CN102186204A - 一种异构无线传感器网络及其专用的自恢复方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及传感器网络领域；本发明还涉及无线传感器网络的自恢复方法，具体为一种嵌入自律反馈控制单元的异构无线传感器网络及其基于自律计算技术实现自恢复的方法。本发明由检测代理连接决策代理、决策代理连接执行代理，检测代理、决策代理、执行代理分别和知识库连接形成自律反馈控制单元，自律反馈控制单元嵌入无线传感器网络中的簇头节点和基站中形成异构无线传感器。基于这种异构无线传感器网络的自律反馈控制单元执行的自恢复方法具体步骤包括：异常检测、异常决策、节点恢复。其中节点恢复包括微重启恢复方法和宏重启恢复方法。该发明有效节约了存储空间、能量消耗更小、自恢复功能更及时。

Description

一种异构无线传感器网络及其专用的自恢复方法

技术领域

本发明涉及传感器网络领域；本发明还涉及无线传感器网络的自恢复方法。具体为一种嵌入自律反馈控制单元的异构无线传感器网络及其基于自律计算技术实现自恢复的方法。

背景技术

无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)是由具有感知、处理和无线通信能力的传感器节点通过自组织方式形成的网络。在过去的几年中，WSN已经成为计算机研究领域的热点，其在军事、环境、健康、家庭、商业以及空间探索和灾难拯救等方面有着广阔的应用前景。

传感器网络的部署方法和物理交流环境使其易受到攻击，目前较为常见的预防攻击的方法主要是加密和授权，但是这两项技术虽然能够减少传感器网络中的攻击，却不能完全消除。具体表现为，加密和授权不能防护妥协节点，受到DoS攻击的节点妥协后仍会发动攻击，并妥协其它节点。此外，即使能够有效地阻止妥协，也难以避免产生故障节点。自恢复是指系统能侦测到运行中的错误，并且能自动修正错误，提高系统的可用性。为此，如何让传感器网络检测到受到DoS攻击的妥协节点，并使其具有自我恢复的能力是一项必要和基础性的研究。

现有的传感器网络的恢复方法主要有：Gummadi Ramakrishna，Kothari Nupur在2007年6th International Conference on Aspect-Oriented Software Development-Research Track Proceedings发表的Declarative Failure Recovery for SensorNetworks提出的针对传感器网络的宏程序系统设计检测点API(应用编程接口)函数，当传感器网络应用出现故障时，从所设置的检测点重新执行来实现本地节点的恢复。但是这种恢复技术没有实现能量的优化，不但设置的检测点增加了存储开销，且从检测点进行恢复增加了能量消耗，这对于节点资源受限的传感器节点而言是致命的。Kamali，Maryam Sedighian，Saeed，Sharifi，Mohsen 2008年在IS SNIP 2008-Proceedings of the 2008 International Conference on IntelligentSensors，Sensor Networks and Information Processing发表的文章DistributedRecovery Mechanism for Actor-Actor Connectivity in Wireless Sensor Actor认为异构无线传感器网络中，当有节点出现故障时，簇头节点隔离故障节点，并让最优邻居节点移动或拓扑重构来代替故障节点，以保证网络的正常连接。这种方法在一定程度上保证了网络应用的可靠性，但是目前传感器节点的移动技术还远未成熟，网络的稳定性不强，不适宜目前的网络状况。Bai Li，Lynn Batten2009年在.Journal of Network and Computer Applications发表的Using mobile agents torecover from node and database compromise in path-based DoS attacks in wirelesssensor networks.提到在基于路径的DoS攻击中，利用移动Agent(代理)来实现传感器网络节点和数据库妥协的恢复。Agent具有智能性，能检测出攻击并使妥协的节点有效的恢复。移动Agent搜集邻居节点的“选举”结果，得到妥协节点，并根据妥协节点数量的不同来执行相应的恢复方法，按妥协节点的数量从小到大依次为：初级恢复，中级恢复和高级恢复。在大规模的网络中这种单纯利用移动Agent的方法增加了恢复延时。与本设计相关的一项专利是专利号：200710024100.8“自主移动传感器网络动态建模与控制技术”利用移动机器人来进行可重复配置，节点移动时付出的能量开销大，实现复杂，不适合当前应用的静态传感器网络。

通过对已有的传感器网络的恢复方法的分析，可见目前传感器网络的恢复方法的研究与设计还出于初期阶段，存在如下两个问题：

第一，传感器节点的电源能量、通信能力、计算和存储能力都有限制，当节点恢复时，会因为能量耗尽而失效。

第二，在同构传感器网络中，只有基站和大量的普通节点，在节点遍布广泛的情况下，仅仅利用移动Agent通过路由选择到达妥协的节点，进行检测和恢复处理，这样增加了恢复延时，具有一定的局限性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种节约存储空间、能量消耗更小、自恢复更及时的异构无线传感器网络；本发明的目的还在于提供一种用于这种异构无线传感器网络的专用自恢复方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明的这种异构无线传感器网络为：检测代理连接决策代理、决策代理连接执行代理，检测代理、决策代理、执行代理分别和知识库连接形成自律反馈控制单元，自律反馈控制单元嵌入无线传感器网络中的簇头节点和基站中。

本发明基于自律反馈控制单元执行的自恢复方法，具体步骤如下：

(1)异常检测：传感器节点i向所在簇头节点发送包Pack(i)＝{ID(i)，Message}，其中Message为发送的内容，ID(i)为传感器节点的物理位置，传感器节点i发送包的数量为count(i)，根据簇头节点流量表中记录的count(i)和ID(i)，检测代理检测出所有传感器节点信息，在知识库中设立阈值M和标志位submitted，其中M为簇头节点接收到每个传感器节点发送包的数量的最大值，submitted向决策代理提交异常检测结果，若簇头节点接收到每个传感器节点包的数量大于M，则传感器节点发生妥协，标志位submitted置为1；若簇头节点接收到每个传感器节点包的数量不大于M，则submitted置为0；

(2)异常决策：Cn为时间间隔t内submitted持续提交1的次数，N为时间间隔t内submitted提交1的数量，C为时间间隔t中的另一个辅助标志位，初始值为1，m为时间间隔t内连续提交1的次数的阈值，n为时间间隔t内总共提交1的次数的阈值，当决策代理接收到检测代理提交submitted时，C＝C∧submitted，若C为1，则传感器节点异常，Cn和N都增加，否则Cn被置为0且C被置为1，当Cn超出m时，则传感器节点为严重妥协，决策代理告知执行代理宏重启该传感器节点；当Cn没超出m但N的值超出了n时，传感器节点为一般妥协，决策代理告知执行代理微重启该传感器节点；

(3)节点恢复：决策代理得出应执行的恢复策略并提交给执行代理，执行代理根据自律传感单元的知识库选择恢复方法，传感器节点为一般妥协时，执行微重启恢复方法；当节点严重妥协时，执行宏重启恢复方法。

微重启恢复方法为：初始化元组数据共有I₁，I₂，·I_n个数据，I_i为每个传感器节点的属性、事件，其对应的功能函数为fun₁，fun₂，·fun_n，周期性更新的元数据分别为I′₁，I′₂，·I′_n，执行代理根据每个传感器节点更新到簇头知识库的元数据和知识库中原有的元数据进行比较，若对应的I_i值改变，则执行代理发送对应功能函数的数据包给妥协节点，使其恢复原来的数据值。

宏重启恢复方法为：执行代理把初始化元组数据的功能函数发送给相关传感器节点，进行重启，恢复节点的正常属性值。

本发明有以下有益效果：

本发明可以通过自律控制让传感器网络自身检测出受到DoS攻击的妥协节点并自己恢复网络的正常状态，不需要消耗普通节点额外的存储空间，且能及时检测并恢复。此外，微重启和宏重启相结合的方法有助于降低节点恢复参数时的能量消耗，结构简单灵活，可以适用于各种应用的无线传感器网络。

附图说明

图1为具有自律反馈控制单元的传感器节点结构；

图2为异构无线传感器网络自律反馈控制结构图；

图3为恢复过程流程图；

图4为知识库的结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

妥协节点不断传输数据，以尽快耗尽自己的能量，为此要让妥协节点恢复其正常功能，以此保证网络的正常性能，本发明充分利用了自律计算中的自律反馈控制结构和智能Agent，来恢复发动DoS攻击的妥协节点。

如图1所示，首先在异构无线传感器网络中，在资源相对较多的簇头节点和基站中建立基于Agent的自律单元(Autonomic Element，AE)，检测代理MA(Monitoring Agent)、决策代理DA(Deciding Agent)、执行代理EA(ExcusingAgent)和知识库形成了一个自律反馈控制单元，它们之间相互合作来实现自律管理的功能。在此基础上设计一个异构无线传感器网络应用自律反馈控制单元来实现自恢复的结构，如图2所示。

当出现传感器节点妥协时，传感器节点所在簇的自律反馈控制单元检测出妥协节点，并进行决策，实施相应的恢复方法，如图3所示：其过程包括三个步骤：异常检测，异常决策和节点恢复。当检测到节点一般妥协时，对节点进行微重启；严重妥协时，执行宏重启，以使网络正常运作。

下面将基于图2的结构来实现传感器网络的自恢复方法，其中每个簇头节点具有图1的自律反馈控制单元，能够自律管理簇内传感器节点。具体过程如下：

1.异常检测

根据三角测量的方法取得传感器节点的物理位置，利用现有的空间三维坐标方法对传感器节点进行标注，如节点i的物理位置ID(i)＝(30:40:3)表示经度30，纬度40，高度3m。

检测方法涉及到在簇头节点自律反馈控制单元中的检测代理在一定时间间隔内检测所收到簇内传感器节点发送的包的数量。传感器节点i向所在簇的簇头节点所发送的包标记为Packet(i)＝{ID(i)，Message}，Message为发送的内容。传感器节点i发送包的数量标记为Cournt(i)，通过流量表中记录的Cournt(i)和Packet(i)的ID(i)，检测Agent能检测出所有传感器节点的相关信息。以T＝10s的时间间隔监测节点发送包的数量。为了区分传感器节点是正常或妥协，在知识库中设立一个阈值M和标志位submitted，M为簇头节点接收到包的数量最大值，submitted用来向DA提交异常检测的结果。也就是说当簇头节点接收到每个传感器节点包的数量大于给定阈值M时，传感器节点被怀疑已经发生妥协，submitted标志位置为1，代表异常，反之则置为0。

异常检测阶段的伪代码如下：

2.异常决策

异常检测完成后，决策代理需要对检测结果做进一步分析。Cn定义了时间间隔t中节点持续提交1的次数，N为时间间隔t中总共提交1的次数，这两个变量共同表示节点的妥协程度。此外，还包括3个辅助标记位，C的初始值为1，m为时间间隔t内连续提交1的次数的阈值，n为时间间隔t内总共提交1的次数的阈值。当DA接收到检测代理的submitted时，C＝C∧submitted。若C为1，则意味着传感器节点异常，Cn和N都增加；否则Cn被置为0且C被置为1。当Cn超出m时，传感器节点是严重妥协，EA将被告知宏重启节点。当Cn没超出m但N的值超出了n时，传感器节点一般妥协，此时为了节省能量，EA将被告知微重启该传感器节点。

异常决策阶段的伪代码如下：

3.节点恢复

当决策代理得出所应执行的恢复策略时，把恢复策略交给执行代理，执行代理根据自律反馈控制单元的知识库来控制恢复过程。知识库结构如图4所示，包括以下四个方面：元组空间、簇内传感器节点路由表、应用需求和系统参数。元组在恢复过程中用来存储和维护簇内传感器节点初始化时元数据的目录和相应的功能函数，描述每个传感器节点的属性、事件等，包括传感器节点的标识、采样频率、延时、剩余能量等。簇内传感器节点路由表存储簇内节点的地理位置及路由信息，并根据需要进行调整。应用需求指明了此传感器网络的应用，根据场景不断更新。传感器节点周期性向簇头节点发送的元数据使知识库不断更新。

本文中的恢复方法包括微重启和宏重启两种，具体过程如下：

1)微重启：当节点为一般妥协时，执行微重启的恢复方法。假设初始化元组数据共有I₁，I₂，·I_n个数据(I_i为每个节点的属性、事件等)，其对应的功能函数为fun₁，fun₂，·fun_n，周期性更新的元数据分别为I′₁，I′₂，·I′_n，即执行代理根据每个节点周期性更新到簇头知识库的元数据和知识库中的原有的元数据进行比较，若对应的I值改变，则执行代理发送一个其对应的功能函数的数据包给妥协节点，使其恢复原来的数据值。该方法的特点是降低了节点内部全部恢复参数时的能量消耗。

2)宏重启：当节点严重妥协时，考虑到比较的次数增多，执行宏重启重启的方法。执行代理把初始化元组数据的功能函数发送给相关节点，使节点进行重启，以恢复节点的正常属性值。

节点恢复的伪代码如下：

Claims (4)

1.一种异构无线传感器网络，其特征是检测代理连接决策代理、决策代理连接执行代理，检测代理、决策代理、执行代理分别和知识库连接形成自律反馈控制单元，自律反馈控制单元嵌入无线传感器网络中的簇头节点和基站中。

2.一种异构无线传感器网络的自恢复方法，检测代理连接决策代理、决策代理连接执行代理，检测代理、决策代理、执行代理分别和知识库连接形成自律反馈控制单元，自律反馈控制单元嵌入无线传感器网络中的簇头节点和基站中构成异构无线传感器网络，其特征是基于自律反馈控制单元执行的自恢复方法具体步骤如下：

(1)异常检测：传感器节点i向所在簇头节点发送包Pack(i)＝{ID(i)，Message}，其中Message为发送的内容，ID(i)为传感器节点的物理位置，传感器节点i发送包的数量为count(i)，根据簇头节点流量表中记录的count(i)和ID(i)，检测代理检测出所有传感器节点信息，在知识库中设立阈值M和标志位submitted，其中M为簇头节点接收到每个传感器节点发送包的数量的最大值，submitted向决策代理提交异常检测结果，若簇头节点接收到每个传感器节点包的数量大于M，则传感器节点发生妥协，标志位submitted置为1；若簇头节点接收到每个传感器节点包的数量不大于M，则submitted置为0；

(2)异常决策：Cn为时间间隔t内submitted持续提交1的次数，N为时间间隔t内submitted提交1的数量，C为时间间隔t中的另一个辅助标志位，初始值为1，m为时间间隔t内连续提交1的次数的阈值，n为时间间隔t内总共提交1的次数的阈值，当决策代理接收到检测代理提交submitted时，C＝C∧submitted，若C为1，则传感器节点异常，Cn和N都增加，否则Cn被置为0且C被置为1，当Cn超出m时，则传感器节点为严重妥协，决策代理告知执行代理宏重启该传感器节点；当Cn没超出m但N的值超出了n时，传感器节点为一般妥协，决策代理告知执行代理微重启该传感器节点；

(3)节点恢复：决策代理得出应执行的恢复策略并提交给执行代理，执行代理根据自律传感单元的知识库选择恢复方法，传感器节点为一般妥协时，执行微重启恢复方法；当节点严重妥协时，执行宏重启恢复方法。

3.根据权利要求2所述的一种异构无线传感器网络的自恢复方法，其特征是所述的微重启恢复方法为：初始化元组数据共有I₁，I₂，·I_n个数据，I_i为每个传感器节点的属性、事件，其对应的功能函数为fun₁，fun₂，·fun_n，周期性更新的元数据分别为I′₁，I′₂，·I′_n，执行代理根据每个传感器节点更新到簇头知识库的元数据和知识库中原有的元数据进行比较，若对应的I_i值改变，则执行代理发送对应功能函数的数据包给妥协节点，使其恢复原来的数据值。

4.根据权利要求2所述的一种异构无线传感器网络的自恢复方法，其特征是所述的宏重启恢复方法为：执行代理把初始化元组数据的功能函数发送给相关传感器节点，进行重启，恢复节点的正常属性值。

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