本發(fā)明屬于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種基于元胞自動(dòng)機(jī)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全補(bǔ)丁分發(fā)方法。

背景技術(shù)：

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks)是由大量部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成并通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸方式形成的一個(gè)多跳自組織、自適應(yīng)的智能網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),其目的是合作地感知、收集并處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域的信息，發(fā)送給管理者。目前，WSN在很多領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。

病毒對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)而言是一個(gè)嚴(yán)峻的安全問題。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中通常采用給計(jì)算機(jī)系統(tǒng)打上安全補(bǔ)丁的方法來清除病毒，但是對(duì)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，由于其部署量大，節(jié)點(diǎn)難以全部回收，必須考慮采用特殊的安全補(bǔ)丁分發(fā)方法來清除病毒。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于元胞自動(dòng)機(jī)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全補(bǔ)丁分發(fā)方法，解決無線傳感器網(wǎng)絡(luò)病毒感染后安全補(bǔ)丁難以分發(fā)的問題。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題是采取以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種基于元胞自動(dòng)機(jī)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全補(bǔ)丁分發(fā)方法，包括如下步驟：

步驟1、建立無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型，并將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型中的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)劃分為三種節(jié)點(diǎn)狀態(tài)：傳感器節(jié)點(diǎn)處于能正常工作但未打上安全補(bǔ)丁的狀態(tài)、傳感器節(jié)點(diǎn)已被病毒感染的狀態(tài)、打上安全補(bǔ)丁對(duì)病毒免疫的狀態(tài)；

步驟2、建立二維元胞自動(dòng)機(jī)的安全補(bǔ)丁分發(fā)模型CAS＝(C,S,N,F)，根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的三種不同節(jié)點(diǎn)狀態(tài)，進(jìn)行基于元胞自動(dòng)機(jī)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全補(bǔ)丁的分發(fā)；上述安全補(bǔ)丁分發(fā)模型中的C表示元胞空間，S表示元胞的狀態(tài)集，N表示元胞鄰域，F(xiàn)表示元胞演化規(guī)則。

所述步驟1的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型為：監(jiān)測(cè)區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)正方形區(qū)域，其邊長(zhǎng)l,在該監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)包含無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為n，節(jié)點(diǎn)密度為ρ，節(jié)點(diǎn)的通信距離為r；所述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)用于感知和采集監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)并通過多跳的方式傳輸給基站；所述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)初始狀態(tài)下被感染節(jié)點(diǎn)的比例為θ，節(jié)點(diǎn)成功接收安全補(bǔ)丁概率為α，安全補(bǔ)丁清除病毒的概率為β。

所述安全補(bǔ)丁分發(fā)模型中的C、S、N、F分別表示為：

(1)元胞空間C代表l×l個(gè)格子的二維網(wǎng)格，設(shè)每個(gè)單元最多只容納一個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，該無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在空間中的位置使用二維網(wǎng)格中的水平坐標(biāo)i和垂直坐標(biāo)j表示為：

C＝{(i，j)|1≤i≤l，1≤j≤l}

(2)元胞的狀態(tài)集S包括如下兩個(gè)狀態(tài)集：

狀態(tài)集SC為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)共分為三個(gè)狀態(tài)：正常節(jié)點(diǎn)狀態(tài)、已感染狀態(tài)和獲得安全補(bǔ)丁后的免疫狀態(tài)；當(dāng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)正常節(jié)點(diǎn)獲得安全補(bǔ)丁后直接進(jìn)入免疫狀態(tài)，已感染節(jié)點(diǎn)的病毒被清除候進(jìn)入免疫狀態(tài)；狀態(tài)集SC通過如下公式進(jìn)行表示：

狀態(tài)集MAC考慮了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸中的信道訪問原則，分發(fā)補(bǔ)丁時(shí)采用CSMA/CA方式：當(dāng)某無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽到信道忙碌后再隨機(jī)退避一段時(shí)間后進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，當(dāng)一個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)其領(lǐng)域節(jié)點(diǎn)均不能發(fā)送，只有監(jiān)聽到信道空閑后才會(huì)嘗試發(fā)送數(shù)據(jù)；狀態(tài)集MAC通過如下公式進(jìn)行表示：

(3)元胞鄰域N

任意節(jié)點(diǎn)C_ij的元胞鄰域如下所示：

(4)元胞演化規(guī)則的元胞狀態(tài)轉(zhuǎn)換函數(shù)F

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)SC_ij在t時(shí)刻的狀態(tài)SC_ij(t)是由t-1時(shí)刻無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)SC_ij(t-1)以及其鄰域節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)集SN_ij共同決定的，則轉(zhuǎn)換函數(shù)由如下公式表示：

SC_j(t)＝f(SC_ij(t-1)，SN_ij(t-1))

①若無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在t-1時(shí)刻是正常節(jié)點(diǎn)狀態(tài)，則其狀態(tài)轉(zhuǎn)換函為：

SC_ij^T(t)＝max(1，f₁(SN_ij(t-1)))

上式中，兩個(gè)函數(shù)的最大值為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)SC_ij；

②若該正常節(jié)點(diǎn)領(lǐng)域有e個(gè)獲得安全補(bǔ)丁并在免疫狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)發(fā)送安全補(bǔ)丁包，在這個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)，則有1-(1-α)^e的幾率收到補(bǔ)丁包，當(dāng)信道處于空閑狀態(tài)，則無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入免疫狀態(tài)；則該狀態(tài)轉(zhuǎn)化函數(shù)為：

③若無線傳感器節(jié)點(diǎn)在t-1時(shí)刻是已感染狀態(tài)，則狀態(tài)轉(zhuǎn)換函數(shù)為：

SC_ij^v(t)＝max(0，f₂(SN_ij(t-1)))

上式中，兩個(gè)函數(shù)的最大值為節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)SC_ij；

④若該已感染狀態(tài)節(jié)點(diǎn)領(lǐng)域有e個(gè)獲得安全補(bǔ)丁并在免疫狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)發(fā)送安全補(bǔ)丁包，在這個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)，有1-(1-α)^e的幾率收到補(bǔ)丁包，當(dāng)信道處于空閑狀態(tài)，則節(jié)點(diǎn)成功接收到補(bǔ)丁包；每收到一個(gè)補(bǔ)丁包后，有β的概率進(jìn)入免疫狀態(tài)，則收到g個(gè)安全補(bǔ)丁包后治愈的幾率為(1-(1-α)^e)(1-(1-β)^g)；其中，g≤e；則狀態(tài)轉(zhuǎn)化函數(shù)為：

⑤若節(jié)點(diǎn)在t-1時(shí)刻已經(jīng)處在免疫狀態(tài)，則狀態(tài)轉(zhuǎn)換函數(shù)為：

SC_ij^m(t)＝2

此時(shí)，免疫狀態(tài)節(jié)點(diǎn)維持此狀態(tài)不變，僅向外繼續(xù)分發(fā)安全補(bǔ)丁。

所述步驟2進(jìn)行基于元胞自動(dòng)機(jī)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全補(bǔ)丁分發(fā)的方法為：

在初始工作時(shí)，進(jìn)行基于元胞自動(dòng)機(jī)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全補(bǔ)丁的分發(fā)，包括以下步驟：

①在l×l正方形區(qū)域內(nèi)，在已知的被感染的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中選取一個(gè)或若干個(gè)節(jié)點(diǎn)采取人工燒寫程序的方式打上安全補(bǔ)丁，進(jìn)入已打上安全補(bǔ)丁的對(duì)病毒免疫的狀態(tài)；

1)針對(duì)被選中的初始節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行基于元胞自動(dòng)機(jī)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全補(bǔ)丁的分發(fā)：

①采用二維元胞自動(dòng)機(jī)的方式向外分發(fā)安全補(bǔ)?。?/p>

②處在已打上安全補(bǔ)丁的對(duì)病毒免疫狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)，按下式計(jì)算元胞空間中的位置C：

C＝{(i，j)|1≤i≤l，1≤j≤l}

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在獲得安全補(bǔ)丁后的節(jié)點(diǎn)狀態(tài)為SC_ij＝2；

向處在本節(jié)點(diǎn)的元胞鄰域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)分發(fā)安全補(bǔ)丁，該節(jié)點(diǎn)的鄰域?yàn)楦倪M(jìn)的擴(kuò)展型摩爾型鄰域，任意節(jié)點(diǎn)C_ij的鄰域?yàn)椋?/p>

上式中，r為每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)最大的發(fā)射距離；

隨后該節(jié)點(diǎn)狀態(tài)SC_ij^m(t)＝2并占用鄰域內(nèi)的的信道；

(2)對(duì)于已被病毒感染狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行基于元胞自動(dòng)機(jī)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全補(bǔ)丁分發(fā)，包括以下步驟：

①已感染病毒狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)通過函數(shù)SC_ij^v(t)＝max(0，f₂(SN_ij(t-1)))計(jì)算自己的下一時(shí)刻狀態(tài)；

②探測(cè)鄰域內(nèi)的信道狀態(tài)，若信道空閑，則接收鄰域內(nèi)這些節(jié)點(diǎn)發(fā)送的補(bǔ)丁包；若這個(gè)節(jié)點(diǎn)領(lǐng)域有e個(gè)獲得安全補(bǔ)丁并在免疫狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)，則發(fā)送安全補(bǔ)丁包，在這個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)，有1-(1-α)e的幾率收到補(bǔ)丁包；節(jié)點(diǎn)每收到一個(gè)補(bǔ)丁包后，有β概率進(jìn)入免疫狀態(tài)，則收到g個(gè)安全補(bǔ)丁包后治愈的幾率為(1-(1-α)^e)(1-(1-β)^g)；其中，g≤e；已感染病毒狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)若被治愈則進(jìn)入步驟③，若已感染病毒狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)未被治愈，則重復(fù)步驟(2)；

③處在已打上安全補(bǔ)丁的對(duì)病毒免疫狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)，按下式計(jì)算元胞空間中的位置C：

C＝{(i，j)|1≤i≤l，1≤j≤l}

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在獲得安全補(bǔ)丁后的節(jié)點(diǎn)狀態(tài)為SC_ij＝2；

向處在本節(jié)點(diǎn)的元胞鄰域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)分發(fā)安全補(bǔ)丁，該節(jié)點(diǎn)的鄰域?yàn)楦倪M(jìn)的擴(kuò)展型摩爾型鄰域，任意節(jié)點(diǎn)C_ij的鄰域?yàn)椋?/p>

上式中，r為每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)最大的發(fā)射距離；

隨后該節(jié)點(diǎn)狀態(tài)SC_ij^m(t)＝2并占用鄰域內(nèi)的的信道；

(3)針對(duì)正常工作但未打上安全補(bǔ)丁的狀態(tài)的節(jié)點(diǎn),進(jìn)行基于元胞自動(dòng)機(jī)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全補(bǔ)丁分發(fā)，包括以下步驟：

①正常工作節(jié)點(diǎn)通過函數(shù)SC_ij^r(t)＝max(1，f₁(SN_ij(t-1)))計(jì)算自己下一時(shí)刻狀態(tài)。

②探測(cè)鄰域內(nèi)的信道狀態(tài)，若信道空閑，則接收鄰域內(nèi)這些節(jié)點(diǎn)發(fā)送的補(bǔ)丁包；若這個(gè)節(jié)點(diǎn)領(lǐng)域有e個(gè)獲得安全補(bǔ)丁并在免疫狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)發(fā)送安全補(bǔ)丁包，在這個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)，有1-(1-α)^e的幾率收到補(bǔ)丁包；收到補(bǔ)丁包后，正常節(jié)點(diǎn)進(jìn)行安全升級(jí)，免疫病毒侵害，隨后進(jìn)入步驟③，若未收到補(bǔ)丁包則重復(fù)步驟(3)；

③處在已打上安全補(bǔ)丁的對(duì)病毒免疫狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)，按下式計(jì)算元胞空間中的位置C：

C＝{(i，j)|1≤i≤l，1≤j≤l}

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在獲得安全補(bǔ)丁后的節(jié)點(diǎn)狀態(tài)為SC_ij＝2；

向處在本節(jié)點(diǎn)的元胞鄰域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)分發(fā)安全補(bǔ)丁，該節(jié)點(diǎn)的鄰域?yàn)楦倪M(jìn)的擴(kuò)展型摩爾型鄰域，任意節(jié)點(diǎn)C_ij的鄰域?yàn)椋?/p>

上式中，r為每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)最大的發(fā)射距離；

隨后該節(jié)點(diǎn)狀態(tài)SC_ij^m(t)＝2并占用鄰域內(nèi)的的信道；

④令V(t)表示在t時(shí)刻已被病毒感染的狀態(tài)傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)量占比，R(t)表示在t時(shí)刻處于能正常工作但未打上安全補(bǔ)丁狀態(tài)的傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)量占比，M(t)表示在t時(shí)刻已打上安全補(bǔ)丁對(duì)病毒免疫狀態(tài)的傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)量占比，表示為：

其中，V(t)+R(t)+M(t)＝1。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是：

本發(fā)明采用正方形網(wǎng)格的二維元胞自動(dòng)機(jī)，節(jié)點(diǎn)將接收到的安全補(bǔ)丁分發(fā)給其元胞鄰域內(nèi)其他節(jié)點(diǎn)，從而快速有效地將安全補(bǔ)丁分發(fā)給全部無線傳感器節(jié)點(diǎn)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)鄰域采用改進(jìn)的擴(kuò)展型摩爾領(lǐng)域，有效剔除了通信距離內(nèi)無法覆蓋的元胞，能夠清楚描述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的真實(shí)狀態(tài)，解決了針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)病毒感染后安全補(bǔ)丁難以分發(fā)的問題。

附圖說明

圖1是普通元胞自動(dòng)機(jī)摩爾型鄰域示意圖；

圖2是本發(fā)明采用的改進(jìn)型元胞自動(dòng)機(jī)摩爾型鄰域示意圖；

圖3是打上安全補(bǔ)丁后的V(t)、R(t)、M(t)的曲線圖；

圖4是β＝0.2和β＝0.6下的V(t)曲線圖；

圖5是β＝0.2和β＝0.6下的M(t)曲線圖；

圖6是θ＝0.4和θ＝0.8下的V(t)曲線圖；

圖7是θ＝0.4和θ＝0.8下的M(t)曲線圖；

圖8是從不同位置分發(fā)安全補(bǔ)丁的M(t)曲線圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施例作進(jìn)一步詳述：

一種基于元胞自動(dòng)機(jī)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全補(bǔ)丁分發(fā)方法，包括如下步驟：

步驟1、建立無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型，并根將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型中的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)根據(jù)節(jié)點(diǎn)的特性劃分為r、v、m三種節(jié)點(diǎn)狀態(tài)。

在本實(shí)施例中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型的監(jiān)測(cè)區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)正方形區(qū)域，其邊長(zhǎng)l,在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)包含無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為n，節(jié)點(diǎn)密度為ρ，節(jié)點(diǎn)隨機(jī)均勻的分布在二維區(qū)域內(nèi)，節(jié)點(diǎn)信號(hào)最大發(fā)射距離為r，其可以在距離r內(nèi)進(jìn)行通信。上述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)感知和采集監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)并通過多跳的方式傳輸給基站。設(shè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)初始狀態(tài)下被感染節(jié)點(diǎn)的比例為θ，節(jié)點(diǎn)成功接收安全補(bǔ)丁概率α，安全補(bǔ)丁清除病毒的概率為β。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型根據(jù)節(jié)點(diǎn)的特性劃分為以下三種狀態(tài)，如表1所示。

表1無線傳感器節(jié)點(diǎn)狀態(tài)參數(shù)表

r代表傳感器節(jié)點(diǎn)處于能正常工作但未打上安全補(bǔ)丁的狀態(tài)；v代表傳感器節(jié)點(diǎn)已被病毒感染的狀態(tài)；m代表已打上安全補(bǔ)丁對(duì)病毒免疫的狀態(tài)；

則有：r(t)+v(t)+m(t)＝n。

步驟2、建立二維元胞自動(dòng)機(jī)的安全補(bǔ)丁分發(fā)模型，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的三種不同節(jié)點(diǎn)狀態(tài)，進(jìn)行基于元胞自動(dòng)機(jī)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全補(bǔ)丁的分發(fā)。

二維元胞自動(dòng)機(jī)是簡(jiǎn)單構(gòu)造但能產(chǎn)生復(fù)雜自組織行為的離散動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，具有模擬復(fù)雜系統(tǒng)時(shí)空演化過程的能力。該二維元胞自動(dòng)機(jī)是由有限個(gè)隨機(jī)分布的元胞對(duì)象組成的離散動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，每個(gè)元胞都有一個(gè)狀態(tài)，它在每一個(gè)時(shí)間步的狀態(tài)根據(jù)變化規(guī)則進(jìn)行變化。

本發(fā)明的二維元胞自動(dòng)機(jī)的安全補(bǔ)丁分發(fā)模型通過如下四元組公式(1)表示：

CAS＝(C,S,N,F) (1)

上式中，C表示元胞空間；S表示元胞的狀態(tài)集；N表示元胞鄰域；F表示元胞演化規(guī)則。

下面分別對(duì)該四元組公式(1)中的每個(gè)元素進(jìn)行詳細(xì)說明：

(1)元胞空間C：代表l×l個(gè)格子的二維網(wǎng)格，設(shè)每個(gè)單元最多只容納一個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。該無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在空間中的位置可以用如公式(2)所示的二維網(wǎng)格中的水平坐標(biāo)i和垂直坐標(biāo)j表示：

C＝{(i，j)|1≤i≤l，1≤j≤l} (2)

(2)元胞的狀態(tài)集S：其內(nèi)包含兩個(gè)狀態(tài)集分別為SC和MAC；

其中，SC為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)共分為三個(gè)狀態(tài)：正常節(jié)點(diǎn)狀態(tài)r(無線傳感器節(jié)點(diǎn)處于能正常工作但未打上安全補(bǔ)丁的狀態(tài))、已感染狀態(tài)v(無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)已被病毒感染的狀態(tài))和獲得安全補(bǔ)丁后的免疫狀態(tài)m(已打上安全補(bǔ)丁對(duì)病毒免疫的狀態(tài))。

當(dāng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)正常節(jié)點(diǎn)獲得安全補(bǔ)丁后直接進(jìn)入免疫狀態(tài)，已感染節(jié)點(diǎn)的病毒被清除候進(jìn)入免疫狀態(tài)。具體如公式(3)所示：

狀態(tài)集MAC考慮了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸中的信道訪問原則，分發(fā)補(bǔ)丁時(shí)采用CSMA/CA方式：當(dāng)某無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽到信道忙碌后再隨機(jī)退避一段時(shí)間后進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，當(dāng)一個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)其領(lǐng)域節(jié)點(diǎn)均不能發(fā)送，只有監(jiān)聽到信道空閑后才會(huì)嘗試發(fā)送數(shù)據(jù)。具體如公式(4)所示：

(3)元胞鄰域N：

普通的摩爾型鄰域?yàn)閳D1所示灰色為k節(jié)點(diǎn)的元胞鄰域，但由于單個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的通信覆蓋為圓形，不能清楚描述網(wǎng)絡(luò)的真實(shí)狀態(tài)。本發(fā)明的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)鄰域采用改進(jìn)的擴(kuò)展型摩爾領(lǐng)域，剔除了通信距離內(nèi)無法覆蓋的元胞，如圖2所示，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)最大的發(fā)射距離是r，因此任意節(jié)點(diǎn)C_ij的元胞鄰域具體如公式(5)所示：

在本發(fā)明的二維元胞自動(dòng)機(jī)的安全補(bǔ)丁分發(fā)模型中，只有屬于鄰域范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)才可以相互通信。

(4)元胞演化規(guī)則的元胞狀態(tài)轉(zhuǎn)換函數(shù)F

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)SC_ij在t時(shí)刻的狀態(tài)SC_ij(t)是由t-1時(shí)刻無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)SC_ij(t-1)以及其鄰域節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)集SN_ij共同決定的，則轉(zhuǎn)換函數(shù)可以由公式(6)表示：

SC_ij(t)＝f(SC_ij(t-1)，SN_ij(t-1)) (6)

①若無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在t-1時(shí)刻是正常節(jié)點(diǎn)狀態(tài)，則其狀態(tài)轉(zhuǎn)換函數(shù)如公式(7)所示：

SC_ij^r(t)＝max(1，f₁(SN_ij(t-1))) (7)

上式中，兩個(gè)函數(shù)的最大值為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)SC_ij；

②若該正常節(jié)點(diǎn)領(lǐng)域有e個(gè)獲得安全補(bǔ)丁并在免疫狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)發(fā)送安全補(bǔ)丁包，在這個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)，則有1-(1-α)^e的幾率收到補(bǔ)丁包，當(dāng)信道處于空閑狀態(tài)，則無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入免疫狀態(tài)。

則該狀態(tài)轉(zhuǎn)化函數(shù)由公式(8)表示：

③若無線傳感器節(jié)點(diǎn)在t-1時(shí)刻是已感染狀態(tài)，則狀態(tài)轉(zhuǎn)換函數(shù)如公式(9)所示：

SC_ij^v(t)＝max(0，f₂(SN_ij(t-1))) (9)

上式中，兩個(gè)函數(shù)的最大值為節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)SC_ij；

④若該已感染狀態(tài)節(jié)點(diǎn)領(lǐng)域有e個(gè)獲得安全補(bǔ)丁并在免疫狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)發(fā)送安全補(bǔ)丁包，在這個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)，有1-(1-α)^e的幾率收到補(bǔ)丁包，當(dāng)信道處于空閑狀態(tài)，則節(jié)點(diǎn)成功接收到補(bǔ)丁包。每收到一個(gè)補(bǔ)丁包后，有β的概率進(jìn)入免疫狀態(tài)，則收到g個(gè)安全補(bǔ)丁包后治愈的幾率為(1-(1-α)^e)(1-(1-β)^g)，其中g(shù)≤e；

則狀態(tài)轉(zhuǎn)化函數(shù)由公式(10)表示：

⑤若節(jié)點(diǎn)在t-1時(shí)刻已經(jīng)處在免疫狀態(tài)，則狀態(tài)轉(zhuǎn)換函數(shù)由公式(11)表示：

SC_ij^m(t)＝2 (11)

此時(shí)，節(jié)點(diǎn)維持此狀態(tài)不變，僅向外繼續(xù)分發(fā)安全補(bǔ)丁。

根據(jù)上述二維元胞自動(dòng)機(jī)的安全補(bǔ)丁分發(fā)模型，進(jìn)行無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全補(bǔ)丁分發(fā)的方法為：

在初始狀態(tài)下，進(jìn)行基于元胞自動(dòng)機(jī)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全補(bǔ)丁的分發(fā)。

初始狀態(tài)下無線傳感器節(jié)點(diǎn)狀態(tài)包括兩種:傳感器節(jié)點(diǎn)處于能正常工作但未打上安全補(bǔ)丁的狀態(tài)r；傳感器節(jié)點(diǎn)已被病毒感染的狀態(tài)v；

在l×l正方形區(qū)域內(nèi)，在已知的被感染的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中選取一個(gè)或若干個(gè)節(jié)點(diǎn)采取人工燒寫程序的方式打上安全補(bǔ)丁，無論節(jié)點(diǎn)之前是什么狀態(tài)，均進(jìn)入已打上安全補(bǔ)丁的對(duì)病毒免疫的狀態(tài)；

(1)針對(duì)被選中的初始節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行基于元胞自動(dòng)機(jī)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全補(bǔ)丁的分發(fā)。

①采用二維元胞自動(dòng)機(jī)的方式向外分發(fā)安全補(bǔ)丁；

②處在已打上安全補(bǔ)丁的對(duì)病毒免疫狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)可以通過所述步驟2的二維元胞自動(dòng)機(jī)的安全補(bǔ)丁分發(fā)模型的公式(1)計(jì)算自己的狀態(tài)：

CAS＝(C,S,N,F) (1)

上式中，C為在元胞空間中的位置，節(jié)點(diǎn)在空間中的位置可以用二維網(wǎng)格中的水平坐標(biāo)i和垂直坐標(biāo)j表示為所述步驟2的公式(2)

C＝{(i，j)|1≤i≤l，1≤j≤l} (2)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在獲得安全補(bǔ)丁后其節(jié)點(diǎn)狀態(tài)為SC_ij＝2；

向處在本節(jié)點(diǎn)的元胞鄰域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)分發(fā)安全補(bǔ)丁，與鄰域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，節(jié)點(diǎn)的鄰域?yàn)楦倪M(jìn)的擴(kuò)展型摩爾型鄰域，由所述步驟2的公式(3)計(jì)算，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)最大的發(fā)射距離是r，因此，任意節(jié)點(diǎn)C_ij的鄰域?yàn)椋?/p>

隨后此節(jié)點(diǎn)狀態(tài)SC_ij^m(t)＝2占用鄰域內(nèi)的的信道，本節(jié)點(diǎn)自己的狀態(tài)SC_ij^m(t)＝2。

(2)針對(duì)病毒感染狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行基于元胞自動(dòng)機(jī)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全補(bǔ)丁分發(fā)，具體方法為：

①針對(duì)已感染病毒狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)通過函數(shù)SC_ij^v(t)＝max(0，f₂(SN_ij(t-1)))計(jì)算自己的下一時(shí)刻狀態(tài)；

②探測(cè)鄰域內(nèi)的信道狀態(tài)，若信道空閑，則接收鄰域內(nèi)這些節(jié)點(diǎn)發(fā)送的補(bǔ)丁包；若這個(gè)節(jié)點(diǎn)領(lǐng)域有e個(gè)獲得安全補(bǔ)丁并在免疫狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)發(fā)送安全補(bǔ)丁包，在這個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)，有1-(1-α)^e的幾率收到補(bǔ)丁包；每收到一個(gè)補(bǔ)丁包后，有β的概率進(jìn)入免疫狀態(tài)，則收到g個(gè)安全補(bǔ)丁包后治愈的幾率為(1-(1-α)^e)(1-(1-β)^g)；其中，g≤e。

已感染病毒狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)若被治愈則進(jìn)入“初始節(jié)點(diǎn)”中的步驟②，若已感染病毒狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)未被治愈，則重復(fù)本步驟。

(3)針對(duì)正常工作狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行基于元胞自動(dòng)機(jī)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全補(bǔ)丁分發(fā)方法的具體步驟包括：

①正常工作節(jié)點(diǎn)通過函數(shù)SC_ij^r(t)＝max(1，f₁(SN_ij(t-1)))計(jì)算自己下一時(shí)刻狀態(tài)。

②探測(cè)鄰域內(nèi)的信道狀態(tài)，若信道空閑，則接收鄰域內(nèi)這些節(jié)點(diǎn)發(fā)送的補(bǔ)丁包。若這個(gè)節(jié)點(diǎn)領(lǐng)域有e個(gè)獲得安全補(bǔ)丁并在免疫狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)發(fā)送安全補(bǔ)丁包，在這個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)，有1-(1-α)^e的幾率收到補(bǔ)丁包；收到補(bǔ)丁包后，正常節(jié)點(diǎn)進(jìn)行安全升級(jí)，免疫病毒侵害，隨后進(jìn)入“初始節(jié)點(diǎn)”中的步驟②，若未收到補(bǔ)丁包則重復(fù)此步驟。

③令V(t)表示在t時(shí)刻已被病毒感染的狀態(tài)傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)量占比，R(t)表示在t時(shí)刻處于能正常工作但未打上安全補(bǔ)丁狀態(tài)的傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)量占比，M(t)表示在t時(shí)刻已打上安全補(bǔ)丁對(duì)病毒免疫狀態(tài)的傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)量占比，由公式(4)表示：

其中，V(t)+R(t)+M(t)＝1

經(jīng)過一段時(shí)間，表明采用本發(fā)明的一種基于元胞自動(dòng)機(jī)的安全補(bǔ)丁分發(fā)方法能夠?qū)⒔狱c(diǎn)安全補(bǔ)丁分發(fā)完畢，安全補(bǔ)丁分發(fā)完畢后，所有節(jié)點(diǎn)狀態(tài)均為：已打上安全補(bǔ)丁對(duì)病毒免疫的狀態(tài)m。

下面對(duì)本發(fā)明的基于元胞自動(dòng)機(jī)的安全補(bǔ)丁分發(fā)方法進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，用于驗(yàn)證本方法的可靠性。

該仿真實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境設(shè)置如下：監(jiān)測(cè)區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)正方形區(qū)域，其邊長(zhǎng)l＝200m,在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)包含節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為n，節(jié)點(diǎn)密度為ρ，節(jié)點(diǎn)的通信距離為r，網(wǎng)絡(luò)中初始被感染節(jié)點(diǎn)的比例為θ，節(jié)點(diǎn)成功接收安全補(bǔ)丁概率α，安全補(bǔ)丁清除病毒的概率為β，每輪單位時(shí)間內(nèi)內(nèi)進(jìn)行10次通信。

在本仿真實(shí)驗(yàn)中，我們研究在無線傳感器的不同參數(shù)下安全補(bǔ)丁分發(fā)效果，初始值節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)n＝20000，節(jié)點(diǎn)密度為ρ＝0.5，通信距離r＝10m，初始被感染比例θ＝0.4，節(jié)點(diǎn)成功接收安全補(bǔ)丁概率α＝0.8，安全補(bǔ)丁清除病毒的概率為β＝0.6時(shí)，將坐標(biāo)為(100,100)節(jié)點(diǎn)打上安全補(bǔ)丁后的V(t)、R(t)、M(t)的曲線如圖3所示。實(shí)驗(yàn)表明在第23輪后所有節(jié)點(diǎn)均已打上安全補(bǔ)丁，此發(fā)明采用的方法非常高效。

我們考察在安全補(bǔ)丁清除病毒能力較差時(shí)的補(bǔ)丁分發(fā)效果，取β＝0.2。圖4表示不同的取值下的V(t)曲線，圖5表示不同取值下的M(t)曲線。該實(shí)驗(yàn)表明當(dāng)清除能力較差時(shí)β＝0.2時(shí)，該方法仍能在第30輪將所有節(jié)點(diǎn)打上補(bǔ)丁，該方法仍然高效。

考察在網(wǎng)絡(luò)中初始被感染節(jié)點(diǎn)的比例較高時(shí)補(bǔ)丁分發(fā)效果，取θ＝0.8。圖6表示不同的取值下的V(t)曲線，圖7表示不同取值下的M(t)曲線。該實(shí)驗(yàn)表明當(dāng)感染節(jié)點(diǎn)在初始被感染節(jié)點(diǎn)補(bǔ)丁較高，80％節(jié)點(diǎn)都受病毒感染時(shí)，該方法可以在第25輪將所有節(jié)點(diǎn)打上補(bǔ)丁，仍然具有高效性。

考察此方法在不同坐標(biāo)位置初始節(jié)點(diǎn)的分發(fā)效果，分別從(100,100)，(50,50)和(10,10)位置開始分發(fā)安全補(bǔ)丁，圖8表示不同取值下的M(t)曲線。此實(shí)驗(yàn)表明越靠近區(qū)域中心，節(jié)點(diǎn)分發(fā)補(bǔ)丁的速度越快。但此方法在區(qū)域邊緣(10,10)的位置仍能在36輪將補(bǔ)丁分發(fā)完畢，證明此方法選擇區(qū)域中任何節(jié)點(diǎn)作為初始節(jié)點(diǎn)分發(fā)安全補(bǔ)丁，最終均能快速將補(bǔ)丁分發(fā)完畢。

需要強(qiáng)調(diào)的是，本發(fā)明所述的實(shí)施例是說明性的，而不是限定性的，因此本發(fā)明包括并不限于具體實(shí)施方式中所述的實(shí)施例，凡是由本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案得出的其他實(shí)施方式，同樣屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。