CN102752721A - 适用于无线传感器网络的干扰环境中的路由恢复方法 - Google Patents

Abstract

一种适用于无线传感器网络的干扰环境中的路由恢复方法，将检测出的所有被干扰节点当作因能量耗尽而失效的节点对待，边界节点发送被干扰的通知给正常节点，通知正常节点在源节点与目的节点之间的部分路径因干扰失效，正常节点重新进行全局的路由发现过程，在排除被干扰节点的情况下找出新的全网中最优路由；或者，利用被干扰区域附近的节点作为被干扰节点的替代者，在替代者中寻找并建立一条新的替代路径，从而恢复源节点与目的节点间的路由；或者，运用抗干扰方法恢复被干扰节点的通信能力，继续作为中转节点在源节点与目的节点之间转发数据包。本发明确保了被干扰中断的路由的及时、有效恢复，能够保证干扰区域邻近的节点拥有更长的使用时间。

Description

适用于无线传感器网络的干扰环境中的路由恢复方法

技术领域

本发明涉及的是无线传感器网络中的路由恢复问题，具体是对网络在受到干扰攻击后中断的路由进行恢复处理，提供有效的方法保证网络中中断的数据传输任务能够及时恢复，提出了均衡干扰区域周围节点的能量损耗的方法。

背景技术

随着传感器技术、通信技术以及嵌入式计算技术的高速发展和逐步成熟，能够将环境感知功能、计算功能与通信功能结合在一起的微型传感器开始在世界范围内出现。无线传感器网络（Wireless Sensor Network,简称WSN）是经由一定数量的传感器以Ad Hoc方式构成的有线或无线网络，它的功能是通过各传感器节点来协作地感知、采集和处理网络覆盖范围内的被感知对象的信息，并将其发布给处理中心。在无线传感器网络中，传感器节点既是信息的采集与发送者，也是信息的传递与路由者，节点采集到的数据经由多跳的方式被路由到网关。网关（也称为汇聚节点，Sink Node）是网络中一个特殊的节点，它能够通过因特网、移动通信网络或卫星等与监控中心进行通信。

无线传感器网络中路由协议的主要任务是建立从源节点到目的节点的通信路径，并保证数据可靠地传输到汇聚节点。路由协议的设计与实现直接关系着无线传感器网络多跳自组织功能的实现，它是无线传感器网络中传输数据的指挥者。路由协议的主要功能是建立源节点到目的节点的优化路径，并且将数据沿着优化路径进行传输。

无线传感器网络在大多数的应用如森林防火、环境监测等中的安全性要求并不是十分重要的；但是在另外的某些特殊领域，如军事或安防网络等应用中，采集到的数据、数据传输过程或者是传感器节点的位置信息都不能够让敌对人员或者无关人员了解到。因而，网络的安全问题在第二类应用中就显得尤为重要，在这种应用中，无线传感器网络的特性与应用环境容易引起严重的安全隐患。无线传感器网络的安全隐患来源于网络部署区域的开放特性与无线网络的广播特性两个方面。网络部署区域的开放特性指的是传感器网络一般部署在用户无法监控的区域内，此时，网络极有可能受到敌对人员与无关人员的破坏与攻击；无线传感器网络的广播特性是指通信信号在物理空间中是暴露的，当设备的频率、相位、振幅和调制方式与发送信号都相匹配，任何设备都可以捕获到完整的通信信号。

在众多针对无线传感器网络的安全威胁中，拒绝服务（Denial of Service,简称Dos）攻击是无线传感器网络中常见的一种攻击手段。利用Dos攻击方式，攻击者能够影响网络的可用性与连通性，进而妨碍合法用户对于无线信道的接入过程，甚至严重扰乱整个网络的正常运作。对无线通信介质的干扰（Jamming）攻击是一种最简单的Dos攻击方法。大量的研究工作已经揭示出干扰攻击给无线传感器网络从物理层到应用层都带来了极其严重的安全隐患。

无线传感器网络是一个规模很大的对等网络，每个节点都可以作为路由节点，也有可能是源节点。网络一般采用多跳的方式进行路由信息的传递，数据从源节点到达目的节点一般要经由很多跳，这样就给敌方人员更多破坏数据正常传递的机会，因而路由安全是保证网络安全的一个非常重要的手段措施。

为了应对拒绝服务攻击，传统的方法是利用复杂的物理层技术手段，如直接序列扩频（DSSS,Direct Sequence Spread Spectrum）与跳频扩频（FHSS,Frequency HoppingSpread Spectrum）。但是，这些方法应用于能量和带宽受限的无线传感器网络中拥有太高的成本。因而，国内外的众多研究者们将研究重点放在了各种防御策略上，如基于虫洞的抗干扰技术（Wormhole-based Anti-Jamming）、信道冲浪（Channel Surfing）和时隙信道（Timing Channel）方法等。为了应对干扰攻击带来的威胁，理解各种干扰攻击的模型是极其重要的。Wood和Xu W都对干扰攻击检测进行了细致的研究，Wood研究了如何映射一个被干扰的区域，Xu W则提出了几种方法来对干扰攻击进行检测。

发明内容

本发明从无线传感器网络易受干扰袭击这一方面来考虑，依据各节点的路由功能在干扰环境中被中断时的特点，为无线传感器网络中的路由在干扰环境下的恢复提出了合理的方法，满足了无线传感器网络中路由的要求，保证了网络中数据传输的有效，并且为解决干扰区域周围的节点更多地承担了被干扰节点的任务这一问题，提出了均衡干扰区域邻近节点的能耗的方法。

当网络中出现了干扰者后，被干扰的节点通信能力受到限制，从而影响到以受干扰节点为中转节点的源节点与目的节点之间的数据通信，造成源节点检测到的数据不能及时有效地传递到目的节点，进而对目的节点的数据分析与应用产生影响。本发明要解决的问题是提供恢复无线传感器网络被干扰中断的路由功能的方法，以解决网络中被干扰影响后数据传输的中断问题，保证网络整体的数据采集与转发任务的可行性，同时针对干扰区域的邻近节点更多地承担被干扰节点的任务，提出均衡干扰区域附近节点的能量损耗的方法。

为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

在源节点与目的节点进行数据通信的过程中，干扰节点出现后，被干扰区域内的节点丧失通信能力，造成源节点与目的节点间的通信中断。利用已有研究中提出的干扰检测方法可以对无线传感器网络中存在的干扰情况进行检测，并能够标识出这一干扰发生后的边界节点。

为了恢复源节点与目的节点原有路径因干扰区域内中转节点失效而中断的路由，有三种方式可以使用：其一，将检测出的所有被干扰节点当作已经因能量耗尽而失效的节点对待，然后边界节点发送被干扰的通知给正常节点，通知正常节点在源节点与目的节点之间的部分路径已经因干扰失效，正常节点可以重新进行全局的路由发现过程，在排除被干扰节点的情况下找出新的全网中最优路由；其二，可以利用被干扰区域附近的节点，将它们作为被干扰节点的替代者，在替代者中寻找并建立一条新的可用替代路径，从而恢复源节点与目的节点间的路由；其三，运用已经提出的抗干扰方法可以恢复被干扰节点的通信能力，在被干扰节点的通信能力恢复以后，它们可以继续作为中转节点在源节点与目的节点之间转发数据包，即恢复因干扰而中断的路由。

1路由恢复方法的步骤

本部分内容依据干扰发生后不同的处理方式，说明干扰后不同路由恢复方法的步骤。

1)重新在全网中寻找最优路径恢复

(1)干扰区域边界节点与被干扰节点之间协作，利用带有一致性检验的干扰检测方法

（W.Xu,et al.,"The feasibility of launching and detecting jamming attacks inwireless networks,"Proc.ACM MobiHoc 2005,pp.46-57.）将网络中存在的干扰检测出，标识出此干扰区域的边界节点，干扰区域内的被干扰节点到目的节点的代价都因干扰而成为∞，表示为相应的目的节点不可达；

(2)边界节点生成干扰通知消息并向目的节点转发，通知它传输路径上出现干扰造成了中断，目的节点收到干扰通知消息后，启动在全网中重新建立新路由的过程；

(3)目的节点生成路由重建消息R，设置R中的ID_Des域为自身的节点编号，设置代价域为0，将生成并设置好数据信息的路由重建消息R广播到网络中；

(4)网络中收到重建消息的节点处理该消息，并确定自身到达目的节点的新代价值；

(5)源节点收到路由重建消息，更新数据，获得到达目的节点的新最优代价。

2)将被干扰区域周围的节点作为替代者恢复被干扰的路由

(1)因干扰而直接受到影响的传感器节点包括干扰区域内的节点与边界节点，它们相互协作，使用具有一致性检验的干扰检测方法将网络中存在的干扰检测出，标识出此干扰区域的边界节点；

(2)干扰区域内的被干扰节点到目的节点的代价都因干扰而重置为∞，表明相应的目的节点不可达；

(3)所有的边界节点，如果它到达目的节点所要经过的上一跳节点在干扰区域内部，该边界节点生成重置代价通知消息RESET，并将该消息中的Cost值设置为本边界节点到达目的节点的代价，在将原有的路由代价重置为∞后将消息RESET广播给自己的邻居节点；

(4)收到重置代价通知的节点，判断自身是否需要重置到达目的节点的代价值，如果需要，即它到达目的节点的路径被中断，则处理该通知后转发给邻居节点，并将自身代价值重置；如果不需要，则丢弃该通知，并标识自身为被干扰影响到的节点的邻居节点；

(5)在上一步中所有标识为被干扰影响的节点的邻居节点，如果它的当前路由代价不为∞，则它生成重建部分路径请求R，将其中的Cost域设置为该节点的路由代价值，然后将其广播到网络中，用于重建被干扰影响到的节点的路由代价值；

(6)网络中的节点在收到重建部分路径请求R后，如果自己到达目的节点的代价因干扰而重置，则处理该请求，并建立新的代价值；若当前节点的代价未被干扰影响到，则它忽略该重建路径请求。

3)利用抗干扰的方式恢复被干扰区域节点的路由功能

(1)干扰区域内的节点与边界节点运用带有一致性检验的干扰检测方法将网络中存在的干扰检测出，干扰区域内的被干扰节点到目的节点的代价都因干扰而重置为∞，表明相应的目的节点不可达；

(2)如果边界节点到达目的节点所要经过的上一跳节点在干扰区域内部即为被干扰节点，则它生成重置代价通知消息RESET，将消息中的Cost值设置为本节点到达目的节点的代价，在将节点原有的路由代价重置为∞后将消息RESET广播给自己的邻居节点；

(3)收到重置代价通知的节点，判断自身是否需要重置到达目的节点的代价值，如果需要，即它到达目的节点的路径被中断，则处理该通知后转发给邻居节点，并将自身代价值重置；如果不需要，则丢弃该通知，并标识自身为被干扰影响到的节点的邻居节点；

(4)利用信道切换的抗干扰方法，完成抗干扰的过程，实现对被干扰的节点的通信能力的恢复；

(5)在前面步骤中所有标识为被干扰影响的节点的邻居节点，以及所有的边界节点，如果它当前的路由代价不为∞，生成重建部分路径请求R，并将请求R的Cost域设置为该节点的路由代价值，然后将其广播给邻居节点，用于重建被干扰影响到的节点的路由代价；

(6)网络中的节点在收到重建部分路径请求，若自己到达目的节点的代价因干扰而已经被重置，则处理该请求，并建立新的代价值；若当前节点的代价未被干扰影响到，则它忽略该重建路径请求。

2 均衡干扰区域周围节点的能量损耗的步骤

为了均衡干扰区域周围节点的能耗状况，在进行干扰检测之后，实施以下的步骤：

(1)每个边界节点生成一个广播与被干扰区域的跳数距离的消息HOP，其中包括了初始化为1的跳数距离，表示边界节点距离被干扰区域的距离为1，也包括当前发送消息的节点的剩余能量E_residual(v_i)与初始能量E(v_i)；

(2)在某一节点收到该HOP消息后，从中提取出距离值与能量值，更新相应邻居表中的邻居节点的数据信息，依据 $\mathrm{Weight}\left(v_i\right)=(1-\mathrm{\γ})\×\mathrm{hop}\left(v_i\right)+\mathrm{\γ}\×\frac{E_{\mathrm{residual}}\left(v_i\right)}{E\left(v_i\right)}$ 计算出相应邻居节点的均

衡权重值；

(3)如果距离加1后不小于当前节点已记录的到干扰区域的距离，则舍弃该消息，不再转发，否则将该新的距离记录下来，表示它当前距离被干扰区域的跳数距离，并将消息转发出去；

(4)以Nei_less(v)表示所有的代价更小的邻居节点，根据

计算邻居节点v_i作为下一跳转发节点的概率；

(5)路由恢复完成后，节点在进行数据转发时，依据不同的概率选择下一跳代价更小的节点转发数据包。

本发明的有益效果是，构建了适用于无线传感器网络在干扰环境下的路由恢复方法，确保了被干扰中断的路由的及时、有效恢复，提出了均衡干扰区域周围节点在路由恢复后的能耗的方法，能够保证干扰区域邻近的节点拥有更长的使用时间。

附图说明

图1是被干扰的源节点和目的节点之间的路由示意图。

图2是重新在全网中建立源节点与目的节点间的路由后的状态。

图3是在干扰区域周围建立替代路径后的路由。

图4是被干扰区域半径变化时平均恢复延迟对比图。

图5是被干扰区域半径变化时路由跳数对比图。

图6干扰者位置变化时平均恢复延迟对比图。

图7干扰者位置变化时路由跳数对比图。

图8是干扰半径为320米时路由恢复前后的PDR。

图9是干扰半径为420米时路由恢复前后的PDR。

图10是能量均衡时的平均恢复延迟对比。

图11是能量均衡时的路由跳数对比。

图12是干扰半径为420米、干扰者居中能量均衡时的PDR。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，实施例在本发明技术方案的前提下，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

对于本发明中的无线传感器网络场景有如下的假设：

在已经部署好的无线传感器网络中存在一个基站，标识为v_D。网络中的其他各节点对自身周围的环境状况进行监测，将监测到的数据通过事先建立的路由传递到作为网络目的节点的基站v_D中。基站负责收集并处理由其他节点监测到并发送来的数据信息，将信息进行处理后供用户进行提取与分析，实现对接收到的数据的最终应用。

如图1所示是网络中一对节点v_S与v_D之间的通信路径，在干扰状况出现以前，目的节点v_D与源节点v_S之间通过路径Path(v_D，v_S)=((v_D，v₁)，…，(v_A，v_O)，…，(v_L，v_B)，…，(v₂，v_S))以多跳的方式进行数据通信。网络中所使用的路由协议可为任何一种适用于无线传感器网络的协议，为简化路由恢复方法的说明，本实施例假定使用的路由协议是最小代价转发算法（MCFA）。

在网络中的节点间进行正常的数据传递的过程中，在源节点v_S与目的节点v_D之间的传输路径上设置一个连续型的干扰者X，它作为一种干扰袭击的恶意节点，持续地向网络中发送无线电信号，能够持续地将无线信道保持在繁忙状态，可以将它的信号辐射范围内正常节点的通信打断或者带给已经在通信的节点更多的射频干扰，进而造成这些被干扰节点的路由功能失效，最终使得源节点v_S与目的节点v_D之间的数据信号传输过程中断。

在路由过程因干扰中断后，利用已有的研究中提出的有效的干扰检测方法，能够可靠地检测出并确认干扰袭击的存在，然后对因干扰而中断的路由实施具体的恢复过程。

1)重新在全网中寻找最优路径恢复

如图2所示，在干扰发生前目的节点v_D与源节点v_S之间通过路径Path(v_D，v_S)=(v_D，…，v_A，v_O，…，v_L，v_B，…，v_S)传递数据信息，干扰者X对网络中节点造成影响进而中断了节点v_D与v_S之间的通信后，整个网络按照下面的方法恢复被干扰的路由。

(1)干扰区域周围的节点与被干扰节点之间协作，利用带有一致性检验的干扰检测方法将网络中存在的干扰检测出，同时该干扰检测方法能够标识出此干扰区域的边界节点为v_H，v_I，v_J，v_K，v_L，v_M，v_N，v_O，干扰区域内的被干扰节点到目的节点v_D的代价都因干扰而成为∞，表示相应的目的节点不可达；

(2)边界节点生成干扰通知消息P，将消息P沿边界节点的最优路径向目的节点v_D转发，通知它传输路径上出现干扰造成了中断。目的节点v_D收到干扰通知消息P后，，它得知网络中某处出现了干扰，目的节点v_D生成路由重建消息R，设置R中的ID_Des域为自身的节点编号，设置Cost域为0，然后节点v_D将生成并设置好数据信息的路由重建消息R广播到网络中；

(3)网络中某一节点v_Ni从发送方v_Nj接收到路由重建消息R后，按照与路由建立过程类似的方式重建路由代价。v_Ni从R中读取v_Nj到达目的节点v_D的代价Cost(v_Nj)，从邻居表中读取出与节点v_Nj的链路成本（LinkCost），并更新邻居表中与v_Nj对应的Cost值为Cost(v_Nj)+链路成本；

(4)如果v_Ni是第一次收到重建消息，或者Cost(v_Nj)+链路成本<Cost(v_Ni)，则将自身到达目的节点v_D的代价Cost(v_Ni)设置为Cost(v_Nj)+链路成本，将重建消息R中的Cost设置为Cost(v_Ni)，然后将更新后的重建消息广播到网络中，通知邻居节点自己的代价发生了变化，否则不执行任何操作；

(5)源节点v_S收到路由重建消息R，更新完数据后，可以获得由节点v_S到达目的节点v_D的新最优代价Cost(v_S)。

当源节点v_S确立了自身到达目的节点v_D新的代价后，新的路由将被恢复过来，路径Path(v_D，v_S)=(v_D，…，v_E，v_T，v_R，v_Q，v_P，v_U，v_V，v_W，v_F，…，v_S)作为新的路由继续源节点与目的节点之间的数据传递工作。

2)将被干扰区域周围的节点作为替代者恢复被干扰的路由

如图3所示，在干扰发生前目的节点v_D与源节点v_S之间通过路径Path(v_D，v_S)=(v_D，…，v_A，v_O，…，v_L，v_B，…，v_S)传递数据包。在干扰者X对网络实施干扰后，干扰区域内的节点受到影响，进而造成节点v_D与v_S之间的通信因路由问题而中断，然后被干扰影响到的节点按照如下的算法恢复被干扰的路由。

(1)因干扰而直接受到影响的传感器节点包括干扰区域内的节点与边界节点，它们相互协作，使用具有一致性检验的干扰检测方法将网络中存在的干扰检测出，同时该干扰检测方法标识出此干扰区域的边界节点v_H，v_I，v_J，v_K，v_L，v_M，v_N，v_O；

(2)干扰区域内的被干扰节点到目的节点v_D的代价都因干扰而重置为∞，表明相应的目的节点不可达；

(3)对于所有的边界节点，如果它到达目的节点v_D所要经过的上一跳节点在干扰区域内部即为被干扰节点，该边界节点生成重置代价通知消息RESET，并将该消息中的Cost值设置为本边界节点到达目的节点v_D的代价，在将边界节点的原有路由代价重置为∞后，将消息RESET广播给自己的邻居节点；

(4)对于收到重置代价通知消息RESET的传感器节点v_N，如果消息中的Cost值与对应于发送者的链路成本的和与接收节点v_N的Cost(v_N)相等，表明节点v_N在给目的节点v_D发送数据时有可能需要经过被干扰区域内的节点，它将RESET消息中的Cost值更新为自身的Cost(v_N)，在将Cost(v_N)重置为∞后重新广播该消息给邻居节点，否则，表示节点v_N与目的节点v_D通信时不需要经过干扰区域内的节点，它将自身标识为被干扰影响的节点的邻居节点，并丢弃RESET消息；

(5)在上一步中所有标识为被干扰影响的节点的邻居节点，如果它的当前路由代价不为∞，则它生成重建部分路径请求R，将其中的Cost域设置为该节点的路由代价值，然后将其广播到网络中，用于重建被干扰影响到的节点的路由代价值；

(6)网络中的某节点v_Ni从发送方v_Nj接收到重建部分路径请求R后，v_Ni从R中读取v_Nj到达目的节点v_D的代价Cost(v_Nj)，从邻居表中读取出与节点v_Nj的链路成本，更新邻居表中与v_Nj对应的Cost值为Cost(v_Nj)+链路成本，节点v_Ni按照与原始的路由代价建立过程类似的方式重建被干扰影响的节点路由代价；

(7)若节点v_Ni是第一次收到该重建部分路径的消息R，或者Cost(v_Nj)+链路成本<Cost(v_Ni)，则将当前到达目的节点v_D的代价Cost(v_Ni)设置成Cost(v_Nj)+链路成本，将消息R中的Cost设置为Cost(v_Ni)，接着将更新后的消息广播到网络中，通知其他节点自己的代价发生了变化，否则不执行任何操作，直接将该消息R丢弃掉。

最终，到目的节点的路由代价因干扰而被影响的每个节点都能够重建出新的到达目的节点v_D的代价，结合图3的示意，源节点v_S与目的节点v_D之间重建后的通信路径为Path(v_D，v_S)=(v_D，…，v_A，v_O，v_N，v_P，v_M，v_L，v_B，…，v_S)，其中节点v_N、节点v_P与节点v_M为在干扰区域周围通过恢复过程找到的替代节点，通过此恢复过程，被干扰中断的路由重新建立，数据传递过程恢复。

3)利用抗干扰的方式恢复被干扰区域节点的路由功能

与因能量耗尽而不可再次使用的传感器节点相比，因干扰而失效的节点虽然暂时不能进行通信，但它们毕竟还拥有通信能力，通过使用已有的研究提出的抵抗干扰的方法，这些节点能够在干扰者仍然存在于网络中的情况下继续执行通信功能，进而能够作为路由过程中的中转节点执行数据转发功能。

在干扰者将网络中被干扰区域内的节点干扰后，为了恢复目的节点与源节点间的数据传递，先运用抗干扰方法将被干扰的节点恢复通信能力，然后在新的网络环境下重新建立所需的路由。

(1)干扰者直接影响到的传感器节点相互协作，运用带有一致性检验的干扰检测方法将网络中存在的干扰检测出，干扰区域内的被干扰节点到目的节点v_D的代价都因干扰而重置为∞，表明相应的目的节点不可达；

(2)如果边界节点到达目的节点v_D所要经过的上一跳节点在干扰区域内部即为被干扰节点，则它生成重置代价通知消息RESET，将消息中的Cost值设置为本节点到达目的节点v_D的代价，在将节点原有的路由代价重置为∞后将消息RESET广播给自己的邻居节点；

(3)对于收到重置代价通知消息RESET的传感器节点v_N，如果消息中的Cost值与对应于发送者的链路成本的和与该接收节点v_N的Cost(v_N)相等，表明节点v_N给目的节点v_D发送的数据有可能需要经由被干扰区域内的节点转发，它将收到的RESET消息中的Cost值更新为本节点的Cost(v_N)，在将Cost(v_N)重置为∞后广播该消息给邻居节点，否则，表示节点v_N与目的节点v_D间传递数据时不需要经过干扰区域内的节点，它将自身标识为被干扰影响的节点的邻居节点，然后丢弃RESET消息；

(4)利用信道切换这一抗干扰方法，干扰区域内的节点将要使用的信道切换到另外的不存在干扰者的信道上，边界节点作为连接被干扰区域与未被干扰区域的节点，它们在被干扰节点使用的信道与原有的信道之间动态地切换，完成与不同信道上的节点之间的通信功能，实现在不同信道中节点间的数据中转过程；

(5)在前面步骤中所有标识为被干扰影响的节点的邻居节点，以及所有的边界节点，如果它当前的路由代价不为∞，表示它仍然拥有通向目的节点的有效路径，则它生成重建部分路径请求R，并将请求R的Cost域设置为该节点的路由代价值，然后将其广播给邻居节点，用于重建被干扰影响到的节点的路由代价；

(6)在重建部分路径的过程中，某节点v_Ni从发送方v_Nj接收到重建部分路径请求R后，v_Ni从R中读取v_Nj到达目的节点v_D的代价Cost(v_Nj)，从邻居表中读取出与节点v_Nj的链路成本，将邻居表中与v_Nj对应的Cost值更新为Cost(v_Nj)+链路成本；

(7)若节点v_Ni是第一次收到该重建部分路径的消息R，或者Cost(v_Nj)+链路成本<Cost(v_Ni)，则设置当前到达目的节点v_D的代价Cost(v_Ni)为Cost(v_Nj)+链路成本，把消息R中的Cost设置为Cost(v_Ni)，然后把更新后的消息R广播给邻居节点，通知其他节点自己的代价发生了变化，否则不进行操作，将该消息R丢弃掉。

使用NS2作为仿真工具，在路由的实现过程中，将节点对之间的跳数距离作为路由的代价信息，并将恢复的过程体现在路由的实现中。在仿真的网络中设置了440个传感器节点，每个节点的通信半径设置为150米，并将它们布置在2000米的正方形区域内，将位于最左下角的节点作为源节点，位置最右上角的节点作为目的节点，在这两个节点之间建立通信传输。在仿真开始时使用正常的路由进行数据传输。在整个网络运行到20分钟时设置干扰节点，将其放置在源节点与目的节点的传输路径上，当干扰节点开始干扰后，在其干扰区域内的节点中断路由过程。利用已实现的路由恢复过程将中断的路由恢复。

在仿真过程中，第一组仿真将干扰节点设置在源节点与目的节点的中间位置，调整干扰节点的干扰半径大小，对于每个不同的半径以及每种不同的恢复方法各运行多次模拟过程；第二组模拟将干扰者的干扰半径固定为320米，而将干扰者的位置在源节点与目的节点之间变化，并对每个位置处的干扰进行网络模拟。网络运行结束后生成跟踪文件，利用awk以及matlab分析其中的数据。

图4所示是在不同的干扰区域半径下的平均路由恢复延迟，当干扰区域越大时所需要的恢复时间越长。由于通过抗干扰恢复路由需要更多额外的工作来抵抗干扰的攻击，因而它所需的恢复时间最长。图5所示是干扰发生前以及通过不同恢复方法恢复路由后的跳数代价值，对比干扰前的路由代价值，由于需要绕过被干扰区域内的传感器节点，全局恢复方法与利用周围节点替代的方法都在恢复路由后使用了路由代价更大的路径；因为通过抗干扰的方法，有效地利用了被干扰区域内部的节点继续路由，所以此方法恢复后的路由代价值与干扰发生前的路由代价值最为接近。

图6与图7所示分别是在干扰区域的大小固定而干扰者的位置变化时的恢复延迟与路由跳数数据，对于全局恢复路由这一方法，由于需要在发现干扰后向目的节点发送通知，故当干扰者距源节点越来越远时，需要的恢复时间越来越短；而对于其他两种方法，由于当干扰者距源节点越来越远时，因干扰而失效的节点更多，在重建部分路径时需要更多的时间。与干扰位置固定时的数据类似，抗干扰方式恢复后的路由代价更接近于路由未中断前的数据，其他两种方法因要绕行被干扰的节点，恢复后的路由代价值都相对偏大。根据仿真可知，在抗干扰方法允许时，使用抗干扰方法恢复路由虽然更耗费时间，但能够得到最接近于未干扰前的路由代价值。

图8与图9数据是路由恢复前后的PDR对比，它们显示了在干扰者位于源节点与目的节点中间位置并且干扰区域半径为320米与420米时路由中断前以及各种恢复方法恢复路由后10分钟内的数据，由图可以得知，恢复后的路由的PDR与恢复前的值较为接近，而且在干扰区域半径为其他值时，也拥有类似的数据特征，这些表明了恢复方法的有效性。

图10与图11所示是干扰者居中并且在恢复路由时加入能量均衡过程的数据信息，将全局恢复方法与均衡的全局恢复方法、利用周围节点替代恢复与均衡的周围节点替代恢复分别进行对比可知，均衡后的恢复过程使用了更多的恢复时间，而增加的路由代价表明更多非原有路径上的传感器节点参与了路由转发过程，参与进来的节点能够有效地分担干扰区域周围的节点的负担，使得它们的使用时间更长久，能够适当延长整个网络的使用时间。

图12所示是在路由恢复过程中加入能量均衡时的PDR信息。图中数据为干扰者位于源节点与目的节点中间的位置、干扰区域的半径为420米时的信息，将全局恢复方法与均衡的全局恢复方法、利用周围节点替代恢复与均衡的周围节点替代恢复分别进行对比可知，在使得干扰区域周围的节点能量均衡的情况下，通信过程的PDR基本不受影响，模拟过程中其他的干扰者位置与干扰区域半径产生的数据拥有类似的特点。

Claims (3)

1.一种适用于无线传感器网络的干扰环境中的路由恢复方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

（1）传感器网络节点利用带有一致性检验的干扰检测方法对无线传感器网络中目的节点和源节点之间进行干扰检测，当检测出干扰时，对该干扰区域内的边界节点进行标识，被干扰节点到目的节点的代价为∞；

（2）边界节点生成干扰通知消息并向目的节点转发；

（3）目的节点收到干扰通知消息后，生成路由重建消息，并将路由重建消息中路由代价域值设置为0，然后将路由重建消息广播到无线传感器网络中；

（4）收到该路由重建消息的节点处理该消息：

如果节点第一次收到路由重建消息或者节点到目的节点的路由代价大于邻居节点到目的节点路由代价与链路成本之和，则将本节点到达目的节点的路由代价设置为邻居节点到目的节点路由代价与链路成本之和，路由重建消息中路由代价域值设置为节点的原有路由代价，并将更新后的路由重建消息广播到无线传感器网络中；否则不执行；

（5）源节点收到路由重建消息，更新数据，获得到达目的节点的新最优路由代价。

2.一种适用于无线传感器网络的干扰环境中的路由恢复方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

（1）传感器网络节点利用带有一致性检验的干扰检测方法对无线传感器网络中目的节点和源节点之间进行干扰检测，当检测出干扰时，对该干扰区域内的边界节点进行标识，被干扰节点到目的节点的代价为∞；

（2）对于所有边界节点，如果边界节点到达目的节点所要经过的上一跳节点在干扰区域内部，则边界节点生成重置代价通知消息，并将重置代价通知消息中的路由代价值设置为本边界节点到达目的节点的路由代价值，将边界节点的原有路由代价重置为∞，将重置代价通知消息广播给本节点的邻居节点；

（3）对于收到该重置代价通知消息的节点，判断节点自身是否需要重置到达目的节点的路由代价值：

当重置代价通知消息中的路由代价值与对应于发送者的链路成本之和等于节点到达目的节点的的路由代价值，则更新重置代价通知消息中的路由代价域值为节点自身的路由代理值，将节点自身的路由代理值重置为∞，将重置代价通知消息广播给本节点的邻居节点；否则，本节点将自身标识为被干扰影响的节点的邻居节点，并丢弃重置代价通知消息；

（4）对于上一步中所有标识为被干扰影响的节点的邻居节点，如果邻居节点的当前路由代价不为∞，则邻居节点生成重建部分路径请求，并将代价域设置为该邻居节点的路由代价值，然后将重建部分路径请求广播到网络中；

（5）网络中的节点在收到重建部分路径请求后，如果本节点到达目的节点的路由代价因干扰而重置，则处理该重建部分路径请求，并建立新的路由代价值；否则，忽略该重建路径请求。

3.一种适用于无线传感器网络的干扰环境中的路由恢复方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

（1）传感器网络节点利用带有一致性检验的干扰检测方法对无线传感器网络中目的节点和源节点之间进行干扰检测，当检测出干扰时，对该干扰区域内的边界节点进行标识，被干扰节点到目的节点的代价为∞；

（2）对于所有边界节点，如果边界节点到达目的节点所要经过的上一跳节点在干扰区域内部，则边界节点生成重置代价通知消息，并将重置代价通知消息中的路由代价值设置为本边界节点到达目的节点的路由代价值，将边界节点的原有路由代价重置为∞，将重置代价通知消息广播给本节点的邻居节点；

（3）收到重置代价通知的节点，判断自身是否需要重置到达目的节点的代价值，如果需要，即它到达目的节点的路径被中断，则处理该通知后转发给邻居节点，并将自身代价值重置；如果不需要，则丢弃该通知，并标识自身为被干扰影响到的节点的邻居节点；

（4）运用抗干扰方法，恢复被干扰的节点的通信能力；

（5）检测步骤（1）中所有标识为边界节点和步骤（3）中所有标识为被干扰影响的节点的邻居节点，如果其当前的路由代价不为∞，则生成重建部分路径请求，并将重建部分路径请求中的路由代价域值设置为该节点的路由代价值，然后将其广播给邻居节点；

（6）网络中的节点在收到重建部分路径请求时，如果当前节点到达目的节点的路由代价因干扰而已经被重置，则处理该重建部分路径请求，并建立新的路由代价值；如果当前节点的路由代价未被干扰影响到，则它忽略该重建部分路径请求。

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