劉長(zhǎng)征， 張榮華

(新疆石河子大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，新疆 石河子 832003)

0 引 言

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor networks,WSNs)是通過(guò)在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)隨機(jī)部署大量微型傳感器節(jié)點(diǎn)，然后利用傳感器節(jié)點(diǎn)協(xié)作感知、收集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)所監(jiān)測(cè)的對(duì)象信息，被廣泛應(yīng)用在戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)視、目標(biāo)跟蹤、醫(yī)療護(hù)理、農(nóng)業(yè)和環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域，其基本操作是信息數(shù)據(jù)收集[1]。然而，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)一般分布在危險(xiǎn)或者環(huán)境惡劣等無(wú)人值守的區(qū)域，易被物理捕獲而遭受惡意攻擊，成為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收集的“黑洞”[2]。因而，靈活、安全、高效的數(shù)據(jù)收集機(jī)制成為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)一個(gè)必須解決的關(guān)鍵問(wèn)題。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收集是指從多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)地收集環(huán)境參數(shù)的感知數(shù)據(jù)，最終傳輸?shù)交具M(jìn)行處理的過(guò)程[3]。目前，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收集技術(shù)主要有三類(lèi)：

1)基于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)收集方案:根據(jù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不同，分為平坦型網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收集[4]、層次型網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收集[5]和無(wú)結(jié)構(gòu)型網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收集[6]。平坦型網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收集方式是所有數(shù)據(jù)流量都流向基站，使得接近基站的節(jié)點(diǎn)消耗能量更快，適用于小規(guī)模網(wǎng)絡(luò)；層次型網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收集方式是增加少數(shù)高能量節(jié)點(diǎn)或者選舉簇頭，把網(wǎng)絡(luò)自組織成不同層次，可增強(qiáng)擴(kuò)展性；無(wú)結(jié)構(gòu)型網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收集方式是在傳輸過(guò)程中自動(dòng)建立源節(jié)點(diǎn)之間的獨(dú)立集，由獨(dú)立集中的節(jié)點(diǎn)擔(dān)任聚合節(jié)點(diǎn)，可獲得高效的數(shù)據(jù)聚合，且不需顯式維護(hù)傳輸結(jié)構(gòu)。

2)基于流量?jī)?yōu)化的數(shù)據(jù)收集方案:根據(jù)采用技術(shù)不同，分為最大生命期數(shù)據(jù)收集[7]、網(wǎng)絡(luò)相關(guān)數(shù)據(jù)收集[8]和QoS感知數(shù)據(jù)收集[9]。最大生命期數(shù)據(jù)收集方式是通過(guò)找到一個(gè)最大生命期數(shù)據(jù)收集調(diào)度方法，獲取數(shù)據(jù)聚合路徑最優(yōu)解；網(wǎng)絡(luò)相關(guān)數(shù)據(jù)收集方式是根據(jù)空間鄰近和時(shí)間鄰近節(jié)點(diǎn)收集數(shù)據(jù)的相關(guān)性，獲得高度約簡(jiǎn)的收集數(shù)據(jù)；QoS感知數(shù)據(jù)收集方式是針對(duì)某些特殊服務(wù)質(zhì)量要求，側(cè)重獲取某些最優(yōu)信息。

3)基于移動(dòng)性的數(shù)據(jù)收集方案:根據(jù)移動(dòng)對(duì)象不同，分為基于移動(dòng)觀(guān)測(cè)者的數(shù)據(jù)收集[10]和基于移動(dòng)代理的數(shù)據(jù)收集[11]。基于移動(dòng)觀(guān)測(cè)者的數(shù)據(jù)收集方式是利用移動(dòng)觀(guān)測(cè)者(如斑馬或者鯨)從基站開(kāi)始穿越網(wǎng)絡(luò)，從附近節(jié)點(diǎn)收集感知數(shù)據(jù)，從而大大減少節(jié)點(diǎn)能耗；基于移動(dòng)代理的數(shù)據(jù)收集方式是利用能耗低、可靠性高的移動(dòng)代理程序，以減少卷入數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓?jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)包。

1 安全路徑算法

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中較為典型簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)模型是由包括傳感器節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)兩類(lèi)節(jié)點(diǎn)組成的網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)由獨(dú)立電池供電，具有有限的感知、計(jì)算和無(wú)線(xiàn)通信能力;匯聚節(jié)點(diǎn)則具有高資源的數(shù)據(jù)收集中心，定期從各傳感器節(jié)點(diǎn)收集感知數(shù)據(jù)。

1.1 安全路徑構(gòu)造算法

首先，根據(jù)該網(wǎng)絡(luò)模型給出3個(gè)假設(shè)前提：

1)網(wǎng)絡(luò)模型中存在的惡意攻擊僅指數(shù)據(jù)包丟棄行為的攻擊；

2)網(wǎng)絡(luò)中惡意節(jié)點(diǎn)為達(dá)到隱蔽偽裝的目的，每次只是選擇性丟棄一小部分?jǐn)?shù)據(jù)包；

3)一個(gè)數(shù)據(jù)包通過(guò)一條路由路徑能最終到達(dá)匯聚節(jié)點(diǎn)，說(shuō)明該路徑相對(duì)安全。

下面根據(jù)假設(shè)前提給出了基于跟蹤反饋機(jī)制的安全路徑構(gòu)造算法描述，如算法1所示。圖1給出了安全路徑構(gòu)造過(guò)程模型(圖中粗黑色虛線(xiàn)即為安全路徑)。

圖1 安全路徑構(gòu)造過(guò)程模型

算法1:基于跟蹤反饋機(jī)制的安全路徑構(gòu)造算法

1)源節(jié)點(diǎn)Ns采用t(n)門(mén)限算法將要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包P進(jìn)行拆分，并為每一個(gè)拆分后的數(shù)據(jù)項(xiàng)添pm加一個(gè)標(biāo)識(shí)符表H，令初始值為空；

2)當(dāng)中間節(jié)點(diǎn)Nk接收到一個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)，如果該節(jié)點(diǎn)是正常節(jié)點(diǎn)，則將自身標(biāo)識(shí)lk添加到H中；

3)當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)pn到達(dá)匯聚節(jié)點(diǎn)，則匯聚節(jié)點(diǎn)從數(shù)據(jù)項(xiàng)中抽取H={l1,l2,…,ln}，并將二元組(Ns,H)存儲(chǔ)到本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)；

4)匯聚節(jié)點(diǎn)將標(biāo)識(shí)符項(xiàng)H添加到一個(gè)廣播消息中，利用路徑H反方向發(fā)送給源節(jié)點(diǎn)Ns；

5)當(dāng)中間節(jié)點(diǎn)Nk接收到廣播消息，如果其自身標(biāo)識(shí)lk包含在H中，則該節(jié)點(diǎn)從H中抽取出子路徑Hk={lk+1,lk+2,…,ln}存儲(chǔ)到本地緩存，并根據(jù)H中下一跳節(jié)點(diǎn)Nk+1和標(biāo)識(shí)lk+1轉(zhuǎn)發(fā)消息；

6)當(dāng)廣播消息到達(dá)源節(jié)點(diǎn)Ns，則源節(jié)點(diǎn)抽取出標(biāo)識(shí)符項(xiàng)H，并存儲(chǔ)到本地緩存。

算法1中，數(shù)據(jù)包從源節(jié)點(diǎn)到匯聚節(jié)點(diǎn)的過(guò)程中都加上了自身的標(biāo)識(shí)符，以跟蹤數(shù)據(jù)包的流向。然后，匯聚節(jié)點(diǎn)將標(biāo)識(shí)符表廣播，采用反饋機(jī)制反向轉(zhuǎn)發(fā)給源節(jié)點(diǎn)，從而獲得安全路徑且可以被后續(xù)數(shù)據(jù)收集重用。然而，安全路徑本身也可能包含惡意節(jié)點(diǎn)，這是因?yàn)閻阂夤?jié)點(diǎn)是以一定概率丟棄攔截的數(shù)據(jù)包，就有可能使惡意節(jié)點(diǎn)因沒(méi)有丟棄數(shù)據(jù)包而加入安全路徑。所以，構(gòu)造的安全路徑是“相對(duì)”安全而不是“絕對(duì)”安全的。

1.2 數(shù)據(jù)收集算法

源節(jié)點(diǎn)從匯聚節(jié)點(diǎn)接收多條安全路徑，然后根據(jù)多路徑路由算法[12,13]用構(gòu)造的安全路徑來(lái)進(jìn)行安全的數(shù)據(jù)收集。下面給出基于安全多路徑路由的數(shù)據(jù)收集(data ga-thering based on secure multi-path routing，DGSMP)算法具體描述，如算法2所示。

算法2:DGSMP算法

1)當(dāng)源節(jié)點(diǎn)Ns需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，首先查找本地緩存

a.如果緩存中存在安全路徑，則隨機(jī)選擇一條安全路徑H={l1,l2,…,ln)，將數(shù)據(jù)包發(fā)送給下一跳標(biāo)識(shí)為l1的節(jié)點(diǎn)N1；

b.如果緩存中不存在安全路徑，則隨機(jī)選擇下一跳節(jié)點(diǎn)，按算法1構(gòu)造安全路徑。

2)當(dāng)中間節(jié)點(diǎn)Nk接收到一個(gè)數(shù)據(jù)選項(xiàng)，首先查找本地緩存

a.如果緩存中存在安全路徑，則隨機(jī)選擇一條安全路徑Hk={lk+1,lk+2,…,ln}，將數(shù)據(jù)包發(fā)送給下一跳標(biāo)識(shí)為lk+1的節(jié)點(diǎn)Nk+1；

b.如果緩存中不存在安全路徑，則隨機(jī)選擇下一跳節(jié)點(diǎn)，按算法1構(gòu)造安全路徑。

3)當(dāng)匯聚節(jié)點(diǎn)成功接收到數(shù)據(jù)包，首先查看標(biāo)識(shí)符表H是否為空

a.如果數(shù)據(jù)包標(biāo)識(shí)符表項(xiàng)為空，則說(shuō)明所有中間節(jié)點(diǎn)的本地緩存中都包含安全路徑，匯聚節(jié)點(diǎn)直接返回空消息；

b.如果數(shù)據(jù)包標(biāo)識(shí)符表項(xiàng)不為空，則匯聚節(jié)點(diǎn)抽取安全路徑，同時(shí)更新本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)，并返回包含安全路徑的消息，所有收到消息的中間節(jié)點(diǎn)和源節(jié)點(diǎn)，抽取自身安全路徑子集，更新本地緩存。

4)當(dāng)匯聚節(jié)點(diǎn)沒(méi)有成功接收到數(shù)據(jù)包，則源節(jié)點(diǎn)無(wú)法在一個(gè)定周期內(nèi)接收到匯聚節(jié)點(diǎn)的反饋信息，說(shuō)明已有安全路徑上出現(xiàn)惡意節(jié)點(diǎn)，刪除當(dāng)前安全路徑，重發(fā)數(shù)據(jù)并構(gòu)造新的安全路徑。

算法2描述的DGSMP算法通過(guò)構(gòu)造相對(duì)安全的安全路徑實(shí)現(xiàn)了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中較為安全的數(shù)據(jù)收集方案，是“盡最大努力”將惡意節(jié)點(diǎn)排除在傳輸路由之外，以此提高數(shù)據(jù)收集可靠性的方式，保證了數(shù)據(jù)收集的相對(duì)安全。

2 性能分析

本文通過(guò)采用OPNET10.0系統(tǒng)進(jìn)行仿真，比較在惡意節(jié)點(diǎn)不同數(shù)據(jù)包丟棄率下，DGSMP算法與定向隨機(jī)傳播(directed random propagation,DRP)算法[14]的數(shù)據(jù)包被攔截率。仿真參數(shù)設(shè)置為：網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域?yàn)? km×5 km，節(jié)點(diǎn)數(shù)目為50，源節(jié)點(diǎn)集合基數(shù)為10。圖2給出了在惡意節(jié)點(diǎn)丟棄率分別為0.2和0.5的情況下，DGSMP算法與DRP算法數(shù)據(jù)包被攔截率比較。

圖2 不同丟棄率下DGSMP與DRP數(shù)據(jù)包被攔截率比較

從圖2可以看出:隨惡意節(jié)點(diǎn)數(shù)目增加，二種算法數(shù)據(jù)包被攔截率都在上升，這是顯然符合現(xiàn)實(shí)情況的。然而在相同的丟包率的情況下，隨著惡意節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增加，DGSMP算法優(yōu)勢(shì)較為明顯。數(shù)據(jù)包被攔截率是隨著惡意節(jié)點(diǎn)丟棄率的增大而增大的。當(dāng)惡意節(jié)點(diǎn)丟棄率從0.2上升到0.5時(shí)，DRP算法性能下降較為嚴(yán)重，DGSMP算法性能下降則不明顯。而且隨著丟棄率增大，DRP算法與DGSMP算法的性能差異將會(huì)更大。這是由于DGSMP算法是根據(jù)安全路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，從而將大部分惡意節(jié)點(diǎn)排除在路由之外，使得惡意節(jié)點(diǎn)的高丟棄率對(duì)所給算法影響不大。

3 結(jié) 論

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)本身很容易遭受到惡意攻擊，面臨著較大的安全威脅，目前已有的數(shù)據(jù)收集方案沒(méi)有很好地考慮安全問(wèn)題。本文給出的一種安全有效的數(shù)據(jù)收集方案，結(jié)合多路徑路由機(jī)制和跟蹤反饋機(jī)制，通過(guò)構(gòu)造安全路徑來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收集。在存在惡意節(jié)點(diǎn)的情況下，有更小的數(shù)據(jù)被攔截率，提高了數(shù)據(jù)收集可靠性。構(gòu)造安全路徑的算法復(fù)雜性較低，且對(duì)整體網(wǎng)絡(luò)的性能影響較小，可以為后續(xù)的數(shù)據(jù)收集傳輸提供安全的路由傳輸路徑。性能分析表明:該方案能夠很好地適應(yīng)于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的資源受限環(huán)境，具有較好的理論研究?jī)r(jià)值和推廣應(yīng)用價(jià)值。

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