CN103037465A - 基于反馈信息和多路径路由无线传感器网络数据传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于反馈信息和多路径路由的无线传感器网络数据传输方法，包括基于反馈信息的安全路径构造、建立多路径路由和利用多路径数据传输。本发明在多路径路由方面主要采用按需源路由的多路径路由协议，建立最大不相交的多条路由路径,以防止网络拥塞,并有效地初始化可用的无线传感器网络资源。通过基于反馈信息的安全路径构造，数据传输的源节点可以从Sink节点获得反馈路径。当一个源节点从Sink节点接收到了足够多的反馈路径时，就可以结合多路径路由利用这些路径来进行多路径数据传输。

Description

基于反馈信息和多路径路由无线传感器网络数据传输方法

技术领域

本发明涉及一种无线传感器网络的数据传输方法，尤其是一种基于反馈信息和多路径路由的无线传感器网络网络数据传输方法。

背景技术

无线传感器网络具有无人值守的特性，使得整个网络容易遭受敌对者的恶意攻击；另一方面，无线传感器网络中的节点由于资源受限，本身也容易发生故障。网络中被敌对者捕获的节点或者发生故障的节点，统称为异常节点。异常节点会成为网络中数据传输的“黑洞”。数据传输的安全性是确保无线传感器网络正常运行的关键。因此，如何检测与处理异常节点是无线传感器网络安全领域的一个重要问题。无线传感器网络的安全技术可以分为两大类：基于预防的技术和基于检测（例如入侵检测）的技术。前者通常作为保证网络安全的第一道关卡，但是复杂的预防技术（例如数据加密）会增加整个无线传感器网络的开销，降低系统的性能。当预防失效时，需要进行入侵检测。然而，目前无线传感器网络的入侵技术还并不成熟，由于受到网路自身的资源限制，许多传统网络中的智能的入侵检测技术并不适用。

针对上述问题，一种替代的解决方法是利用无线传感器网络的路由功能设法绕过或回避网络中的这些异常节点，而不是企图检测这些节点。如果异常节点的位置是已知的，那么通过一条或多条路径绕过这些节点进行数据传输是相对容易的。多路径路由允许在源节点和目标节点之间建立多条路径进行数据传输，通常用于提高数据传输的可靠性、容错性或者实现负载均衡。利用多路径路由的方式，可以在不知道异常节点具体位置的前提下，将数据分多条路径进行传输，降低数据被异常节点拦截的机率。然而，这种方法仍然存在较大的问题。如果敌对者选择性的捕获节点，那么即使将数据分成多条路径传输，在每条固定的路由路径上，都可能有异常节点对数据进行拦截。对应的解决方法是在发送数据时采用随机的方式进行数据分发，而不是只针对一组固定的路由进行数据发送。虽然异常节点还是可以拦截部分数据，但是数据被整体拦截的几率则大大降低。目前，在无线传感器网络研究领域，已经提出了一些利用多路径路由进行安全数据传输的方法和算法。但是，现有的解决方案普遍存在算法复杂度较高、对网络性能影响较大的缺点。

发明内容

为了克服现有的无线传感器网络数据传输方法复杂性高、安全性低、资源消耗大的缺点和不足，本发明提供了一种基于反馈信息和多路径路由的无线传感器网络数据传输方法，包括基于反馈信息的安全路径构造、建立多路径路由和利用多路径数据传输。

进一步的，所述基于反馈信息的安全路径构造采用在无线传感器网络中，源节点S将需要传输的数据包D进行拆分成若干个数据项，同时，源节点S为拆分后的每个数据项添加一个标识列表L，当传感器节点S_k 接收到一个数据项时，如果该节点是正常节点，那么将自身的标识d_k 添加L中，当一个数据项到达汇聚节点时，汇聚节点从数据项中抽取出L={d ₁, d ₂, …, d_n } ，其中d_i 表示节点S_i 的标识，并将二元组<S, L>存储到本地数据库中，汇聚节点将L添加到一个通知消息中，并利用路径L发送给源节点S，当传感器节点S_k 接收到通知消息时，如果它的标识d_j 包含在L中，那么从L中抽取一条子路径P_j ={d_{j +1}, d_{j +2}, …, d_n }，并将P存储到本地的缓存中，同时，从L中抽取它的下一跳节点S_{j −1}，节点的标识为d_{j −1}，并将消息转发给它。

进一步的，所述建立多路径路采用：首先采用泛洪的方式全网发送路由请求消息RREQ，同时，S在RREQ头部添加一个标志列表L，当中间节点S_k 收到RREQ时，不允许向S发送回复包，只是将自身的标志d_k 添加到L中，并重新广播RREQ，当S_k 收到一个RREQ（记为R ₁）之后，又收到一个重复的RREQ（记为R ₂）时，如果R ₂的转发跳数不大于R ₁的，那么将R ₂通过和接收R ₁的链路以外的其它链路转发出去，当一个RREQ成功到达Sink节点时，Sink节点从消息头部抽取出L={d ₁, d ₂, …, d_n } (其中d_i 表示节点S_i 的标志)，并将L存储到本地数据库中，Sink节点将L添加到通知消息RREP中，并利用路径L反馈给S。当中间节点收到RREP时，如果它的标志d_j 包含在L中，那么从L中抽取一条子路径P_j ={d_{j +1}, d_{j +2}, …, d _n}，并将P存储到本地的缓存中,同时，从L中抽取它的下一跳节点S_{j -1}，节点的标志为d_{j -1}，并将RREP转发给它,当RREP到达S时，S从包中抽取出反馈路径L，并存储到本地缓存中，作为一条可用的路由路径。

进一步的，源节点通过这种方式能够获得一条或者多条路由路径，安全路径可以形式化地表示为一个三元组<S, L, C>，其中S表示数据传输的源节点，L表示路径所对应的节点标志序列，C表示一个计数器，初始值为一个固定的整数λ。

进一步的，所述利用多路径数据传输采用：当一个源节点从Sink节点接收到足够多的安全路径，完成多路径路由构造之后，就可以通过路由路径来进行安全的数据传输，当源节点S需要发送数据时，首先搜索本地的缓存，如果缓存中有安全路径，那么随机选择一条安全路径P={d ₁, d ₂, …, d_n }，并且将数据项发送给标识为d ₁的节点S ₁，如果缓存为空，那么随机选择下一跳节点，同时根据反馈信息构造安全路径。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提出了一种基于多反馈路径的无线传感器网络安全路由机制，较为有效地解决了网络中已经存在异常节点的情况下的安全数据传输问题，为无线传感器网络的数据传输提供了一种相对安全的解决方案。一般的无线传感器网络中的多路径路由方法，通过冗余传输，只能够防止数据帧的丢弃问题，但是不能防止数据帧的内容被窃听；而本发明提出的方法将t-n门限秘密共享算法和多路径路由技术相结合，极大地降低了数据帧被异常节点整体拦截和窃取的几率，较为有效地解决了上述问题。此外，本发明首次提出了基于反馈信息的安全路径的概念，充分利用了无线传感器网络数据传输过程的特征，将过往的数据传输经验转换为安全路径，并进一步支持后续的数据传输，提高了数据传输过程的质量和效率。与现有的解决类似问题的发明相比，本发明本身的算法复杂度不高，易于操作和实现，适应无线传感器网络这种资源受限的环境。安全路径是在正常的数据传输过程中形成的，不需要传感器节点执行额外的措施，不会对正常的数据传输过程造成过分的影响。

附图说明

图1是数据项的帧结构图；

图2是基于反馈信息的安全路径的构造过程示意图；

图3是RREP包的帧结构。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

本发明的基于反馈信息和多路径路由的无线传感器网络数据传输方法的算法复杂度低、安全性高、资源消耗小。

该基于反馈信息和多路径路由的无线传感器网络数据传输方法，主要包括基于反馈信息的安全路径构造、多路径路由和多路径数据传输。在基于反馈信息的安全路径构造中主要采用了“跟踪—反馈”机制支持安全的数据收集。基于这样的假设：如果无线传感器网络中的一个数据包从源节点成功达到汇聚节点，那么从源节点到汇聚节点这条路径对于后续的数据传输是潜在安全的。在多路径路由方面主要采用按需源路由的多路径路由协议，建立最大不相交的多条路由路径, 以防止网络拥塞, 并有效地初始化可用的无线传感器网络资源。建立多条路由路径时，允许多路径之间存在共同节点，从而在源节点和汇聚节点（Sink节点）之间生成尽可能多的路由路径。通过基于反馈信息的安全路径构造，数据传输的源节点可以从Sink节点获得反馈路径。当一个源节点从Sink节点接收到了足够多的反馈路径时，就可以结合多路径路由利用这些路径来进行多路径数据传输。

所述无线传感器网络由两类节点组成：传感器节点和Sink节点。其中，传感器节点一般是小型的、资源受限的设备，能够感知周围环境；Sink节点，也称为基站，一般拥有较多的能量和资源，作为传感器节点和网络客户端之间的接口。每个传感器节点由独立的电池供电，具备有限的传感、计算和无线通信能力，会定期产生传感数据；而Sink节点是一个具有足够计算和存储能力的数据收集中心，会定期从各个传感器节点收集数据。无线传感器网络中的每个节点都有一个唯一的标志。

如图1所示，在无线传感器网络中，源节点S采用t-n门限秘密共享算法将需要传输的数据包D进行拆分成若干个数据项。同时，S为拆分后的每个数据项添加一个标识列表L，L初始为空。当传感器节点S_k 接收到一个数据项时，如果该节点是正常节点，那么将自身的标识d_k 添加L中。当一个数据项到达汇聚节点时，汇聚节点从数据项中抽取出L={d ₁, d ₂, …, d_n } (其中d_i 表示节点S_i 的标识)，并将二元组<S, L>存储到本地数据库中。汇聚节点将L添加到一个通知消息中，并利用路径L发送给S。当传感器节点S_k 接收到通知消息时，如果它的标识d_j 包含在L中，那么从L中抽取一条子路径P_j ={d_{j +1}, d_{j +2}, …, d_n }，并将P存储到本地的缓存中。同时，从L中抽取它的下一跳节点S_{j −1}，节点的标识为d_{j −1}，并将消息转发给它。当通知消息达到S时，S从消息中抽取出L，并存储到本地缓存中。在上述过程中，路由路径上的每个正常的传感器节点都将自己的标识添加到数据包中，当数据包到达Sink节点时，其中包含了一个由正常节点标识组成的列表。列表对应的路径对于数据收集来说是潜在安全的，并且可以被后续的数据收集重用。因此，这样得到的一条路径称为安全路径。

当源节点S需要到Sink节点的路由而又没有路由信息时，首先采用泛洪的方式全网发送路由请求消息RREQ。同时，S在RREQ头部添加一个标志列表L，L初始为空。当中间节点S_k 收到RREQ时，不允许向S发送回复包，只是将自身的标志d_k 添加到L中，并重新广播RREQ。当S_k 收到一个RREQ（记为R ₁）之后，又收到一个重复的RREQ（记为R ₂）时，如果R ₂的转发跳数不大于R ₁的，那么将R ₂通过和接收R ₁的链路以外的其它链路转发出去。当一个RREQ成功到达Sink节点时，Sink节点从消息头部抽取出L={d ₁, d ₂, …, d_n } (其中d_i 表示节点S_i 的标志)，并将L存储到本地数据库中。Sink节点将L添加到通知消息RREP中，如图3所示，并利用路径L反馈给S。当中间节点收到RREP时，如果它的标志d_j 包含在L中，那么从L中抽取一条子路径P_j ={d_{j +1}, d_{j +2}, …, d _n}，并将P存储到本地的缓存中。同时，从L中抽取它的下一跳节点S_{j -1}，节点的标志为d_{j -1}，并将RREP转发给它。当RREP到达S时，S从包中抽取出反馈路径L，并存储到本地缓存中，作为一条可用的路由路径。在上述过程中，路由发现过程中的每个正常的传感器节点都将自身的标志添加到RREQ中，当RREQ到达Sink节点时，其中包含了一条安全的路由路径。Sink节点利用RREP将安全路径反馈给源节点。源节点通过这种方式能够获得一条或者多条路由路径。安全路径可以形式化地表示为一个三元组<S, L, C>，其中S表示数据传输的源节点，L表示路径所对应的节点标志序列，C表示一个计数器，初始值为一个固定的整数λ（λ> 0），计数器的值反映了安全路径的信任值，值越大，说明路径的可信度越高。将安全路径以三元组的形式存储在传感器节点的本地缓存或Sink节点的本地数据库中，根据安全路径的起始节点，可以将不同的路径分类存储，提高路径重用的效率。

当一个源节点从Sink节点接收到足够多的安全路径，完成多路径路由构造之后，就可以通过路由路径来进行安全的数据传输。当源节点S需要发送数据时，首先搜索本地的缓存，如果缓存中有安全路径，那么随机选择一条安全路径P={d ₁, d ₂, …, d_n }，并且将数据项发送给标识为d ₁的节点S ₁。如果缓存为空，那么随机选择下一跳节点，同时根据反馈信息构造安全路径。当传感器节点S_k 接收到一个数据项时，首先搜索本地缓存，并且随机挑选一条安全路径P_k ={d_{k 1}, d_{k 2}, …, d_kn }，并且将数据项发送给标识为d_{k 1}的节点S_{k 1}。如果缓存为空，那么随机选择下一跳节点，同时构造安全路径。如果数据包被成功发送到Sink节点，如果数据包中没有包含安全路径，说明所有的中继节点的缓存中都存在安全路径，不需用构造新的路径，Sink节点直接返回一个空的通知消息；否则，Sink节点从数据包中抽取安全路径，同时更新本地的数据库，并且反馈一个包含安全路径的通知消息给S。所有接收到通知消息的中继节点，同时更新本地的缓存。S接收到通知消息时，从通知消息中抽取安全路径L，同时更新本地的缓存。如果数据包没有被成功发送到Sink节点，S没有在一个规定周期内收到来自Sink节点的反馈，说明安全路径P上可能存在异常节点，S将P从本地缓存中删除，重新发送数据。

本发明在多路径路由方面主要采用按需源路由的多路径路由协议，建立最大不相交的多条路由路径, 以防止网络拥塞, 并有效地初始化可用的无线传感器网络资源。通过基于反馈信息的安全路径构造，数据传输的源节点可以从Sink节点获得反馈路径。当一个源节点从Sink节点接收到了足够多的反馈路径时，就可以结合多路径路由利用这些路径来进行多路径数据传输。

Claims (5)

1.一种基于反馈信息和多路径路由的无线传感器网络数据传输方法，包括基于反馈信息的安全路径构造、建立多路径路由和利用多路径数据传输。

2.如权利要求1所述的基于反馈信息和多路径路由的无线传感器网络数据传输方法，其特征在于：所述基于反馈信息的安全路径构造采用在无线传感器网络中，源节点S将需要传输的数据包D进行拆分成若干个数据项，同时，源节点S为拆分后的每个数据项添加一个标识列表L，当传感器节点S_k 接收到一个数据项时，如果该节点是正常节点，那么将自身的标识d_k 添加L中，当一个数据项到达汇聚节点时，汇聚节点从数据项中抽取出L={d ₁, d ₂, …, d_n } ，其中d_i 表示节点S_i 的标识，并将二元组<S, L>存储到本地数据库中，汇聚节点将L添加到一个通知消息中，并利用路径L发送给源节点S，当传感器节点S_k 接收到通知消息时，如果它的标识d_j 包含在L中，那么从L中抽取一条子路径P_j ={d_{j +1}, d_{j +2}, …, d_n }，并将P存储到本地的缓存中，同时，从L中抽取它的下一跳节点S_{j −1}，节点的标识为d_{j −1}，并将消息转发给它。

3.如权利要求1所述的基于反馈信息和多路径路由的无线传感器网络数据传输方法，其特征在于：所述建立多路径路采用：首先采用泛洪的方式全网发送路由请求消息RREQ，同时，S在RREQ头部添加一个标志列表L，当中间节点S_k 收到RREQ时，不允许向S发送回复包，只是将自身的标志d_k 添加到L中，并重新广播RREQ，当S_k 收到一个RREQ（记为R ₁）之后，又收到一个重复的RREQ（记为R ₂）时，如果R ₂的转发跳数不大于R ₁的，那么将R ₂通过和接收R ₁的链路以外的其它链路转发出去，当一个RREQ成功到达Sink节点时，Sink节点从消息头部抽取出L={d ₁, d ₂, …, d_n } (其中d_i 表示节点S_i 的标志)，并将L存储到本地数据库中，Sink节点将L添加到通知消息RREP中，并利用路径L反馈给S，当中间节点收到RREP时，如果它的标志d_j 包含在L中，那么从L中抽取一条子路径P_j ={d_{j +1}, d_{j +2}, …, d _n}，并将P存储到本地的缓存中,同时，从L中抽取它的下一跳节点S_{j -1}，节点的标志为d_{j -1}，并将RREP转发给它,当RREP到达S时，S从包中抽取出反馈路径L，并存储到本地缓存中，作为一条可用的路由路径。

4.如权利要求3所述的基于反馈信息和多路径路由的无线传感器网络数据传输方法，其特征在于：源节点通过这种方式能够获得一条或者多条路由路径，安全路径可以形式化地表示为一个三元组<S, L, C>，其中S表示数据传输的源节点，L表示路径所对应的节点标志序列，C表示一个计数器，初始值为一个固定的整数λ。

5.如权利要求2所述的基于反馈信息和多路径路由的无线传感器网络数据传输方法，其特征在于：所述利用多路径数据传输采用：当一个源节点从Sink节点接收到足够多的安全路径，完成多路径路由构造之后，就可以通过路由路径来进行安全的数据传输，当源节点S需要发送数据时，首先搜索本地的缓存，如果缓存中有安全路径，那么随机选择一条安全路径P={d ₁, d ₂, …, d_n }，并且将数据项发送给标识为d ₁的节点S ₁，如果缓存为空，那么随机选择下一跳节点，同时根据反馈信息构造安全路径。

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