CN107426006B - 基于数据溯源的wsn异常节点发现方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于数据溯源的WSN异常节点发现方法及系统，包含数据溯源、传输拓扑发现和异常节点发现三个阶段。所述数据溯源阶段：基站对接收的数据包进行溯源，获得数据包的实际传输路径；所述传输拓扑发现阶段利用数据溯源所得到的数据传输路径，来拟合WSN的传输拓扑和累计节点的活跃度权值；异常节点发现阶段根据传输拓扑的连通性发现离散节点，根据传输拓扑中节点的活跃度来发现WSN的闲置节点和过载节点，通过监测节点的活跃度变化情况来发现失效节点。

Description

基于数据溯源的WSN异常节点发现方法及系统

技术领域

本发明涉及无线传感器网络应用技术领域，特别涉及一种基于数据溯源的无线传感器网络异常节点发现方法及系统。

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。在无线传感器网络中，由于工作位置、性能配置、布局设计以及其它人为或者自然等因素，各传感器节点的工作状态差异较大，因而无线传感器网络中通常存在很多异常节点，这些异常节点主要包括：(1)离散节点，即：与其他节点之间无数据传输的非连通节点；(2)闲置节点，即：低负载或空负载节点；(3)过载节点，即：负载过重的繁忙节点；(4)失效节点，即：因能量耗尽或中途故障等原因导致不能承担通信任务的节点。由于大量廉价的传感器节点部署在不可控的环境中，无线传感器网络中上述节点的出现概率很高，而这些节点的存在极大地降低了无线传感器网络的服务质量，成为影响WSN连通性、稳定性和可用性的主要原因，因此，及时有效的发现和处置这些异常传感器节点，对WSN的整体运行性能至关重要。

针对上述问题，本发明从数据溯源角度提出一种识别WSN中上述四类类异常节点的新方法。无线传感器网络的数据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的传输路径。通过对大量数据传输路径的收集和拟合，可得到单位时间周期内由WSN节点和通信链路形成的传输拓扑，以及各传感器节点的活跃(繁忙)情况。根据传输拓扑，可直观地区分WSN的离散节点；通过对节点活跃性的定量分析，可发现WSN的闲置节点和过载节点。由于WSN的传输拓扑具有随时间演变的动态性，因而从不同时段获得的传输拓扑中，可以跟踪各节点的活跃度，发现失效节点。

发明内容

本发明提供一种基于数据溯源的WSN异常节点发现方法及系统。本发明所述无线传感器网络异常节点，是指WSN中的离散节点、闲置节点、过载节点和失效节点；所述离散节点是指与其他节点之间无数据传输的非连通节点；所述闲置节点是指WSN中低负载或空负载节点；所述过载节点指WSN中负载过重的繁忙节点；所述失效节点是指因能量耗尽或中途故障等原因导致不能承担通信任务的节点。

本发明所述数据溯源，是指基站根据溯源信息获得数据包传输过程的方法，例如：(1)文献CAPTRA:coordinated packet traceback(《Proceedings of the 5thinternational conference on Information processing in sensor networks》,ACM,2006:152-159.)提出的CAPTRA数据溯源方法，此方法将溯源信息记入途径转发节点，使用分布在每个传感器节点内的布隆过滤器来记录数据包摘要；基站通过监听传感器节点中存储的摘要信息来确定参与数据包传输的各转发节点。(2)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中提出的基于伪随机序列的无线传感器网络数据溯源方法，该方法为每个节点分配一个唯一且互为正交的标识序列，各传感器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信息进行叠加，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所有传感器节点信息。

本发明所述基于数据溯源的WSN异常节点发现方法包含数据溯源、传输拓扑发现和异常节点发现三个关键步骤：首先，通过数据溯源获得数据的实际传输路径；然后，利用数据溯源所得到的数据传输路径，来拟合WSN的传输拓扑；最后，根据传输拓扑的连通性发现离散节点，根据传输拓扑中节点的活跃性来发现WSN的闲置节点和过载节点，通过监测节点的活跃度变化情况来发现失效节点。本发明所述传输拓扑，是指由基站所辖区域内各传感器节点及其通信链路形成的反映数据实际通信过程的逻辑拓扑。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

基于数据溯源的WSN异常节点发现方法，分为以下步骤：

步骤(1)：对基站的传输拓扑进行初始化；

步骤(2)：基站每收到一个数据包，均执行以下子步骤：

步骤(2.1)：对基站接收的数据包进行溯源；

步骤(2.2)：根据溯源路径对传输拓扑进行拟合；

步骤(3)：输出基站的传输拓扑；

步骤(4)：发现异常节点。

所述步骤(1)之前的步骤为：

设TP(B)为当前基站B所辖区域的传输拓扑，记TP(B)＝(N^B,E^B)，

其中，N^B＝{n₁,n₂,…,n_m}为基站B所辖区域传感器节点的集合，m为节点数量；

E^B＝{<n_i,n_j>|n_i,n_j∈N^B}为通信链路的集合，<n_i,n_j>为链路边，表示自节点n_i到n_j是一条数据传输链路；

对任意n_j∈N^B，记x(n_j)为节点n_j的活跃度权值。

所述步骤(1)的步骤为：

将基站B的传输拓扑TP(B)中链路集合E^B初始化为空集，所辖区域各节点的活跃度权值初始化为零，即：对任意n_j∈N^B，x(n_j)←0；

其中，“←”表示赋值；例如：x(n_j)←0表示将x(n_j)赋值为零。

所述步骤(2.1)的步骤为：

设d为基站接收的当前数据包，通过数据溯源，得到该数据包在传输过程中的实际传输路径P(d)＝<n_d,1,n_d,2,…,n_d,t>，其中，n_d,k∈N^B，k＝1,2,…,t，t为路径长度，n_d,1为d的源发送节点，n_d,k表示数据包d的传输路径上的第k个传感器节点。

所述步骤(2.2)的步骤为：

将传输路径P(d)中所有链路边均加入链路集合E^B，并累计各节点的活跃度权值。即：

E^B←(E^B∪{<n_d,1,n_d,2>,<n_d,2,n_d,3>,…,<n_d,t-1,n_d,t>})；

并且，节点的活跃度权值：x(n_d,k)←(x(n_d,k)+1)，k＝1,2,…,t；

其中，x(n_d,k)表示节点n_d,k的活跃度权值。

所述步骤(3)的步骤为：

设置拓扑发现时间点，重复执行步骤(2)直到拓扑发现时间点，输出得到的传输拓扑(N^B,E^B)，并且，对任意n_k∈N^B，输出节点n_k的活跃度权值x(n_k)。

所述步骤(4)的步骤为：

设置传感器节点活跃度低临界阈值α、高临界阈值β，设置监测周期T、离散节点监测频度ω1、闲置节点监测频度ω2、过载节点监测频度ω3、失效节点监测频度ω4；

基站对所辖区域的所有传感器节点进行监测，在每个监测周期内，基站对所接收的各数据包按照传输拓扑发现阶段所述方法得到当前监测周期的传输拓扑，则：

在距离当前时间最近的连续ω1个监测周期内，若存在节点n_k∈N^B，n_k与其他任何节点之间没有链路边，则节点n_k为离散节点；

在距离当前时间最近的连续ω2个监测周期内，若存在节点n_k∈N^B，其活跃度权值x(n_k)均小于α，则节点n_k为闲置节点；

在距离当前时间最近的连续ω3个监测周期内，若存在节点n_k∈N^B，其活跃度权值x(n_k)均大于β的节点，则节点n_k为过载节点；

在距离当前时间最近的连续ω4个监测周期内，若存在时间点T′，在T′之前某节点n_k∈N^B的活跃度权值x(n_k)均不为零，而在T′之后x(n_k)不发生变化，则节点n_k为失效节点。

基于数据溯源的WSN异常节点发现系统，包括：数据溯源、传输拓扑发现和异常节点发现三个模块；

所述数据溯源模块：用于实现对数据包传输过程的溯源，生成参与该数据包传输的转发节点集合；

所述传输拓扑发现模块：根据所述数据溯源模块得到的数据包传输路径来拟合无线传感器网络的传输拓扑，并累计传输路径中各节点的活跃度权值，在设定的时间点输出传输拓扑。

异常节点发现模块：设置拓扑监测周期和监测频度，对所述传输拓扑发现模块所得到连续时段的传输拓扑进行监测，根据传输拓扑的连通性发现离散节点，根据传输拓扑中节点的活跃度权值来发现WSN的闲置节点和过载节点，通过监测节点的活跃度变化情况来发现失效节点。

所述数据包传输过程的溯源方法，可采用已有WSN数据溯源方法，例如：文献CAPTRA:coordinated packet traceback(《Proceedings of the 5th internationalconference on Information processing in sensor networks.ACM,2006:152-159.)提出的CAPTRA数据溯源方法，或者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)等。本发明的创新性

1本发明提供一种根据数据溯源结果发现WSN异常节点的新方法，通过数据溯源获得数据的实际传输路径，利用数据传输路径来拟合WSN的传输拓扑，根据传输拓扑的连通性和各节点的活跃度来发现异常节点。

2本发明提供一种发现离散节点、闲置节点、过载节点和失效节点的综合解决方案。

本发明的有益效果

1本发明提供一种发现WSN中离散节点、闲置节点、过载节点和失效节点的简单有效的新方法，为无线传感器网络的稳定性监控与服务质量分析提供了重要依据。

2本发明所述方法设计巧妙，方法简单，且对传感器节点资源占用小，具有良好的可实现性。

附图说明

图1是本发明传输拓扑拟合流程图；

图2是本发明异常节点发现示意图；

图3(a)-3(d)是本发明所述传输拓扑发现及其演变示意图。

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，基站收到数据包d后，首先对数据包d进行溯源，获得d的实际传输路径<n_d,1,n_d,2,…,n_d,t>，然后将该路径中各链路边均加入链路集合E^B中，并对传输路径中节点出现的频次进行累计，该累计频次即为WSN传输拓扑中节点的活跃性度量。

如图2所示，数据溯源阶段得到数据包的实际传输路径，拓扑发现阶段利用数据传输路径来拟合WSN的传输拓扑，异常节点发现阶段根据传输拓扑的连通性和各节点的活跃度权值来发现四类异常节点。

表1和图3(a)-3(d)为本发明所述方法的示例：设某基站所辖区域传感器节点集合为{n₁,n₂,n₃,n₄,n₅,n₆,n₇,n₈}，设置拓扑发现时间点为：T1、T2、T3和T4，在各时间点数据溯源统计结果如表1所示，其中，T3至T4时段内存在时间点T’，自T’到T4时间段内，测得节点n₃的活跃度权值不发生变化。

表1某基站在不同时间点数据溯源统计结果示例表

基于上述描述，在每个时间点，基站对所得到的数据包的溯源结果按照图1所示的拟合步骤，生成传输拓扑，图3(a)为T1时刻的传输拓扑图；图3(b)为T2时刻的传输拓扑图；图3(c)为T3时刻的传输拓扑图；图3(d)为T4时刻的传输拓扑图(虚线链路边表示自T’到T4时间段内，节点n₃与其他节点无链路边)。图3(a)-3(d)中节点旁边的数字表示节点的活跃度权值。从图3(a)-3(d)中可以看出：节点n₈与其他节点之间没有链路边，因此节点n₈为离散节点同时也是闲置节点，节点n₃为过载节点，在T3至T4时段，节点n₃变为失效节点。

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 (8)

1.基于数据溯源的WSN异常节点发现方法，其特征是，分为以下步骤：

步骤(1)：对基站的传输拓扑进行初始化；

步骤(2)：基站每收到一个数据包，均执行以下子步骤：

步骤(2.1)：对基站接收的数据包进行溯源，生成参与该数据包传输的转发节点集合；

步骤(2.2)：根据溯源路径对传输拓扑进行拟合；

步骤(3)：累计传输路径中各节点的活跃度权值，在设定的时间点输出基站的传输拓扑；

步骤(4)：设置拓扑监测周期和监测频度，对所述步骤(3)所得到连续时段的传输拓扑进行监测，根据传输拓扑的连通性发现离散节点，根据传输拓扑中节点的活跃度权值来发现WSN的闲置节点和过载节点，通过监测节点的活跃度变化情况来发现失效节点。

2.如权利要求1所述的方法，其特征是，

所述步骤(1)之前的步骤为：

设TP(B)为当前基站B所辖区域的传输拓扑，记TP(B)＝(N^B,E^B)，

其中，N^B＝{n₁,n₂,…,n_m}为基站B所辖区域传感器节点的集合，m为节点数量；

E^B＝{<n_i,n_j>|n_i,n_j∈N^B}为通信链路的集合，<n_i,n_j>为链路边，表示自节点n_i到n_j是一条数据传输链路；

对任意n_j∈N^B，记x(n_j)为节点n_j的活跃度权值。

3.如权利要求2所述的方法，其特征是，

所述步骤(1)的步骤为：

将基站B的传输拓扑TP(B)中链路集合E^B初始化为空集，所辖区域各节点的活跃度权值初始化为零，即：对任意n_j∈N^B，x(n_j)←0；

其中，“←”表示赋值。

4.如权利要求3所述的方法，其特征是，

所述步骤(2.1)的步骤为：

设d为基站接收的当前数据包，通过数据溯源，得到该数据包在传输过程中的实际传输路径P(d)＝<n_d,1,n_d,2,…,n_d,t>，其中，n_d,k∈N^B，k＝1,2,…,t，t为路径长度，n_d,1为d的源发送节点，n_d,k表示数据包d的传输路径上的第k个传感器节点。

5.如权利要求4所述的方法，其特征是，

所述步骤(2.2)的步骤为：

将传输路径P(d)中所有链路边均加入链路集合E^B，并累计各节点的活跃度权值；即：

E^B←(E^B∪{<n_d,1,n_d,2>,<n_d,2,n_d,3>,…,<n_d,t-1,n_d,t>)；

并且，节点的活跃度权值：x(n_d,k)←(x(n_d,k)+1)，k＝1,2,…,t；

其中，x(n_d,k)表示节点n_d,k的活跃度权值。

6.如权利要求5所述的方法，其特征是，

所述步骤(3)的步骤为：

设置拓扑发现时间点，重复执行步骤(2)直到拓扑发现时间点，输出得到的传输拓扑(N^B,E^B)，并且，对任意n_k∈N^B，输出节点n_k的活跃度权值x(n_k)。

7.如权利要求1所述的方法，其特征是，

所述步骤(4)的步骤为：

设置传感器节点活跃度低临界阈值α、高临界阈值β，设置监测周期T、离散节点监测频度ω1、闲置节点监测频度ω2、过载节点监测频度ω3、失效节点监测频度ω4；

基站对所辖区域的所有传感器节点进行监测，在每个监测周期内，基站对所接收的各数据包按照传输拓扑发现阶段所述方法得到当前监测周期的传输拓扑，则：

在距离当前时间最近的连续ω1个监测周期内，若存在节点n_k∈N^B，n_k与其他任何节点之间没有链路边，则节点n_k为离散节点；

在距离当前时间最近的连续ω2个监测周期内，若存在节点n_k∈N^B，其活跃度权值x(n_k)均小于α，则节点n_k为闲置节点；

在距离当前时间最近的连续ω3个监测周期内，若存在节点n_k∈N^B，其活跃度权值x(n_k)均大于β的节点，则节点n_k为过载节点；

在距离当前时间最近的连续ω4个监测周期内，若存在时间点T′，在T′之前某节点n_k∈N^B的活跃度权值x(n_k)均不为零，而在T′之后x(n_k)不发生变化，则节点n_k为失效节点。

8.基于数据溯源的WSN异常节点发现系统，其特征是，包括：数据溯源、传输拓扑发现和异常节点发现三个模块；

所述数据溯源模块：用于实现对数据包传输过程的溯源，生成参与该数据包传输的转发节点集合；

所述传输拓扑发现模块：根据所述数据溯源模块得到的数据包传输路径来拟合无线传感器网络的传输拓扑，并累计传输路径中各节点的活跃度权值，在设定的时间点输出传输拓扑；

异常节点发现模块：设置拓扑监测周期和监测频度，对所述传输拓扑发现模块所得到连续时段的传输拓扑进行监测，根据传输拓扑的连通性发现离散节点，根据传输拓扑中节点的活跃度权值来发现WSN的闲置节点和过载节点，通过监测节点的活跃度变化情况来发现失效节点。

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