適用於無線傳感器網絡的幹擾環境中的路由恢復方法
2023-10-04 22:50:04
專利名稱：適用於無線傳感器網絡的幹擾環境中的路由恢復方法
技術領域：
本發明涉及的是無線傳感器網絡中的路由恢復問題，具體是對網絡在受到幹擾攻擊後中斷的路由進行恢復處理，提供有效的方法保證網絡中中斷的數據傳輸任務能夠及時恢復，提出了均衡幹擾區域周圍節點的能量損耗的方法。
背景技術：
隨著傳感器技術、通信技術以及嵌入式計算技術的高速發展和逐步成熟，能夠將環境感知功能、計算功能與通信功能結合在一起的微型傳感器開始在世界範圍內出現。無線傳感器網絡(Wireless Sensor Network,簡稱WSN)是經由一定數量的傳感器以Ad Hoc方式構成的有線或無線網絡，它的功能是通過各傳感器節點來協作地感知、採集和處理網絡覆蓋範圍內的被感知對象的信息，並將其發布給處理中心。在無線傳感器網絡中，傳感器 節點既是信息的採集與發送者，也是信息的傳遞與路由者，節點採集到的數據經由多跳的方式被路由到網關。網關(也稱為匯聚節點，Sink Node)是網絡中一個特殊的節點，它能夠通過網際網路、移動通信網絡或衛星等與監控中心進行通信。無線傳感器網絡中路由協議的主要任務是建立從源節點到目的節點的通信路徑，並保證數據可靠地傳輸到匯聚節點。路由協議的設計與實現直接關係著無線傳感器網絡多跳自組織功能的實現，它是無線傳感器網絡中傳輸數據的指揮者。路由協議的主要功能是建立源節點到目的節點的優化路徑，並且將數據沿著優化路徑進行傳輸。無線傳感器網絡在大多數的應用如森林防火、環境監測等中的安全性要求並不是十分重要的；但是在另外的某些特殊領域，如軍事或安防網絡等應用中，採集到的數據、數據傳輸過程或者是傳感器節點的位置信息都不能夠讓敵對人員或者無關人員了解到。因而，網絡的安全問題在第二類應用中就顯得尤為重要，在這種應用中，無線傳感器網絡的特性與應用環境容易引起嚴重的安全隱患。無線傳感器網絡的安全隱患來源於網絡部署區域的開放特性與無線網絡的廣播特性兩個方面。網絡部署區域的開放特性指的是傳感器網絡一般部署在用戶無法監控的區域內，此時，網絡極有可能受到敵對人員與無關人員的破壞與攻擊；無線傳感器網絡的廣播特性是指通信信號在物理空間中是暴露的，當設備的頻率、相位、振幅和調製方式與發送信號都相匹配，任何設備都可以捕獲到完整的通信信號。在眾多針對無線傳感器網絡的安全威脅中，拒絕服務(Denial of Service,簡稱Dos)攻擊是無線傳感器網絡中常見的一種攻擊手段。利用Dos攻擊方式，攻擊者能夠影響網絡的可用性與連通性，進而妨礙合法用戶對於無線信道的接入過程，甚至嚴重擾亂整個網絡的正常運作。對無線通信介質的幹擾(Jamming)攻擊是一種最簡單的Dos攻擊方法。大量的研究工作已經揭示出幹擾攻擊給無線傳感器網絡從物理層到應用層都帶來了極其嚴重的安全隱患。無線傳感器網絡是一個規模很大的對等網絡，每個節點都可以作為路由節點，也有可能是源節點。網絡一般採用多跳的方式進行路由信息的傳遞，數據從源節點到達目的節點一般要經由很多跳，這樣就給敵方人員更多破壞數據正常傳遞的機會，因而路由安全是保證網絡安全的一個非常重要的手段措施。為了應對拒絕服務攻擊，傳統的方法是利用複雜的物理層技術手段，如直接序列擴頻(DSSS, Direct Sequence Spread Spectrum)與跳頻擴頻(FHSS, Frequency HoppingSpread Spectrum)。但是,這些方法應用於能量和帶寬受限的無線傳感器網絡中擁有太高的成本。因而，國內外的眾多研究者們將研究重點放在了各種防禦策略上，如基於蟲洞的抗幹擾技術(Wormhole-based Anti-Jamming)、信道衝浪(Channel Surfing)和時隙信道(Timing Channel)方法等。為了應對幹擾攻擊帶來的威脅，理解各種幹擾攻擊的模型是極其重要的。Wood和Xu W都對幹擾攻擊檢測進行了細緻的研究，Wood研究了如何映射一個被幹擾的區域，Xu W則提出了幾種方 法來對幹擾攻擊進行檢測。
發明內容
本發明從無線傳感器網絡易受幹擾襲擊這一方面來考慮，依據各節點的路由功能在幹擾環境中被中斷時的特點，為無線傳感器網絡中的路由在幹擾環境下的恢復提出了合理的方法，滿足了無線傳感器網絡中路由的要求，保證了網絡中數據傳輸的有效，並且為解決幹擾區域周圍的節點更多地承擔了被幹擾節點的任務這一問題，提出了均衡幹擾區域鄰近節點的能耗的方法。當網絡中出現了幹擾者後，被幹擾的節點通信能力受到限制，從而影響到以受幹擾節點為中轉節點的源節點與目的節點之間的數據通信，造成源節點檢測到的數據不能及時有效地傳遞到目的節點，進而對目的節點的數據分析與應用產生影響。本發明要解決的問題是提供恢復無線傳感器網絡被幹擾中斷的路由功能的方法，以解決網絡中被幹擾影響後數據傳輸的中斷問題，保證網絡整體的數據採集與轉發任務的可行性，同時針對幹擾區域的鄰近節點更多地承擔被幹擾節點的任務，提出均衡幹擾區域附近節點的能量損耗的方法。為了達到上述目的，本發明是通過以下技術方案實現的在源節點與目的節點進行數據通信的過程中，幹擾節點出現後，被幹擾區域內的節點喪失通信能力，造成源節點與目的節點間的通信中斷。利用已有研究中提出的幹擾檢測方法可以對無線傳感器網絡中存在的幹擾情況進行檢測，並能夠標識出這一幹擾發生後的邊界節點。為了恢復源節點與目的節點原有路徑因幹擾區域內中轉節點失效而中斷的路由，有三種方式可以使用其一，將檢測出的所有被幹擾節點當作已經因能量耗盡而失效的節點對待，然後邊界節點發送被幹擾的通知給正常節點，通知正常節點在源節點與目的節點之間的部分路徑已經因幹擾失效，正常節點可以重新進行全局的路由發現過程，在排除被幹擾節點的情況下找出新的全網中最優路由；其二，可以利用被幹擾區域附近的節點，將它們作為被幹擾節點的替代者，在替代者中尋找並建立一條新的可用替代路徑，從而恢復源節點與目的節點間的路由；其三，運用已經提出的抗幹擾方法可以恢復被幹擾節點的通信能力，在被幹擾節點的通信能力恢復以後，它們可以繼續作為中轉節點在源節點與目的節點之間轉發數據包，即恢復因幹擾而中斷的路由。I路由恢復方法的步驟本部分內容依據幹擾發生後不同的處理方式，說明幹擾後不同路由恢復方法的步驟。I)重新在全網中尋找最優路徑恢復(I)幹擾區域邊界節點與被幹擾節點之間協作，利用帶有一致性檢驗的幹擾檢測方法(ff. Xu, et al.，〃The feasibility of launching and detecting jammingattacks in wireless networks, ^Proc. ACM MobiHoc 2005，pp. 46-57.)將網絡中存在的幹擾檢測出，標識出此幹擾區域的邊界節點，幹擾區域內的被幹擾節點到目的節點的代價都因幹擾而成為⑴，表示為相應的目的節點不可達；(2)邊界節點生成幹擾通知消息並向目的節點轉發，通知它傳輸路徑上出現幹擾造成了中斷，目的節點收到幹擾通知消息後，啟動在全網中重新建立新路由的過程；
(3)目的節點生成路由重建消息R，設置R中的IDlles域為自身的節點編號，設置代價域為0，將生成並設置好數據信息的路由重建消息R廣播到網絡中；(4)網絡中收到重建消息的節點處理該消息，並確定自身到達目的節點的新代價值；(5)源節點收到路由重建消息，更新數據，獲得到達目的節點的新最優代價。2)將被幹擾區域周圍的節點作為替代者恢復被幹擾的路由(I)因幹擾而直接受到影響的傳感器節點包括幹擾區域內的節點與邊界節點，它們相互協作，使用具有一致性檢驗的幹擾檢測方法將網絡中存在的幹擾檢測出，標識出此幹擾區域的邊界節點；(2)幹擾區域內的被幹擾節點到目的節點的代價都因幹擾而重置為⑴，表明相應的目的節點不可達；(3)所有的邊界節點，如果它到達目的節點所要經過的上一跳節點在幹擾區域內部，該邊界節點生成重置代價通知消息RESET，並將該消息中的Cost值設置為本邊界節點到達目的節點的代價，在將原有的路由代價重置為⑴後將消息RESET廣播給自己的鄰居節佔.(4)收到重置代價通知的節點，判斷自身是否需要重置到達目的節點的代價值，如果需要，即它到達目的節點的路徑被中斷，則處理該通知後轉發給鄰居節點，並將自身代價值重置；如果不需要，則丟棄該通知，並標識自身為被幹擾影響到的節點的鄰居節點；(5)在上一步中所有標識為被幹擾影響的節點的鄰居節點，如果它的當前路由代價不為⑴，則它生成重建部分路徑請求R，將其中的Cost域設置為該節點的路由代價值，然後將其廣播到網絡中，用於重建被幹擾影響到的節點的路由代價值；(6)網絡中的節點在收到重建部分路徑請求R後，如果自己到達目的節點的代價因幹擾而重置，則處理該請求，並建立新的代價值；若當前節點的代價未被幹擾影響到，則它忽略該重建路徑請求。3)利用抗幹擾的方式恢復被幹擾區域節點的路由功能(I)幹擾區域內的節點與邊界節點運用帶有一致性檢驗的幹擾檢測方法將網絡中存在的幹擾檢測出，幹擾區域內的被幹擾節點到目的節點的代價都因幹擾而重置為⑴，表明相應的目的節點不可達；(2)如果邊界節點到達目的節點所要經過的上一跳節點在幹擾區域內部即為被幹擾節點，則它生成重置代價通知消息RESET，將消息中的Cost值設置為本節點到達目的節點的代價，在將節點原有的路由代價重置為後將消息RESET廣播給自己的鄰居節點；(3)收到重置代價通知的節點，判斷自身是否需要重置到達目的節點的代價值，如果需要，即它到達目的節點的路徑被中斷，則處理該通知後轉發給鄰居節點，並將自身代價值重置；如果不需要，則丟棄該通知，並標識自身為被幹擾影響到的節點的鄰居節點；(4)利用信道切換的抗幹擾方法，完成抗幹擾的過程，實現對被幹擾的節點的通信能力的恢復；(5)在前面步驟中所有標識為被幹擾影響的節點的鄰居節點，以及所有的邊界節點，如果它當前的路由代價不為⑴，生成重建部分路徑請求R，並將請求R的Cost域設置為該節點的路由代價值，然後將其廣播給鄰居節點，用於重建被幹擾影響到的節點的路由代價；(6)網絡中的節點在收到重建部分路徑請求，若自己到達目的節點的代價因幹擾·而已經被重置，則處理該請求，並建立新的代價值；若當前節點的代價未被幹擾影響到，則它忽略該重建路徑請求。2均衡幹擾區域周圍節點的能量損耗的步驟為了均衡幹擾區域周圍節點的能耗狀況，在進行幹擾檢測之後，實施以下的步驟(I)每個邊界節點生成一個廣播與被幹擾區域的跳數距離的消息H0P，其中包括了初始化為I的跳數距離，表示邊界節點距離被幹擾區域的距離為1，也包括當前發送消息的節點的剩餘能量Era3idual (Vi)與初始能量E (Vi)；(2)在某一節點收到該HOP消息後，從中提取出距離值與能量值，更新相應鄰居表中的鄰居節點的數據信息，依據■辦= (I - 7) X hopiv,) + 7x計算出相
應鄰居節點的均衡權重值；(3)如果距離加I後不小於當前節點已記錄的到幹擾區域的距離，則捨棄該消息，不再轉發，否則將該新的距離記錄下來，表示它當前距離被幹擾區域的跳數距離，並將消息轉發出去；(4)以Nei_less(v)表示所有的代價更小的鄰居節點，根據
Weight (Fi)
Pi = ^^射逆汝g計算鄰居節點\作為下一跳轉發節點的概率；
vk GiYei _ less{v)(5)路由恢復完成後，節點在進行數據轉發時，依據不同的概率選擇下一跳代價更小的節點轉發數據包。本發明的有益效果是，構建了適用於無線傳感器網絡在幹擾環境下的路由恢復方法，確保了被幹擾中斷的路由的及時、有效恢復，提出了均衡幹擾區域周圍節點在路由恢復後的能耗的方法，能夠保證幹擾區域鄰近的節點擁有更長的使用時間。
圖I是被幹擾的源節點和目的節點之間的路由示意圖。
圖2是重新在全網中建立源節點與目的節點間的路由後的狀態。圖3是在幹擾區域周圍建立替代路徑後的路由。圖4是被幹擾區域半徑變化時平均恢復延遲對比圖。圖5是被幹擾區域半徑變化時路由跳數對比圖。圖6幹擾者位置變化時平均恢復延遲對比圖。圖I幹擾者位置變化時路由跳數對比圖。圖8是幹擾半徑為320米時路由恢復前後的H)R。
圖9是幹擾半徑為420米時路由恢復前後的H)R。圖10是能量均衡時的平均恢復延遲對比。圖11是能量均衡時的路由跳數對比。圖12是幹擾半徑為420米、幹擾者居中能量均衡時的H)R。
具體實施例方式下面對本發明的實施例作詳細說明，實施例在本發明技術方案的前提下，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護範圍不限於下述的實施例。對於本發明中的無線傳感器網絡場景有如下的假設在已經部署好的無線傳感器網絡中存在一個基站，標識為vD。網絡中的其他各節點對自身周圍的環境狀況進行監測，將監測到的數據通過事先建立的路由傳遞到作為網絡目的節點的基站Vd中。基站負責收集並處理由其他節點監測到並發送來的數據信息，將信息進行處理後供用戶進行提取與分析，實現對接收到的數據的最終應用。如圖I所示是網絡中一對節點Vs與vD之間的通信路徑，在幹擾狀況出現以前，目的節點 vD 與源節點 Vs 之間通過路徑 Path (vD, vs) = (Xv1^v1),…，(vA,v。)，...，(vL,vB),…，(v2,vs))以多跳的方式進行數據通信。網絡中所使用的路由協議可為任何一種適用於無線傳感器網絡的協議，為簡化路由恢復方法的說明，本實施例假定使用的路由協議是最小代價轉發算法(MCFA)。在網絡中的節點間進行正常的數據傳遞的過程中，在源節點Vs與目的節點vD之間的傳輸路徑上設置一個連續型的幹擾者X，它作為一種幹擾襲擊的惡意節點，持續地向網絡中發送無線電信號，能夠持續地將無線信道保持在繁忙狀態，可以將它的信號輻射範圍內正常節點的通信打斷或者帶給已經在通信的節點更多的射頻幹擾，進而造成這些被幹擾節點的路由功能失效，最終使得源節點Vs與目的節點Vd之間的數據信號傳輸過程中斷。在路由過程因幹擾中斷後，利用已有的研究中提出的有效的幹擾檢測方法，能夠可靠地檢測出並確認幹擾襲擊的存在，然後對因幹擾而中斷的路由實施具體的恢復過程。I)重新在全網中尋找最優路徑恢復如圖2所示，在幹擾發生前目的節點vD與源節點Vs之間通過路徑Path (vD，VS) = (VD,…，VA, V。，…，Vli, Vb,…，Vs)傳遞數據信息,幹擾者X對網絡中節點造成影響進而中斷了節點Vd與Vs之間的通信後，整個網絡按照下面的方法恢復被幹擾的路由。(I)幹擾區域周圍的節點與被幹擾節點之間協作，利用帶有一致性檢驗的幹擾檢測方法將網絡中存在的幹擾檢測出，同時該幹擾檢測方法能夠標識出此幹擾區域的邊界節點為VH，V1, Vj, Vk, Vl, Vm, Vn, V(j，幹擾區域內的被幹擾節點到目的節點Vd的代價都因幹擾而成為表示相應的目的節點不可達；(2)邊界節點生成幹擾通知消息P，將消息P沿邊界節點的最優路徑向目的節點vD轉發，通知它傳輸路徑上出現幹擾造成了中斷。目的節點Vd收到幹擾通知消息P後，，它得知網絡中某處出現了幹擾，目的節點Vd生成路由重建消息R，設置R中的IDd6s域為自身的節點編號，設置Cost域為0，然後節點vD將生成並設置好數據信息的路由重建消息R廣播到網絡中；(3)網絡中某一節點vNi從發送方vNj接收到路由重建消息R後，按照與路由建立過程類似的方式重建路由代價。vNi從R中讀取Vw到達目的節點Vd的代價Cost (vNJ)，從鄰居表中讀取出與節點vNj的鏈路成本(LinkCost),並更新鄰居表中與vNj對應的C ost值為Cost (vNJ) +鏈路成本；(4)如果vNi是第一次收到重建消息,或者Cost (vNJ) +鏈路成本〈Cost (vNi),則將自身到達目的節點Vd的代價Cost (vNi)設置為Cost (vNJ) +鏈路成本，將重建消息R中的Cost設置為Cost(Vm)，然後將更新後的重建消息廣播到網絡中，通知鄰居節點自己的代價發生了變化，否則不執行任何操作；(5)源節點Vs收到路由重建消息R，更新完數據後，可以獲得由節點Vs到達目的節點Vd的新最優代價Cost (Vs)。當源節點Vs確立了自身到達目的節點vD新的代價後，新的路由將被恢復過來，路徑 Path (VD, Vs) = (VD,, VE, Vt, Ve, Vq, Vp, Vu, Vv, Vff, VF, * *, Vs)作為新的路由繼續源節點與目的節點之間的數據傳遞工作。2)將被幹擾區域周圍的節點作為替代者恢復被幹擾的路由如圖3所示，在幹擾發生前目的節點vD與源節點Vs之間通過路徑Path (vD,Vs) = (vD,…，VA, Vo, VL, Vb,…，Vs)傳遞數據包。在幹擾者X對網絡實施幹擾後,幹擾區域內的節點受到影響，進而造成節點Vd與Vs之間的通信因路由問題而中斷，然後被幹擾影響到的節點按照如下的算法恢復被幹擾的路由。(I)因幹擾而直接受到影響的傳感器節點包括幹擾區域內的節點與邊界節點，它們相互協作，使用具有一致性檢驗的幹擾檢測方法將網絡中存在的幹擾檢測出，同時該幹擾檢測方法標識出此幹擾區域的邊界節點VH, V1, Vj, Vk, Vl, Vm, Vn, V0 ;(2)幹擾區域內的被幹擾節點到目的節點vD的代價都因幹擾而重置為⑴，表明相應的目的節點不可達；(3)對於所有的邊界節點，如果它到達目的節點vD所要經過的上一跳節點在幹擾區域內部即為被幹擾節點，該邊界節點生成重置代價通知消息RESET，並將該消息中的Cost值設置為本邊界節點到達目的節點vD的代價，在將邊界節點的原有路由代價重置為⑴後，將消息RESET廣播給自己的鄰居節點；(4)對於收到重置代價通知消息RESET的傳感器節點vN，如果消息中的Cost值與對應於發送者的鏈路成本的和與接收節點Vn的Cost (Vn)相等,表明節點Vn在給目的節點vD發送數據時有可能需要經過被幹擾區域內的節點，它將RESET消息中的Cost值更新為自身的Cost (Vn)，在將Cost (Vn)重置為後重新廣播該消息給鄰居節點，否則，表示節點Vn與目的節點Vd通信時不需要經過幹擾區域內的節點，它將自身標識為被幹擾影響的節點的鄰居節點，並丟棄RESET消息；
(5)在上一步中所有標識為被幹擾影響的節點的鄰居節點，如果它的當前路由代價不為⑴，則它生成重建部分路徑請求R，將其中的Cost域設置為該節點的路由代價值，然後將其廣播到網絡中，用於重建被幹擾影響到的節點的路由代價值；(6)網絡中的某節點vNi從發送方vNj接收到重建部分路徑請求R後，vNi從R中讀取VNj到達目的節點Vd的代價Cost (vNJ),從鄰居表中讀取出與節點VNj的鏈路成本,更新鄰居表中與Vw對應的Cost值為Cost (vNJ) +鏈路成本，節點vNi按照與原始的路由代價建立過程類似的方式重建被幹擾影響的節點路由代價；(7)若節點vNi是第一次收到該重建部分路徑的消息R，或者Cost (vNJ) +鏈路成本〈Cost (vNi),則將當前到達目的節點Vd的代價Cost (vNi)設置成Cost (vNJ) +鏈路成本,將消息R中的Cost設置為Cost (vNi)，接著將更新後的消息廣播到網絡中，通知其他節點自己的代價發生了變化，否則不執行任何操作，直接將該消息R丟棄掉。最終，到目的節點的路由代價因幹擾而被影響的每個節點都能夠重建出新的到達目的節點Vd的代價，結合圖3的示意，源節點Vs與目的節點Vd之間重建後的通信路徑為Path (vD，Vs) — (vDj 「，Va，v。，vN，vP，vM，vL，vB， 「，vs)，中下點 vN、下點與下點 vM 為存i丁.擾區域周圍通過恢復過程找到的替代節點，通過此恢復過程，被幹擾中斷的路由重新建立，數據傳遞過程恢復。3)利用抗幹擾的方式恢復被幹擾區域節點的路由功能 與因能量耗盡而不可再次使用的傳感器節點相比，因幹擾而失效的節點雖然暫時不能進行通信，但它們畢竟還擁有通信能力，通過使用已有的研究提出的抵抗幹擾的方法，這些節點能夠在幹擾者仍然存在於網絡中的情況下繼續執行通信功能，進而能夠作為路由過程中的中轉節點執行數據轉發功能。在幹擾者將網絡中被幹擾區域內的節點幹擾後，為了恢復目的節點與源節點間的數據傳遞，先運用抗幹擾方法將被幹擾的節點恢復通信能力，然後在新的網絡環境下重新建立所需的路由。(I)幹擾者直接影響到的傳感器節點相互協作，運用帶有一致性檢驗的幹擾檢測方法將網絡中存在的幹擾檢測出，幹擾區域內的被幹擾節點到目的節點Vd的代價都因幹擾而重置為⑴，表明相應的目的節點不可達；(2)如果邊界節點到達目的節點vD所要經過的上一跳節點在幹擾區域內部即為被幹擾節點，則它生成重置代價通知消息RESET，將消息中的Cost值設置為本節點到達目的節點vD的代價，在將節點原有的路由代價重置為後將消息RESET廣播給自己的鄰居節佔.(3)對於收到重置代價通知消息RESET的傳感器節點vN，如果消息中的Cost值與對應於發送者的鏈路成本的和與該接收節點Vn的Cost (Vn)相等，表明節點Vn給目的節點vD發送的數據有可能需要經由被幹擾區域內的節點轉發，它將收到的RESET消息中的Cost值更新為本節點的Cost (Vn)，在將Cost (Vn)重置為m後廣播該消息給鄰居節點，否則，表示節點Vn與目的節點Vd間傳遞數據時不需要經過幹擾區域內的節點，它將自身標識為被幹擾影響的節點的鄰居節點，然後丟棄RESET消息；(4)利用信道切換這一抗幹擾方法，幹擾區域內的節點將要使用的信道切換到另外的不存在幹擾者的信道上，邊界節點作為連接被幹擾區域與未被幹擾區域的節點，它們在被幹擾節點使用的信道與原有的信道之間動態地切換，完成與不同信道上的節點之間的通信功能，實現在不同信道中節點間的數據中轉過程；(5)在前面步驟中所有標識為被幹擾影響的節點的鄰居節點，以及所有的邊界節點，如果它當前的路由代價不為⑴，表示它仍然擁有通向目的節點的有效路徑，則它生成重建部分路徑請求R，並將請求R的Cost域設置為該節點的路由代價值，然後將其廣播給鄰居節點，用於重建被幹擾影響到的節點的路由代價；(6)在重建部分路徑的過程中，某節點vNi從發送方Vw接收到重建部分路徑請求R後，vNi從R中讀取VNj到達目的節點Vd的代價Cost (vNJ),從鄰居表中讀取出與節點VNj的鏈路成本，將鄰居表中與Vw對應的Cost值更新為Cost (vNJ) +鏈路成本；(7)若節點vNi是第一次收到該重建部分路徑的消息R，或者Cost (vNJ) +鏈路成本〈Cost (vNi),則設置當前到達目的節點Vd的代價Cost (vNi)為Cost (vNJ) +鏈路成本,把消息R中的Cost設置為Cost (vNi),然後把更新後的消息R廣播給鄰居節點，通知其他節點自己 的代價發生了變化，否則不進行操作，將該消息R丟棄掉。使用NS2作為仿真工具，在路由的實現過程中，將節點對之間的跳數距離作為路由的代價信息，並將恢復的過程體現在路由的實現中。在仿真的網絡中設置了 440個傳感器節點，每個節點的通信半徑設置為150米，並將它們布置在2000米的正方形區域內，將位於最左下角的節點作為源節點，位置最右上角的節點作為目的節點，在這兩個節點之間建立通信傳輸。在仿真開始時使用正常的路由進行數據傳輸。在整個網絡運行到20分鐘時設置幹擾節點，將其放置在源節點與目的節點的傳輸路徑上，當幹擾節點開始幹擾後，在其幹擾區域內的節點中斷路由過程。利用已實現的路由恢復過程將中斷的路由恢復。在仿真過程中，第一組仿真將幹擾節點設置在源節點與目的節點的中間位置，調整幹擾節點的幹擾半徑大小，對於每個不同的半徑以及每種不同的恢復方法各運行多次模擬過程；第二組模擬將幹擾者的幹擾半徑固定為320米，而將幹擾者的位置在源節點與目的節點之間變化，並對每個位置處的幹擾進行網絡模擬。網絡運行結束後生成跟蹤文件，利用awk以及matlab分析其中的數據。圖4所示是在不同的幹擾區域半徑下的平均路由恢復延遲，當幹擾區域越大時所需要的恢復時間越長。由於通過抗幹擾恢復路由需要更多額外的工作來抵抗幹擾的攻擊，因而它所需的恢復時間最長。圖5所示是幹擾發生前以及通過不同恢復方法恢復路由後的跳數代價值，對比幹擾前的路由代價值，由於需要繞過被幹擾區域內的傳感器節點，全局恢復方法與利用周圍節點替代的方法都在恢復路由後使用了路由代價更大的路徑；因為通過抗幹擾的方法，有效地利用了被幹擾區域內部的節點繼續路由，所以此方法恢復後的路由代價值與幹擾發生前的路由代價值最為接近。圖6與圖7所示分別是在幹擾區域的大小固定而幹擾者的位置變化時的恢復延遲與路由跳數數據，對於全局恢復路由這一方法，由於需要在發現幹擾後向目的節點發送通知，故當幹擾者距源節點越來越遠時，需要的恢復時間越來越短；而對於其他兩種方法，由於當幹擾者距源節點越來越遠時，因幹擾而失效的節點更多，在重建部分路徑時需要更多的時間。與幹擾位置固定時的數據類似，抗幹擾方式恢復後的路由代價更接近於路由未中斷前的數據，其他兩種方法因要繞行被幹擾的節點，恢復後的路由代價值都相對偏大。根據仿真可知，在抗幹擾方法允許時，使用抗幹擾方法恢復路由雖然更耗費時間，但能夠得到最接近於未乾擾前的路由代價值。圖8與圖9數據是路由恢復前後的PDR對比，它們顯示了在幹擾者位於源節點與目的節點中間位置並且幹擾區域半徑為320米與420米時路由中斷前以及各種恢復方法恢復路由後10分鐘內的數據，由圖可以得知，恢復後的路由的PDR與恢復前的值較為接近，而且在幹擾區域半徑為其他值時，也擁有類似的數據特徵，這些表明了恢復方法的有效性。圖10與圖11所示是幹擾者居中並且在恢復路由時加入能量均衡過程的數據信息，將全局恢復方法與均衡的全局恢復方法、利用周圍節點替代恢復與均衡的周圍節點替代恢復分別進行對比可知，均衡後的恢復過程使用了更多的恢復時間，而增加的路由代價表明更多非原有路徑上的傳感器節點參與了路由轉發過程，參與進來的節點能夠有效地分擔幹擾區域周圍的節點的負擔，使得它們的使用時間更長久，能夠適當延長整個網絡的使用時間。圖12所示是在路由恢復過程中加入能量均衡時的PDR信息。圖中數據為幹擾者位於源節點與目的節點中間的位置、幹擾區域的半徑為420米時的信息，將全局恢復方法與均衡的全局恢復方法、利用周圍節點替代恢復與均衡的周圍節點替代恢復分別進行對比可知，在使得幹擾區域周圍的節點能量均衡的情況下，通信過程的PDR基本不受影響，模擬·過程中其他的幹擾者位置與幹擾區域半徑產生的數據擁有類似的特點。
權利要求
1.一種適用於無線傳感器網絡的幹擾環境中的路由恢復方法，其特徵在於，該方法包括如下步驟 (1)傳感器網絡節點利用帶有一致性檢驗的幹擾檢測方法對無線傳感器網絡中目的節點和源節點之間進行幹擾檢測，當檢測出幹擾時，對該幹擾區域內的邊界節點進行標識，被幹擾節點到目的節點的代價為00 ; (2)邊界節點生成幹擾通知消息並向目的節點轉發； (3)目的節點收到幹擾通知消息後，生成路由重建消息，並將路由重建消息中路由代價域值設置為O，然後將路由重建消息廣播到無線傳感器網絡中； (4)收到該路由重建消息的節點處理該消息 如果節點第一次收到路由重建消息或者節點到目的節點的路由代價大於鄰居節點到目的節點路由代價與鏈路成本之和，則將本節點到達目的節點的路由代價設置為鄰居節點到目的節點路由代價與鏈路成本之和，路由重建消息中路由代價域值設置為節點的原有路由代價，並將更新後的路由重建消息廣播到無線傳感器網絡中；否則不執行； (5)源節點收到路由重建消息，更新數據，獲得到達目的節點的新最優路由代價。
2.一種適用於無線傳感器網絡的幹擾環境中的路由恢復方法，其特徵在於，該方法包括如下步驟 (1)傳感器網絡節點利用帶有一致性檢驗的幹擾檢測方法對無線傳感器網絡中目的節點和源節點之間進行幹擾檢測，當檢測出幹擾時，對該幹擾區域內的邊界節點進行標識，被幹擾節點到目的節點的代價為00 ; (2)對於所有邊界節點，如果邊界節點到達目的節點所要經過的上一跳節點在幹擾區域內部，則邊界節點生成重置代價通知消息，並將重置代價通知消息中的路由代價值設置為本邊界節點到達目的節點的路由代價值，將邊界節點的原有路由代價重置為⑴，將重置代價通知消息廣播給本節點的鄰居節點； (3)對於收到該重置代價通知消息的節點，判斷節點自身是否需要重置到達目的節點的路由代價值 當重置代價通知消息中的路由代價值與對應於發送者的鏈路成本之和等於節點到達目的節點的的路由代價值，則更新重置代價通知消息中的路由代價域值為節點自身的路由代理值，將節點自身的路由代理值重置為⑴，將重置代價通知消息廣播給本節點的鄰居節點；否則，本節點將自身標識為被幹擾影響的節點的鄰居節點，並丟棄重置代價通知消息； (4)對於上一步中所有標識為被幹擾影響的節點的鄰居節點，如果鄰居節點的當前路由代價不為⑴，則鄰居節點生成重建部分路徑請求，並將代價域設置為該鄰居節點的路由代價值，然後將重建部分路徑請求廣播到網絡中； (5)網絡中的節點在收到重建部分路徑請求後，如果本節點到達目的節點的路由代價因幹擾而重置，則處理該重建部分路徑請求，並建立新的路由代價值；否則，忽略該重建路徑請求。
3.一種適用於無線傳感器網絡的幹擾環境中的路由恢復方法，其特徵在於，該方法包括如下步驟 (I)傳感器網絡節點利用帶有一致性檢驗的幹擾檢測方法對無線傳感器網絡中目的節點和源節點之間進行幹擾檢測，當檢測出幹擾時，對該幹擾區域內的邊界節點進行標識，被幹擾節點到目的節點的代價為00 ; (2)對於所有邊界節點，如果邊界節點到達目的節點所要經過的上一跳節點在幹擾區域內部，則邊界節點生成重置代價通知消息，並將重置代價通知消息中的路由代價值設置為本邊界節點到達目的節點的路由代價值，將邊界節點的原有路由代價重置為⑴，將重置代價通知消息廣播給本節點的鄰居節點； (3)收到重置代價通知的節點，判斷自身是否需要重置到達目的節點的代價值，如果需要，即它到達目的節點的路徑被中斷，則處理該通知後轉發給鄰居節點，並將自身代價值重置；如果不需要，則丟棄該通知，並標識自身為被幹擾影響到的節點的鄰居節點； (4)運用抗幹擾方法，恢復被幹擾的節點的通信能力； (5)檢測步驟(I)中所有標識為邊界節點和步驟(3)中所有標識為被幹擾影響的節點的鄰居節點，如果其當前的路由代價不為⑴，則生成重建部分路徑請求，並將重建部分路徑 請求中的路由代價域值設置為該節點的路由代價值，然後將其廣播給鄰居節點； (6)網絡中的節點在收到重建部分路徑請求時，如果當前節點到達目的節點的路由代價因幹擾而已經被重置，則處理該重建部分路徑請求，並建立新的路由代價值；如果當前節點的路由代價未被幹擾影響到，則它忽略該重建部分路徑請求。
全文摘要
一種適用於無線傳感器網絡的幹擾環境中的路由恢復方法，將檢測出的所有被幹擾節點當作因能量耗盡而失效的節點對待，邊界節點發送被幹擾的通知給正常節點，通知正常節點在源節點與目的節點之間的部分路徑因幹擾失效，正常節點重新進行全局的路由發現過程，在排除被幹擾節點的情況下找出新的全網中最優路由；或者，利用被幹擾區域附近的節點作為被幹擾節點的替代者，在替代者中尋找並建立一條新的替代路徑，從而恢復源節點與目的節點間的路由；或者，運用抗幹擾方法恢復被幹擾節點的通信能力，繼續作為中轉節點在源節點與目的節點之間轉發數據包。本發明確保了被幹擾中斷的路由的及時、有效恢復，能夠保證幹擾區域鄰近的節點擁有更長的使用時間。
文檔編號H04W40/16GK102752721SQ201210219628
公開日2012年10月24日 申請日期2012年6月28日 優先權日2012年6月28日
發明者朱燕民, 李清華 申請人:上海交通大學