CN107105471B - 基于正交标识的wsn数据传输路径溯源方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于正交标识的WSN数据传输路径溯源方法及系统，分为溯源信息标记和传输路径重构两个阶段：所述溯源信息标记阶段包括：为无线传感器网络中的所有传感器节点分配正交标识、选取用于携带溯源信息的载体协议、以及实现路由节点对数据包中溯源信息的叠加复用；所述传输路径重构阶段包括：读取数据包的溯源数据字段、提取参与转发当前数据包的传感器节点的标识及其转发顺序，并根据所得顺序还原数据包的传输路径。本发明将无线传感器网络中数据包的路由顺序信息融入基于正交叠加的溯源信息中，以有限的空间成本实现了无线传感器网络数据传输路径的精确溯源。

Description

基于正交标识的WSN数据传输路径溯源方法及系统

技术领域

本发明涉及一种无线传感器网络数据传输路径溯源方法，特别涉及一种基于正交标识的无线传感器网络数据传输路径溯源方法及系统。

背景技术

无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSN)是由部署在监测区域内，具有数据采集、通信、存储和处理能力的传感器节点构成的自组织通信系统，其中，每一个传感器为网络的一个节点，用于环境感知，并将感知的数据以多跳方式传输到基站。无线传感器网络的数据传输路径溯源是指对基站接收的数据进行追溯，还原出该数据在传输过程中所经过的所有路由节点及其转发顺序。

为实现WSN的传输路径溯源，需对WSN数据传输路径的相关信息进行标记，以便在基站根据这些信息还原出数据的传输路径，这些信息被称为WSN数据溯源信息。由于无线传感器网络节点的能量、计算能力、存储能力以及通信能力均有限，WSN的数据传输路径溯源方法必须在满足可溯源的基础上，减少由此而产生的额外消耗。相比于无路径溯源的WSN，WSN数据传输路径溯源的额外消耗主要源自溯源数据量，以及由此而生的计算和存储开销等。因此，如何有效控制溯源数据量是WSN数据传输路径溯源的关键问题。

WSN的传输路径溯源主要包括两个步骤：标记溯源信息和还原传输路径，其中，溯源信息的标记方法决定了如何还原数据的传输路径，而且，溯源信息的标记方法也决定了WSN溯源数据量的大小，因此，如何标记溯源信息即为WSN传输路径溯源的关键技术。

目前，WSN溯源信息的标记方法主要分为两类：数据包标记方法和节点记录方法。数据包标记方法是在数据传输过程中，路由节点将溯源信息记入数据包首部或数据包间隔，从而使基站能够从接收的数据包中提取路径信息，并根据这些路径信息完成路径重构。采用这种方法的优点是不占用节点的存储空间，每个节点仅将自己的标识信息附加在数据包中既可，因而容易实施，但其缺点是：溯源数据量正比于路由节点的数量，造成数据包中溯源数据量无上限，而且数据包长度的不断增长还会导致大量的数据分片，使路由冲突增加，因而造成数据的通信成本上升和WSN整体通信效率的降低。不同于数据包标记方法，节点记录方法是将溯源信息存储到每个路由节点中，而数据包只需要记录少量标记信息，当需要进行路径溯源时，由基站向所需要的节点发去询问请求，根据节点返回的溯源信息来实现路径的重构。这种方法大大降低了数据包的长度，但其不足是将溯源数据的存储负担转嫁到中间路由节点，因而对节点的存储和计算资源占用较大，同时，基站与路由节点之间的通信开销也不容忽视。

为降低溯源信息量，已有的研究成果主要采用溯源数据压缩技术，这些技术大致分为有损压缩和无损压缩两类，其中无损压缩压缩率较低，无法根本解决溯源数据无上限问题；而有损压缩以降低溯源精度为代价，无法实现数据传输路径的精确溯源。

发明人在基于伪随机序列的无线传感器网络数据溯源方法.中国发明专利，申请号：201510646810.9中提出一种基于伪随机序列的无线传感器网络数据溯源方法，为每个节点分配一个唯一且互为正交的标识序列，利用向量的正交特性实现路由节点标识序列的叠加复用，即：各路由节点在转发数据之前，将自己的标识序列与数据包中的溯源数据进行叠加，而基站则利用标识序列的正交性，从数据包的叠加编码中分离出参与数据包转发的各路由节点的标识信息。此方法可有效解决溯源数据无上限问题，且实现简单，但该方法的溯源数据中不含转发顺序信息，因而从溯源数据中仅能得知哪些节点参与了转发，无法得知这些节点的实际转发顺序，为此，基于伪随机序列的无线传感器网络数据溯源方法.中国发明专利，申请号：201510646810.9采用ICMP协议来重构传输路径，但ICMP协议给出的是一种近似溯源结果，其所重构的传输路径与实际传输路径之间存在一定概率的误差。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种基于正交标识的WSN数据传输路径溯源方法及系统，对基于伪随机序列的无线传感器网络数据溯源方法.中国发明专利，申请号：201510646810.9提出的基于伪随机序列的无线传感器网络数据溯源方法进行改进和延伸：将节点转发顺序信息添加到溯源信息中，使溯源信息内含路由节点的转发顺序信息；在基站端，不再使用ICMP协议，而是继续利用节点标识序列的正交特性，通过计算溯源数据与各节点标识序列的规格化内积，来分离当前数据包传输过程中各路由节点的标识信息和转发顺序，从而还原出数据包的精确传输路径。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明所述WSN数据传输路径溯源是指基站通过对所接收的数据进行追溯，还原出该数据在传输过程中所经过的所有传感器节点及其转发顺序。

基于正交标识的WSN数据传输路径溯源方法，分为溯源信息标记和传输路径重构两个阶段：

所述溯源信息标记阶段包括三部分内容：(1.1)：给无线传感器网络中的所有传感器节点分配正交标识，(1.2)：选取用于携带溯源信息的载体协议；(1.3)：溯源信息的叠加：在数据包的传输过程中，各路由节点对数据包中的溯源信息进行叠加复用；

所述传输路径重构阶段包括：步骤(2.1)：读取数据包所携带的溯源信息；步骤(2.2)：从溯源信息中提取参与转发当前数据包的传感器节点的正交标识及传感器节点的转发次序；步骤(2.3)：根据所提取的节点标识和转发次序还原数据包的传输路径。

(1.1)：分配正交标识；

无线传感器网络中的任意一个传感器节点Node_r均分配有一个唯一且与其他传感器节点互为正交的正交标识V_r＝(v_r,1,v_r,2,…,v_r,n)，v_r,k＝1或-1,k＝1,2,…,n,n表示正交标识的维数；r＝1,2,…,R；其中R表示传感器节点的个数；Node_r表示第r个传感器节点；V_r表示第r个传感器节点的正交标识；v_r,n表示第r个传感器节点的正交标识中的第n项；

(1.2)：确定载体协议；

选取溯源信息的载体协议，根据载体协议的语法规则，在数据包的首部或数据包间隔等位置设置溯源数据字段，用于携带溯源信息；

(1.3)：溯源信息的叠加；

数据包的源发送节点，在发送数据之前，将自己的正交标识写入当前数据包的溯源数据字段。数据包在传输过程中，每经过一个传感器节点，在数据包被转发之前均执行以下操作：当前传感器节点读取该数据包的溯源数据字段与跳数字段，将所读取的字段值与自己的正交标识进行叠加运算，将运算结果写入数据包的溯源数据字段。

所述传输路径重构阶段包括：步骤(2.1)读取溯源数据、步骤(2.2)提取路由节点及其转发次序和步骤(2.3)还原传输路径：

步骤(2.1)：读取溯源数据；

基站收到数据包后，读取当前数据包的溯源数据字段，该字段值记为叠加编码W；

步骤(2.2)：提取路由节点及其转发次序；

用基站所辖区域内各节点的正交标识分别与叠加编码W进行规格化内积计算，若所得内积值不为零，则此内积值即为该节点在当前数据包传输过程中的转发次序；若内积值为零，则表示该节点未参与当前数据包的转发。

步骤(2.3)：还原传输路径；

对内积值不为零的节点按照内积值的大小进行排序，根据所得次序还原出当前数据包的传输路径。

所述(1.1)中：

所述互为正交是指任意两个不同的传感器节点Node_p和Node_q的正交标识V_p＝(v_p,1,v_p,2,…,v_p,n)与V_q＝(v_q,1,v_q,2,…,v_q,n)相互正交，即：

所述传感器节点正交标识的生成，可采用现有的正交向量生成方法。

无线传感器网络中每个基站都记录其所辖区域内各传感器节点的正交标识。

由于无线传感器网络通常含大量传感器节点，为减少正交标识的维数，可根据无线传感器网络的规模设定仅在同一个基站的所辖区域内各传感器节点的正交标识具有唯一性，或对无线传感器网络进行分区，设定一个区域内各传感器节点的正交标识具有唯一性。

所述(1.2)中：

所述载体协议是指作用于各传感器节点与基站之间、可携带溯源信息的WSN数据通信协议。

所述(1.3)中：

数据包在传输过程中，每经过一个路由节点，在转发数据包之前，当前路由节点执行以下操作：

(1.3.1)读取数据包的当前跳数k和数据包的溯源数据字段值W_k＝(w_k,1,w_k,2,…,w_k,n)；

(1.3.2)将溯源数据字段值W_k与自己的正交标识V＝(v₁,v₂,…,v_n)按公式1进行叠加运算；

W_k+1＝W_k+k·V (公式1)

其中：W_k+1＝(w_k+1,1,w_k+1,2,…,w_k+1,n)；w_k+1,i＝w_k,i+k·v_i,i＝1,2,…,n

(1.3.3)运算后的叠加编码W_k+1写入数据包的溯源数据字段；

所述步骤(2.2)中：

设W＝(w₁,w₂,…,w_n)为基站读取的叠加编码，V_t＝(v_t,1,v_t,2,…,v_t,n)为基站所辖区域内任意节点Node_t的正交标识，则所述规格化内积计算公式如公式2；

其中，若内积值τ≠0，则τ即为节点Node_t在当前数据包传输中的转发次序；若τ＝0，则节点Node_t未参与当前数据包的转发。

基于正交标识的WSN数据传输路径溯源系统，包括：溯源信息标记模块和传输路径重构模块，

所述溯源信息标记模块包括两部分：

正交标识分配单元：在基站或其他WSN管控站点中运行，其作用是：生成正交标识集，给WSN中各传感器节点分配正交标识；

溯源信息叠加单元：在各传感器节点中运行，其作用是：当需要发送数据包时(当前节点为源发送节点)，将当前节点的正交标识写入数据包的溯源数据字段；当需要转发数据包时(当前节点为路由节点)，读取该数据包的溯源数据字段和跳数字段，将所读取的字段内容与当前节点的正交标识进行叠加运算，并将运算结果写入数据包的溯源数据字段中。

所述传输路径重构模块在基站中运行，作用是：当收到数据包时，读取该数据包的溯源数据字段内容，从溯源数据中提取参与当前数据包转发的各路由节点及其转发次序，并根据所提取的节点标识和转发次序还原数据包的传输路径。

本发明的创新性

本发明将无线传感器网络中数据包的路由顺序信息融入基于正交叠加的溯源信息中，使WSN的溯源信息同时具有可正交复用和内含路由顺序两种关键特征，其中，可正交复用特性解决了溯源信息无上限问题，内含路由顺序则实现了数据传输路径的精确溯源，即：以有限的空间成本实现了WSN数据传输路径的精确溯源。

本发明的有益效果

1本发明提供了一种以有限的空间成本实现无线传感器网络数据传输路径精确溯源的新方法，解决了现有无线传感器网络数据溯源技术中存在的溯源数据量不可控与传输路径不能精确还原的问题。

2本发明所述方法充分利用向量正交性理论依据，设计巧妙，方法简单，具有良好的可实现性。

3本发明为无线传感器网络数据安全与数据可信技术、以及基于路径溯源的能量监测和拓扑分析等应用技术提供了新的研究途径。

附图说明

图1是本发明溯源数据叠加操作流程图；

图2是本发明基站还原数据传输路径流程图；

图3是本发明所述方法工作过程示意图。

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所示，路由节点在转发数据包之前，读取数据包的溯源数据字段值，将该字段值与自己的正交标识及转发顺序(路由跳数)进行叠加运算，将运算结果写入数据包的溯源数据字段中。

如图2所示，数据包携带溯源数据传至基站时，基站读取该数据包的溯源数据字段，通过规格化内积运算，提取参与该数据包传输的所有传感器节点标识及其路由次序信息，并以此还原出数据包的传输路径。

如图3所示，数据包自源发送节点发出后，路经多个路由节点，其中，每个路由节点按照图1所述流程完成溯源数据的叠加后，将数据包转发至下一个路由节点；数据包到达基站后，基站按照图2所述流程，提取各参与节点及其转发次序，完成数据包传输路径的重构。

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 (10)

1.基于正交标识的WSN数据传输路径溯源方法，其特征是，分为溯源信息标记和传输路径重构两个阶段：

所述溯源信息标记阶段包括三部分内容：(1.1)：给无线传感器网络中的所有传感器节点分配正交标识，(1.2)：选取用于携带溯源信息的载体协议；(1.3)：溯源信息的叠加：在数据包的传输过程中，各路由节点对数据包中的溯源信息进行叠加复用，读取该数据包的溯源数据字段与跳数字段，将所读取的字段值与自己的正交标识进行叠加计算，将运算结果写入数据包的溯源数据字段；

所述传输路径重构阶段包括：步骤(2.1)：读取数据包所携带的溯源信息；步骤(2.2)：通过计算溯源数据与各节点标识序列的规格化内积，来分离当前数据包传输过程中各路由节点的标识信息和转发顺序：步骤(2.3)：根据所提取的节点标识和转发次序还原数据包的传输路径。

2.如权利要求1所述的方法，其特征是，

(1.1)：分配正交标识；

无线传感器网络中的任意一个传感器节点Node_r均分配有一个唯一且与其他传感器节点互为正交的正交标识V_r＝(v_r,1,v_r,2,…,v_r,n)，v_r,k＝1或-1,k＝1,2,…,n,n表示正交标识的维数；r＝1,2,…,R；其中R表示传感器节点的个数；Node_r表示第r个传感器节点；V_r表示第r个传感器节点的正交标识；v_r,n表示第r个传感器节点的正交标识中的第n项。

3.如权利要求1所述的方法，其特征是，

(1.2)：确定载体协议；

选取溯源信息的载体协议，根据载体协议的语法规则，在数据包的首部或数据包间隔位置设置溯源数据字段，用于携带溯源信息。

4.如权利要求1所述的方法，其特征是，

(1.3)：溯源信息的叠加；

数据包的源发送节点，在发送数据之前，将自己的正交标识写入当前数据包的溯源数据字段。

5.如权利要求1所述的方法，其特征是，

所述传输路径重构阶段包括：步骤(2.1)读取溯源数据、步骤(2.2)提取路由节点及其转发次序和步骤(2.3)还原传输路径：

步骤(2.1)：读取溯源数据；

基站收到数据包后，读取当前数据包的溯源数据字段，该字段值记为叠加编码W；

步骤(2.2)：提取路由节点及其转发次序；

用基站所辖区域内各节点的正交标识分别与叠加编码W进行规格化内积计算，若所得内积值不为零，则此内积值即为该节点在当前数据包传输过程中的转发次序；若内积值为零，则表示该节点未参与当前数据包的转发；

步骤(2.3)：还原传输路径；

对内积值不为零的节点按照内积值的大小进行排序，根据所得次序还原出当前数据包的传输路径。

6.如权利要求1所述的方法，其特征是，

所述(1.1)中：

所述正交是指任意两个不同的传感器节点Node_p和Node_q的正交标识V_p＝(v_p,1,v_p,2,…,v_p,n)与V_q＝(v_q,1,v_q,2,…,v_q,n)相互正交，即：

所述传感器节点正交标识的生成，能够采用现有的正交向量生成方法；

无线传感器网络中每个基站都记录其所辖区域内各传感器节点的正交标识；

根据无线传感器网络的规模设定仅在同一个基站的所辖区域内各传感器节点的正交标识具有唯一性，或对无线传感器网络进行分区，设定一个区域内各传感器节点的正交标识具有唯一性。

7.如权利要求1所述的方法，其特征是，所述(1.2)中：

所述载体协议是指作用于传感器节点与基站之间、可携带溯源信息的WSN数据通信协议。

8.如权利要求1所述的方法，其特征是，

所述(1.3)中：

数据包在传输过程中，每经过一个路由节点，在转发数据包之前，当前路由节点执行以下操作：

(1.3.1)读取数据包的当前跳数k和数据包的溯源数据字段值W_k＝(w_k,1,w_k,2,…,w_k,n)；

(1.3.2)将溯源数据字段值W_k与自己的正交标识V＝(v₁,v₂,…,v_n)按公式1进行叠加运算；

W_k+1＝W_k+k·V (公式1)

其中：W_k+1＝(w_k+1,1,w_k+1,2,…,w_k+1,n)；w_k+1,i＝w_k,i+k·v_i,i＝1,2,…,n

(1.3.3)运算后的叠加编码W_k+1写入数据包的溯源数据字段。

9.如权利要求5所述的方法，其特征是，

所述步骤(2.2)中：

设W＝(w₁,w₂,…,w_n)为基站读取的叠加编码，V_t＝(v_t,1,v_t,2,…,v_t,n)为基站所辖区域内任意节点Node_t的正交标识，则所述规格化内积计算公式如公式2；

其中，若内积值τ≠0，则τ即为节点Node_t在当前数据包传输中的转发次序；若τ＝0，则节点Node_t未参与当前数据包的转发。

10.基于正交标识的WSN数据传输路径溯源系统，其特征是，包括：溯源信息标记模块和传输路径重构模块，

所述溯源信息标记模块包括两部分：

正交标识分配单元：在基站或其他WSN管控站点中运行，其作用是：生成正交标识集，给WSN中各传感器节点分配正交标识；

溯源信息叠加单元：在各传感器节点中运行，其作用是：当需要发送数据包时，将当前节点的正交标识写入数据包的溯源数据字段；当需要转发数据包时，读取该数据包的溯源数据字段和跳数字段，将所读取的字段内容与当前节点的正交标识进行叠加运算，并将运算结果写入数据包的溯源数据字段中；

所述传输路径重构模块在基站中运行，作用是：当收到数据包时，读取该数据包的溯源数据字段内容，通过计算溯源数据与各节点标识序列的规格化内积，来分离当前数据包传输过程中各路由节点的标识信息和转发顺序，并根据所提取的节点标识和转发次序还原数据包的传输路径。

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