CN112533207B - 一种无线传感器的数据验证方法、装置及其系统 - Google Patents

一种无线传感器的数据验证方法、装置及其系统 Download PDF

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CN112533207B CN202110159848.9A CN202110159848A CN112533207B CN 112533207 B CN112533207 B CN 112533207B CN 202110159848 A CN202110159848 A CN 202110159848A CN 112533207 B CN112533207 B CN 112533207B
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Abstract

本发明提出了一种无线传感器的数据验证方法及装置。本发明评估无线传感器数据验证计算的计算需求量；分别计算无线传感器以及局域网关的验证计算开销，并设置分布式验证计算的优化条件；以所述优化条件为前提，计算所述局域网关对本局域所属的全部无线传感器执行验证计算的总体开销。本发明在硬件上配置了专门芯片来执行传感器数据的验证计算，并且支持分布式计算架构，对于验证计算在数据处理量、能耗等方面实现整体的效能优化，实现验证计算的开销与成本负荷的均衡。

Description

一种无线传感器的数据验证方法、装置及其系统
技术领域
本发明涉及数据安全验证技术领域，更具体地说是涉及一种无线传感器的数据验证方法、装置及其系统。
背景技术
随着物联网技术的成熟和普及，各类无线传感器的应用越来越广泛，实现各种类型数据的感应、处理、模数转换、编码和传输。无线传感器采集的数据可以包括温度、湿度、光照度、空气成分含量等环境数据，也可以是形变量、应力等物理参量数据，还可以是空间定位、速度、加速度等方面的时空数据，乃至脉搏、体温、血压等人体生理数据。无线传感器采集数据的应用范畴也非常广泛，可用于工业生产自动控制、建筑物结构状态监测、家庭环境维护、智能驾驶、人体健康等诸多方面的系统。
然而，在实际中由于诸多因素，无线传感器发生数据异常也是比较常见的，例如数据突变、数据抖动、数据丢失等。这些异常会直接影响后续的数据应用，造成误判，甚至造成系统功能的丧失，严重影响稳定性和可靠性。另外，随着无线传感器采集数据的重要性日益提升，以及考虑到无线信道本身在安全性方面的薄弱环节，增强无线传感器数据安全性方面的需要越来越迫切，例如防范数据篡改、冒充传感器节点发送“假数据”等。
因此，对于无线传感器采集的数据执行验证是一个关键性的环节。通过数据验证可以发现和排除异常或者篡改、伪造的数据，保障数据的完整性和安全性，以及校验数据源的真实性。
目前，对于无线传感器采集数据的验证，主要方式是对一个或者一定数量的数据单元加入信息验证码，信息验证码可以是基于数据单元内容进行验证计算所获得的，以及，也可以对作为数据源的无线传感器的ID标识等进行验证计算获得该信息验证码。对于数据的接收方和使用方，则可以利用信息验证码对收到的数据单元及数据源标识进行验证。
但是，无线传感器作为一种小型、低成本、电池供电的设备，在硬件配置、计算能力、能耗等方面都受到较多的制约，针对无线传感器采集数据的验证计算，增大了数据处理量负荷以及能源开销，还会增加数据采集和传输的延迟，降低实时性。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种无线传感器的数据验证方法及装置。本发明在硬件上配置了专门芯片来执行传感器数据的验证计算，并且支持分布式计算架构，对于验证计算在数据处理量、能耗等方面实现整体的效能优化，实现验证计算的开销与成本负荷的均衡。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明提供了一种无线传感器的数据验证方法，通过无线传感器将自身感应、处理、模数转换、编码后的传感数据封装为预定格式的数据单元，并且确定数据单元中需要执行验证计算的数据单元部分，其特征在于，该方法还包括如下步骤：
S1，评估无线传感器数据验证计算的计算需求量；
S2，分别计算无线传感器以及局域网关的验证计算开销，并设置分布式验证计算的优化条件；
S3，以所述优化条件为前提，计算所述局域网关对本局域所属的全部无线传感器执行验证计算的总体开销；
S4，确定局域网关的总体开销之后，局域网关判断当前总体开销是否在预设的总体开销阈值以下；如果总体开销大于或等于总体开销阈值，则局域网关采取以下措施的任意一种或者多种来抑制本网关的总体开销：增加无线传感器到局域网关的延迟时间；减少针对每个无线传感器分配的计算资源。
优选的是，步骤S1中，评估无线传感器数据验证计算的计算需求量具体包括：
无线传感器根据需要进行验证计算的数据单元部分，评估执行验证计算的计算需求量
Figure 776079DEST_PATH_IMAGE001
；其中，
Figure 469229DEST_PATH_IMAGE002
表示计算需求量，
Figure 262217DEST_PATH_IMAGE003
表示进行验证计算预计的计算资源需求数，所述计算资源需求数包括线程需求数、能耗需求数，m代表传感器序号；
Figure 280988DEST_PATH_IMAGE004
为进行验证计算预计的计算数据量，根据需要进行验证计算的数据单元部分的总数及每个部分的单位数据量确定
Figure 162357DEST_PATH_IMAGE005
。
优选的是，步骤S2中，计算无线传感器的验证计算开销为：
Figure 393618DEST_PATH_IMAGE006
其中，
Figure 309621DEST_PATH_IMAGE007
，
Figure 233715DEST_PATH_IMAGE008
其中
Figure 867959DEST_PATH_IMAGE009
表示传感器序号为m的无线传感器的验证计算开销；
Figure 902911DEST_PATH_IMAGE010
表示时间开销权重，
Figure 407841DEST_PATH_IMAGE011
是时间开销，
Figure 768416DEST_PATH_IMAGE012
表示序号为m的无线传感器在单位时间窗口内计算数据量，
Figure 624376DEST_PATH_IMAGE013
表示计算资源开销权重，
Figure 197440DEST_PATH_IMAGE014
表示计算资源开销，
Figure 88036DEST_PATH_IMAGE015
表示该无线传感器每单位计算资源的计算资源开销系数，
Figure 353932DEST_PATH_IMAGE016
表示该无线传感器每单位数据量的计算资源开销系数。
优选的是，步骤S2中，对于传感器序号为m的无线传感器，由局域网关分担其验证计算的验证计算开销为：
Figure 431609DEST_PATH_IMAGE017
其中，
Figure 73943DEST_PATH_IMAGE018
；
其中，
Figure 819045DEST_PATH_IMAGE019
表示局域网关分担序号为m的传感器的验证计算所带来的开销，
Figure 255843DEST_PATH_IMAGE020
是传感器将未验证的数据单元上传给局域网关的时间开销，
Figure 86396DEST_PATH_IMAGE021
表示局域网关对序号为m的传感器的数据单元部分执行验证计算的时间开销，其中
Figure 1262DEST_PATH_IMAGE022
表示局域网关在单位时间窗口内计算数据量，
Figure 621378DEST_PATH_IMAGE023
表示风险开销，即传感器序号为m的无线传感器与局域网关的数据单元之间的无线传输所带来的数据风险的量化评估值，该量化评估值与序号为m的无线传感器和局域网关之间的网络环境相关。
优选的是，在步骤S2，设置分布式验证计算的优化条件为：当无线传感器的验证计算开销
Figure 494656DEST_PATH_IMAGE024
小于或等于局域网关的验证计算开销
Figure 546926DEST_PATH_IMAGE025
，则通过无线传感器进行自身数据单元部分的验证计算；当无线传感器的验证计算开销
Figure 531063DEST_PATH_IMAGE026
大于局域网关的验证计算开销
Figure 985178DEST_PATH_IMAGE027
，则由无线传感器将数据单元传输给局域网关，由局域网关执行对数据单元部分的验证计算。
优选的是，在步骤S3中，确定该总体开销时考虑局域网关总体的时间开销、资源开销和风险开销，即：
Figure 29357DEST_PATH_IMAGE028
其中，
Figure 568923DEST_PATH_IMAGE029
，
Figure 356750DEST_PATH_IMAGE030
表示局域网关每单位计算资源的计算资源开销系数，
Figure 665372DEST_PATH_IMAGE031
表示局域网关每单位数据量的计算资源开销系数；
Figure 614873DEST_PATH_IMAGE032
表示局域网关分担序号为m的无线传感器验证计算的几率系数，即根据当前的优化条件，局域网关分担序号为m的无线传感器验证计算的发生几率的正相关系数。
进而，本发明提供了一种无线传感器的数据验证装置，其特征在于，包括传感器数据验证芯片单元、计算需求量评估单元、验证计算分配单元；
所述传感器数据验证芯片单元采用集成在无线传感器内的加解密计算专用芯片，对于所述无线传感器感应、处理、模数转换、编码后的传感数据封装的预定格式的数据单元，确定数据单元中需要执行验证计算的数据单元部分，对所述数据单元部分进行验证计算获得信息验证码，并且将信息验证码加入所述数据单元；
计算需求量评估单元，用于根据需要进行验证计算的数据单元部分，评估执行验证计算的计算需求量
Figure 641735DEST_PATH_IMAGE033
；其中，
Figure 967674DEST_PATH_IMAGE034
表示计算需求量，
Figure 396382DEST_PATH_IMAGE035
表示进行验证计算预计的计算资源需求数，所述计算资源需求数包括线程需求数、能耗需求数，m代表传感器序号；
Figure 516784DEST_PATH_IMAGE036
为进行验证计算预计的计算数据量，根据需要进行验证计算的数据单元部分的总数及每个部分的单位数据量确定
Figure 296521DEST_PATH_IMAGE037
；
验证计算分配单元，用于分别计算无线传感器以及局域网关的验证计算开销，并设置分布式验证计算的优化条件。
其中，验证计算分配单元计算无线传感器的验证计算开销为：
Figure 160572DEST_PATH_IMAGE038
；其中，
Figure 178207DEST_PATH_IMAGE039
，
Figure 735090DEST_PATH_IMAGE040
；其中
Figure 470965DEST_PATH_IMAGE041
表示传感器序号为m的无线传感器的验证计算开销；
Figure 870198DEST_PATH_IMAGE042
表示时间开销权重，
Figure 742339DEST_PATH_IMAGE043
是时间开销，
Figure 470123DEST_PATH_IMAGE044
表示序号为m的无线传感器在单位时间窗口内计算数据量，
Figure 427715DEST_PATH_IMAGE045
表示计算资源开销权重，
Figure 164727DEST_PATH_IMAGE046
表示计算资源开销，
Figure 422533DEST_PATH_IMAGE047
表示该无线传感器每单位计算资源的计算资源开销系数，
Figure 55640DEST_PATH_IMAGE048
表示该无线传感器每单位数据量的计算资源开销系数。
其中，对于传感器序号为m的无线传感器，验证计算分配单元计算由局域网关分担其验证计算的验证计算开销为：
Figure 766107DEST_PATH_IMAGE049
；其中，
Figure 775651DEST_PATH_IMAGE050
；其中，
Figure 622384DEST_PATH_IMAGE051
表示局域网关分担序号为m的传感器的验证计算所带来的开销，
Figure 957551DEST_PATH_IMAGE052
是传感器将未验证的数据单元上传给局域网关的时间开销，
Figure 889735DEST_PATH_IMAGE053
表示局域网关对序号为m的传感器的数据单元部分执行验证计算的时间开销，其中
Figure 702970DEST_PATH_IMAGE054
表示局域网关在单位时间窗口内计算数据量，
Figure 669789DEST_PATH_IMAGE023
表示风险开销。
其中，所述验证计算分配单元设置分布式验证计算的优化条件为：当无线传感器的验证计算开销
Figure 910277DEST_PATH_IMAGE055
小于或等于局域网关的验证计算开销
Figure 860916DEST_PATH_IMAGE056
，则通过无线传感器自身的传感器数据验证芯片单元进行数据单元部分的验证计算；当无线传感器的验证计算开销
Figure 212263DEST_PATH_IMAGE057
大于局域网关的验证计算开销
Figure 299167DEST_PATH_IMAGE058
，则由无线传感器将数据单元传输给局域网关，由局域网关执行对数据单元部分的验证计算。
本发明提供了一种无线传感器的数据验证系统，包括无线传感器以及局域网关；无线传感器与局域网关之间建立直接通信链路，从而无线传感器将自身的数据单元发送给局域网关；局域网关对本局域内的全部无线传感器提供的数据单元进行汇聚，然后进一步传输给数据接收方和应用方；所述无线传感器和局域网关对无线传感器数据单元中需要执行验证计算的数据单元部分进行验证计算，获得信息验证码，并且将信息验证码加入所述数据单元；
所述无线传感器具有数据验证装置，该数据验证装置包括：传感器数据验证芯片单元、计算需求量评估单元、验证计算分配单元；所述传感器数据验证芯片单元采用集成在无线传感器内的加解密计算专用芯片，对于所述无线传感器感应、处理、模数转换、编码后的传感数据封装的预定格式的数据单元，确定数据单元中需要执行验证计算的数据单元部分，对所述数据单元部分进行验证计算获得信息验证码，并且将信息验证码加入所述数据单元；计算需求量评估单元，用于根据需要进行验证计算的数据单元部分，评估执行验证计算的计算需求量
Figure 444978DEST_PATH_IMAGE059
；其中，
Figure 348824DEST_PATH_IMAGE060
表示计算需求量，
Figure 769441DEST_PATH_IMAGE061
表示进行验证计算预计的计算资源需求数，所述计算资源需求数包括线程需求数、能耗需求数，m代表传感器序号；
Figure 445273DEST_PATH_IMAGE062
为进行验证计算预计的计算数据量，根据需要进行验证计算的数据单元部分的总数及每个部分的单位数据量确定
Figure 496406DEST_PATH_IMAGE063
；验证计算分配单元，用于分别计算无线传感器以及局域网关的验证计算开销，并设置分布式验证计算的优化条件；其中，验证计算分配单元计算无线传感器的验证计算开销为：
Figure DEST_PATH_IMAGE065A
；其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE067A
，
Figure DEST_PATH_IMAGE069A
；其中
Figure DEST_PATH_IMAGE071A
表示传感器序号为m的无线传感器的验证计算开销；
Figure DEST_PATH_IMAGE073A
表示时间开销权重，
Figure DEST_PATH_IMAGE075A
是时间开销，
Figure DEST_PATH_IMAGE077A
表示序号为m的无线传感器在单位时间窗口内计算数据量，
Figure DEST_PATH_IMAGE079A
表示计算资源开销权重，
Figure DEST_PATH_IMAGE081A
表示计算资源开销，
Figure DEST_PATH_IMAGE083A
表示该无线传感器每单位计算资源的计算资源开销系数，
Figure DEST_PATH_IMAGE085A
表示该无线传感器每单位数据量的计算资源开销系数；对于传感器序号为m的无线传感器，验证计算分配单元计算由局域网关分担其验证计算的验证计算开销为：
Figure 998800DEST_PATH_IMAGE086
；其中，
Figure 691950DEST_PATH_IMAGE087
；其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE089A
表示局域网关分担序号为m的传感器的验证计算所带来的开销，
Figure 691130DEST_PATH_IMAGE090
是传感器将未验证的数据单元上传给局域网关的时间开销，
Figure 444322DEST_PATH_IMAGE091
表示局域网关对序号为m的传感器的数据单元部分执行验证计算的时间开销，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE093A
表示局域网关在单位时间窗口内计算数据量，
Figure 994865DEST_PATH_IMAGE023
表示风险开销；验证计算分配单元设置分布式验证计算的优化条件为：当无线传感器的验证计算开销
Figure 757284DEST_PATH_IMAGE057
小于或等于局域网关的验证计算开销
Figure DEST_PATH_IMAGE095A
，则通过无线传感器自身的传感器数据验证芯片单元进行数据单元部分的验证计算；当无线传感器的验证计算开销
Figure 876550DEST_PATH_IMAGE057
大于局域网关的验证计算开销
Figure 800644DEST_PATH_IMAGE027
，则由无线传感器将数据单元传输给局域网关，由局域网关执行对数据单元部分的验证计算；
所述局域网关以所述优化条件为前提，计算所述局域网关对本局域所属的全部无线传感器执行验证计算的总体开销；在确定该总体开销时，需要考虑局域网关总体的时间开销、资源开销和风险开销，即：
Figure DEST_PATH_IMAGE097A
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE099A
，
Figure DEST_PATH_IMAGE101A
表示局域网关每单位计算资源的计算资源开销系数，
Figure DEST_PATH_IMAGE103A
表示局域网关每单位数据量的计算资源开销系数；
Figure DEST_PATH_IMAGE105A
表示局域网关分担序号为m的无线传感器验证计算的几率系数，即根据当前的优化条件，局域网关分担序号为m的无线传感器验证计算的发生几率的正相关系数；并且，所述局域网关确定局域网关的总体开销之后，局域网关判断当前总体开销是否在预设的总体开销阈值以下；如果总体开销大于或等于总体开销阈值，则局域网关采取以下措施的任意一种或者多种来抑制本网关的总体开销：增加无线传感器到局域网关的延迟时间；减少针对每个无线传感器分配的计算资源。
本发明具有以下有益效果：本发明能够较好地适应无线传感器自身在执行对数据单元部分的验证计算时所面临的硬件配置、计算能力、能耗等方面的制约，可以根据优化时间和资源开销的规则实现验证计算在无线传感器自身及其局域网关之间的动态平衡分配，支持了分布式的数据验证计算架构，对于验证计算在数据处理量、能耗等方面实现整体的效能优化，实现验证计算的开销与成本负荷的均衡。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明的一种无线传感器的数据验证方法流程图；
图2为本发明的一种无线传感器数据验证装置结构框图；
图3为本发明的一种无线传感器数据系统结构图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明提供了一种无线传感器的数据验证方法，包括如下步骤：
S1，评估无线传感器数据验证计算的计算需求量；
无线传感器将自身感应、处理、模数转换、编码后的传感数据封装为预定格式的数据单元，例如采用数据帧的结构封装数据单元。并且，无线传感器确定数据单元中需要执行验证计算的数据单元部分，例如数据帧的有效载荷部分，或者数据帧中标识作为数据源的无线传感器ID的标识部分。
无线传感器根据需要进行验证计算的数据单元部分，评估执行验证计算的计算需求量
Figure DEST_PATH_IMAGE107A
；其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE109AAA
表示计算需求量，
Figure DEST_PATH_IMAGE111AAAAA
表示进行验证计算预计的计算资源需求数，所述计算资源需求数包括但不限于线程需求数、能耗需求数，m代表传感器序号；
Figure DEST_PATH_IMAGE113AAAAA
为进行验证计算预计的计算数据量，根据需要进行验证计算的数据单元部分的总数及每个部分的单位数据量确定
Figure DEST_PATH_IMAGE115AA
。
可见，步骤S1依据进行验证计算所需的计算资源需求数和计算数据量，对计算需求量进行总体的表征和估计，为后续展开分布式验证计算并实现整体效能提供基础。
S2，分别计算无线传感器以及局域网关的验证计算开销，并设置分布式验证计算的优化条件；
具体的，所述无线传感器通过其自身内置的专用芯片，执行对数据单元部分的验证计算，验证计算基于数据单元部分生成信息验证码，例如通过哈希计算生成数据单元部分的哈希验证码，然后加入到数据单元。
现有的无线传感器普遍采用双层或者多层架构，即布设一定数量的局域网关。无线传感器与局域网关之间建立直接通信链路，从而无线传感器将自身的数据单元发送给局域网关。局域网关对本局域内的全部无线传感器提供的数据单元进行汇聚，然后进一步传输给数据接收方和应用方。多层架构则是可以在局域网关的基础上设立更高层的网关节点。局域网关在硬件配置、计算能力、能源供应方面均优于无线传感器。
本发明计算无线传感器的验证计算开销为：
Figure DEST_PATH_IMAGE117AA
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE119AA
，
Figure DEST_PATH_IMAGE121AA
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE123AA
表示传感器序号为m的无线传感器的验证计算开销；
Figure DEST_PATH_IMAGE125AA
表示时间开销权重，
Figure DEST_PATH_IMAGE127AA
是时间开销，
Figure DEST_PATH_IMAGE129AA
表示序号为m的无线传感器在单位时间窗口内计算数据量，
Figure DEST_PATH_IMAGE131AA
表示计算资源开销权重，
Figure DEST_PATH_IMAGE133AA
表示计算资源开销，
Figure DEST_PATH_IMAGE083AA
表示该无线传感器每单位计算资源的计算资源开销系数，
Figure DEST_PATH_IMAGE135A
表示该无线传感器每单位数据量的计算资源开销系数。
对于传感器序号为m的无线传感器，由局域网关分担其验证计算的验证计算开销为：
Figure DEST_PATH_IMAGE137A
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE139A
；
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE141A
表示局域网关分担序号为m的传感器的验证计算所带来的开销，
Figure DEST_PATH_IMAGE143A
是传感器将未验证的数据单元上传给局域网关的时间开销，
Figure DEST_PATH_IMAGE145A
表示局域网关对序号为m的传感器的数据单元部分执行验证计算的时间开销，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE147A
表示局域网关在单位时间窗口内计算数据量，
Figure DEST_PATH_IMAGE149A
表示风险开销，即传感器序号为m的无线传感器与局域网关的数据单元之间的无线传输所带来的数据风险的量化评估值，从无线传感器到局域网关之间的数据单元无线传输同样面临着数据异常、篡改、丢失乃至伪造的数据风险，但是由于是局域环境的近程传输，其风险显著较小，而且考虑到无线传感器持续输出数据，少量数据单元的风险整体影响可控，因此利用量化评估值表征数据风险方面的开销，该量化评估值与序号为m的无线传感器和局域网关之间的网络环境相关，例如无线信道状况、无线传输所用的物联网协议的安全性等。对于单个无线传感器，确定局域网关分担其数据单元部分的验证计算所带来的开销时，先不需要考虑局域网关的资源开销。
进而，在步骤S2，设置分布式验证计算的优化条件为：当无线传感器的验证计算开销
Figure DEST_PATH_IMAGE151A
小于或等于局域网关的验证计算开销
Figure DEST_PATH_IMAGE153A
，则通过无线传感器进行自身数据单元部分的验证计算；当无线传感器的验证计算开销
Figure DEST_PATH_IMAGE155A
大于局域网关的验证计算开销
Figure 71438DEST_PATH_IMAGE027
，则由无线传感器将数据单元传输给局域网关，由局域网关执行对数据单元部分的验证计算。
S3，以所述优化条件为前提，计算所述局域网关对本局域所属的全部无线传感器执行验证计算的总体开销；在确定该总体开销时，需要考虑局域网关总体的时间开销、资源开销和风险开销，即：
Figure 371970DEST_PATH_IMAGE156
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE158AA
，
Figure DEST_PATH_IMAGE160AAA
表示局域网关每单位计算资源的计算资源开销系数，
Figure DEST_PATH_IMAGE162AA
表示局域网关每单位数据量的计算资源开销系数；
Figure 257378DEST_PATH_IMAGE163
表示局域网关分担序号为m的无线传感器验证计算的几率系数，即根据当前的优化条件，局域网关分担序号为m的无线传感器验证计算的发生几率的正相关系数。
S4，确定局域网关的总体开销之后，局域网关判断当前总体开销是否在预设的总体开销阈值以下；如果总体开销大于或等于总体开销阈值，则局域网关采取以下措施的任意一种或者多种来抑制本网关的总体开销：增加无线传感器到局域网关的延迟时间；减少针对每个无线传感器分配的计算资源，从而能够调节传感器序号为m的无线传感器由局域网关分担其验证计算的验证计算开销
Figure 352373DEST_PATH_IMAGE056
，进而改变无线传感器自身执行验证计算和由局域网关分担其验证计算的分配关系。
进而，基于上述方法，如图2所示，本发明提供了如下的无线传感器的数据验证装置：该装置包括传感器数据验证芯片单元、计算需求量评估单元、验证计算分配单元；
所述传感器数据验证芯片单元采用集成在无线传感器内的加解密计算专用芯片，对于所述无线传感器感应、处理、模数转换、编码后的传感数据封装的预定格式的数据单元，确定数据单元中需要执行验证计算的数据单元部分，对所述数据单元部分进行验证计算获得信息验证码，并且将信息验证码加入所述数据单元；
计算需求量评估单元，用于根据需要进行验证计算的数据单元部分，评估执行验证计算的计算需求量
Figure 208334DEST_PATH_IMAGE164
；其中，
Figure 46977DEST_PATH_IMAGE165
表示计算需求量，
Figure 937572DEST_PATH_IMAGE166
表示进行验证计算预计的计算资源需求数，所述计算资源需求数包括但不限于线程需求数、能耗需求数，m代表传感器序号；
Figure 469048DEST_PATH_IMAGE167
为进行验证计算预计的计算数据量，根据需要进行验证计算的数据单元部分的总数及每个部分的单位数据量确定
Figure 546725DEST_PATH_IMAGE036
；
验证计算分配单元，用于分别计算无线传感器以及局域网关的验证计算开销，并设置分布式验证计算的优化条件；其中，验证计算分配单元计算无线传感器的验证计算开销为：
Figure 923480DEST_PATH_IMAGE168
；其中，
Figure 668582DEST_PATH_IMAGE169
，
Figure 105380DEST_PATH_IMAGE170
；其中
Figure 670353DEST_PATH_IMAGE171
表示传感器序号为m的无线传感器的验证计算开销；
Figure 116378DEST_PATH_IMAGE172
表示时间开销权重，
Figure 715987DEST_PATH_IMAGE011
是时间开销，
Figure 323686DEST_PATH_IMAGE173
表示序号为m的无线传感器在单位时间窗口内计算数据量，
Figure 110376DEST_PATH_IMAGE174
表示计算资源开销权重，
Figure 360092DEST_PATH_IMAGE175
表示计算资源开销，
Figure 814207DEST_PATH_IMAGE176
表示该无线传感器每单位计算资源的计算资源开销系数，
Figure 858386DEST_PATH_IMAGE177
表示该无线传感器每单位数据量的计算资源开销系数；对于传感器序号为m的无线传感器，验证计算分配单元计算由局域网关分担其验证计算的验证计算开销为：
Figure 132373DEST_PATH_IMAGE178
；其中，
Figure 651691DEST_PATH_IMAGE179
；其中，
Figure 960313DEST_PATH_IMAGE180
表示局域网关分担序号为m的传感器的验证计算所带来的开销，
Figure 175393DEST_PATH_IMAGE020
是传感器将未验证的数据单元上传给局域网关的时间开销，
Figure 467835DEST_PATH_IMAGE181
表示局域网关对序号为m的传感器的数据单元部分执行验证计算的时间开销，其中
Figure 528194DEST_PATH_IMAGE022
表示局域网关在单位时间窗口内计算数据量，
Figure 222481DEST_PATH_IMAGE182
表示风险开销；验证计算分配单元设置分布式验证计算的优化条件为：当无线传感器的验证计算开销
Figure 342884DEST_PATH_IMAGE183
小于或等于局域网关的验证计算开销
Figure 857042DEST_PATH_IMAGE027
，则通过无线传感器自身的传感器数据验证芯片单元进行数据单元部分的验证计算；当无线传感器的验证计算开销
Figure 721092DEST_PATH_IMAGE057
大于局域网关的验证计算开销
Figure 4306DEST_PATH_IMAGE184
，则由无线传感器将数据单元传输给局域网关，由局域网关执行对数据单元部分的验证计算。
如图3所示，本发明提供了一种无线传感器的数据验证系统，包括无线传感器以及局域网关；无线传感器与局域网关之间建立直接通信链路，从而无线传感器将自身的数据单元发送给局域网关；局域网关对本局域内的全部无线传感器提供的数据单元进行汇聚，然后进一步传输给数据接收方和应用方；所述无线传感器和局域网关对无线传感器数据单元中需要执行验证计算的数据单元部分进行验证计算，获得信息验证码，并且将信息验证码加入所述数据单元；
所述无线传感器具有数据验证装置，该数据验证装置包括：传感器数据验证芯片单元、计算需求量评估单元、验证计算分配单元；所述传感器数据验证芯片单元采用集成在无线传感器内的加解密计算专用芯片，对于所述无线传感器感应、处理、模数转换、编码后的传感数据封装的预定格式的数据单元，确定数据单元中需要执行验证计算的数据单元部分，对所述数据单元部分进行验证计算获得信息验证码，并且将信息验证码加入所述数据单元；计算需求量评估单元，用于根据需要进行验证计算的数据单元部分，评估执行验证计算的计算需求量
Figure DEST_PATH_IMAGE185
；其中，
Figure 30031DEST_PATH_IMAGE186
表示计算需求量，
Figure DEST_PATH_IMAGE187
表示进行验证计算预计的计算资源需求数，所述计算资源需求数包括但不限于线程需求数、能耗需求数，m代表传感器序号；
Figure 500327DEST_PATH_IMAGE188
为进行验证计算预计的计算数据量，根据需要进行验证计算的数据单元部分的总数及每个部分的单位数据量确定
Figure 168068DEST_PATH_IMAGE036
；验证计算分配单元，用于分别计算无线传感器以及局域网关的验证计算开销，并设置分布式验证计算的优化条件；其中，验证计算分配单元计算无线传感器的验证计算开销为：
Figure DEST_PATH_IMAGE189
；其中，
Figure 305789DEST_PATH_IMAGE190
，
Figure DEST_PATH_IMAGE191
；其中
Figure 236836DEST_PATH_IMAGE192
表示传感器序号为m的无线传感器的验证计算开销；
Figure DEST_PATH_IMAGE193
表示时间开销权重，
Figure 194427DEST_PATH_IMAGE194
是时间开销，
Figure 928509DEST_PATH_IMAGE173
表示序号为m的无线传感器在单位时间窗口内计算数据量，
Figure DEST_PATH_IMAGE195
表示计算资源开销权重，
Figure 655157DEST_PATH_IMAGE196
表示计算资源开销，
Figure DEST_PATH_IMAGE197
表示该无线传感器每单位计算资源的计算资源开销系数，
Figure 757105DEST_PATH_IMAGE016
表示该无线传感器每单位数据量的计算资源开销系数；对于传感器序号为m的无线传感器，验证计算分配单元计算由局域网关分担其验证计算的验证计算开销为：
Figure 998731DEST_PATH_IMAGE198
；其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE199
；其中，
Figure 211537DEST_PATH_IMAGE019
表示局域网关分担序号为m的传感器的验证计算所带来的开销，
Figure 323850DEST_PATH_IMAGE200
是传感器将未验证的数据单元上传给局域网关的时间开销，
Figure DEST_PATH_IMAGE201
表示局域网关对序号为m的传感器的数据单元部分的执行验证计算时间开销，其中
Figure 331120DEST_PATH_IMAGE022
表示局域网关在单位时间窗口内计算数据量，
Figure 528883DEST_PATH_IMAGE023
表示风险开销；验证计算分配单元设置分布式验证计算的优化条件为：当无线传感器的验证计算开销
Figure 607698DEST_PATH_IMAGE202
小于或等于局域网关的验证计算开销
Figure 308937DEST_PATH_IMAGE056
，则通过无线传感器自身的传感器数据验证芯片单元进行数据单元部分的验证计算；当无线传感器的验证计算开销
Figure 815005DEST_PATH_IMAGE055
大于局域网关的验证计算开销
Figure 500064DEST_PATH_IMAGE056
，则由无线传感器将数据单元传输给局域网关，由局域网关执行对数据单元部分的验证计算；
所述局域网关以所述优化条件为前提，计算所述局域网关对本局域内的全部无线传感器执行验证计算的总体开销；在确定该总体开销时，需要考虑局域网关总体的时间开销、资源开销和风险开销，即：
Figure DEST_PATH_IMAGE203
其中，
Figure 585832DEST_PATH_IMAGE204
，
Figure DEST_PATH_IMAGE205
表示局域网关每单位计算资源的计算资源开销系数，
Figure 873069DEST_PATH_IMAGE206
表示局域网关每单位数据量的计算资源开销系数；
Figure DEST_PATH_IMAGE207
表示局域网关分担序号为m的无线传感器验证计算的几率系数，即根据当前的优化条件，局域网关分担序号为m的无线传感器验证计算的发生几率的正相关系数；并且，所述局域网关确定局域网关的总体开销之后，局域网关判断当前总体开销是否在预设的总体开销阈值以下；如果总体开销大于或等于总体开销阈值，则局域网关采取以下措施的任意一种或者多种来抑制本网关的总体开销：增加无线传感器到局域网关的延迟时间；减少针对每个无线传感器分配的计算资源，从而能够调节传感器序号为m的无线传感器由局域网关分担其验证计算的验证计算开销
Figure 753301DEST_PATH_IMAGE208
，进而改变无线传感器自身执行验证计算和由局域网关分担其验证计算的分配关系。
本发明具有以下有益效果：
本发明能够较好地适应无线传感器自身在执行对数据单元部分的验证计算时所面临的硬件配置、计算能力、能耗等方面的制约，可以根据优化时间和资源开销的规则实现验证计算在无线传感器自身及其局域网关之间的动态平衡分配，支持了分布式的数据验证计算架构，对于验证计算在数据处理量、能耗等方面实现整体的效能优化，实现验证计算的开销与成本负荷的均衡。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽范围。

Claims (8)

1.一种无线传感器的数据验证方法，通过无线传感器将自身感应、处理、模数转换、编码后的传感数据封装为预定格式的数据单元，并且确定数据单元中需要执行验证计算的数据单元部分，其特征在于，该方法还包括如下步骤：
S1，评估无线传感器数据验证计算的计算需求量；
S2，分别计算无线传感器以及局域网关的验证计算开销，并设置分布式验证计算的优化条件；
S3，以所述优化条件为前提，计算所述局域网关对本局域所属的全部无线传感器执行验证计算的总体开销；
S4，确定局域网关的总体开销之后，局域网关判断当前总体开销是否在预设的总体开销阈值以下；如果总体开销大于或等于总体开销阈值，则局域网关采取以下措施的任意一种或者多种来抑制本网关的总体开销：增加无线传感器到局域网关的延迟时间；减少针对每个无线传感器分配的计算资源；
其中，在步骤S2，设置分布式验证计算的优化条件为：
当无线传感器的验证计算开销
Figure 756415DEST_PATH_IMAGE001
小于或等于局域网关的验证计算开销
Figure 484200DEST_PATH_IMAGE002
，则通过无线传感器进行自身数据单元部分的验证计算；当无线传感器的验证计算开销
Figure 707371DEST_PATH_IMAGE003
大于局域网关的验证计算开销
Figure 913224DEST_PATH_IMAGE002
，则由无线传感器将数据单元传输给局域网关，由局域网关执行对数据单元部分的验证计算。
2.根据权利要求1所述的无线传感器的数据验证方法，其特征在于，步骤S1中，评估无线传感器数据验证计算的计算需求量具体包括：
无线传感器根据需要进行验证计算的数据单元部分，评估执行验证计算的计算需求量
Figure 171030DEST_PATH_IMAGE004
；其中，
Figure 69716DEST_PATH_IMAGE005
表示计算需求量，
Figure 42832DEST_PATH_IMAGE006
表示进行验证计算预计的计算资源需求数，所述计算资源需求数包括线程需求数、能耗需求数，m代表传感器序号；
Figure 786798DEST_PATH_IMAGE007
为进行验证计算预计的计算数据量，根据需要进行验证计算的数据单元部分的总数及每个部分的单位数据量确定
Figure 899110DEST_PATH_IMAGE008
。
3.根据权利要求2所述的无线传感器的数据验证方法，其特征在于，步骤S2中，计算无线传感器的验证计算开销为：
Figure 703118DEST_PATH_IMAGE009
其中，
Figure 166460DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure 714116DEST_PATH_IMAGE011
其中
Figure 946515DEST_PATH_IMAGE012
表示传感器序号为m的无线传感器的验证计算开销；
Figure 187003DEST_PATH_IMAGE013
表示时间开销权重，
Figure 606483DEST_PATH_IMAGE014
是时间开销，
Figure 223409DEST_PATH_IMAGE015
表示序号为m的无线传感器在单位时间窗口内计算数据量，
Figure 310314DEST_PATH_IMAGE016
表示计算资源开销权重，
Figure 987283DEST_PATH_IMAGE017
表示计算资源开销，
Figure 894059DEST_PATH_IMAGE018
表示该无线传感器每单位计算资源的计算资源开销系数，
Figure 49097DEST_PATH_IMAGE019
表示该无线传感器每单位数据量的计算资源开销系数。
4.根据权利要求3所述的无线传感器的数据验证方法，其特征在于，步骤S2中，对于传感器序号为m的无线传感器，由局域网关分担其验证计算的验证计算开销为：
Figure 990508DEST_PATH_IMAGE020
其中，
Figure 838378DEST_PATH_IMAGE021
；
其中，
Figure 498030DEST_PATH_IMAGE022
表示局域网关分担序号为m的传感器的验证计算所带来的开销，
Figure 191179DEST_PATH_IMAGE023
是传感器将未验证的数据单元上传给局域网关的时间开销，
Figure 987097DEST_PATH_IMAGE024
表示局域网关对序号为m的传感器的数据单元部分执行验证计算的时间开销，其中
Figure 5869DEST_PATH_IMAGE025
表示局域网关在单位时间窗口内计算数据量，
Figure 152816DEST_PATH_IMAGE026
表示风险开销，即传感器序号为m的无线传感器与局域网关的数据单元之间的无线传输所带来的数据风险的量化评估值，该量化评估值与序号为m的无线传感器和局域网关之间的网络环境相关。
5.一种无线传感器的数据验证装置，其特征在于，包括传感器数据验证芯片单元、计算需求量评估单元、验证计算分配单元；
所述传感器数据验证芯片单元采用集成在无线传感器内的加解密计算专用芯片，对于所述无线传感器感应、处理、模数转换、编码后的传感数据封装的预定格式的数据单元，确定数据单元中需要执行验证计算的数据单元部分，对所述数据单元部分进行验证计算获得信息验证码，并且将信息验证码加入所述数据单元；
计算需求量评估单元，用于根据需要进行验证计算的数据单元部分，评估执行验证计算的计算需求量
Figure 649657DEST_PATH_IMAGE027
；其中，
Figure 562730DEST_PATH_IMAGE028
表示计算需求量，
Figure 221245DEST_PATH_IMAGE029
表示进行验证计算预计的计算资源需求数，所述计算资源需求数包括线程需求数、能耗需求数，m代表传感器序号；
Figure 855488DEST_PATH_IMAGE030
为进行验证计算预计的计算数据量，根据需要进行验证计算的数据单元部分的总数及每个部分的单位数据量确定
Figure 156020DEST_PATH_IMAGE031
；
验证计算分配单元，用于分别计算无线传感器以及局域网关的验证计算开销，并设置分布式验证计算的优化条件；
所述验证计算分配单元设置分布式验证计算的优化条件为：
当无线传感器的验证计算开销
Figure 192109DEST_PATH_IMAGE032
小于或等于局域网关的验证计算开销
Figure 21525DEST_PATH_IMAGE033
，则通过无线传感器自身的传感器数据验证芯片单元进行数据单元部分的验证计算；当无线传感器的验证计算开销
Figure 143064DEST_PATH_IMAGE032
大于局域网关的验证计算开销
Figure 247287DEST_PATH_IMAGE033
，则由无线传感器将数据单元传输给局域网关，由局域网关执行对数据单元部分的验证计算。
6.根据权利要求5所述的无线传感器的数据验证装置，其特征在于，验证计算分配单元计算无线传感器的验证计算开销为：
Figure 872303DEST_PATH_IMAGE034
；其中，
Figure 403778DEST_PATH_IMAGE035
，
Figure 481456DEST_PATH_IMAGE036
；其中
Figure 389369DEST_PATH_IMAGE037
表示传感器序号为m的无线传感器的验证计算开销；
Figure 868892DEST_PATH_IMAGE038
表示时间开销权重，
Figure 571269DEST_PATH_IMAGE014
是时间开销，
Figure 401821DEST_PATH_IMAGE039
表示序号为m的无线传感器在单位时间窗口内计算数据量，
Figure 847846DEST_PATH_IMAGE040
表示计算资源开销权重，
Figure 447455DEST_PATH_IMAGE041
表示计算资源开销，
Figure 55154DEST_PATH_IMAGE042
表示该无线传感器每单位计算资源的计算资源开销系数，
Figure 373003DEST_PATH_IMAGE043
表示该无线传感器每单位数据量的计算资源开销系数。
7.根据权利要求6所述的无线传感器的数据验证装置，其特征在于，对于传感器序号为m的无线传感器，验证计算分配单元计算由局域网关分担其验证计算的验证计算开销为：
Figure 357139DEST_PATH_IMAGE044
；其中，
Figure 76833DEST_PATH_IMAGE045
；其中，
Figure 855434DEST_PATH_IMAGE046
表示局域网关分担序号为m的传感器的验证计算所带来的开销，
Figure 660579DEST_PATH_IMAGE047
是传感器将未验证的数据单元上传给局域网关的时间开销，
Figure 448406DEST_PATH_IMAGE024
表示局域网关对序号为m的传感器的数据单元部分执行验证计算的时间开销，其中
Figure 22607DEST_PATH_IMAGE048
表示局域网关在单位时间窗口内计算数据量，
Figure 969179DEST_PATH_IMAGE026
表示风险开销。
8.一种无线传感器的数据验证系统，包括无线传感器以及局域网关；无线传感器与局域网关之间建立直接通信链路，从而无线传感器将自身的数据单元发送给局域网关；局域网关对本局域内的全部无线传感器提供的数据单元进行汇聚，然后进一步传输给数据接收方和应用方；其特征在于，所述无线传感器和局域网关对无线传感器数据单元中需要执行验证计算的数据单元部分进行验证计算，获得信息验证码，并且将信息验证码加入所述数据单元；
所述无线传感器具有数据验证装置，该数据验证装置包括：传感器数据验证芯片单元、计算需求量评估单元、验证计算分配单元；所述传感器数据验证芯片单元采用集成在无线传感器内的加解密计算专用芯片，对于所述无线传感器感应、处理、模数转换、编码后的传感数据封装的预定格式的数据单元，确定数据单元中需要执行验证计算的数据单元部分，对所述数据单元部分进行验证计算获得信息验证码，并且将信息验证码加入所述数据单元；计算需求量评估单元，用于根据需要进行验证计算的数据单元部分，评估执行验证计算的计算需求量
Figure 996040DEST_PATH_IMAGE049
；其中，
Figure 587559DEST_PATH_IMAGE028
表示计算需求量，
Figure 16266DEST_PATH_IMAGE029
表示进行验证计算预计的计算资源需求数，所述计算资源需求数包括线程需求数、能耗需求数，m代表传感器序号；
Figure 402248DEST_PATH_IMAGE030
为进行验证计算预计的计算数据量，根据需要进行验证计算的数据单元部分的总数及每个部分的单位数据量确定
Figure 916406DEST_PATH_IMAGE030
；验证计算分配单元，用于分别计算无线传感器以及局域网关的验证计算开销，并设置分布式验证计算的优化条件；其中，验证计算分配单元计算无线传感器的验证计算开销为：
Figure 46036DEST_PATH_IMAGE050
；其中，
Figure 63671DEST_PATH_IMAGE051
，
Figure 886133DEST_PATH_IMAGE052
；其中
Figure 887587DEST_PATH_IMAGE053
表示传感器序号为m的无线传感器的验证计算开销；
Figure 555329DEST_PATH_IMAGE054
表示时间开销权重，
Figure 693049DEST_PATH_IMAGE014
是时间开销，
Figure 686413DEST_PATH_IMAGE055
表示序号为m的无线传感器在单位时间窗口内计算数据量，
Figure 175163DEST_PATH_IMAGE056
表示计算资源开销权重，
Figure 381016DEST_PATH_IMAGE057
表示计算资源开销，
Figure 638822DEST_PATH_IMAGE042
表示该无线传感器每单位计算资源的计算资源开销系数，
Figure 537508DEST_PATH_IMAGE058
表示该无线传感器每单位数据量的计算资源开销系数；对于传感器序号为m的无线传感器，验证计算分配单元计算由局域网关分担其验证计算的验证计算开销为：
Figure 247975DEST_PATH_IMAGE059
；其中，
Figure 257520DEST_PATH_IMAGE060
；其中，
Figure 635411DEST_PATH_IMAGE061
表示局域网关分担序号为m的传感器的验证计算所带来的开销，
Figure 439419DEST_PATH_IMAGE023
是传感器将未验证的数据单元上传给局域网关的时间开销，
Figure 902762DEST_PATH_IMAGE062
表示局域网关对序号为m的传感器的数据单元部分执行验证计算的 时间开销，其中
Figure 715997DEST_PATH_IMAGE063
表示局域网关在单位时间窗口内计算数据量，
Figure 948395DEST_PATH_IMAGE026
表示风险开销；验证计算分配单元设置分布式验证计算的优化条件为：当无线传感器的验证计算开销
Figure 920375DEST_PATH_IMAGE064
小于或等于局域网关的验证计算开销
Figure 871013DEST_PATH_IMAGE065
，则通过无线传感器自身的传感器数据验证芯片单元进行数据单元部分的验证计算；当无线传感器的验证计算开销
Figure 487939DEST_PATH_IMAGE066
大于局域网关的验证计算开销
Figure 309265DEST_PATH_IMAGE067
，则由无线传感器将数据单元传输给局域网关，由局域网关执行对数据单元部分的验证计算；
所述局域网关以所述优化条件为前提，计算所述局域网关对本局域所属的全部无线传感器执行验证计算的总体开销；在确定该总体开销时，需要考虑局域网关总体的时间开销、资源开销和风险开销，即：
Figure 986234DEST_PATH_IMAGE068
其中，
Figure 158589DEST_PATH_IMAGE069
，
Figure 313627DEST_PATH_IMAGE070
表示局域网关每单位计算资源的计算资源开销系数，
Figure 255038DEST_PATH_IMAGE071
表示局域网关每单位数据量的计算资源开销系数；
Figure 837329DEST_PATH_IMAGE072
表示局域网关分担序号为m的无线传感器验证计算的几率系数，即根据当前的优化条件，局域网关分担序号为m的无线传感器验证计算的发生几率的正相关系数；并且，所述局域网关确定局域网关的总体开销之后，局域网关判断当前总体开销是否在预设的总体开销阈值以下；如果总体开销大于或等于总体开销阈值，则局域网关采取以下措施的任意一种或者多种来抑制本网关的总体开销：增加无线传感器到局域网关的延迟时间；减少针对每个无线传感器分配的计算资源。
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Application publication date: 20210319

Assignee: Hangzhou Weiming Information Technology Co.,Ltd.

Assignor: Zhejiang core Gravity Technology Co.,Ltd.

Contract record no.: X2021330000325

Denomination of invention: A data verification method, device and system of wireless sensor

Granted publication date: 20210507

License type: Common License

Record date: 20210927

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Application publication date: 20210319

Assignee: Shenzhen Anrui Microelectronics Technology Co.,Ltd.

Assignor: Zhejiang core Gravity Technology Co.,Ltd.

Contract record no.: X2023980033320

Denomination of invention: A data verification method, device, and system for wireless sensors

Granted publication date: 20210507

License type: Common License

Record date: 20230308

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