一種無線傳感器網絡中基於服務質量的安全通信方法
2023-09-18 05:46:05 1
專利名稱：一種無線傳感器網絡中基於服務質量的安全通信方法
技術領域：
本發明屬於無線傳感器網絡通信領域，具體涉及一種無線傳感器網絡中基於服務質量的安全通信方法。
背景技術：
參見
圖1的典型無線傳感器網絡，與有線網絡相比，無線網絡具有無需布線、易於維護、高度靈活、快速實施等特點，對於軍事、工業、醫療等相關行業應用無疑是一個巨大的優勢。隨著無線通信技術的成熟與成本的降低，無線傳感器網絡在相關行業中的應用已經成為一個趨勢。一個典型的無線傳感器網絡如圖1所示，大量的無線傳感器節點分布在現場的各個檢測點上，將現場檢測數據以多跳的方式傳送至網關設備節點。無線傳感器網絡帶來便利的同時，相關行業對無線傳感器網絡提出了更為嚴格保障QoS和安全性的要求。 在QoS方面，部分應用業務對實時性的要求較其它應用更為嚴格，微小的延遲會造成重大事故，而部分應用業務對傳輸差錯率有更為嚴格的要求，差錯可能會導致嚴重的後果；在安全性方面，軍事、工業等相關行業對無線傳感器網絡提出了很高的要求，保證數據和網絡安全也是無線傳感器網絡亟需解決的問題。在目前的無線通信標準中，IEEE 802. 15. 4以其低功耗、低成本和簡單靈活等特點，已經成為最主流的無線傳感器網絡底層通信協議的無線標準。無線傳感器網絡，特別是工業無線監控網絡已經成為IEEE 802. 15. 4的主要市場對象。IEEE 802. 15. 4協議定義了超幀結構，如圖2的IEEE 802. 15. 4超幀結構所示，由CAP (Content Access Period，競爭接入時期)^P CFP (Content Free Period，非競爭時期)兩部分組成。此外，參見在2003 年 5 月發表的"Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer(PHY)Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (LR-WPANs) 」 中，IEEE 802. 15. 4 協議在 MAC (Medium Access Control，媒體接入控制)層上定義 CAP 中採取 CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collusion Avoidance，載波監聽多路訪問/衝突避免)方式和CFP中採取GTS (Guaranteed Time Slot, 保護時隙)方式，但協議未給出如何劃分CAP和CFP的方法，以及多用戶GTS分配的機制。 此外，IEEE 802. 15.4協議還定義了 8種安全組件保證數據的安全性，可以根據業務本身的重要性設定其選用的安全組件，但使用安全組件會增加節點傳輸數據量。在實際應用系統中，部分業務不但要求較高的安全性，而且對於QoS同樣有很高的要求。為此，需要針對 IEEE 802. 15. 4設計一種基於服務質量的安全通信方法，實現CAP和CFP動態劃分、多用戶 GTS分配和安全組件合理調用，而目前上述所需的無線通信方法尚未查閱到。現有基於IEEE 802. 15. 4的GTS調度機制採用的是基於節點請求GTS的次序和時隙數目的分配原則，因此現有方案仍不能有效保證應用場景中具有控制功能或承載實時業務的節點的通信質量。現有方案未能給出CAP和CFP邊界劃分的方法，因此可能導致分配的GTS不能得到有效使用，從而浪費了寶貴的時隙資源。
現有方案未聯合數據安全性考慮保證服務質量的問題，因此不能有效保證同時滿足部分節點的安全性和服務質量的要求。現有方案中調度過程的計算任務主要由簇內的傳感節點完成，這將耗費傳感節點大量能量，進而將降低無線傳感器網絡的壽命。
發明內容
本發明通過設定靜態和動態優先級，分別根據節點功能和承載業務劃分請求GTS 節點的優先級，以此來保證GTS時隙調度滿足應用場景中多種業務的服務質量要求。本發明提出CAP和CFP的動態劃分方法，滿足協議中定義的最小CAP長度的要求， 並且根據GTS請求的變化，實現動態調整CAP和CFP的邊界。本發明結合IEEE 802. 15. 4提供的安全組件，利用靜態優先級定義業務對應的安全性要求，提出滿足節點通信服務質量的安全組件動態配置方法，以此同時保證通信的安全性和服務質量。本發明設定由簇頭完成調度算法的計算任務，以此提高無線傳感器網絡的整體壽命。本發明在基於IEEE 802. 15. 4幀結構不變的前提下，通過對信標幀和GTS請求幀進行簡單修改，即可實現本發明設計的通信方法。本發明提供了一種無線傳感器網絡中基於服務質量的安全通信方法，該方法包括(1)初始化優先等級劃分和安全等級劃分；( 簇頭處理配置安全組件標識；C3)節點根據「安全組件標識」調整發送數據的安全組件並在對應GTS時隙中發送數據。本發明還提供了一種無線傳感器網絡中基於服務質量的安全通信方法，該方法進一步包括簇頭處理配置安全組件標識時，根據靜態優先級和默認安全組件來分配GTS時隙。本發明還提供了一種無線傳感器網絡中基於服務質量的安全通信方法，該方法進一步包括簇頭處理配置安全組件標識時，簇頭選出靜態優先級最高M』個節點，組成臨時 GTS列表，並通過以下公式計算每個節點的NumOfPacketshQueue。NumOfPacketsInQueue = Queu^tate χ MaxQueueSize本發明還提供了一種無線傳感器網絡中基於服務質量的安全通信方法，該方法進一步包括簇頭處理配置安全組件標識時，按照節點的NumOfPacketshQueue和默認安全組件為M』個節點初始分配GTS，被分配GTS所佔的時隙個數由以下公式確定。
權利要求
1.一種無線傳感器網絡中基於服務質量的安全通信方法，該方法包括(1)初始化優先等級劃分和安全等級劃分；( 簇頭處理配置安全組件標識；C3)節點根據「安全組件標識」調整發送數據的安全組件並在對應GTS時隙中發送數據。
2.權利要求1的安全通信方法，該方法進一步包括簇頭處理配置安全組件標識時，根據靜態優先級和默認安全組件來分配GTS時隙。
3.權利要求2的安全通信方法，該方法進一步包括簇頭處理配置安全組件標識時， 簇頭選出靜態優先級最高M，個節點，組成臨時GTS列表，並通過以下公式計算每個節點的 NumOfPacketsInQueue。NumOfPacketsInQueue - Queu^tate χ MaxQueueSize
4.權利要求3的安全通信方法，該方法進一步包括簇頭處理配置安全組件標識時，按照節點的NumOfPacketshQueue和默認安全組件為M』個節點初始分配GTS，被分配GTS所佔的時隙個數由以下公式確定。NumOfPacketsInQueueNaMaxMA CPayloadSize - LAwcHead-τ _ LmicLengthOfP ackets其中，LAuritead和Lmi。分別表示對應安全組件輔助幀頭和完整性碼的長度，單位為字節， aMaxMACPayIoadSize是IEEE 802. 15. 4MAC幀靜載荷的最大字節數；「·1表示上取整。
5.權利要求1-4的安全通信方法，該方法進一步包括簇頭處理配置安全組件標識時， 根據動態優先級來調整節點可選的安全組件，並進一步分配GTS時隙。
6.權利要求1-5的安全通信方法，該方法進一步包括根據動態優先級來如下調整節點可選的安全組件將臨時GTS列表中動態優先級最低的節點去除，並加入到備選GTS列表中，選取備選GTS列表中動態優先級最大的節點。結合aminCAPlength的要求，根據如下公式調整節點可選的安全組件。, NumOfPacketsInQueue χ LengthOfPacketsL =-CiMaxFrameOverhead - L'AuxHead -Vmic其中，L' AuxItea(^PL' ΜΚ為節點的可選安全組件所對應的輔助幀頭和完整性碼長度， L'為計算出的GTS分配所需的時隙個數，依據安全級由高到低的原則重新配置安全組件。
7.權利要求1-6的安全通信方法，該方法進一步包括在節點參與CAP的信道競爭過程中，競爭失敗，則將節點動態優先級加1，從而再次參與CAP信道競爭或者在CAP中發送 GTS請求。
8.權利要求1-7的安全通信方法，該方法的靜態優先級根據節點的功能，按照實際場景節點的具體應用來設定。
9.權利要求1-8的安全通信方法，該方法的動態優先級根據業務類型劃分。
10.權利要求1-9的安全通信方法，該方法的動態優先級業務類型包括語音、數據、視頻等。
11.權利要求1-10的安全通信方法，該方法的靜態優先級和動態優先級都體現在GTS請求幀的GTS特性域中，其中，「靜態優先級」標識使用原有協議的「保留」位，「動態優先級」 標識使用原有的「GTS長度」的前3位。
12.權利要求1-11的安全通信方法，該方法將GTS請求幀中幀控制域的「保留」位設置為「緩存狀態」標識，佔用:3bit。
13.權利要求1-12的安全通信方法，該方法GTS請求幀中幀控制域的「保留」位的「緩存狀態」由以下公式確定
14.權利要求1-13的安全通信方法，該方法利用將GTS請求幀原有「GTS長度」的第4 位設置為「安全配置域」來表示採用默認安全組件或根據安全等級動態配置安全組件。
15.權利要求1-14的安全通信方法，該方法將原有的信標幀「GTS長度」改為「安全組件標識」。
全文摘要
本發明屬於無線傳感器網絡通信領域，具體涉及一種無線傳感器網絡中基於服務質量的安全通信方法。本發明主要目的是解決同時保證無線傳感器網絡通信QoS(Quality of Service，服務質量)和安全性的問題。兩者均為無線傳感器網絡的重要性能指標，但QoS和安全性在網絡設計中也是兩個互相影響的因素。因此，本發明將在不改變IEEE 802.15.4數據幀結構前提下，提出一種基於服務質量的安全通信方法，做到簡單易用。
文檔編號H04W28/26GK102238651SQ20111018510
公開日2011年11月9日 申請日期2011年7月1日 優先權日2011年7月1日
發明者徐興坤, 徐志博, 趙婷, 鄭曉崑, 高崑崙 申請人:中國電力科學研究院