CN102238651B - 一种无线传感器网络中基于服务质量的安全通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线传感器网络通信领域，具体涉及一种无线传感器网络中基于服务质量的安全通信方法。本发明主要目的是解决同时保证无线传感器网络通信QoS(Quality of Service，服务质量)和安全性的问题。两者均为无线传感器网络的重要性能指标，但QoS和安全性在网络设计中也是两个互相影响的因素。因此，本发明将在不改变IEEE 802.15.4数据帧结构前提下，提出一种基于服务质量的安全通信方法，做到简单易用。

Description

一种无线传感器网络中基于服务质量的安全通信方法

技术领域

本发明属于无线传感器网络通信领域，具体涉及一种无线传感器网络中基于服务质量的安全通信方法。

背景技术

参见图1的典型无线传感器网络，与有线网络相比，无线网络具有无需布线、易于维护、高度灵活、快速实施等特点，对于军事、工业、医疗等相关行业应用无疑是一个巨大的优势。随着无线通信技术的成熟与成本的降低，无线传感器网络在相关行业中的应用已经成为一个趋势。一个典型的无线传感器网络如图1所示，大量的无线传感器节点分布在现场的各个检测点上，将现场检测数据以多跳的方式传送至网关设备节点。无线传感器网络带来便利的同时，相关行业对无线传感器网络提出了更为严格保障QoS和安全性的要求。在QoS方面，部分应用业务对实时性的要求较其它应用更为严格，微小的延迟会造成重大事故，而部分应用业务对传输差错率有更为严格的要求，差错可能会导致严重的后果；在安全性方面，军事、工业等相关行业对无线传感器网络提出了很高的要求，保证数据和网络安全也是无线传感器网络亟需解决的问题。

在目前的无线通信标准中，IEEE 802.15.4以其低功耗、低成本和简单灵活等特点，已经成为最主流的无线传感器网络底层通信协议的无线标准。无线传感器网络，特别是工业无线监控网络已经成为IEEE 802.15.4的主要市场对象。IEEE 802.15.4协议定义了超帧结构，如图2的IEEE 802.15.4超帧结构所示，由CAP(Content Access Period，竞争接入时期)和CFP(Content Free Period，非竞争时期)两部分组成。

此外，参见在2003年5月发表的“Wireless Medium Access Control(MAC)andPhysical Layer(PHY)Specifications for Low-Rate Wireless Personal AreaNetworks(LR-WPANs)”中，IEEE 802.15.4协议在MAC(Medium Access Control，媒体接入控制)层上定义CAP中采取CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with CollusionAvoidance，载波监听多路访问/冲突避免)方式和CFP中采取GTS(Guaranteed Time Slot，保护时隙)方式，但协议未给出如何划分CAP和CFP的方法，以及多用户GTS分配的机制。此外，IEEE 802.15.4协议还定义了8种安全组件保证数据的安全性，可以根据业务本身的重要性设定其选用的安全组件，但使用安全组件会增加节点传输数据量。在实际应用系统中，部分业务不但要求较高的安全性，而且对于QoS同样有很高的要求。为此，需要针对IEEE802.15.4设计一种基于服务质量的安全通信方法，实现CAP和CFP动态划分、多用户GTS分配和安全组件合理调用，而目前上述所需的无线通信方法尚未查阅到。

现有基于IEEE 802.15.4的GTS调度机制采用的是基于节点请求GTS的次序和时隙数目的分配原则，因此现有方案仍不能有效保证应用场景中具有控制功能或承载实时业务的节点的通信质量。

现有方案未能给出CAP和CFP边界划分的方法，因此可能导致分配的GTS不能得到有效使用，从而浪费了宝贵的时隙资源。

现有方案未联合数据安全性考虑保证服务质量的问题，因此不能有效保证同时满足部分节点的安全性和服务质量的要求。

现有方案中调度过程的计算任务主要由簇内的传感节点完成，这将耗费传感节点大量能量，进而将降低无线传感器网络的寿命。

发明内容

本发明通过设定静态和动态优先级，分别根据节点功能和承载业务划分请求GTS节点的优先级，以此来保证GTS时隙调度满足应用场景中多种业务的服务质量要求。

本发明提出CAP和CFP的动态划分方法，满足协议中定义的最小CAP长度的要求，并且根据GTS请求的变化，实现动态调整CAP和CFP的边界。

本发明结合IEEE 802.15.4提供的安全组件，利用静态优先级定义业务对应的安全性要求，提出满足节点通信服务质量的安全组件动态配置方法，以此同时保证通信的安全性和服务质量。

本发明设定由簇头完成调度算法的计算任务，以此提高无线传感器网络的整体寿命。

本发明在基于IEEE 802.15.4帧结构不变的前提下，通过对信标帧和GTS请求帧进行简单修改，即可实现本发明设计的通信方法。

本发明提供了一种无线传感器网络中基于服务质量的安全通信方法，该方法包括：(1)初始化优先等级划分和安全等级划分；(2)簇头处理配置安全组件标识；(3)节点根据“安全组件标识”调整发送数据的安全组件并在对应GTS时隙中发送数据。

本发明还提供了一种无线传感器网络中基于服务质量的安全通信方法，该方法进一步包括：簇头处理配置安全组件标识时，根据静态优先级和默认安全组件来分配GTS时隙。

本发明还提供了一种无线传感器网络中基于服务质量的安全通信方法，该方法进一步包括：簇头处理配置安全组件标识时，簇头选出静态优先级最高M’个节点，组成临时GTS列表，并通过以下公式计算每个节点的NumOfPacketsInQueue。

$\mathrm{NumOfPacketsInQueue}=\frac{\mathrm{QueueState}}{2^3}\×\mathrm{MaxQueueSize}$

本发明还提供了一种无线传感器网络中基于服务质量的安全通信方法，该方法进一步包括：簇头处理配置安全组件标识时，按照节点的NumOfPacketsInQueue和默认安全组件为M’个节点初始分配GTS，被分配GTS所占的时隙个数由以下公式确定。

其中，L_AuxHead和L_MIC分别表示对应安全组件辅助帧头和完整性码的长度，单位为字节，aMaxMACPayloadSize是IEEE 802.15.4MAC帧静载荷的最大字节数；表示上取整。

本发明还提供了一种无线传感器网络中基于服务质量的安全通信方法，该方法进一步包括：簇头处理配置安全组件标识时，根据动态优先级来调整节点可选的安全组件，并进一步分配GTS时隙。

本发明还提供了一种无线传感器网络中基于服务质量的安全通信方法，其中簇头处理配置安全组件标识时，根据动态优先级来如下调整节点可选的安全组件：将临时GTS列表中动态优先级最低的节点去除，并加入到备选GTS列表中，选取备选GTS列表中动态优先级最大的节点。结合aminCAPlength的要求，根据如下公式调整节点可选的安全组件。

其中，L′_AuxHead和L′_MIC为节点的可选安全组件所对应的辅助帧头和完整性码长度，L′为计算出的GTS分配所需的时隙个数，依据安全级由高到低的原则重新配置安全组件。

本发明还提供了一种无线传感器网络中基于服务质量的安全通信方法，该方法进一步包括：在节点参与CAP的信道竞争过程中，竞争失败，则将节点动态优先级加1，从而再次参与CAP信道竞争或者在CAP中发送GTS请求。

本发明还提供了一种无线传感器网络中基于服务质量的安全通信方法，该方法的静态优先级根据节点的功能，按照实际场景节点的具体应用来设定。

本发明还提供了一种无线传感器网络中基于服务质量的安全通信方法，该方法的动态优先级根据业务类型划分。

本发明还提供了一种无线传感器网络中基于服务质量的安全通信方法，该方法的动态优先级业务类型包括语音、数据、视频等。

本发明还提供了一种无线传感器网络中基于服务质量的安全通信方法，该方法的静态优先级和动态优先级都体现在GTS请求帧的GTS特性域中，其中，“静态优先级”标识使用原有协议的“保留”位，“动态优先级”标识使用原有的“GTS长度”的前3位

本发明还提供了一种无线传感器网络中基于服务质量的安全通信方法，该方法将GTS请求帧中帧控制域的“保留”位设置为“缓存状态”标识，占用3bit。

本发明还提供了一种无线传感器网络中基于服务质量的安全通信方法，该方法GTS请求帧中帧控制域的“保留”位的“缓存状态”由以下公式确定：

其中，QueueState表示节点缓存状态；NumOfPacketsInQueue表示节点当前等待的数据包数目；MaxQueueSize表示最大队列长度，表示下取整。

本发明还提供了一种无线传感器网络中基于服务质量的安全通信方法，该方法利用将GTS请求帧原有“GTS长度”的第4位设置为“安全配置域”来表示采用默认安全组件或根据安全等级动态配置安全组件。

本发明还提供了一种无线传感器网络中基于服务质量的安全通信方法，该方法将原有的信标帧“GTS长度”改为“安全组件标识”。

本发明通过设定静态和动态优先级，保证了GTS时隙调度，实现动态调整CAP和CFP的边界和安全组件配置，以此同时保证通信的安全性和服务质量。同时本发明簇头完成调度算法的计算任务，可以提高无线传感器网络的整体寿命。此外，本发明在基于IEEE802.15.4帧结构不变的前提下，通过对信标帧和GTS请求帧进行简单修改，即可实现本发明设计的通信方法。

附图说明

图1典型无线传感器网络示意图；

图2 IEEE 802.15.4超帧结构示意图；

图3以汇聚节点为中心的分级式无线传感器网络示意图；

图4 GTS请求帧示意图；

图5静态优先级划分示意图；

图6动态优先级划分示意图；

图7缓存状态划分示意图；

图8 IEEE 802.15.4安全组件示意图；

图9信标帧示意图；

图10簇头处理流程图；

图11节点处理流程图。

具体实施方式

本发明建立以汇聚节点为中心的分级式无线传感器网络结构，网络在物理区域上分为由传感节点组成的多个子网，如图3所示。本方法将每个子网称命名为簇，如图3中的簇1、簇2和簇3，由一个簇头和多个传感节点组成。簇头为IEEE 802.15.4定义的FFD(Full-Function Device，完全功能设备)，其功能是汇集节点的采集信息转发至汇聚节点，周期性发出的信标帧维持网络同步，并实现网络通信的本地处理。传感节点可以为是RFD(Reduced-Function Device，简化功能设备)，也可以是FFD，所以非簇头的FFD也可能作为其它传感节点的路由来转发信息，且此网络结构与簇内通信结构相同。在簇间，簇头根据汇聚节点周期性发送的信标帧维持网络同步，并建立相应通信，与簇内通信方式类似。本发明将针对簇内通信的典型结构，提出一种基于服务质量的安全通信方法。

本发明的方法流程如下：

(1)初始化

1)优先级划分

本发明定义优先级分为两类：静态优先级和动态优先级。静态优先级根据节点的功能划分(依照实际场景节点的具体应用来设定)，动态优先级根据业务类型(如语音、数据、视频等)划分。如图4，静态优先级和动态优先级都体现在GTS请求帧的GTS特性域中。如图5，“静态优先级”标识使用原有协议的“保留”位，占用2bit，即静态优先级分为4个等级。如图6，“动态优先级”标识使用原有的“GTS长度”的前3位，占用3bit，即动态优先级分为8个等级。此外，为了合理分配GTS，本发明将GTS请求帧中帧控制域的“保留”位设置为“缓存状态”标识，占用3bit，即分为8个状态，如图4和图7。“缓存状态”用来描述发送数据节点的缓存状态，由以下公式确定节点的缓存状态：

其中，QueueState表示节点缓存状态；NumOfPacketsInQueue表示节点当前等待的数据包数目；MaxQueueSize表示最大队列长度，表示下取整。

2)安全等级划分

IEEE 802.15.4的帧类型包括信标帧、数据帧、命令帧和应答帧四类。其中，前三类帧采用安全组件保护数据安全，而应答帧不启用安全组件。由于信标帧固定占据超帧的首个时隙，本发明不考虑信标帧的QoS和安全。首先，本发明重新排序标识IEEE 802.15.4的安全组件，如图8。其次，根据实际应用业务需求和静态优先级，在网络部署阶段，定义节点的对应MAC命令帧和数据帧的默认安全组件。

为了指示是否可动态配置安全组件，本发明将GTS请求帧原有“GTS长度”的第4位设置为“安全配置域”，如图4。其中，当安全配置域为“0”，表示只采用默认安全组件；当安全配置域为“1”，表示可以根据安全等级动态配置安全组件。

此外，簇头完成处理过程后，将配置的安全组件标识在信标帧“GTS域”的GTS列表中，如图9，即将原有的“GTS长度”改为“安全组件标识”。

(2)簇头处理流程

假设M表示簇头在N个超帧中收到GTS请求的数目，N为网络设定的GTS描述的持续时间。QueueState、MaxQueueSize、NumOfPacketsInQueue和LengthOfPackets分别表示节点的缓存状态、最大队列长度、实际缓存数据包的数目和数据包长度，以及L表示节点被分配GTS占有的时隙个数。另外，aminCAPlength和aNumSuperframeSlot为IEEE 802.15.4要求的CAP的最小长度和任何超帧中所包含的时隙。在网络部署时簇头存储了簇内节点的可选安全标识集合和MaxQueueSize，则在网络运行时簇头的处理过程如图10。

1)簇头在CAP阶段接收节点发送的GTS请求，添加至GTS列表中，当经过N个超帧后，簇头开始处理过程。

2)若M大于0，则簇头选出静态优先级最高M’个节点，组成临时GTS列表，并通过以下公式计算每个节点的NumOfPacketsInQueue。若M等于0，则回到步骤1)。

$\mathrm{NumOfPacketsInQueue}=\frac{\mathrm{QueueState}}{2^3}\×\mathrm{MaxQueueSize}$

3)按照节点的NumOfPacketsInQueue和默认安全组件为M’个节点初始分配GTS，被分配GTS所占的时隙个数由以下公式确定。

其中，L_AuxHead和L_MIC分别表示对应安全组件辅助帧头和完整性码的长度，单位为字节，aMaxMACPayloadSize是IEEE 802.15.4MAC帧静载荷的最大字节数；表示上取整。

4)判定是否满足aminCAPlength的要求，如果满足，则将记录分配结果，进入步骤5)；如果不满足，进入步骤6)。

5)若M＝0，则完成分配，根据aNumSuperframeSlot反向计算GTS的开始时隙，并与节点短地址、安全组件标识一起加载到信标帧的GTS域中；若M＞0，则回到步骤2)。

6)将临时GTS列表中动态优先级最低的节点去除，并加入到备选GTS列表中，然后判决临时GTS列表的节点数目是否为M’。若数目为M’，则进入步骤7)；若数目不为M’，则进入步骤9)。

7)选取备选GTS列表中动态优先级最大的节点。结合aminCAPlength的要求，根据如下公式调整节点可选的安全组件，进入步骤5)。

其中，L′_AuxHead和L′_MIC为节点的可选安全组件所对应的辅助帧头和完整性码长度，L′为计算出的GTS分配所需的时隙个数。使用上述公式的原则是结合步骤9)，依据安全级由高到低的原则重新配置安全组件。

8)判决调整安全组件后的NumOfPacketsInQueue是否满足aminCAPlength的要求，如果满足，则进入步骤5)，如果不满足，则回到步骤2)。

9)判定当前临时GTS列表中节点的分配结果是否满足aminCAPlength的要求。若满足aminCAPlength，则调整去除节点可选的安全组件，进入步骤7)和8)，但如果最终判决最大剩余GTS不能满足发送NumOfPacketsInQueue，则返回步骤2)；若满足，则进入步骤5)。若不满足aminCAPlength，则回到步骤6)。

(3)节点处理流程

假设Q为节点设定的缓存状态门限，则节点处理流程参见图11所示：

1)节点接收信标帧。

2)解析信标帧，查询GTS域的GTS列表中是否被分配GTS时隙。若被分配，转到步骤3)；若未被分配，转到步骤7)。

3)根据“安全组件标识”调整发送数据的安全组件，进入步骤4)

4)根据GTS列表中被分配的“GTS开始时隙”和下一节点的“GTS开始时隙”，计算GTS长度，进入步骤5)。

5)在对应GTS时隙中发送数据，进入步骤6)。

6)若QueueState＞＝Q，则继续竞争信道发送GTS请求；若QueueState＜Q，则进入步骤7)。

7)节点参与CAP的信道竞争过程。

8)若信道竞争成功，则进入步骤9)；若竞争失败，则进入步骤11)。

9)节点发送数据帧后，若QueueState＜Q，则进入步骤10)；若QueueState＞＝Q，则进入步骤12)。

10)如果QueueState不等于0，则回到步骤7)；如果QueueState等于0，则数据发送结束。

11)节点动态优先级加1，进入步骤12)。

12)若超帧计数器为N，则在CAP中发送GTS请求；若超帧计数器不为N，则重新回到步骤7)。

综上可以看出本发明通过设定静态和动态优先级，保证了GTS时隙调度，实现动态调整CAP和CFP的边界和安全组件配置，以此同时保证通信的安全性和服务质量。同时本发明簇头完成调度算法的计算任务，可以提高无线传感器网络的整体寿命。此外，本发明在基于IEEE802.15.4帧结构不变的前提下，通过对信标帧和GTS请求帧进行简单修改，即可实现本发明设计的通信方法。

以上所述的具体实施方式只是对本发明的具体举例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在形式或细节上对其作各种各样的变化或替换，都不影响本发明的实质与精神，都应该涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种无线传感器网络中基于服务质量的安全通信方法，该方法包括：(1)划分优先等级和安全等级；(2)簇头处理根据节点的安全组件标识配置GTS时隙；(3)节点根据所述安全组件标识调整发送数据的安全组件并在对应GTS时隙中发送数据；

其特征在于：

(1)簇头处理配置安全组件标识时，根据静态优先级和默认安全组件来分配GTS时隙；

(2)簇头处理配置安全组件标识时，簇头选出静态优先级最高M’个节点，组成临时GTS列表，并通过以下公式计算每个节点的NumOfPacketsInQueue；

$NumOfPacketsInQueue=\frac{QueueState}{2^3}\×MaxQueueSize$

其中NumOfPacketsInQueue表示节点当前等待的数据包数目；QueueState表示节点缓存状态；MaxQueueSize表示最大队列长度；

(3)簇头处理配置安全组件标识时，按照节点的NumOfPacketsInQueue和默认安全组件为M’个节点初始分配GTS，被分配GTS所占的时隙个数由以下公式确定：

其中，L_AuxHead和L_MIC分别表示对应安全组件辅助帧头和完整性码的长度，单位为字节，aMaxMACPayloadSize是IEEE 802.15.4MAC帧静载荷的最大字节数；表示上取整；N表示超帧的数目；LengthOfPackets表示数据包长度；

(4)簇头处理配置安全组件标识时，根据动态优先级来调整节点可选的安全组件，并进一步分配GTS时隙；

(5)根据动态优先级来如下调整节点可选的安全组件：将临时GTS列表中动态优先级最低的节点去除，并加入到备选GTS列表中，选取备选GTS列表中动态优先级最大的节点，结合aminCAPlength的要求，根据如下公式调整节点可选的安全组件，

其中，L′_AuxHead和L′_MIC为节点的可选安全组件所对应的辅助帧头和完整性码长度，L′为计算出的GTS分配所需的时隙个数，依据安全级由高到低的原则重新配置安全组件，

NumOfPacketsInQueue表示节点当前等待的数据包数目，LengthOfPackets表示数据包长度，aminCAPlength表示IEEE 802.15.4要求的CAP的最小长度，aMaxMACPayloadSize表示IEEE 802.15.4MAC帧静载荷的最大字节数。

2.根据权利要求1的安全通信方法，该方法进一步包括：在节点参与竞争接入时期CAP的信道竞争过程中，竞争失败，则将节点动态优先级加1，从而再次参与CAP信道竞争或者在CAP中发送GTS请求。

3.根据权利要求1的安全通信方法，该方法的静态优先级根据节点的功能，按照实际场景节点的具体应用来设定。

4.根据权利要求1的安全通信方法，该方法的动态优先级根据业务类型划分。

5.根据权利要求4的安全通信方法，该方法的动态优先级业务类型包括语音、数据或视频。

6.根据权利要求1的安全通信方法，该方法的静态优先级和动态优先级都体现在GTS请求帧的GTS特性域中，其中，“静态优先级”标识使用原有协议的“保留”位，“动态优先级”标识使用原有的“GTS长度”的前3位。

7.根据权利要求1的安全通信方法，该方法将GTS请求帧中帧控制域的“保留”位设置为“缓存状态”标识，占用3bit。

8.根据权利要求7的安全通信方法，该方法GTS请求帧中帧控制域的“保留”位的“缓存状态”由以下公式确定：

其中，QueueState表示节点缓存状态；NumOfPacketsInQueue表示节点当前等待的数据包数目；MaxQueueSize表示最大队列长度，表示下取整。

9.根据权利要求1的安全通信方法，该方法利用将GTS请求帧原有“GTS长度”的第4位设置为“安全配置域”来表示采用默认安全组件或根据安全等级动态配置安全组件。

10.根据权利要求1的安全通信方法，该方法将原有的信标帧“GTS长度”改为“安全组件标识”。