CN102238602B - 一种无线传感器网络故障节点检测方法 - Google Patents

Abstract

一种基于高可靠性的无线传感器网络故障节点检测机制，用来检测无线传感器网络中故障的节点，并查出其发生了什么那种类型的故障，这里的故障包括拜占庭故障(Byzantine Failure)，即多种原因交织在一起的不确定性故障，通过发送检测数据包给待检测的节点，待检测的节点使用基于阈值的故障节点检测算法，在检测到故障后，通报并要求对其进一步的处理，如果没有故障，则继续检测下一个节点，保证检测出所有的故障，这里的检测数据包经过了数据挖掘和数据融合技术的处理，同时对检测故障设定一个优先级，保证致命的故障被优先检测出。

Description

一种无线传感器网络故障节点检测方法

技术领域

本发明涉及一种无线传感器网络多节点交互通信时，对故障节点的检测、感知、通报，使客户能够在节点不能交互通信，或是得到不精确测试结果时，及时发现故障节点，提高通信效率和通信质量，此技术属于计算机网络、人工智能和无线传感器网络的交叉技术应用领域。

背景技术

无线传感器网络是由部署在监测区域的大量低成本微型传感器节点组成，由若干采用无线通信的节点动态的形成一个多跳的移动性对等网络，从而不依赖随任何基础设施，具有分布式、自组织、拓扑变化、多跳路由和安全性差等特征，其目的是协作的感知、采集和处理网络覆盖区域里被检测对象的信息，并发送给观察者；随着无线传感器网络的发展，无线传感器网络技术被应用到医疗、军事、工业、家庭等各个领域，不仅给人们的生活带来了高效性，而且也提高了人们生活的水平。

在实际应用中无线传感器网络系统将带来以下优点：

（1）由于处理的并行化，系统的运行速度加快。

（2）由于对信息的处理是在信息源的附近进行的，所以对通讯带宽的要求较低。

（3）节点出错，一般不会影响整个系统的运行，系统具较高可靠性。

（4）系统有较高的反应速度。

（5）无线传感器网络系统具有两种结构形式：一种是纯分布式，系统中的所有代理相互共享信息和知识，每个代理都具有协商通信能力；另一种是联邦式，引入基于中介子的协调机制，集统内部的代理只和中介子进行通信。

无线传感器网络系统作为理解人类社会的工具，适合解决下列问题域：

（1）环境是开放的，或至少是高度动态的、不确定的或复杂的。在这样的环境下，具有灵活的动作自治能力的系统通常是仅有的求解方法。

（2）无线传感器网络中各个节点相互合作，相互竞争，来完成网络中的各项任务，满足人们的需要。

（3）数据、控制或知识的分布。在有些环境下，数据、控制或知识的分布意味着集中式的求解方法是极其困难甚至根本不可能的。

（4）对无线传感器网络的建模方法采用统一建模语言,使得无需对节点进行复杂的程序设计，只需要进行简单的图形描述，再将图形通过工具直接转换成代码。

无线传感器网络虽然给人类社会带来如此多的好处，应用到广阔的领域，但是仍然有一些不完备的特性；在无线传感器网络中，节点的数目是相当巨大的，各个节点都有其自己的任务和作用，虽然其中某个节点故障不会影响其他节点的运行，但是一些故障可能会造成系统效率的降低或系统中一些测量结果的不精确如果要测试实验室中的温度，在实验室中固定位置布满了温度传感器节点，而正确的测试结果是：各个位置节点测得的结果求平均，但是如果几个节点位置移动或是软件故障，都可能使得测试结果不精确，尤其是一些关键节点的故障，针对这一问题，就明确的显现出节点故障检测的不可或缺性。

无线传感器网络故障节点的检测方法是一件非常重要和有必要的工作，原因如下：

（1）电池的能量受限，由于节点的微型化，节点的电池能量受限，使得大部分正常的节点因能量枯竭，不能正常工作，导致故障。

（2）节点布置在恶劣的环境中，由于环境的变化，使得节点故障的概率增加。

（3）随着无线传感器网络的发展，测量结果的精确性和高效性越来越受到追捧，而大量的故障节点会影响结果的反馈。

（4）故障节点会产生错误数据，使得监测中心得到错误结果，影响其安全性，例如测量火山爆发，如果故障节点错误反馈，会带来一定的安全隐患。

早期提出了一种模糊理论的事故检测方法，主要用来解决不精确、不确定的事件，模糊是指在质上没有精确的含义，在量上没有明确的界限，即边界不清楚。基于模糊理论的故障节点检验方法是一种按人类的思维过程进行检测的方法，主要用来测量数据较少且无法获得精确模型的问题，它是处理不确定的一种解决方法，但是其建立正确的模糊规则和隶属函数非常困难。基于此情况本发明提出了一种基于阈值的故障节点检测方法。

基于阈值的事故节点检测方法不仅可以检测出故障节点，而且规则简单，设置灵活，检测出故障后还可以及时通报给客户机，要求进一步对故障节点的处理，保证了无线传感器网络的可靠性、稳定性和精确性，提高了无线传感器网络检测结果的正确性和有效性。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种无线传感器网络故障节点检测方法，解决无线传感器网络中，出现故障节点时，能够及时发现，并进行通报，保障每个节点正常的交互通信，以及可以通过无线传感器网络精确采集实验结果。

技术方案：本发明检测故障节点的方法为：在无线传感器网络系统中重新定义一个诊断节点，命名为服务节点；此节点与其他节点交互通信的主要内容是查询故障，其他节点统称为普通节点，服务节点向普通节点发送被加密的检测数据包，检测数据包针对各个节点可能发生的故障定义相关的函数，再根据阈值与函数判别值的相同或不同，判断节点是否故障；如若发生故障，检测数据包状态发生变化，此时服务节点接收故障节点向其发送的反馈数据包来确定是哪一个节点的哪一种类型的故障。如若没有故障，服务节点继续向其他节点发送检测数据包，查看其他节点的故障情况。

对此要有一个合适的算法，来保证数据包的正确、高效的发送，以及阈值与判别值的正确比较，反馈数据包的可靠性发送等。

首先指定一个节点为服务节点，其次在服务节点中定义一个可以检测其他节点故障的检测数据包，定时不间断的检测节点是否发生了故障；最后定义一个反馈数据包，保证不仅要检测到故障，而且要报告出是哪个节点的哪种类型故障，保证利用检测节点测量数据的精确性和有效性，具体如下：

第一阶段,定义出专门用来检测故障的服务节点

步骤11）定义一个服务节点，服务节点中存储检测故障的数据包，数据包对要检测的故障设定优先级，同时，服务节点存储普通节点发送来的ID和名字信息，字段信息，以及普通节点的运行状态信息，

步骤12）普通节点向服务节点发送名字和ID信息：采用黑板结构方式，选择黑板结构的通信方式，每个节点将自己的信息放在黑板这个共享的区域，让其他的节点均可以访问，共享彼此的信息，

步骤13)定义出故障检测的数据包：故障检测数据包中包含多种节点可能出现的故障，并且对这些故障设置优先级，包括环境造成的故障或者由节点自身引起的软件故障，甚至拜占庭式故障，根据检测数据包的检测值与阈值的比较，来判断节点中是否发生故障；

步骤14）发送故障检测数据包：检测数据包的发送采用最短路径优先的方式，服务节点先找距其位置最近的节点，再依次找远的，在访问远端的节点时，可能有很多条路径到达，选择一条最短的路径，利用最短路径优先算法；检测数据包检测错误时，也要按照设定的优先级信息，先检测致命的故障，然后按优先级依次进行，直到把所有的故障均检测出；

第二阶段,检测数据包检测错误的过程

步骤21）检测故障的执行过程：检测数据包检测错误时，按照优先级信息，先检测致命的故障，然后依次进行，直到把所有的故障均检测出；采用基于阈值的故障检测算法，检测一项故障后，观察检测值与阈值是否相同；不同，则报告，报告完成后，继续检测；相同，则继续检测，直到检测出所有的故障，再检测下一个节点；

步骤22）反馈已检测出的故障：检测到故障以后，要反馈给服务节点，反馈给服务结点时，使用最短路径优先的方式，通知服务节点是哪一个节点发生了哪种类型的故障。

所述的普通节点向服务节点发送ID和名字信息使用的是黑板结构的通信方式，普通节点间交互通信过程采用最优化的拓扑结构和最合适的路由协议方式，而服务节点发送检测数据包和接收反馈数据包，均采用最短路径优先算法，各个过程使用不同的通信方式。

定义出专门用来检测故障的服务节点，用服务节点中的检测数据包来检测普通节点的故障，保证无线传感器网络系统测量结果的精确性和可靠性。

检测数据包的检测错误的过程，在检测数据包检测故障的执行过程中，采用了基于阈值的故障检测算法，通过比较检测值与阈值的相同和不同，来判断是否发生了故障。

反馈已检测的故障，要向服务节点发送一个反馈数据包，通知服务节点发生的事故类型和区域。服务节点可以将收到的信息上报给客户，要求进一步处理。

有益效果：本发明所述的基于高可靠性的无线传感器网络故障节点检测过程，检测过程通过定时发送和接收数据包，及时检测出事故节点，通报，并且采用基于阈值的事故节点检测方法，具体来说本发明的方法将带来以下益处：

（1）节点具有智能性属于单纯的慎思式节点，所以节点间的交互过程以及检测故障的过程均像人的大脑一样严格的逻辑推理，严密的按照制定的规则进行，保证了结果的正确性和处理的高效性。

（2）具有一定的容错机制，此发明对网络状态的动态变化、链路故障和拥塞以及传输延迟故障均具有容错机制，当发生上述故障时检测数据包的数据不会被篡改，而且数据包仍会被服务节点发送出去。

（3）通信过程以及通信方式简单，柔性好。普通节点间的交互通信过程采用最合适的路由协议和最佳的拓扑结构，服务节点与普通节点间通信过程采用最段路径优先算法和黑板结构方式，方法简单易于实现。

（4）数据冗余小，网络通信小，数据包保生存时间有限，检测等待时间短。数据包中的数据经过数据挖掘和数据融合技术的处理，冗余度小，在传送接收过程不耗费大量的网络资源；数据包中均定义了生存时间，在检测完成以后检测数据包自动消失，客户收到故障节点的信息时，反馈数据包也立刻消失，这样节省了内存空间，减少了网络的通信量；每个检测数据包中的内存列表中存取了目的节点的ID和名字信息，只需要查表就可以找到待发送的目的节点，节省了等待时间。

（5）算法的时间复杂度低，采用基于阈值的故障检测算法和Dijkstra算法等。用此算法检测故障的时间复杂度分析：假设有n个节点，则初始时各个节点使用黑板结构的通信方式向服务节点报告位置和名字信息的时间复杂度为O(n)；服务节点传送数据包的代价（根据Dijkstra算法）为O（n³）；而反馈数据包的代价为O(n)；因此算法简便，时间复杂度低。

附图说明

图1是无线传感器网络的数据包在节点间的发送过程。

图2是基于服务节点与普通节点间信息传递交互图。

图3是基于高可靠性无线传感器网络的故障节点检测流程图。

图4是检测数据包的组装、处理过程。

图5是节点的内部结构图。

图6是最短路径优先算法的示意图，其中图（a）为带权的有向图，图（b）为服务节点与部分普通节点的单元最短路径。

具体实施方式

一、体系结构

本发明所描述的基于高可靠性的无线传感器网络的故障节点检验过程的体系结构包括：多节点的无线传感器网络、普通节点间的交互通信结构、服务节点与普通节点间的通信结构；其中普通节点间的交互通信结构，按照普通节点的作用不同而分簇，在簇内按最优化的网络拓扑结构和最合适的路由协议进行通信；而服务节点与普通节点的通信在这里使用最短路径优先算法，以服务节点为核心找到各个普通节点，使服务节点距离每个普通节点的距离都是最短，在这里普通节点的地位相对于服务节点来说是平等的，每个节点的故障都需要检测出来，并及时通报。

基于高可靠性的无线传感器网络的故障节点检验过程中的服务节点，将一个复杂的故障检验过程，通过采用数据融合技术和数据挖掘技术，变成是一个简单的、面向特定问题的、分散的过程，这样就可以使得检测过程简单，功耗较小，事故问题很容易检测出来，并通报给客户。

在服务节点发送检测数据包之前，普通节点需要先向服务节点发送地理位置和名字信息，通知服务节点自己的ID和名字，这里的通信方式采用黑板结构，黑板是一个共享的工作区，所有的普通节点将自己的名字信息和ID信息放在黑板上，不仅使得服务节点可以了解其余的普通节点，也可以使普通节点间相互了解，这样使得信息集中，结构简单，易于实现。服务节点将收到的信息整合后存在自己的内存列表中，在发送检测数据包时可以在内存列表中查询目的节点的信息。

二、方法流程

1、定义服务节点

本发明定义了一个服务节点，检测系统中的故障节点；在服务节点中定义了一个检测故障的数据包，数据包的定义采用数据挖掘技术，将节点所有可能出现的故障分层依次列出，而对于拜占庭故障（ByzantineFailure），即多种原因交织在一起的不确定性故障，为分析清晰起见，将检测包中的所有故障可能性依次比较罗列，一一查出原因；对故障定义出一种故障优先级，使得检测数据包可以依据故障的严重性，按照一定的顺序检测，再利用数据融合技术，让检测数据包不至于过度复杂，减小判别函数和数据处理的复杂性。检测数据包定义完成后要进行加密，防止发送过程中被恶意篡改。

本发明所涉及的技术要求无线传感器网络的网络环境：①不考虑网络延时②节点对相关故障的处理速度不做限制，节点要有一定的容错机制。

2、检测数据包的传送和反馈数据包的接收

在检测数据包的传送和反馈数据包的接收过程中，本发明提出了一种新的容错算法---基于阈值的事故检测算法。算法描述如下：

一个监测区域中分布大量的节点（假定有n个），各个节点在不断的交互通信过程中，难免会发生一些故障，使得通信不能正常进行，或者无法采集到精确结果；针对这一问题，提出一种检测故障节点的方法--基于阈值的故障检测算法；假设n个节点独立同分布，则这些节点可以利用相同的阈值判别准则，其中阈值为预先设定的二进制数0或者1，在这里阈值k设定为1，则第i个节点是否发生故障的判别准则如下：

当p₁(x_i)/p₀(x_i)＞λ时，u_i=1；

当p₁(x_i)/p₀(x_i)＜λ时，u_i=0；

其中u_i为节点发生故障的二进制判决结果。

将u_i的值与阈值k的值进行比较，若不等则有事件发生，相等则节点正常，其中λ的值是使用贝叶斯方法经过多次实验，在最佳条件下取得的值。

本发明所述的条件属性是指各个故障发生的条件，记为C_i。节点的条件属性一般有预先取得的判别值决定，因此要通过计算得知。

本发明所述的故障类型是指节点在被触发后所要处理的一些故障，记为E_si；例如：当阈值与判断值不同时，服务节点要查询普通节点1的位置信息和名字信息等。

本发明所述的事件是指故障类型在特定时间特定地点的一个实例，记为E_i。

本发明所述的阈值是指故障类型E_si是有条件属性C₁....C_k组成，当条件属性触发时，判别值与设定的值不同，我们就说故障发生了。预先设定的二进制值称为阈值。

本发明所述的服务节点也可以被称为检测节点，主要用来向其他节点发送检测故障的数据包，查询其他节点的事故(包括节点位置的移动或软件故障等)，同时接受其他节点向其反馈的数据包，通知服务节点此节点发生了什么事故等；其余的各个节点在这里统称为普通节点。

本发明所述将所有节点覆盖的范围称为一个区域，记为A;假设有n个节点，则将整个区域再分成n片小区域；节点1被映射到区域A₁，节点2被映射到区域A₂.....节点i被映射到区域A_i。这样通过检测区域就知道是哪个节点，方便查出故障节点。

本发明所述的检测算法指服务节点定时向各个节点发送检测数据包，此时为了避免发送过程中网络拥塞和能量消耗的情况发生，采取最短路径优先算法即为Dijkstra算法。

本发明所述的Dijkstra算法描述为：

已知各个节点已经向服务节点广播了自己的位置信息，所以整个区域就形成了一个带权的有向图G=(V,E)，V指区域中所有的节点，E是各个节点间的连通关系。这里的路径长度就是指各个节点间的距离，方向就是节点间交互通信的方向。首先求得长度最短的一条路径，其次求得长度次短的一条路径，其余类推，直到找到从源节点到其他所有节点的最短距离的路径为止。也就是说，对于最终取得的最优解L=(L₁,L₂...L_n-1)，算法先求得其中最短的路径，然后再求次短的.....直到找出源节点到其余所有节点的最短路径为止。算法简单、效率高，时间复杂度低，方便易于实行。

图（5）中图（b）列出了图（a）所示的有向图中，从服务节点到部分普通节点的最短路径和路径长度。

本发明描述的检测数据包：（QK,visited-sensors，Life-time）;

（1）QK为检测关键字（flag，Esi，A_i，T）。

（2）flag只能取1或者0，若其值为1，表明服务节点成功发送了检测数据包，若其值为0，表明服务节点没有成功发送监测数据包

（3）visited-sensors：表明已经检测过的节点。

（4）Life-time：表明检测数据包在节点中的存活时间。

若要查询Tx时刻区域Ax内，事件类型为Esx的事件发生情况则QK可表示为(1,Esx，Ax，Tx)。

本发明描述的反馈数据包：（AK,visiting-sensor,Life-time）;

（1）AK为反馈关键字（flag,Esi,A_i,T）。

（2）flag只能取1或者0；其值若为1，表明服务节点成功接收到了反馈数据包，其值若为0，表明服务节点没有收到反馈数据包。

（3）visting-sensor：反馈给服务节点故障节点是哪个。

（4）Life-time：表明反馈数据包在服务节点中的存活时间。

若接收到(1,Esx,Ax,Tx),则表明在Tx时刻接收到了x节点发生了Esx类型的事故。

下面根据附图和实施例对本发明做更详细的描述。

根据图1和图2，本发明建立在无线传感器网络系统基础上，网络中部署了大量的监测节点，为了方面描述，假定服务节点正在查询普通节点1是否发生故障，首先节点1将自己的ID和名字信息放在黑板区域，服务节点从黑板区域中读取节点1的信息，将读取的信息放在自己的内存列表中；其次服务节点利用得到的信息采用最短路径优先算法找到距节点1的一条最短路径，将检测数据包发送给节

点1，此时检测数据包中的关键字flag变为1，数据包成功发送；检测数据包开始检测节点1的Esi故障，比较阈值与判别值，结果不同，则节点1发生了Esi型故障；依次继续查询节点1的其他类型故障，查询完成后，节点1中的检测数据包自动消失；节点1向服务节点发送反馈数据包(1,Esi,A1,Tx)，通知服务节点，节点1在Tx时刻发生了Esi型的故障，反馈数据包消失。服务节点继续查询其他节点的故障信息。具体的实施方式为（如图3流程图的描述）。

1、定义服务节点

在无线传感器网络中定义一个服务节点，使其包含一个检测普通节点故障的数据包，数据包中包含节点所有可能的故障，包括环境造成的故障或者软件故障等，另外要对检测数据包进行加密，防止在网络中被恶意篡改，服务节点采用最短路径优先算法不间断的向普通节点发送检测数据包，检测数据包在普通节点中有一定的生存期限。

2、普通节点与服务节点通信

服务节点需收到普通节点的名字和ID信息，这里的通信方式为黑板结构，所有的普通节点将自己的名字和ID信息，放在一个共享的区域，让服务节点快速访问，也可以使普通节点了解临近节点的信息，便于知道彼此的距离，方便找出普通节点间的最短路径，服务节点将其收到的信息进行组装，放在自己的内存列表中，自己访问目的节点时，只需在内存列表中查询目的节点的信息，即可得知。

3、服务节点发送检测数据包，开始检测故障

服务节点利用最短路径优先算法向所有的普通节点发送检测故障的数据包，对于故障的检测采用基于阈值的故障检测算法，一旦有故障，则阈值跟检测值异同，就会通知节点有故障发生，准备发送反馈数据包；如果没有故障，则阈值跟检测值相同，就不会发送反馈数据包，这里要求节点有一定的容错能力，对于网络的延迟和计算机的处理速度等都应该有一定的容错性。节点在收到反馈数据包后通知客户机节点发生了故障，反馈数据包消失，服务节点继续检测下一个普通节点；一定时间后，服务节点没有收到普通节点的反馈数据包，则节点正常，继续下一轮检测。

4、反馈数据包的发送

检测到故障以后，普通节点会向服务节点发送一个反馈数据包，通知服务节点是哪个节点发生了什么类型的故障，服务节点记下后，通报给客户机，反馈数据包自动消失。反馈数据包设定生存期限，避免占用大量的内存。

Claims (2)

1.一种无线传感器网络故障节点检测方法，其特征在于，首先指定一个节点为服务节点，其次在服务节点中定义一个可以检测其他节点故障的检测数据包，定时不间断的检测节点是否发生了故障；最后定义一个反馈数据包，保证不仅要检测到故障，而且要报告出是哪个节点的哪种类型故障，保证利用普通检测节点测量数据的精确性和有效性，具体如下：

第一阶段, 定义出专门用来检测故障的服务节点

步骤11）定义一个服务节点，服务节点中存储检测故障的数据包，数据包对要检测的故障设定优先级，同时，服务节点存储普通节点发送来的ID和名字信息，字段信息，以及普通节点的运行状态信息，

步骤12）普通节点向服务节点发送名字和ID信息：采用黑板结构方式，选择黑板结构的通信方式，每个节点将自己的信息放在黑板这个共享的区域，让其他的节点均可以访问，共享彼此的信息，

步骤13) 定义出故障检测的数据包：故障检测数据包中包含多种节点可能出现的故障，并且对这些故障设置优先级，包括环境造成的故障或者由节点自身引起的软件故障，甚至拜占庭式故障，根据检测数据包的检测值与阈值的比较，来判断节点中是否发生故障；

步骤14）发送故障检测数据包： 检测数据包的发送采用最短路径优先的方式，服务节点先找距其位置最近的节点，再依次找远的，在访问远端的节点时，可能有很多条路径到达，选择一条最短的路径，利用最短路径优先算法；检测数据包检测错误时，也要按照设定的优先级信息，先检测致命的故障，然后按优先级依次进行，直到把所有的故障均检测出；

第二阶段, 检测数据包检测错误的过程

步骤21）检测故障的执行过程：检测数据包检测错误时，按照优先级信息，先检测致命的故障，然后依次进行，直到把所有的故障均检测出；采用基于阈值的故障检测算法，检测一项故障后，观察检测值与阈值是否相同；不同，则报告，报告完成后，继续检测；相同，则继续检测，直到检测出所有的故障，再检测下一个节点；

步骤22）反馈已检测出的故障：检测到故障以后，要反馈给服务节点，反馈

给服务节点时，使用最短路径优先的方式，通知服务节点是哪一个节点发生了哪种类型的故障。

2.根据权利要求1所述的无线传感器网络故障节点检测方法，其特征在于，反馈已检测的故障，要向服务节点发送一个反馈数据包，通知服务节点发生的事故类型和区域，服务节点可以将收到的信息上报给客户，要求进一步处理。

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