標記策略中，節(jié)點需要大量的能量用于傳送數(shù)據(jù)包中的標記信息而導致網絡壽命不高的缺點。日志策略存在的不足是節(jié)點需要較大的存儲容量以存儲標記信息，特別的是近基站區(qū)域logging的概率遠多于遠基站區(qū)域，因而需要大量的存儲空間。
[0005]文獻 Traceback in wireless sensor networks with packet marking andlogging (Frontiers of Computer Science in China, 5(3) (2011) 308-315)提出了米用標記與日志相結合的稱為CPMLT (combined packet標記ing and logging scheme fortraceback)的策略。在CPMLT策略中，一個數(shù)據(jù)包最多被k個節(jié)點標記，每個節(jié)點都以一定概率標記數(shù)據(jù)包，當一個數(shù)據(jù)包被k個節(jié)點標記后，那么下一個標記節(jié)點就日志這個數(shù)據(jù)包，日志信息在隨后的溯源追蹤中被用到，通過收集到足夠的數(shù)據(jù)包時，基站節(jié)點就能夠通過標記與日志信息重建整個攻擊的路徑，從而能夠對惡意節(jié)點進行定位。因而，CPMLT策略是標記和日志策略的結合，是在節(jié)點的存儲容量與網絡壽命的一種折中。圖1描述了這種策略，數(shù)據(jù)包通過路由路徑L — K — J—I—H到達基站，在傳送過程中，節(jié)點L、K、J標記路徑信息于數(shù)據(jù)包，此時，數(shù)據(jù)包被預設的k=3個節(jié)點標記，因此，在節(jié)點I日志這個數(shù)據(jù)包，然后節(jié)點H又進行標記。采用這種標記與日志相結合的策略雖然對存儲容量與通信代價方面有一定程度的折中，但從總體上來看，依然不能改變能量消耗與存儲容量近基站區(qū)域需求較大，而遠基站區(qū)域有較大剩余的不均衡情況，從而影響到這些策略的性能。

【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明提供一種能克服傳感器網絡資源嚴重受限的不足，提高網絡性能的無線傳感器網絡溯源追蹤方法。
[0007]為解決上述技術問題，本發(fā)明采用以下技術方案:
一種無線傳感器網絡溯源追蹤方法，包括如下步驟:
(1)設定從遠基站到基站方向上第一個將所有的標記信息進行日志或者遷移的環(huán)為第一個減緩環(huán)；
(2)路由的數(shù)據(jù)包在到達第一個減緩環(huán)前，每個節(jié)點對接收到的數(shù)據(jù)包進行標記，當數(shù)據(jù)包標記的次數(shù)達到預設次數(shù)后就日志；如果日志節(jié)點的剩余存儲空間小于預設值時，則反向遷移到遠基站區(qū)域的節(jié)點上存儲；
(3)當數(shù)據(jù)包達到第一個減緩環(huán)后，每個節(jié)點對接到的數(shù)據(jù)包進行日志。
[0008]其中，所述步驟(2)中，日志節(jié)點剩余存儲空間的預設值為15%。
[0009]其中，步驟(3)中每個節(jié)點依節(jié)點的存儲空間情況緊張與否來決定是否遷移。
[0010]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明采用日志結合遷移的溯源追蹤策略，減弱熱點區(qū)域的能量消耗與存儲空間的緊張，提前在接近熱點前就將所有的標記信息進行日志或者遷移。這樣，數(shù)據(jù)包到達熱點區(qū)域時，其數(shù)據(jù)包長度最短，所需要的存儲空間最小。而直接降低熱點區(qū)域的能量消耗與存儲需求，就可以直接的提高網絡壽命，降低節(jié)點的存儲需求，從而提高網絡性能。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1為現(xiàn)有技術標記與日志相結合的策略的示意圖。
[0012]圖2為本發(fā)明實施例無線傳感器網絡溯源追蹤方法的示意圖。
【具體實施方式】
[0013]以下結合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。
[0014]本發(fā)明實施例無線傳感器網絡溯源追蹤方法采用日志結合遷移(logging jointmigrating, LM))的溯源追蹤策略，包括如下步驟:設定從遠基站到基站方向上第一個將所有的標記信息進行日志或者遷移的環(huán)為第一個減緩環(huán)(first alleviation crown, FAC),路由的數(shù)據(jù)包在到達第一個減緩環(huán)前，每個節(jié)點對接收到的數(shù)據(jù)包進行標記，當數(shù)據(jù)包標記的次數(shù)達到預設次數(shù)后就日志；如果日志節(jié)點的剩余存儲空間小于一預設值(如15%)時，貝1J反向遷移(migrating)到遠基站區(qū)域的節(jié)點上存儲；當數(shù)據(jù)包達到第一個減緩環(huán)后，每個節(jié)點對接到的數(shù)據(jù)包進行日志。
[0015]如圖2 所不I 路由路徑為 G — F — E — D — C — B — A，G — F — E — D — C — B
為第一個減緩環(huán)，B是第一個減緩環(huán)的最后一個節(jié)點。預設日志的次數(shù)為5次，遷移的剩余存儲空間比率為15%。因此，在節(jié)點F、E、D、C均對接收到的數(shù)據(jù)包進行標記，在節(jié)點B，則對數(shù)據(jù)包進行日志。這時，節(jié)點的剩余存儲空間小于15%，故將標記信息反向遷移到遠基站區(qū)域的節(jié)點F上存儲。節(jié)點B后面的節(jié)點A對接到的數(shù)據(jù)包進行日志。本實施例中，日志節(jié)點與第一個減緩環(huán)的最后一個節(jié)點重合(即節(jié)點B)，在節(jié)點B進行第一次日志時即剩余存儲空間小于15%，故進行遷移。在其它實施例中，可能第一次日志時剩余存儲空間大于15%，這時不需遷移。直到下游的日志節(jié)點的剩余存儲空間小于15%時，才進行反向遷移。也可能日志節(jié)點與第一個減緩環(huán)的最后一個節(jié)點不重合，如節(jié)點E、C為日志節(jié)點，則節(jié)點E、C需計算剩余存儲空間，判斷是否遷移。
[0016]采用日志結合遷移的方法，即只將數(shù)據(jù)包的ID號與存儲此數(shù)據(jù)包的ID號存儲在本身節(jié)點上，而將真實的標記信息沿反向方向路由到真實的存儲節(jié)點上保存。這樣當被攻擊者受到攻擊時，通過向路由的上游節(jié)點請求惡意數(shù)據(jù)包的標記信息，從而可以重建得到攻擊者的攻擊路徑，以確定惡意節(jié)點的路由(如圖2所不的G — F — E — D — C — B — A)。節(jié)點B是第一個減緩環(huán)(FAC)的節(jié)點，其剩余存儲空間比較少，而熱點區(qū)域節(jié)點A存儲空間與能量都比較緊張。因而，標記的數(shù)據(jù)包路由到節(jié)點B時將標記的信息反向遷移到剩余存儲容量較大的節(jié)點F上。而節(jié)點B上只存儲該數(shù)據(jù)包的ID號以及存儲標記信息的節(jié)點號(即節(jié)點F)。由于只存儲數(shù)據(jù)包與節(jié)點的ID號比存儲標記信息所需要存儲空間要小得多，而節(jié)點F又有充裕的存儲空間，因而從整個網絡中來看可以在單個節(jié)點存儲空量較小的情況下，存儲更大量的標記信息。而在另一方面，經過節(jié)點B的遷移后，路由的數(shù)據(jù)包長度大大減少，從而使得熱點區(qū)域的節(jié)點A承擔的數(shù)據(jù)量大大減少，從而可以達到即減少節(jié)點存儲容量，存儲大量的標記信息以備溯源追蹤，又同時能夠提高網絡壽命的目的。
[0017]在其它實施例中，還可以增加重遷移策略，當數(shù)據(jù)包達到第一個減緩環(huán)(FAC)后，每個節(jié)點依節(jié)點的存儲空間情況緊張與否來決定是否遷移。當近基站區(qū)域節(jié)點的存儲空間較高時，將所存儲的信息進行第2次遷移，遷移到遠基站區(qū)域的節(jié)點存儲。而近基站區(qū)域節(jié)點只存儲標記信息遷往的地址與數(shù)據(jù)包ID的信息。從而達到減少節(jié)點所需存儲空間，大大增大LM溯源追蹤策略存儲的標記信息，從而提高網絡安全性。而這一重遷移策略能夠實現(xiàn)的基礎是遠基站區(qū)域還剩余大量的能量與存儲空間，因而重遷移策略能夠在不損害網絡壽命的前提下減少節(jié)點所需的存儲容量，并增大策略能夠保存的標記信息。
[0018]采用LM策略的優(yōu)點有如下三點。
[0019](I) LM策略具有較高的網絡壽命。
[0020]因為傳感器網絡的熱點區(qū)域決定了網絡的壽命。因而，LM策略在路由數(shù)據(jù)包快到達熱點區(qū)域時，提前將標記數(shù)據(jù)包日志或者遷移到遠基站區(qū)域的節(jié)點上，因而可大量減少近基站的熱點需要轉發(fā)的信息量，從而直接提高了網絡壽命。據(jù)我們的理論分析結果表明，LM策略相對于數(shù)據(jù)標記方法和日志方法，其網絡壽命分別提高33%和21%。
[0021](2) LM策略所需的存儲容量較小，而且節(jié)點間存儲均衡，是一種公平存儲機制。
[0022]在以往溯源追蹤策略相關的研究中，近基站區(qū)域節(jié)點需要存儲大量的信息。因為在同構網絡中，節(jié)點的存儲容量需要按最大存儲容量來部署，從而使得非熱點區(qū)域的存儲容量剩余而浪費。因而，LM策略與以往研究一個重要的不同是:當節(jié)點的剩余存儲容量緊張時，則此節(jié)點存儲的并不是真正的標記信息，而是存儲此標記信息包的ID號以及存儲標記信息的節(jié)點ID，而真正需要存儲的標記信息再反向發(fā)送到源節(jié)點來源方向上某一剩余存儲容量較大的節(jié)點上存儲。由于存儲這二個ID號比存儲路由的標記信息需要少得多的存儲容量，因而就可以大大減少熱點區(qū)域存儲容量緊張節(jié)點所需的存儲容量。由于非熱點區(qū)域的剩余存儲容易與能量都較多，因而反向遷移標記信息并不影響網絡壽命，但是可以使整個網絡節(jié)點的存儲比較均衡，減少節(jié)點所需的存儲容量，從而降低網絡成本。相對于日志方法，在存儲的標記信息相同的情況下，其節(jié)點所需存儲空間僅為日志方法的44.3^66.6%。
[0023](3) LM策略具有更高的安全性，可以在更少的時間內確定惡意數(shù)據(jù)包的源出。由于LM策略充分利用了占整個網絡達90%的非熱點區(qū)域節(jié)點的剩余能量與存儲容量，因而可以日志更多的標記信息。據(jù)計算:LM策略相對于標記結合日志策略來說，前者的日志的標記信息是后者的1.71倍到3.17倍。因為充分的標記信息可以幫助被害者僅遭受到少量的攻擊就能夠收集較多的標記信息而確定攻擊源，故而可減少其收斂時間。
[0024]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，本發(fā)明的保護范圍并不僅局限于上述實施例。對于本【技術領域】的技術人員來說，在不脫離本發(fā)明技術構思前提下所得到的改進和變換也應視為本 發(fā)明的保護范圍。
【權利要求】
1.一種無線傳感器網絡溯源追蹤方法，其特征在于，包括如下步驟: (1)設定從遠基站到基站方向上第一個將所有的標記信息進行日志或者遷移的環(huán)為第一個減緩環(huán)； (2)路由的數(shù)據(jù)包在到達第一個減緩環(huán)前，每個節(jié)點對接收到的數(shù)據(jù)包進行標記，當數(shù)據(jù)包標記的次數(shù)達到預設次數(shù)后就日志；如果日志節(jié)點的剩余存儲空間小于預設值時，則反向遷移到遠基站區(qū)域的節(jié)點上存儲； (3)當數(shù)據(jù)包達到第一個減緩環(huán)后，每個節(jié)點對接到的數(shù)據(jù)包進行日志。
2.根據(jù)權利要求1所述的無線傳感器網絡溯源追蹤方法，其特征在于:所述步驟(2)中，日志節(jié)點剩余存儲空間的預設值為15%。
3.根據(jù)權利要求1所述的無線傳感器網絡溯源追蹤方法，其特征在于:步驟(3)中每個節(jié)點依節(jié)點的存儲空間情況緊張與否來決定是否遷移。
【文檔編號】H04L12/26GK103973801SQ201410210496
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年5月19日 優(yōu)先權日:2014年5月19日
【發(fā)明者】劉安豐, 劉語欣, 賀晟, 劉瀟 申請人:中南大學