梁健 何勇 翁虎

摘 要：無線傳感器網(wǎng)絡（WSNs）由于受到資源與能量限制，能效與抗毀性成為WSNs拓撲設計的關鍵問題。借助無標度網(wǎng)絡拓撲演化構(gòu)建WSNs網(wǎng)絡拓撲模型，提高網(wǎng)絡的能效與抗毀性，從而最終延長WSNs的生存周期。根據(jù)現(xiàn)有模型，提出一種基于BA無標度網(wǎng)絡的WSNs異質(zhì)化演化模型，該模型具有BA無標度網(wǎng)絡良好的隨機抗毀性，同時擁有較好的蓄意攻擊抗毀性。利用NetworkX仿真軟件進行對比仿真實驗，結(jié)果表明，該網(wǎng)絡模型在蓄意失效部分節(jié)點時，相較于EAEM模型，基本無多余節(jié)點失效，且網(wǎng)絡生命周期提升了10%左右。

關鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡;復雜網(wǎng)絡;拓撲演化;抗毀性;無標度網(wǎng)絡

DOI：10. 11907/rjdk. 192631 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

中圖分類號：TP309文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2020）005-0199-05

0 引言

“網(wǎng)絡抗毀性”衡量的是系統(tǒng)可持續(xù)、穩(wěn)定提供可靠服務的能力。隨著社會網(wǎng)絡化程度的逐步加深，涉及到諸多領域，如軍事、家居、醫(yī)療及環(huán)境監(jiān)測等，因此網(wǎng)絡可靠性成為社會發(fā)展的基礎。各種網(wǎng)絡在面臨惡意攻擊或自然災害時是否足夠可靠，仍能保持穩(wěn)定運行是研究網(wǎng)絡抗毀性需要重點關注的問題。抗毀性主要體現(xiàn)在兩個方面：一是面臨隨機失效或隨機攻擊節(jié)點時網(wǎng)絡的性能表現(xiàn)，二是面臨選擇性失效或蓄意攻擊時網(wǎng)絡的性能表現(xiàn)。就目前網(wǎng)絡抗毀性研究而言，主要分為路由控制、網(wǎng)絡重構(gòu)和拓撲演化3種方式。路由控制的核心思想是利用冗余節(jié)點和鏈路提升網(wǎng)絡的抗毀性;網(wǎng)絡重構(gòu)是在已布設網(wǎng)絡的基礎上引入新的基礎設施，提升網(wǎng)絡異質(zhì)性，進而改善網(wǎng)絡抗毀性;拓撲演化是指通過配置硬件參數(shù)或擴大網(wǎng)絡規(guī)模的方式，促使現(xiàn)有網(wǎng)絡拓撲向抗毀性較優(yōu)的方向演化[1]。當前拓撲演化方法主要包括無標度網(wǎng)絡生長與構(gòu)建k-連通網(wǎng)絡。無標度網(wǎng)絡借助“偏好依附”機制實現(xiàn)網(wǎng)絡生長，并讓網(wǎng)絡拓撲具備無標度特征。

在BA無標度網(wǎng)絡基礎上，學者們提出了新的WSNs拓撲結(jié)構(gòu)演化模型，模型對節(jié)點的隨機故障及失效具有較高的魯棒性，但節(jié)點度分布不均衡，蓄意攻擊和高節(jié)點度節(jié)點失效將會對網(wǎng)絡造成巨大危害。在一些模型演化過程中考慮了節(jié)點剩余能量對網(wǎng)絡增長的影響，但對網(wǎng)絡模型的抗毀性未作出分析。Zhu等[3]基于局域網(wǎng)世界模型，提出一種無標度網(wǎng)絡模型EAEM（Energy-Aware Evolution Model）和EBEM（Energy-Balanced Evolution Model）。在EAEM模型中，新加入網(wǎng)絡的節(jié)點優(yōu)先連接剩余能量高的節(jié)點，而在EBEM中，除考慮節(jié)點剩余能量外，優(yōu)先加入連接度較高的節(jié)點。EAEM和EBEM雖然加入了剩余能量因素，但是忽略了隨著網(wǎng)絡演化，節(jié)點度變化對網(wǎng)絡拓撲的影響。其中一些節(jié)點度偏高，當面臨選擇性蓄意攻擊時，網(wǎng)絡抗毀性急劇下降。由于WSNs節(jié)點分為匯聚、簇頭節(jié)點和一般節(jié)點，因此WSNs具有的異質(zhì)性也未能得到體現(xiàn);Li等[4]提出一種異質(zhì)WSNs網(wǎng)絡演化模型，將網(wǎng)絡中的節(jié)點分為兩種類型。新節(jié)點加入網(wǎng)絡時，先按照設定的占比分為匯聚類型和普通類型，并優(yōu)先選擇與匯聚節(jié)點相連接。該模型通過節(jié)點分類將網(wǎng)絡從平面網(wǎng)絡轉(zhuǎn)換成分層網(wǎng)絡，以此體現(xiàn)WSNs的異質(zhì)性，并能降低網(wǎng)絡路由設計的復雜度，但該模型在面對蓄意攻擊時，網(wǎng)絡抗毀性相對較差;Liu等[5]提出一種可調(diào)節(jié)冪率的網(wǎng)絡模型，同時通過數(shù)學方式優(yōu)化參數(shù)，使網(wǎng)絡在擁有無標度網(wǎng)絡特性的同時，增加了一定隨機性，讓網(wǎng)絡同時擁有良好的隨機攻擊抗毀性及選擇性蓄意攻擊抗毀性。但該模型沒有考慮WSNs網(wǎng)絡的能量特性和異質(zhì)性，沒有真實反映WSNs網(wǎng)絡特征。

結(jié)合以上分析，本文提出一種基于BA無標度理論的WSNs拓撲優(yōu)化模型，以提高WSNs抗毀性與最大化網(wǎng)絡生命周期為目標，在網(wǎng)絡初始演化過程中加入節(jié)點度變化參數(shù)，同時考慮了網(wǎng)絡剩余能量與節(jié)點度的共同影響。

1 無標度抗毀性演化模型

1.1 BA無標度演化模型

Barabasi&Albert發(fā)現(xiàn)了優(yōu)先連接機制在網(wǎng)絡演化中產(chǎn)生度分布冪律特性，并提出一種經(jīng)典的無標度網(wǎng)絡模型——BA模型。BA模型是目前最知名的網(wǎng)絡生成模型，其網(wǎng)絡生成步驟如下：

（1）初始網(wǎng)絡。初始網(wǎng)絡包含m0個節(jié)點，且m0個節(jié)點全連接。

（2）增長。在現(xiàn)有網(wǎng)絡基礎上，每添加一個新節(jié)點，選擇原網(wǎng)絡中的m個節(jié)點與新加入節(jié)點相連。

（3）優(yōu)先連接。新添加節(jié)點與網(wǎng)絡中現(xiàn)有節(jié)點i相連，并遵循如下的優(yōu)先連接概率：

其中，[jkj]等式為已存網(wǎng)絡中所有節(jié)點的度。通過仿真軟件生成BA網(wǎng)絡模型，其網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖示節(jié)點大小代表節(jié)點的度，可以看到幾個關鍵節(jié)點連接著大多數(shù)節(jié)點。

1.2 演化模型假設

假設WSNs中隨機分散著N個節(jié)點，其具備如下特點：①傳感器節(jié)點具有全局唯一的標識符ID;②普通傳感器節(jié)點部署到目標區(qū)域內(nèi)，其不具有移動能力，隨機分布在正方形區(qū)域;③在部署時，節(jié)點具有相同能量，且其能量均無法得到補充。

1.3 異質(zhì)化能量均衡模型演化

針對WSNs抗毀性的研究是在具有無標度特性的網(wǎng)絡演化模型基礎上對模型進行適當改進，使其具有更好的抗毀性表現(xiàn)，并且更加符合WSNs網(wǎng)絡特性。當BA無標度網(wǎng)絡面臨隨機攻擊和蓄意攻擊時，由于其在蓄意攻擊下的抗毀性較差，所以為了達到提高無標度網(wǎng)絡抗毀性的目標，需要提高相應蓄意攻擊下的抗毀性。因此，基于BA無標度網(wǎng)絡的WSNs應具有以下3個特點：①具有無標度網(wǎng)絡良好的隨機攻擊抗毀性;②更好地體現(xiàn)網(wǎng)絡的異質(zhì)性;③在已有網(wǎng)絡模型基礎上，有良好的蓄意攻擊抗毀性，且具有更長的網(wǎng)絡生命周期。

最終本文基于BA網(wǎng)絡模型，綜合考慮節(jié)點度、能量與網(wǎng)絡局域性，提出HEBEM （Heterogeneous Energy-Balanced Evolution Model）模型。該模型由拓撲特征和節(jié)點度負載共同決定網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)演化過程。根據(jù)WSNs實際特征，將網(wǎng)絡中的節(jié)點分為兩類：type-c和type-s節(jié)點，分別對應WSNs中的匯聚節(jié)點和普通節(jié)點。首先給出的網(wǎng)絡演化機制遵循以下連接策略，演化步驟如下：

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（責任編輯：黃 健）