本發(fā)明涉及無線傳感網(wǎng)絡(luò)、安全拓撲控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種分布式網(wǎng)絡(luò)連通性恢復(fù)方法。

背景技術(shù)：

物聯(lián)網(wǎng)被稱為繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)之后，世界信息產(chǎn)業(yè)的第三次浪潮。作為物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)之一，無線傳感網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks,WSNs)近年來受到越來越多研究學者的關(guān)注。無線傳感網(wǎng)絡(luò)可根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)做出相應(yīng)的動作，與環(huán)境進行信息交互，從而可以執(zhí)行更加復(fù)雜的監(jiān)測任務(wù)。WSNs在邊境保護、戰(zhàn)場偵察、搜索及救援等領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用前景。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常被部署在環(huán)境惡劣、無人值守的環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)，節(jié)點易發(fā)生故障，從而致使網(wǎng)絡(luò)無法正常運行，如何提高網(wǎng)絡(luò)的容錯性顯得至關(guān)重要。實際中大多數(shù)應(yīng)用依靠傳感器節(jié)點之間的連通性來傳送數(shù)據(jù)或協(xié)同運作，如何在節(jié)點發(fā)生故障時及時高效地恢復(fù)傳感器之間的連通性關(guān)系到網(wǎng)絡(luò)功能能否正常使用，因此，網(wǎng)絡(luò)的連通性恢復(fù)已成為許多國內(nèi)外學者研究的熱點問題。網(wǎng)絡(luò)的魯棒性即穩(wěn)定性是衡量一個網(wǎng)絡(luò)的重要參數(shù)，另外，如何實時快速地恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)連通性也具有非常重要的研究意義。

現(xiàn)有連通性恢復(fù)方法以及容錯機制分為預(yù)防式和反應(yīng)式，預(yù)防式機制是在網(wǎng)絡(luò)部署和正常運行階段預(yù)先配置一些備份節(jié)點，反應(yīng)式機制通過遷移健康節(jié)點來完成實時恢復(fù)。

預(yù)防式機制旨在保護網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)不被破壞，消除網(wǎng)絡(luò)可能的分塊割裂。該機制通常是在網(wǎng)絡(luò)初始部署階段為每個關(guān)鍵節(jié)點周圍多部署一個冗余節(jié)點，當關(guān)鍵節(jié)點發(fā)生故障時，備份節(jié)點替代故障節(jié)點發(fā)揮作用。在選擇合適的備份節(jié)點時，預(yù)防式機制關(guān)注的是節(jié)點對網(wǎng)絡(luò)連通性的重要性以及對覆蓋度的影響。

由于使用預(yù)防式機制的網(wǎng)絡(luò)中存在大量冗余節(jié)點，保證網(wǎng)絡(luò)連通性的同時網(wǎng)絡(luò)規(guī)模也會增大。反應(yīng)式的連通恢復(fù)機制僅當檢測到一個節(jié)點發(fā)生故障的時候才執(zhí)行恢復(fù)過程，這樣的機制更適合應(yīng)用于動態(tài)的網(wǎng)絡(luò)。該機制是遷移網(wǎng)絡(luò)中現(xiàn)存的可移動節(jié)點到合適的位置從而達到連通恢復(fù)效果。分布式執(zhí)行器恢復(fù)方法(DARA)就屬于反應(yīng)式機制，該方法首先在故障節(jié)點的兩跳鄰居節(jié)點中選擇合適節(jié)點并遷移到故障節(jié)點位置，若遷移節(jié)點引起網(wǎng)絡(luò)的分塊，再次執(zhí)行恢復(fù)方法直到整個網(wǎng)絡(luò)的連通性得以恢復(fù)。因此，當節(jié)點發(fā)生故障并不引起網(wǎng)絡(luò)分塊時，這種方法的執(zhí)行會帶來大量且不必要的開銷。

與DARA方法類似，向內(nèi)運動方法(RIM)也屬于反應(yīng)式機制，但是RIM只需維護一跳信息表，避免了選擇替換節(jié)點的復(fù)雜機制。RIM方法只涉及一跳鄰節(jié)點的移動，且單個節(jié)點最大移動距離不會超過通信半徑的一半，在保持整個網(wǎng)絡(luò)的能量均衡方面具有優(yōu)勢。RIM方法追求最小化通信開銷及單個節(jié)點的運動開銷。級聯(lián)地向內(nèi)運動會導(dǎo)致總遷移節(jié)點數(shù)、總移動距離開銷增大，并且網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍也會隨之縮小。

現(xiàn)有方法中并沒有針對動態(tài)拓撲結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)提出有效的連通恢復(fù)方法，并且連通恢復(fù)過程節(jié)點的運動會產(chǎn)生大量能耗消耗，對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的生存時間產(chǎn)生挑戰(zhàn)。另外，涉及運動的節(jié)點數(shù)量高會造成額外的通信開銷及運動開銷。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明是一種基于有限狀態(tài)機的分布式連通性恢復(fù)方法，適用于動態(tài)拓撲關(guān)系的無線傳感網(wǎng)絡(luò)。本發(fā)明主要有三個技術(shù)組成：1)基于有限狀態(tài)機模型的連通支配集篩選及更新方法；2)依據(jù)節(jié)點關(guān)鍵性的最佳替代節(jié)點選擇方法；3)級聯(lián)型遷移節(jié)點恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)連通性的方法。

本發(fā)明通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)：

1、一種基于有限狀態(tài)機模型的連通支配集篩選及更新方法，初始的網(wǎng)絡(luò)為連通的無線傳感網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點與任意其他節(jié)點進行通信，骨干網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)量很多，通過建立有限狀態(tài)機模型，利用相鄰節(jié)點之間的狀態(tài)影響，篩選并減少連通支配集中的節(jié)點數(shù)量。包括以下步驟：

步驟(1)在初始的無線傳感網(wǎng)絡(luò)中，利用現(xiàn)有的泛洪信息方法生成一個包含網(wǎng)絡(luò)骨干節(jié)點的連通支配集CDS，每個節(jié)點根據(jù)是否包含在CDS中設(shè)置自己的節(jié)點狀態(tài)信息，是支配節(jié)點則狀態(tài)號設(shè)置為3，狀態(tài)顏色標記為黑色，是非支配節(jié)點則狀態(tài)號設(shè)置為2，狀態(tài)顏色對應(yīng)為灰色，狀態(tài)3是一種穩(wěn)定的支配節(jié)點狀態(tài)，狀態(tài)2是一中穩(wěn)定的非支配節(jié)點狀態(tài)。

步驟(2)支配節(jié)點向周圍的鄰居節(jié)點發(fā)送消息包，若沒有收到所有相鄰節(jié)點的回復(fù)消息，則進行狀態(tài)轉(zhuǎn)移，更改狀態(tài)號為0，顏色標記為白色，這樣的節(jié)點處于不穩(wěn)定狀態(tài)，有可能轉(zhuǎn)化成支配節(jié)點，也有可能轉(zhuǎn)化成非支配節(jié)點。

步驟(3)若節(jié)點i處于狀態(tài)0，向一跳鄰節(jié)點N_i發(fā)送狀態(tài)信息；當對任意的兩個節(jié)點V，U∈N_i，有V∈N_u，則節(jié)點i標記為是非支配節(jié)點，狀態(tài)號為2，否則節(jié)點標記為不穩(wěn)定的狀態(tài)號1。

步驟(4)當節(jié)點i處于狀態(tài)1，而且所有鄰居節(jié)點N_i都不為狀態(tài)0時，節(jié)點若滿足條件：1)V為黑色節(jié)點，且D_i≤D_v；2)V1,V2∈N_i并且是兩個黑色互連節(jié)點，且i＝Del(V1,V2,i)；則節(jié)點狀態(tài)轉(zhuǎn)移為2，否則轉(zhuǎn)移為狀態(tài)3，減少網(wǎng)絡(luò)中狀態(tài)不穩(wěn)定的節(jié)點，使每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點確定自己的支配信息。

步驟(5)當網(wǎng)絡(luò)節(jié)點i處于狀態(tài)2時，且所有鄰居節(jié)點N_i都不處于狀態(tài)0和1時，在N_i中選擇節(jié)點號最小的節(jié)點作為支配節(jié)點，狀態(tài)轉(zhuǎn)移為1；節(jié)點狀態(tài)號為3的節(jié)點為支配節(jié)點，其余的都為一般的被支配節(jié)點，進一步減少無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的骨干節(jié)點數(shù)量。

2、依據(jù)節(jié)點關(guān)鍵性的最佳替代節(jié)點選擇方法，選擇出最終將被遷移的節(jié)點。步驟包括：

步驟(6)通過節(jié)點間的下一跳信息檢測到節(jié)點i處于故障狀態(tài)，節(jié)點i的一跳鄰居節(jié)點N_i中非支配節(jié)點j依據(jù)各自的2跳信息表判斷N_i中距離最近的節(jié)點作為替代故障節(jié)點A_S。

步驟(7)判斷N_i中是否存在非支配節(jié)點，若不存在則選擇節(jié)點度最小且距離最近的支配節(jié)點作為替換節(jié)點A_S。最終選擇的節(jié)點號用S表示：

D_s＝min(d_i1,d_i2,d_i3,…,d_in)

D_s是最佳替代節(jié)點S到故障節(jié)點的距離，是從d_in中選擇最小的值。其中d_ij可以從節(jié)點的坐標中計算出來：

其中i代表故障節(jié)點號，可以取值網(wǎng)絡(luò)中任意節(jié)點號，j為故障節(jié)點的鄰節(jié)點。

3、級聯(lián)型遷移節(jié)點恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)連通性的方法包括以下步驟：

步驟(8)遷移在步驟(7)中計算出的最佳替代節(jié)點到故障節(jié)點的位置，更新節(jié)點物理坐標位置，發(fā)送消息給周圍節(jié)點建立鄰居關(guān)系；故障節(jié)點引起的連通性丟失問題得到解決。

步驟(9)遷移替代節(jié)點后網(wǎng)絡(luò)若仍然處于分區(qū)狀態(tài)，則計算并保存此替換節(jié)點的原有位置信息，在替換節(jié)點原有一跳節(jié)點中選擇距離最近的非支配節(jié)點作為替代節(jié)點，遷移此節(jié)點到保存位置，網(wǎng)絡(luò)的連通性得到恢復(fù)，任意節(jié)點可以骨干網(wǎng)絡(luò)節(jié)點相互通信，執(zhí)行步驟(2)的動作，發(fā)送消息給周圍節(jié)點更新節(jié)點狀態(tài)。

相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有如下優(yōu)點和有益效果：

1、在區(qū)分關(guān)鍵節(jié)點問題上，現(xiàn)有技術(shù)并不生成連通支配集來區(qū)分關(guān)鍵節(jié)點，網(wǎng)絡(luò)中存在大量非關(guān)鍵節(jié)點的失效并不影響網(wǎng)絡(luò)的整體連通性，但是卻要執(zhí)行節(jié)點遷移運動，大量節(jié)點的運動會引起不必要的能耗。本發(fā)明具有區(qū)分關(guān)鍵節(jié)點機制，并利用狀態(tài)機模型減少連通支配集中節(jié)點數(shù)量，使本方法只在故障節(jié)點是連通支配集中的節(jié)點時才執(zhí)行節(jié)點遷移運動，網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障并做遷移運動的幾率減少，從而大大減少遷移的節(jié)點數(shù)量。與現(xiàn)有技術(shù)相比，不管是大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中還是小規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中，該方法在總移動距離上數(shù)值都非常小。所以本發(fā)明在恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)連通性的同時帶來的能量消耗也特別少。

2、對于動態(tài)的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，有限狀態(tài)機模型能及時地調(diào)整更新連通支配集，避免發(fā)生關(guān)鍵節(jié)點檢測錯誤致使的額外開銷。現(xiàn)有技術(shù)并不適用于動態(tài)的網(wǎng)絡(luò)，當周圍節(jié)點動態(tài)變化時，備份的節(jié)點會失去網(wǎng)絡(luò)開始部署時的重要作用，不能及時對割點進行跟蹤修復(fù)，增加有限狀態(tài)機模型，節(jié)點的狀態(tài)一直在實時更新變化，可以在動態(tài)拓撲下對節(jié)點的狀態(tài)及時更新并產(chǎn)生新的連通支配集。在動態(tài)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下具有很好的適應(yīng)性。

3、在通信開銷方面，本發(fā)明中網(wǎng)絡(luò)連通性恢復(fù)的過程中并不依賴全部節(jié)點信息，只涉及很少的遷移節(jié)點，該方法發(fā)送的消息數(shù)量維持在很低的水平，所以在通信開銷方面也具有很大的優(yōu)勢。

附圖說明

圖1為節(jié)點狀態(tài)轉(zhuǎn)換的模型

圖2為最佳節(jié)點選擇及遷移過程示意圖

圖3為級聯(lián)替換故障節(jié)點的過程示意圖

圖4為修復(fù)網(wǎng)絡(luò)連通性的整體方法流程

具體實施方案

為使本發(fā)明的目的和技術(shù)方案更加清晰，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的原理和具體步驟進行描述：

步驟(1)在初始的無線傳感網(wǎng)絡(luò)中，利用現(xiàn)有的泛洪信息方法生成一個包含網(wǎng)絡(luò)骨干節(jié)點的連通支配集CDS，每個節(jié)點根據(jù)是否包含在CDS中設(shè)置自己的節(jié)點狀態(tài)信息，是支配節(jié)點則狀態(tài)號設(shè)置為3，狀態(tài)顏色標記為黑色，是非支配節(jié)點則狀態(tài)號設(shè)置為2，狀態(tài)顏色對應(yīng)為灰色，狀態(tài)3是一種穩(wěn)定的支配節(jié)點狀態(tài)，狀態(tài)2是一中穩(wěn)定的非支配節(jié)點狀態(tài)。

步驟(2)周圍的鄰居節(jié)點向發(fā)生故障節(jié)點發(fā)送消息，沒有收到回復(fù)消息且狀態(tài)號為3的鄰居節(jié)點進行狀態(tài)轉(zhuǎn)移，更改狀態(tài)號為0，顏色標記為白色，這樣的節(jié)點處于初始狀態(tài)，有可能轉(zhuǎn)化成支配節(jié)點，也有可能轉(zhuǎn)化成非支配節(jié)點。如圖1所示，狀態(tài)3黑色通過步驟(2)改變?yōu)闋顟B(tài)0白色。

步驟(3)若節(jié)點i處于狀態(tài)0，向一跳鄰節(jié)點N_i發(fā)送狀態(tài)信息。當對任意的兩個節(jié)點V，U∈N_i，有V∈N_u，則節(jié)點i標記為狀態(tài)2，否則節(jié)點標記為狀態(tài)1，狀態(tài)1則表明該節(jié)點是處于不穩(wěn)定狀態(tài)，節(jié)點處于狀態(tài)2則表明該節(jié)點是非支配節(jié)點。如圖1所示，狀態(tài)0白色通過步驟(3)轉(zhuǎn)化為狀態(tài)2灰色或者狀態(tài)1黑色。

步驟(4)當節(jié)點i處于狀態(tài)1，而且所有鄰居節(jié)點N_i都不為狀態(tài)0時，節(jié)點若滿足條件：1)V為黑色節(jié)點，且D_i≤D_v；2)V1,V2∈N_i并且是兩個黑色互連節(jié)點，且i＝Del(V1,V2,i)；則節(jié)點狀態(tài)轉(zhuǎn)移為2，否則轉(zhuǎn)移為狀態(tài)3。如圖1所示，狀態(tài)1黑色通過步驟(4)轉(zhuǎn)化為狀態(tài)2灰色或者狀態(tài)3黑色。其中定義Del(V1,V2,V3)為可刪除集，它的值是可刪除的黑色節(jié)點集合，意思是刪除這些節(jié)點，由剩余節(jié)點仍然能構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)中的骨干網(wǎng)。減少網(wǎng)絡(luò)中不穩(wěn)定的節(jié)點，使每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點確定自己的支配信息。

步驟(5)當網(wǎng)絡(luò)節(jié)點i處于狀態(tài)2時，且所有鄰居節(jié)點N_i都不處于狀態(tài)0和1時，在N_i中選擇節(jié)點號最小的節(jié)點作為支配節(jié)點，狀態(tài)轉(zhuǎn)移為1。如圖1所示，狀態(tài)2灰色通過步驟(5)轉(zhuǎn)化為狀態(tài)1黑色。節(jié)點狀態(tài)號為3的節(jié)點為支配節(jié)點，其余的都為一般的被支配節(jié)點。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的骨干節(jié)點數(shù)量得到進一步減少。

步驟(6)通過鄰居節(jié)點間定期的收發(fā)消息檢測到節(jié)點i無響應(yīng)，則判定i處于故障狀態(tài)，節(jié)點i的一跳鄰居節(jié)點N_i中非支配節(jié)點j依據(jù)各自的2跳信息表判斷N_i中距離最近的節(jié)點作為替代故障節(jié)點A_S。

步驟(7)判斷N_i中是否存在非支配節(jié)點，若不存在則選擇節(jié)點度最小且距離最近的支配節(jié)點作為替換節(jié)點A_S。最終選擇的節(jié)點號用S表示：

D_s＝min(d_i1,d_i2,d_i3,…,d_in)

D_s是最佳替代節(jié)點S到故障節(jié)點的距離，是從d_in中選擇最小的值。其中d_ij可以從節(jié)點的坐標中計算出來：

其中i代表故障節(jié)點號，可以取值網(wǎng)絡(luò)中任意節(jié)點號，j為故障節(jié)點的鄰節(jié)點。如圖2(a)所示，A1節(jié)點發(fā)生故障，引發(fā)A2、A7所在區(qū)與N7、N9所在區(qū)節(jié)點間的通信鏈路中斷，如圖2(b)所示，從A2、A7、N9、N7中選擇最近的非關(guān)鍵節(jié)點N9作為最佳替代節(jié)點，以及圖3(a)所示，A4發(fā)生故障，引發(fā)A5、N19與A3的通信鏈路斷開，由于A4鄰節(jié)點中沒有非支配節(jié)點，則選擇距離最近的支配節(jié)點A3作為最佳替代節(jié)點。

步驟(8)遷移在步驟(7)中計算出的最佳替代節(jié)點到故障節(jié)點的位置，更新節(jié)點坐標位置，發(fā)送消息給周圍節(jié)點建立鄰居關(guān)系。故障節(jié)點引起的連通性丟失問題得到解決。如圖3替換節(jié)點的示意圖，A4節(jié)點發(fā)生故障，由步驟(7)計算出最佳替代節(jié)點為A3。

步驟(9)遷移A3后的網(wǎng)絡(luò)仍然處于分區(qū)狀態(tài)，如圖3(b)所示，接著執(zhí)行步驟(2)的動作，更新節(jié)點狀態(tài)信息并生成最新的連通支配集，在節(jié)點A3原有一跳節(jié)點中選擇距離最近的非支配節(jié)點N11作為替代節(jié)點，遷移節(jié)點后網(wǎng)絡(luò)的連通性得到恢復(fù)，任意節(jié)點可以通過支配集中的節(jié)點相互通信，如圖3(c)所示。

圖4為本發(fā)明的整體流程圖，首先在一個初始網(wǎng)絡(luò)中生成連通支配集，對節(jié)點進行狀態(tài)設(shè)置，包括步驟(1)；接著利用有限狀態(tài)機模型進行骨干節(jié)點的篩選，確定每個節(jié)點是否為割點，包括步驟(2)、(3)、(4)、(5)；步驟(6)對發(fā)生故障的節(jié)點進行關(guān)鍵性判斷，若是關(guān)鍵節(jié)點進行選擇替代節(jié)點過程，包括步驟(7)；遷移選擇的替換節(jié)點，之后判斷這個遷移節(jié)點是否為關(guān)鍵節(jié)點，若是則返回步驟(6),若不是則進行節(jié)點狀態(tài)信息更新，發(fā)送消息給周圍節(jié)點，建立關(guān)系，完成連通性恢復(fù)包括步驟(8)、(9)。