CN103491536B - 移动节点状态控制方法及移动节点的密钥接收验证器 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于移动节点的密钥接收验证器和移动节点状态控制方法。所述密钥接收验证器包括：密钥接收部件，用于监听并接收来自区域限定的Ad-hoc网络中的一个或多个密钥发射器的密钥；密钥戳生成部件，按照预定的验证规则对接收的密钥进行运算以生成密钥戳；密钥戳验证部件，将生成的密钥戳与预定基准值进行比较，当该密钥戳与预定基准值相等时，确定该密钥戳有效，否则确定该密钥戳无效。通过所述密钥接收验证器和方法能够确定移动节点是否位于某一区域限定的Ad-hoc网络中，并优化位于同一区域限定的Ad-hoc网络中的移动节点之间的数据通信的能耗。

Description

移动节点状态控制方法及移动节点的密钥接收验证器

技术领域

本发明涉及Ad-hoc（自组织）网络，尤其涉及区域限定的Ad-hoc网络以及区域限定的Ad-hoc网络中的数据传输。

背景技术

Ad-hoc网络是一种无线多跳网络，与传统的无线网络相比，它不依赖于任何固定的基础设施和管理中心，而是由一组自主的移动节点临时组成，通过移动节点间的相互协作和自我组织，保持网络连接和实现数据的传递。传统的Ad-hoc网络没有预先定义的（例如人为定义的）边界以限定某个区域，而是通常由网络的最大传输距离来限定。出于通信安全等方面的考虑，目前，理光已经针对区域限定的ad-hoc网络进行了一些研究，并且已经提出了使用例如IR、NFC、超声波、微波等方式来实现区域限定。由于区域限定的Ad-hoc具有预先定义的边界，因此与传统的Ad-hoc相比，移动节点增加了进出区域的行为，并且只有位于同一区域内的节点之间可以进行通信。因此，如何确定移动节点是否位于某一区域限定的Ad-hoc网络中，以及如何实现位于同一区域限定的Ad-hoc网络中的移动节点之间能耗优化的数据通信是当前需要解决的问题。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种用于移动节点的密钥接收验证器，包括：密钥接收部件，用于监听并接收来自区域限定的自组织（Ad-hoc）网络中的一个或多个密钥发射器的密钥；密钥戳生成部件，按照预定的验证规则对接收的密钥进行运算以生成密钥戳；密钥戳验证部件，将生成的密钥戳与预定基准值进行比较，当该密钥戳与预定基准值相等时，确定该密钥戳有效，否则确定该密钥戳无效。

根据本发明的另一个方面，提供了一种移动节点状态控制方法，所述移动节点配备有数据收发器用于进行数据传输，所述方法包括：在移动节点上安装区域判定器，用于确定该移动节点是否位于某一区域限定的Ad-hoc网络中；对所述移动节点定义下述状态：活动状态，监听状态、使能状态和睡眠状态，其中在所述活动状态中，数据收发器和区域判定器均打开；在所述监听状态中，数据收发器关闭，区域判定器打开，并且移动节点位于该区域限定的Ad-hoc网络之内；在所述使能状态中，数据收发器关闭，区域判定器打开，并且移动节点位于该区域限定的Ad-hoc网络之外；在所述睡眠状态中，数据收发器和区域判定器均关闭；当移动节点位于该区域限定的Ad-hoc网络之内并需要传输数据时，控制该移动节点进入活动状态，并在数据传输完成后进入监听状态；当移动节点在活动状态中传输数据的过程中移动离开该区域限定的Ad-hoc网络时，控制该移动节点中断数据传输并进入到使能状态。其中所述区域判定器在打开时，监听并接收来自区域限定的Ad-hoc网络中的一个或多个密钥发射器的密钥，按照预定的验证规则对接收的密钥进行运算以生成密钥戳，并将生成的密钥戳与预定基准值进行比较，其中当该密钥戳与预定基准值相等时，确定该密钥戳有效，所述移动节点位于该区域限定的Ad-hoc网络内；当密钥戳与预定基准值不相等时，确定密钥戳无效，所述移动节点位于该区域限定的Ad-hoc网络外。

本发明提出的上述方法和装置能够实现区域限定的Ad-hoc网络中的多节点同步和能耗优化的数据通信。

附图说明

从下面结合附图对本发明实施例的详细描述中，本发明的这些和/或其它方面和优点将变得更加清楚并更容易理解，其中：

图1示出了根据本发明实施例的区域密钥接收验证器的框图。

图2示出了区域限定的Ad-hoc网络的一个示例。

图3示出了根据本发明实施例的由密钥发射器发送区域密钥的示例结构。

图4是根据本发明实施例的移动节点状态划分及消耗能级的示意图。

图5例示了根据本发明实施例的移动节点状态的变迁条件的示意图。

图6示出了根据本发明实施例的移动节点处于监听状态时的工作过程。

图7是描述根据本发明实施例的单个移动节点在数据传输过程中的状态变迁的示例性示意图。

图8是以两个移动节点为例描述根据本发明实施例的多个移动节点在数据传输过程中的状态变迁的示意图。

具体实施方式

传统的Ad-hoc网络没有预先定义的边界，因此移动节点也不需要判断其是否位于某一边界内。在本发明中，为了确定移动节点是否位于某一区域限定的Ad-hoc网络，为每个移动节点安装区域判定器。该区域判定器根据从Ad-hoc网络中的区域密钥发射器接收到的信号，判断移动节点是否位于某一区域限定的Ad-hoc网络中。该区域判定器可以以本领域中任何可能的方式来实现。在本发明的一个实施例，该区域判定器实现为区域密钥接收验证器。

图1示出了根据本发明的一个实施例的区域密钥接收验证器的框图。如图1所示，区域密钥接收验证器100包括：密钥接收部件110，用于监听并接收来自区域限定的Ad-hoc网络中的一个或多个密钥发射器的密钥；密钥戳生成部件120，按照预定的验证规则对接收的密钥进行运算以生成密钥戳；密钥戳验证部件130，将生成的密钥戳与预定基准值进行比较，当该密钥戳与预定基准值相等时，确定该密钥戳有效，否则确定该密钥戳无效。下面将结合图2对区域密钥接收验证器100中的各部件进行进一步的详细描述。

图2例示了通过两个红外发射器Tx1和Tx2来限定区域限定的Ad-hoc网络A，并且Tx1和Tx2同步地以预定间隔发射区域密钥。该预定间隔既可以是规则（固定周期）的，也可以是不规则的。当移动节点的密钥接收部件110工作时，其不断监听并接收来自Ad-hoc网络中的多个红外发射器的区域密钥。区域密钥的一种示例结构为包含发射器编号、当前发射帧序列号、随机数以及任意其他信息（以下称为重密钥）。重密钥中包含较多的信息，因此安全性较高，然而相应的，系统开销也比较大。区域密钥的另一种示例结构为仅包含发射器编号和当前发射帧序列号，而不包含随机数及其他信息（以下称为轻密钥）。轻密钥相对重密钥而言，减小了系统开销，然而安全性也相应降低。轻密钥和重密钥是本发明提出的两种示例性密钥结构，实际上区域密钥可以采用更灵活的结构，例如仅仅包括发射器编号也是可行的。

可以根据实际需要，使发射器发送重密钥、轻密钥或任意其他结构的区域密钥。在本发明的一个实施例中，混合发送不同结构的区域密钥。具体来说，例如，如图3所示，发射器在时间T0发射重密钥，在一个时间间隔之后的T1发射轻密钥，并且在随后的时间T2-T4均发射轻密钥。随后在时间T5，发射器再次发射重密钥，并在此后的时间T6-T9均发射轻密钥。以此类推。由于发射器在大部分时间均发射轻密钥，因此系统的总体开销较小。另一方面，由于发射器每隔5个时间间隔发送一次重密钥，因此即使不在区域限定的Ad-hoc网络内的非受信移动节点与区域内的受信移动节点错误的发生了通信，最多5个时间间隔后该通信也会断开，从而保证了较高的安全性。

返回参见图2，当移动节点进入图中所示的区域限定Ad-hoc网络A时，密钥接收部件110将会接收到来自红外发射器Tx1和Tx2发射的密钥。密钥戳生成部件120随后通过任何可行的验证规则对接收的密钥进行运算以生成密钥戳。例如，密钥戳生成部件120可以对从Tx1和Tx2接收到的密钥相加、相减、计算平均值、计算均方值，或进行任何其他可能的运算和处理。其中将区域密钥为重密钥时生成的密钥戳称为重密钥戳，将区域密钥为轻密钥是生成的密钥戳为轻密钥戳。密钥戳验证部件130将生成的密钥戳与预定基准值进行比较，当该密钥戳与预定基准值相等时，确定该密钥戳有效，否则确定该密钥戳无效。以下将对密钥戳验证部件130的比较处理进行更详细的说明。

预定基准值是当某一移动节点已经位于网络A中时，通过上述密钥接收部件110和密钥戳生成部件120应当计算得出的密钥戳。例如，假设图2中的发射器Tx1和Tx2的编号分别为“1”和“2”，密钥戳生成部件120采用的预定验证规则为相加，并且Tx1和Tx2以0.1秒的固定时间间隔发送区域密钥。此时，当区域密钥结构为仅包含发射器编号时，密钥戳（即预定基准值）应当是常量“3”；当采用轻密钥，并且发射器发射的帧序列号为从1开始不断递增的整数时，密钥戳为按照递增2的规律不断变化的量。具体的，当把发射器编号，帧序列号都相加时，在T0时刻密钥戳应当是5，在T1时刻应当是7，在T2时刻应当是9，在T3时刻应当是11，依次类推。以上假设预定验证规则为相加，当密钥戳生成部件120采用其他预定规则（即，除加法之外的运算处理）生成密钥戳时，当区域密钥结构为仅包含发射器编号时，密钥戳可能是其他常量，而在轻密钥戳的情况下，密钥戳可能随时间按照其他规律不断变化。需要说明的是，某一区域限定的Ad-hoc网络由哪些发射器限定而成、各发射器的对应编号以及生成密钥戳的预定规则都是网络中的移动节点预先知道的，并且对应于各区域限定的Ad-hoc网络的预定基准值也是预设在移动节点中的。因此移动节点在移动进入例如图2所示的网络A时，通过将其密钥戳验证部件130生成的密钥戳与预设的预定基准值进行比较，来确定计算出的密钥戳是否有效。容易理解，当移动节点生成的密钥戳与预定基准值相等时，意味着移动节点接收到了发射器Tx1和Tx2发射的密钥，即进入了由发射器Tx1和Tx2界定的网络A。如果随后，移动节点生成的密钥戳与预定基准值不相等，则意味着其未能同时接收到Tx1和Tx2两者在随后发射的区域密钥，即离开了由发射器Tx1和Tx2界定的网络A。

以上，对当区域密钥结构为仅包含发射器编号和区域密钥为轻密钥时密钥戳验证部件130的比较处理进行了描述。当区域密钥为重密钥时，情况略有不同。由于重密钥中包含有随机数，因此上述预定基准值既不是常量，也不是按照某一规律不断变化的量，而是随机变化的量，其显然不可能预设在移动节点中。由于位于同一区域限定的Ad-hoc网络中的移动节点显然具有相同的密钥戳，因此此时可以采用位于区域限定的Ad-hoc网络中的其他移动节点计算出的密钥戳作为预定基准值。具体的，移动节点的区域密钥接收验证器100还包括密钥戳接收部件140，用于接收来自已经位于区域限定的Ad-hoc网络中的另一移动节点生成的密钥戳，作为用于进行比较的预定基准值。当比较结果相等时，密钥戳有效，意味着移动节点位于与所述另一移动节点相同的区域限定的Ad-hoc网络中。实际上，当区域密钥结构为仅包含发射器编号或区域密钥为轻密钥时，也可以通过这一方式来判断密钥戳是否有效。

图2中仅图示了一个区域限定的Ad-hoc网络A。实际上，可能同时存在多个区域限定的网络。这多个区域限定的网络用来生成密钥戳的验证规则可能相同，也可能不同。当验证规则相同时，与只存在一个区域限定的Ad-hoc网络时的情形没有明显区别，而当各个区域限定的网络的验证规则不同时，情况略有不同。具体来说，尽管移动节点中预设了多种验证规则，但是在某一区域内移动节点并不知道应当使用哪种验证规则来计算密钥戳。因此，各发射器在其发射的区域密钥中进一步添加验证规则编号。这样，移动节点根据收到的验证规则编号，从预先存储的各种验证规则中选取对应的验证规则来计算密钥戳。

需要说明的是，虽然在图2中图示了通过两个红外发射器限定网络A，但是这仅仅是一个例子，事实上可以通过任意数量的n个（n大于等于1）红外发射器限定网络A，并且红外发射器可以由微波发射器、超声波发射器、近场通信（NearFieldCommunication）发射器等其他发射器来代替。

传统的移动节点配备有数据收发器，例如Wifi或蓝牙，用于进行数据传输。因此移动节点有两种状态，即打开或关闭数据收发器。在本发明的上述实施例中，为移动节点额外安装了区域判定器，该区域判定器同样具有打开和关闭两种状态。当数据收发器和区域判定器都打开时，移动节点的能量消耗较大。因此，如何定义并控制移动节点的状态，以节约数据通信的能耗是一个需要解决的问题。

在本发明的一个实施例中，对移动节点定义以下状态：活动状态、监听状态、使能状态和睡眠状态。在活动状态中，数据收发器和区域判定器均打开；在监听状态中，数据收发器关闭，区域判定器打开，并且移动节点位于区域限定的Ad-hoc网络之内；在使能状态中，数据收发器关闭，区域判定器打开，并且移动节点位于区域限定的Ad-hoc网络之外；在睡眠状态中，数据收发器和区域判定器均关闭。其中，在监听状态和使能状体中，数据节点保持监听来自网络中发射器的信号，而不进行数据传输，仅在活动状态中，数据节点能够传输数据。如图4所示，以上四种状态对应于三个能耗级别：睡眠状态具有第一能耗级别L1；使能状态和监听状态具有第二能耗级别L2，注意在该能耗级别的两个状态都能接收到区域密钥；活动状态具有第三能耗级别L3，并且L3>L2>L1。以下将结合图5对移动节点的状态变迁条件进行详细描述。

在本发明中，为了节约移动节点进行数据通信的能耗，使移动节点尽量处于能耗级别较低的状态。因此，当移动节点不需要进行数据传输时，关闭数据收发器，使其处于监听状态、使能状态或睡眠状态。如图5所示，仅当移动节点位于区域限定的Ad-hoc网络内处于监听状态并需要传输数据时，控制该移动节点进入活动状态，并在数据传输完成后控制其回到监听状态。如果移动节点在活动状态中传输数据的过程中移动离开了区域限定的Ad-hoc网络，则控制该移动节点以中断数据传输并进入到使能状态。此外，当移动节点处于使能状态时，为其设置计时器，若该移动节点一直未发生状态变迁直至计时器超时，则强制该移动节点进入能耗较低的睡眠状态，即停止监听来自密钥发射器的信号。

来自区域判定器的判定结果是使得移动节点在使能状态和监听状态之间变迁的触发条件。具体来说，如上述实施例举例说明的，将区域判定器实现为区域密钥接收验证器100。当密钥戳验证部件130确定所生成的密钥戳无效时，如果移动节点处于使能状态，则控制该移动节点保持处于使能状态，如果移动节点处于监听状态，则控制该移动节点进入使能状态；密钥戳验证部件130确定所生成的密钥有效时，如果移动节点处于监听状态，则控制该移动节点保持处于监听状态，如果移动节点处于使能状态，则控制该移动节点进入监听状态。由于使能状态是界外不受信状态，因此当移动节点处于该状态时，即使接收到数据发送触发信号，也不能直接进入到活动状态来进行数据传输。当移动节点处于界内受信的监听状态时，其反复执行如图6所示的处理过程。图6图示了根据本发明实施例的移动节点处于监听状态时的工作过程。如图6所示，在步骤610，移动节点处于监听状态，其在该状态中保持监听来自密钥发射器的密钥。随后在步骤620，移动节点判断是否需要传输数据。当不需要传输数据时，处理返回步骤610；当需要传输数据时，处理前进到步骤630。在步骤630中，该移动节点的数据收发器打开，使得移动节点进入到活动状态。随后，在步骤640中，移动节点通过数据收发器传输数据。在数据传输完成之后，处理步骤返回步骤610，即移动节点再次回到监听状态。

以下，将结合图7和图8描述根据本发明实施例的移动节点在数据传输过程中的状态变迁的示例。图7是描述根据本发明实施例的单个移动节点在数据传输过程中的状态变迁的示例性示意图。更具体的说，图7例示了移动节点（以下简称节点N）在从区域限定的Ad-hoc网络（以下简称网络W）外移动进入该网络W、在该网络W中进行数据传输、随后移出该网络W的过程中的状态变迁的示意图。在该示例中，网络W中的发射器以如图3所示的方式混合发送不同结构的区域密钥。即，发射器每隔5个时间间隔发送一次重密钥，而在其他的时间间隔则发送轻密钥。如图7所示，刚开始时节点N处于能耗级别为L1的睡眠状态。随后，由于受到例如外部控制信号的触发，节点N的区域判定器打开，由此进入能耗级别为L2的使能状态。根据以上实施例中的描述可知，在睡眠状态和使能状态，密钥戳生成部件120生成的密钥均为无效。随后，例如在t5时刻，密钥戳变为有效时，意味着节点N进入了网络W，并进入到监听状态。在该监听状态中，节点N执行如图6所示的工作过程。当在例如t9-t10时间间隔期间接收到发送数据的触发信号时，节点N的数据收发器打开，由此进入最高能耗级别L3的活动状态，并开始发送数据。在该示例中，假设在发送数据的过程中，在例如t15时刻，密钥戳变为无效。在该情况下，可以确定节点N离开了网络W成为不受信节点。因此，关闭节点N的数据收发器，中断数据传输，使节点N进入能耗级别为L2的使能状态。随后，节点N在使能状态中保持监听区域密钥并生成密钥戳，并在密钥戳再次变为有效时确定该节点N再次进入了网络W。

图8是以两个移动节点为例描述根据本发明实施例的多个移动节点在数据传输过程中的状态变迁的示意图。图8中单个移动节点的状态变迁与参考图7所描述的类似，因此不再赘述。此处仅描述在多节点情况下的不同之处。如图8中所示，两个移动节点（以下简称节点N1、N2）都可以通过密钥戳的有效和无效来触发它们在使能状态和监听状态之间的变迁。当一个移动节点，例如节点N1，受到例如外部控制信号或自身数据传输事件的触发需要传输数据给另一个节点N2时，节点N1进入活动状态，并先发出Ad-hoc通信指示消息（ATIM）通知节点N2，然后开始数据传输。所述ATIM中可以包含需要传输的数据DATA的份数、独立基本服务集（IBSS）编号等信息。节点N2在接收到ATIM通知之后，打开数据收发器，进入活动状态。对于节点N1传输的每份数据DATA，节点N2需要回复确认ACK帧。在数据DATA传输完毕后，节点N1和N2均关闭数据收发器，进入监听状态，以节约能量。另外，如前所述，在本发明的该实施例中，节点N1和N2能够相互传输数据的先决条件是它们的密钥戳都有效，更明确的说，需要具有相同的有效密钥戳才可以相互通信。

以上已经结合实施例对本发明进行了描述。在本发明中定义了区域密钥的格式以及发射器发射区域密钥的结构，并对由区域密钥生成的密钥戳以及用于移动节点的密钥接收验证器进行了详细的描述。该密钥戳可以用来判断移动节点是否位于区域限定的Ad-hoc网络中、同步多个移动节点、以及触发移动节点的状态变迁。此外，本发明还定义了移动节点的四种不同状态，并描述了移动节点状态控制方法，从而实现了能耗优化的数据通信。

应当理解，上述各个实施例仅为实例性描述，它们的具体结构和操作不对本发明的范围构成限制。并且，本发明的实施例可以通过硬件、软件、固件或它们之间结合的方式来实现，其实现方式不对本发明的范围构成限制。

本发明实施例中的各个功能元件（单元）相互之间的连接关系不对本发明的范围构成限制，其中的一个或多个功能元件可以包括或连接于其它任意的功能元件。

虽然上面已经结合附图示出并描述了本发明的一些实施例，但是本领域的技术人员应当理解，在不偏离本发明的原则和精神的情况下，可以对这些实施例进行变化和修改，但它们仍然落在本发明的权利要求及其等价物的范围之内。

Claims (10)

1.一种用于移动节点的密钥接收验证器，包括：

密钥接收部件，用于监听并接收来自区域限定的自组织(Ad-hoc)网络中的一个或多个密钥发射器的密钥，其中所述区域限定的自组织网络的区域由该一个或多个密钥发射器限定；

密钥戳生成部件，按照预定的验证规则对接收的密钥进行运算以生成密钥戳；

密钥戳验证部件，将生成的密钥戳与预定基准值进行比较，当该密钥戳与预定基准值相等时，确定该密钥戳有效，否则确定该密钥戳无效。

2.如权利要求1所述的密钥接收验证器，其中所述密钥包含密钥发射器编号、当前发射帧序列号和随机数，或包含密钥发射器编号和当前发射帧序列号，或仅包含密钥发射器编号。

3.如权利要求2所述的密钥接收验证器，其中当存在多个区域限定的Ad-hoc网络时，各个区域限定的Ad-hoc网络采用相同或不同的所述验证规则，

其中，当各个区域限定的Ad-hoc网络采用不同的所述验证规则，所述密钥还进一步包括区域验证规则编号，用于指示所使用的验证规则。

4.如权利要求1所述的密钥接收验证器，还包括密钥戳接收部件，用于接收来自同一区域限定的Ad-hoc网络中其他移动节点生成的密钥戳，其中所述预定基准值为同一区域限定的Ad-hoc网络中其他移动节点生成的密钥戳。

5.如权利要求2或4所述的密钥接收验证器，其中当所述密钥仅包含密钥发射器编号时，所述预定基准值为常量；当所述密钥包含密钥发射器编号和当前发射帧序列号时，所述预定基准值为随着时间按一定规律变化的值。

6.如权利要求1-4中任一项所述的密钥接收验证器，其中同一区域限定的Ad-hoc网络中的各个密钥发射器同步地以预定间隔发送密钥。

7.一种移动节点状态控制方法，所述移动节点配备有数据收发器用于进行数据传输，所述方法包括：

在移动节点上安装区域判定器，用于确定该移动节点是否位于某一区域限定的Ad-hoc网络中；

对所述移动节点定义下述状态：活动状态，监听状态、使能状态和睡眠状态，其中在所述活动状态中，数据收发器和区域判定器均打开；在所述监听状态中，数据收发器关闭，区域判定器打开，并且移动节点位于该区域限定的Ad-hoc网络之内；在所述使能状态中，数据收发器关闭，区域判定器打开，并且移动节点位于该区域限定的Ad-hoc网络之外；在所述睡眠状态中，数据收发器和区域判定器均关闭；

当移动节点位于该区域限定的Ad-hoc网络之内并需要传输数据时，控制该移动节点进入活动状态，并在数据传输完成后进入监听状态；

当移动节点在活动状态中传输数据的过程中移动离开该区域限定的Ad-hoc网络时，控制该移动节点中断数据传输并进入到使能状态，

其中所述区域判定器在打开时，监听并接收来自区域限定的Ad-hoc网络中的一个或多个密钥发射器的密钥，按照预定的验证规则对接收的密钥进行运算以生成密钥戳，并将生成的密钥戳与预定基准值进行比较，其中当该密钥戳与预定基准值相等时，确定该密钥戳有效，所述移动节点位于该区域限定的Ad-hoc网络内；当密钥戳与预定基准值不相等时，确定密钥戳无效，所述移动节点位于该区域限定的Ad-hoc网络外。

8.如权利要求7所述的移动节点状态控制方法，当确定所生成的密钥戳无效时，如果移动节点处于使能状态，则控制该移动节点保持处于使能状态，如果移动节点处于监听状态，则控制该移动节点进入使能状态；当确定所生成的密钥有效时，如果移动节点处于监听状态，则控制该移动节点保持处于监听状态，如果移动节点处于使能状态，则控制该移动节点进入监听状态。

9.如权利要求7所述的移动节点状态控制方法，当移动节点处于睡眠状态，并接收到外部触发或自身事件触发时，进入使能状态。

10.如权利要求7-9中任一项所述的移动节点状态控制方法，其中移动节点在睡眠状态具有第一能级消耗L1，在使能状态和监听状态具有第二能级消耗L2，在活动状态具有第三能级消耗L3，并且L3>L2>L1。