CN105338570B - 基于伪随机序列的无线传感器网络数据溯源方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于伪随机序列的无线传感器网络数据溯源方法，分为：溯源信息的编码阶段和解码阶段；编码阶段，源节点和若干转发节点均将自己的正交码片作为溯源信息相加后写到数据包的前序序列中，码片在网络构建时由基站自主分配；数据包到达基站后开始解码，解码阶段，基站用其管理的所有节点的码片分别与数据包的前序序列求内积，根据内积的结果得到转发路径节点的无序集合，最终基站通过发送多个不同生存时间(TTL)值的Internet控制消息协议报文还原转发路径，得到溯源结果。本发明使用伪随机序列实现复用效果，通过扩展操作码传递更加丰富的溯源信息，抑制数据退化，最大限度的压缩了溯源信息，提高无线传感器网络中信息的处理速度，降低溯源成本。

Description

基于伪随机序列的无线传感器网络数据溯源方法

技术领域

本发明涉及一种无线传感器网络数据溯源方法，特别涉及一种基于伪随机序列的无线传感器网络数据溯源方法。

背景技术

无线传感器网络是由部署在一定的监测区域内的大量传感器通过无线通信方式连接组成的一个具有多种拓扑结构的自组织网络，每一个传感器作为网络的一个节点。无线传感器网络数据溯源就是在无线传感器网络环境下管理网络中数据的源信息，这些源信息记录了数据产生以及传送过程。无线传感器网络具有以下特点：节点的电源供给有限；计算能力、存储能力和通信能力有限；具有动态性和以数据为中心。针对传感器的特点，无线传感器网络数据溯源方法必须在满足有效性的基础上减少额外产生的功耗，包括减少传感器节点的数据计算量、信息传输量和信息存储量等。

目前适用于无线传感器网络数据溯源有两种：日志记录技术(Logging or Hash-based)、数据包标记技术(Packet Marking)。

数据包标记技术是在数据路由的过程中，转发节点将经过的路径加在数据包后面，从而使得基站能够从数据包中提取的路径信息，从而可以成功进行节点溯源追踪。采用这种方法的优点是协议简单，对节点的存储空间几乎没有要求，而且容易实施：每个节点仅将自己的路由路径信息附加在数据包中既可。缺点是如果标记的节点较多的话，会导致严重的数据退化，降低网络有效信息传递效率，数据包的长度不断的增长也可能导致数据包需分成多片后才能发送，在增加了路由的冲突的同时严重降低了传感器网络的寿命。

日志记录技术中，每个节点都需要记录自己转发数据包的摘要信息，通过查询该记录重构转发路径。这样使得数据包中的标记信息比例较小，转发节点仅是转发必要的数据包，而路由的路径信息是通过日志的形式保存在节点中的，当需要进行溯源操作时，基站向所需要的节点发去询问请求，这些日志存储的信息才被发送到基站，从而减少发送到基站的数据量，因而这种方式的优点是网络寿命较高，在一定程度上克服了数据包标记策略中的数据退化。日志策略存在的不足是节点需要较大的存储容量以存储标记信息，特别的是近基站区域logging的概率远多于远基站区域，因而需要大量的存储空间。

文献Secure Provenance Transmission for Streaming Data(《IEEETransactions on Knowledge&Data Engineer》，2013，25(8)：1890-1903)提出了一种使用包间延迟(interpacket delay，IPD)作为溯源信息的载体的安全溯源模型，该模型使用多个数据包到达的时间间隔记录溯源信息，并通过附加时间戳和进行加密的方式确保源信息的安全。该方法充分考虑了溯源信息的安全性，但该系统的工作过程较为复杂，系统实施的难度和溯源成本较高，而且溯源结果的可靠性受网络的通信质量影响。

目前已有的溯源方法主要存在以下技术问题：

1.数据包标记技术中，中间节点需将路由时经过的路径加在数据包后面，导致数据退化。

2.日志记录技术中，节点需要较大的存储容量以存储标记信息。

3.利用IPD传递信息，需要网络拓扑结构相对稳定且通信网络的通信质量较好，否则会导致溯源信息的准确性降低。对数据包进行延迟转发会降低网络中信息处理速度。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种基于伪随机序列的无线传感器网络数据溯源方法，它的优点是能够实现无线传感器快速高效的数据溯源，有效的抑制数据退化，提高网络中信息处理速度，并且对网络通信质量和网络结构时变性有很好的适应性。首先，每个节点分配唯一且正交的伪随机序列，伪随机序列由一串0,1组成，序列长度由网络规模决定。在数据包向基站传递的过程中，参与传递的节点会把自己的码片相互叠加，将溯源信息写入数据包头部的前序序列，使源节点和参与传输的节点能复用同一标记字段，可以最大程度的复用存储空间；其次，基站可以直接从叠加后的序列里还原出数据包的转发路径，快速的得到溯源信息，解决了现有的无线传感器网络数据溯源系统无法快速溯源和大量占用传感器节点存储空间的问题，有效地降低网络的负载。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

基于伪随机序列的无线传感器网络数据溯源方法，分为两个阶段：溯源信息的编码阶段和溯源信息的解码阶段；在编码阶段，源节点和若干转发节点均将自己的正交码片作为溯源信息相加后写到数据包的前序序列中，码片在网络构建时由基站自主分配；数据包到达基站后开始解码，在解码阶段，基站用其管理的所有节点的码片分别与数据包的前序序列求内积，根据内积的结果得到转发路径节点的无序集合，最终基站通过发送多个不同IP生存时间(Time To Live，TTL)值的IP数据报还原转发路径，得到溯源结果。

编码阶段分为以下步骤：

步骤(11)：基站为其所管理的无线传感器网络的所有节点分配正交码片；所有节点包括：源节点、若干转发节点；

步骤(12)：源节点产生数据包，源节点将自己的码片作为溯源信息写到数据包头部的一个字段中，该字段的内容即为前序序列；

步骤(13)：转发节点对步骤(12)得到的数据包进行转发，将数据包转发给下一个转发节点，直至数据包被转发给基站；在数据包转发过程中，所有转发过数据包的转发节点都将自己的码片与数据包的前序序列按位相加后，将相加后的结果作为数据包的新前序序列；

解码阶段分为以下步骤：

步骤(21)：基站接收到数据包，提取数据包的新前序序列；

步骤(22)：基站用无线传感器网络的所有节点的码片分别乘上步骤(21)得到的新前序序列，如果结果非零，则该节点是参与转发数据包的节点，同时得到该节点的操作码；如果结果为零，则该节点不是参与转发数据包的节点；所有参与转发数据包的节点组成转发路径节点的集合；

步骤(23)：基站通过向步骤(22)的转发路径节点的集合内的节点发送不同IP生存时间值的IP数据报，根据节点发回的“Internet控制消息协议已超时”的消息确定转发路径节点集合内参与转发的节点在转发路径上的顺序，从而还原出数据包的转发路径。

所述步骤(11)的码片指相互正交的伪随机序列。

所述步骤(11)的正交码片只有被分配到的节点本身拥有。

所述步骤(12)的字段位置和长度由用户按需选取。

所述步骤(13)中，数据包转发过程中，转发节点允许在码片上附加操作码，所述附加操作码是指用码片乘上操作码。

步骤(22)的乘法指码片的规格化内积，此时得到的节点集合是无序的，经过步骤(23)之后才会得到各个节点在转发路径上顺序。

所述步骤(12)的溯源信息指数据包由源节点产生经转发节点传递到基站的完整转发路径。

所述源节点指数据包的产生节点，是转发路径的起点。

所述基站指数据包转发的目标节点，是转发路径的终点。

所述操作码指节点对数据包的操作标识码，记录了节点对数据包所采取的操作类型，如：汇集、转发或修改。用一位数字字符表示，例如：1代表转发操作；2代表汇集操作。

本发明的实现原理：

利用伪随机序列的正交特性实现溯源信息的复用，在数据包的转发过程中，参与转发的节点会把自己的码片与数据包的前序序列进行叠加，插入数据包的头部，基站接收到的前序序列是各个节点的码片相加后的结果，再用其管理的所有节点的码片序列分别和前序序列求内积：没有参与转发的节点都被过滤掉(其内积的结果都是零)，参与转发的节点都被留下(其内积的结果为非零的操作码)。基站通过向转发路径节点无序集合发送不同IP生存时间值的IP数据报，可以得到节点的顺序并最终还原出数据包的转发路径。

本发明的创新点：

1.使用复用技术，有效地避免了数据退化，利用相互正交的伪随机序列让数据源节点和所有参与传输的节点将源信息记录在同一标记字段中，最大程度的降低数据溯源所需的代价。

2.通过附加操作码，使系统可以传递更加丰富的溯源信息，如节点对数据的操作类型等，有效提高溯源信息可靠性和准确性的同时保证了无线传感器网络的可扩展性。

3.无需存储大量的网络拓扑信息，借鉴“tracet”命令的工作原理，通过向无序节点集合发送一连串的不同TTL值的IP数据报可以得到各个节点在数据报转发路径上位置顺序，最终可以还原出完整的数据包转发路径。

本发明的有益效果：

1.本发明提供了基于伪随机序列的无线传感器网络数据溯源方法，此方法与已有的基于数字签名、时间流等技术的无线传感器网络数据溯源方法的本质区别在于：本发明将溯源信息写入数据包头部的前序序列中保证了溯源信息的可信性和准确性；且巧妙的使用伪随机序列达到复用的目的，能有效抑制数据退化，减小溯源信息的体积。

2.本发明与无线传感器网络的拓扑结构无关，因而不受无线传感器的动态性影响，具有很强的适应性。

3.本发明方法强调使用节点和节点操作相互捆绑的溯源信息方法来保证溯源结果的可信性与准确性，溯源信息的格式化处理和溯源信息体积的压缩，能提高该方法下无线传感器网络中信息的处理速度。

附图说明

图1是本发明溯源信息转发路径示意图。

图2是本发明系统工作流程图。

图3是本发明编码阶段和解码阶段数据流图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1、2、3所示，基于伪随机序列的无线传感器网络数据溯源系统，包含传感器节点、汇集点节点、管理节点(基站)，所述传感器节点的处理能力、存储能力和通信能力相对较弱，通过小容量电池供电。从网络功能上看，每个传感器节点除了进行物理信息的采集和处理本节点产生的数据外，还要对其他节点转发来的数据进行存储、管理和融合，并与其他节点协作完成一些追踪、识别等复杂任务；

所述汇聚节点的处理能力、存储能力和通信能力相对较强，它是连接传感器网络与Internet等外部网络的网关；所述管理节点(基站)对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据。

基站会对其所管理的节点分配唯一且正交的码片，为了保证溯源信息的安全，此码片只有基站和节点知道。此处的溯源信息指数据包由源节点产生经转发节点传递到接收节点(基站)的完整转发路径，当基站收到溯源请求时可以快速准确的从溯源信息中重构出数据包转发路径并定位到问题节点。

所述码片指相互正交的伪随机序列；

所述前序序列在基站处指节点码片叠加后码片序列之和；

所述源节点指数据包的产生节点，是转发路径的起点；

所述接收节点指数据包转发的目标节点，是转发路径的终点；

所述操作码指节点对数据包的操作标识码，记录了节点对数据包所采取的操作类型。

基于伪随机序列的无线传感器网络数据溯源方法主要分为两个阶段：溯源信息在传感器节点的编码阶段和溯源信息在基站处的解码阶段。

根据溯源信息不同的处理流程又将编码阶段分为以下步骤：

步骤(11)：管理节点(基站)为其所管理区域的所有节点分配正交码片；

步骤(12)：源节点产生数据包，并将自己的码片作为溯源信息嵌入到数据包的前序序列中；

步骤(13)：数据包转发过程经过的节点将自己的码片叠加到前序序列，同时节点可以在码片上附加操作信息，这里用码片乘上操作码完成。

所述步骤(13)遵循正交码片按位相加的叠加原理。

在解码阶段可以分为以下步骤：

步骤(21)：基站接收到数据包，提取数据包的前序序列；

步骤(22)：基站分别用所有节点的码片乘上前序序列，如果结果非零，此节点在转发路径节点无序集合里，同时得到该节点的操作码；

步骤(23)：基站通过向目标转发路径节点无序集合发送不同IP生存时间值的IP数据报，根据回复可以得到节点的顺序并还原出数据包的转发路径。

所述步骤(22)的乘法指码片的规格化内积，此时得到的节点集合是无序的，经过步骤(23)之后才会得到各个节点在转发路径上顺序。

本发明的技术要点是在数据包的转发过程中使用伪随机序列快速准确地实现溯源信息的编码和解码。本发明基于无线传感器网络，整个溯源过程包括编码和解码两个阶段，其中编码阶段是转发节点将形式为<节点码片，操作码>的溯源信息叠加到前序序列的过程；解码过程是基站从前序序列中还原出形式为<节点码片，操作码>的溯源信息，并通过向得到的无序转发节点集合发送逐跳的IP数据报来重构出数据包的转发路径。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.基于伪随机序列的无线传感器网络数据溯源方法，其特征是，分为两个阶段：溯源信息的编码阶段和溯源信息的解码阶段；在编码阶段，源节点和若干转发节点均将自己的正交码片作为溯源信息相加后写到数据包的前序序列中，码片在网络构建时由基站自主分配；数据包到达基站后开始解码，在解码阶段，基站用其管理的所有节点的码片分别与数据包的前序序列求内积，根据内积的结果得到转发路径节点的无序集合，最终基站通过向转发路径节点的无序集合内的节点发送多个不同IP生存时间值的IP数据报，根据节点发回的“Internet控制消息协议已超时”的消息确定转发路径节点集合内参与转发的节点在转发路径上的顺序，从而还原出数据包的转发路径，得到溯源结果，所述码片指相互正交的伪随机序列。

2.如权利要求1所述的基于伪随机序列的无线传感器网络数据溯源方法，其特征是，编码阶段分为以下步骤：

步骤(11)：基站为其所管理的无线传感器网络的所有节点分配正交码片；所有节点包括：源节点、若干转发节点；

步骤(12)：源节点产生数据包，源节点将自己的码片作为溯源信息写到数据包头部的一个字段中，该字段的内容即为前序序列；

步骤(13)：转发节点对步骤(12)得到的数据包进行转发，将数据包转发给下一个转发节点，直至数据包被转发给基站；在数据包转发过程中，所有转发过数据包的转发节点都将自己的码片与数据包的前序序列按位相加后，将相加后的结果作为数据包的新前序序列。

3.如权利要求1所述的基于伪随机序列的无线传感器网络数据溯源方法，其特征是，解码阶段分为以下步骤：

步骤(21)：基站接收到数据包，提取数据包的新前序序列；

步骤(22)：基站用无线传感器网络的所有节点的码片分别乘上步骤(21)得到的新前序序列，如果结果非零，则该节点是参与转发数据包的节点，同时得到该节点的操作码；如果结果为零，则该节点不是参与转发数据包的节点；所有参与转发数据包的节点组成转发路径节点的集合；

步骤(23)：基站通过向步骤(22)的转发路径节点的集合内的节点发送不同IP生存时间值的IP数据报，根据节点发回的“Internet控制消息协议已超时”的消息确定转发路径节点集合内参与转发的节点在转发路径上的顺序，从而还原出数据包的转发路径。

4.如权利要求2所述的基于伪随机序列的无线传感器网络数据溯源方法，其特征是，所述步骤(11)的正交码片只有被分配到的节点本身拥有。

5.如权利要求2所述的基于伪随机序列的无线传感器网络数据溯源方法，其特征是，所述步骤(12)的字段位置和长度由用户按需选取。

6.如权利要求2所述的基于伪随机序列的无线传感器网络数据溯源方法，其特征是，所述步骤(13)中，数据包转发过程中，转发节点允许在码片上附加操作码，所述附加操作码是指用码片乘上操作码。

7.如权利要求3所述的基于伪随机序列的无线传感器网络数据溯源方法，其特征是，步骤(22)的乘法指码片的规格化内积，此时得到的节点集合是无序的，经过步骤(23)之后才会得到各个节点在转发路径上顺序。

8.如权利要求2所述的基于伪随机序列的无线传感器网络数据溯源方法，其特征是，所述步骤(12)的溯源信息指数据包由源节点产生经转发节点传递到基站的完整转发路径。

9.如权利要求6所述的基于伪随机序列的无线传感器网络数据溯源方法，其特征是，所述操作码指节点对数据包的操作标识码，记录节点对数据包所采取的操作类型。