CN102076050B - 一种基于保障无线传感器网络融合信息安全的路由方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种用于传感器网络的，结合多路由与数据融合的安全方法，用以达到保障融合信息安全的目的。首先节点根据数据请求方请求报文的能量衰减程度，计算自身能级；然后下层融合节点发送融合信息时随机向上层节点发送，通过随机选择上层路由的机制以保证信息被安全接收并产生路径冗余备份，下层融合节点发送融合信息时，不保存路由表；上层融合节点收到下层的融合信息后根据时间戳判断该报文是否是重复报文，重复则丢弃，不重复则再次进行本层融合并发给更高层节点；最终通过层层融合，将数据信息传递给基站。

Description

一种基于保障无线传感器网络融合信息安全的路由方法
技术领域
本发明属于物联网应用领域，具体涉及一种无线传感器网络融合信息安全的路由方法。
背景技术
无线传感器网络不同于一般无线网络，其特点有：能量极其有限，感知数据量巨大，通信能力有限，节点计算能力有限而且数量巨大，网络维护不易等。
数据融合技术在一定程度上克服了无线传感器网络中能量约束的缺点，去除网络存在的冗余数据信息，减少网络中的数据传输量，从而达到了节省节点能量，延长传感器网络的生命周期等目的。
然而数据融合技术同时也带来了极大的安全威胁(1)原始数据采集面临的安全威胁(2)数据融合节点面临的安全威胁(3)融合数据传输的安全威胁。尤其是融合数据在传输中面临的安全威胁为甚，在引入数据融合技术之前，无线传感器网络的威胁仅对一个节点或其数据进行窃听、破坏、篡改等攻击行为。数据融合提供了一个仅需对特定目标及其报文进行攻击，便可以达到以往攻击一个分簇(层)或整个网络效果的可能性。故解决融合信息的路由安全问题尤其迫切。
本发明提出了一种基于保障无线传感器网络融合信息安全的路由方法，针对在无线传感器网络中融合信息所面临的威胁，根据距离和障碍物等因素而造成的能量损耗及基站计算的能量层次阈值而确定网内所有节点的能量层级，同层成簇、多次融合、随机选择上层接受对象等方法，很好的解决了上述无线传感器网络中对融合信息的威胁和攻击。相对以往安全路由的机制所采用的反复计算、确认、动态维护路由表等安全机制，减少了能耗，提高了效率，并提高了路由的冗余度和安全性。
发明内容
本发明针对现有安全路由的机制所采用的反复计算、确认、动态维护路由表等方法的缺点和不足，提出一种多路由的随机选择路径方法来保障关键数据或者融合数据的安全性。使得传感器网络安全路由机制更加简单、高效且安全性更高。本发明解决上述问题的技术方案为，
一种基于多路由的融合信息保障方法，包括以下步骤：
1)数据请求方发送数据请求报文；
2)节点根据基站发出的能量ETx、基站设置的能耗层级阈值E阈值计算自身所处的能量层次；
3)节点根据同层成簇、层间多跳、随机选择m-1层的接收对象的原则选择路由方式；
4)每层的融合节点对本簇内节点信息进行融合生成融合信息，并将融合信息发送到上一能量层的任一簇内的融合节点进行信息融合，逐层实现对本层及下层的信息融合，直至基站。数据请求方发送请求报文包括，命令标识、报文类型、数据请求设备的短地址、设备的生命周期、设备的初始能量和能量层级阈值信息。其中命令标识字段显示该帧是数据帧，报文类型字段显示该帧是由数据请求方发送的数据请求报文，请求设备的短地址字段显示了数据请求设备的源地址，设备的生命周期T由设备初始化时写入，报文的初始能量为ETx，能量层级阈值信息为E阈值。各节点收到来自基站广播的数据请求报文，内置的能量计算器节点根据报文的初始能量和能量层级阈值信息确定自身所处的能级。
由基站报文初始化写入数据请求报文，报文的初始能量值为ETx，基站收发每个字节数据需要耗费的能量Eelec，报文通过节点周围的障碍时损失的能量是Em，假设基站发送的数据请求报文有k个字节的数据，则根据以下公式：ETx＝Eelec*k+Eamp*k*d2+Em确定基站发送数据请求报文的初始能量。基站计算能量层级阈值的方法为：E阈值＝Eamp*k’*(d’)2，Eamp是基站信号放大器每字节发送到距离d的节点消耗的能量；k’是基站发送广播报文的比特数；d’是指网络中单个节点的最大通信距离，k为基站发送的请求报文字节个数。满足条件ETx-E阈值≤ERx＜ETx的所有节点为第一能量层，满足条件ETx-2E阈值≤ERx＜ETx-E阈值的所有节点为第二能量层，满足条件ETX-nE阈值≤ERX＜ETX-(n-1)E阈值的所有节点为第n能量层。根据上述公式如此计算下去直到全网节点都计算出自己的能量层次。全网的节点共有n＝[ETx/E阈值](表示对ETx对E阈值的商做取整运算)个层级。节点通过计算得到自身能量层次后，根据同能级之间的节点(同一层次的节点)才能成簇的原则自组织成簇，形成路由。
上一能量层融合节点接收来自下一能量层簇头发送的融合信息，判断时间戳，如果是重复信息则丢弃，如果不是则进行融合处理。同一能级层的节点相互成簇，选出簇首，簇首向周围节点广播自己的簇首声明信息，本能级层节点通过监听簇首声明信息选择簇首加入成簇，其簇首同时监听来自下一能级层的多个簇首的簇首声明，下一能级层上传融合信息时根据簇首声明选择到达的簇地址。
本发明形成路由的方式具体可采用以下方法：1)同层成簇，层间多跳。2)随机选择高层接收对象。所述的同层成簇，层间多跳是指：节点确定自身所处的能级值，同一能级的节点间成簇，选出簇首，簇首向周围节点广播自己的簇首声明信息，本层节点通过监听簇首声明信息选择合适的簇首加入成簇。下层簇首同时监听来自上层的多个簇首的簇首声明，并将其地址信息存储以备融合信息上传时选取上传节点备用。低层级融合信息上传到高一层级的簇首节点进行数据融合，上一层融合节点将本层融合信息提交给更高层节点，层层融合并最终到达请求节点。
无特定接收对象是指：低层级融合节点向上层发送融合信息时，并不是向某一特定节点，而是在一个发送周期内向其存储的上层簇首地址信息中随机选取一个簇并向其发送自己的融合信息，节点本身不需要保存路由信息，仅需每周期随机选取一个簇进行路由并在提交融合信息中声明自己所处层级。融合报文采用的融合算法可采用成熟的融合算法，如：基于Bayes序贯估计，Kalman滤波进行目标状态估计等。上层融合节点接收来自下层簇头发送的或者本簇节点转发的下层融合信息，判断时间戳后再次进行融合处理并向更高层级的簇按照上述方法转发，直至数据请求方—基站。本发明提出的路由方法，下层节点无需保存特定的路由表，仅需在报文中声明自己的层级，上层节点接收后进行判断并转发；下层节点随机选择高层接收对象，从而区别于传统的路由方式。路由的冗余度和安全性大大优于以往方案。
与以往路由技术相比，节点不需要保存路由表，即使被俘获危害小，同时有效防止了一系列针对路由的攻击；随机选择上层节点发送融合信息，信息被俘获几率小，避免了多种路由攻击并提高了路由的冗余度。数据流向与能量剩余量同向，据报文衰减情况确定上层路由节点；层级路由，上层节点都是下一跳的可选、合理节点，多路径冗余；通过能量损耗确定路由层级，避免了环境、地形等外在因素造成的通信问题，更加合理的路由选择。只需一次确定层级，不用反复确定路径，不用动态维护路由表；通过科学的分层，减少了以往地形、环境等因素造成能量浪费。不需反复认证路由，不需动态维护路由表，不需返回确认信息。
附图说明
图1为本发明路由方法流程示意图
图2为数据请求方发送数据请求报文示意图
图3为网络节点成层示意图
具体实施方式
本发明的适用于存在电磁干扰或地形障碍等区域，基站或传感器节点有较长时间的通信请求，同时传感器节点有能力鉴别数据请求报文发送者的身份，传感器可以根据接受报文信号的强弱获取接收报文的能量值，该网络中任何一个节点(包括基站)收发一个字节的数据的能耗假设是相等的，节点间能量损耗的不同在于传感器节点离基站的距离和障碍物的干扰。本方案中使用的传感器节点一旦部署，不做大范围移动以保证该传感器不会跳跃层级。
图1为本发明路由方法流程示意图。本实施例的各种数据和方法，有一定特殊性，仅是作为明晰实施方法的一个特例。本专利的应用不限于实施例中的数据、方法、应用场景等。
以下将结合附图及实施例对本发明进行详细的描述。
首先，节点部署如图2所示，本发明采用无线传感器网络中同构型网络部署。且本发明不同于以往无线传感器网络中大部分发明的一个特点就是可以容忍网络中障碍物存在。
基站根据表1所示的帧格式构造数据请求报文，
表1
Figure BSA00000402652000051
数据请求报文的内容包括：命令标识、报文类型、数据请求设备的短地址、设备的生命周期、设备的初始能量和能量层级阈值信息。其中命令标识字段显示该帧是数据帧，报文类型字段显示该帧是由数据请求方发送的数据请求报文，请求设备的短地址字段显示了数据请求设备的源地址，设备的生命周期由设备初始化时写入、报文的初始能量字段的值为ETx、能量层级阈值信息为E阈值。
节点内置计算模块，各目标节点收到基站发送的数据请求报文，根据节点自身接收能量和数据请求方发送的请求报文中初始能量计算能量差值，根据能量差值确定自身所处层级。具体的计算方法为：假设基站发送的数据请求报文有k个字节的数据，根据基站端测量收发每个字节数据需要耗费的能量Eelec，报文通过节点周围的障碍时损失的能量Em，基站信号放大器每字节发送到距离为d所耗能量Eamp，计算模块根据以下公式：ETx＝Eelec*k+Eamp*k*d2+Em计算广播报文的初始能量为ETx，将其写入数据请求报文。基站计算能耗层级阈值的方法为：E阈值＝Eamp*k’*(d’)2，Eamp是基站信号放大器每字节发送到距离d的节点消耗的能量；k’是基站发送广播报文的比特数；d’是指网络中单个节点的最大通信距离。
基站广播发送数据请求报文，节点实时进行能量检测，测得接收到数据请求报文时请求报文能量ERx，根据公式确定E耗＝ETx-ERx该报文从基站传输到节点过程中的能耗，该能耗取决于节点部署的位置距离和是否有障碍物。节点根据基站设置的能耗层级阈值E阈值确定其所处的层次，即满足条件ETx-E阈值≤ERx＜ETx的所有节点为第一层级，满足条件ETx-2E阈值≤ERx＜ETx-E阈值的所有节点为第二层级，满足条件ETX-nE阈值≤ERx＜ETx-(n-1)E阈值的所有节点为第n能量层，如此计算下去直到全网节点都计算出自己的能量层次。全网的节点共有n＝[ETx/E阈值](表示对ETx对E阈值的商做取整运算)个层级。网络节点根据阈值成层后网络层次如图3所示。
节点确定自身能量层次后，同层次的节点之间才能成簇的原则自组织成簇。同一能级层次的节点相互成簇，选出簇首作为融合节点，簇首向周围节点广播自己的簇首声明信息，每一层的融合节点将本层融合信息提交到高一层的融合节点，该层融合节点对本层节点融合信息与低层融合信息再次融合，直至完成所有能量层次的节点信息融合。且每层簇首监听下一层的簇首声明，确定融合信息传送的簇首地址。
如m层节点通过监听簇首声明信息选择簇首加入成簇。其上一层(m-1层)簇首同时监听来自m层的多个簇首的簇首声明，并将其地址信息存储以备融合信息上传时选取上传节点时使用。m级融合信息上传到m-1层的簇首节点进行数据融合，m-1融合节点将本层融合信息提交给更高层节点即m-2层节点，如是，层层融合并最终到达数据请求方。m层级融合节点向m-1层节点发送融合信息时，并不是向某一特定节点，而是在一个发送周期内向其存储的m-1层簇首声明中的簇首地址信息中随机选取一个簇作为接收融合信息的簇。
根据同层成簇，层间多跳的原则形成路由，且随机选择高能级层次中接收报文的簇首地址。具体为，节点通过计算确定的自身所处的能级值，按照同一能级层的节点间成簇的原则，选出簇首，成簇方法可采用成熟的LEACH算法，簇首向周围节点广播自己的簇首声明信息，本层所有节点通过监听簇首声明信息选择合适的簇首加入相应的簇，在同一层次中形成多个簇。下层簇首同时监听来自上层的多个簇首的簇首声明，并将其地址信息存储以备融合信息上传时选取上传节点备用。低能量层级融合信息上传到高一层级的簇首节点进行数据融合，上一层融合节点将本层融合信息提交给更高层节点，如是，层层融合并最终到达请求节点。低层级融合节点向上层发送融合信息时，并不是向某一特定节点，而是在一个发送周期内向其存储的上层簇首地址信息中随机选取一个簇并向其发送自己的融合信息，节点本身不需要保存路由信息，仅需每周期随机选取一个簇进行路由并在提交融合信息中声明自己所处层级。融合报文采用的融合算法可采用成熟的融合算法，如：基于Bayes序贯估计，Kalman滤波进行目标状态估计等。
上层融合节点接收来自下层簇头发送的或者本簇节点转发的下层融合信息，判断时间戳后再次进行融合处理并向更高层级的簇按照上述方法转发，直至数据请求方——基站。

Claims (4)

1.一种基于多路由的融合信息保障方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）数据请求方发送数据请求报文；
2）基站根据公式ETx=Eelec*k+Eamp*k*d2+Em确定报文的初始能量值ETx，节点根据基站发出的能量ETx、基站设置的能耗层级阈值E阈值计算自身所处的能量层次，具体为，满足条件ETx-E阈值≤ERx＜ETx的所有节点为第一能量层，满足条件ETx-2E阈值≤ERx＜ETx-E阈值的所有节点为第二能量层，满足条件ETX-nE阈值≤ERX<ETX-（n-1）E阈值的所有节点为第n能量层，其中，Eelec为基站收发每个字节报文耗费能量，Eamp是基站发送每字节报文到距离d的节点所耗费能量，Em为报文损失的能量，k为基站发送的请求报文字节个数；
3）节点根据同层成簇、层间多跳、随机选择上一层的接收对象的原则选择路由方式；
4）每层的融合节点对本簇内节点信息进行融合生成融合信息，并将融合信息发送到上一能量层的任一簇内的融合节点进行信息融合，逐层实现对本层及下层的信息融合，直至基站。
2.根据权利要求1所述的融合信息保障方法，其特征在于，数据请求方发送请求报文包括，命令标识、报文类型、数据请求设备的短地址、设备的生命周期、设备的初始能量和能量层级阈值信息。
3.根据权利要求1所述的融合信息保障方法，其特征在于，上一能量层融合节点接收来自下一能量层簇头发送的融合信息，判断时间戳，如果是重复信息则丢弃，如果不是则进行融合处理。
4.根据权利要求1所述的融合信息保障方法，其特征在于，同一能级层的节点相互成簇，选出簇首，簇首向周围节点广播自己的簇首声明信息，本能级层节点通过监听簇首声明信息选择簇首加入成簇，其簇首同时监听来自下一能级层的多个簇首的簇首声明，下一能级层上传融合信息时根据簇首声明选择到达的簇地址。
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