無線傳感器網絡層次型入侵診斷處理系統及其方法

2023-04-25 01:53:51

專利名稱：無線傳感器網絡層次型入侵診斷處理系統及其方法
技術領域：
本發明涉及一種無線傳感器網絡的安全保護系統及其方法，特別是ー種無線傳感器網絡層次型入侵診斷處理系統及其方法。
背景技術：
無線傳感器網絡是由許多微小的傳感器節點通過無線介質自組織形成的分布式網絡系統，其作用是協作地感知、採集和處理網絡覆蓋區域中感知對象的信息，並發送給觀察者，在國防軍事、醫療保健、エ業控制、環境監測、智能家居等方面有廣泛的實用價值。由於無線傳感器網絡通常配置在惡劣環境、無人區域或敵方陣地中，加上無線網絡固有的脆弱性，其安全問題顯得尤為重要。由於傳感器節點資源(包括能量、內存、存儲空間和帶寬)有限，在節點上直接開發複雜的安全算法以構建入侵檢測系統是很難實現的。

發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種能有效地提高入侵診斷的準確性，降低漏報率和誤報率，並對入侵進行有效處理的無線傳感器網絡層次型入侵診斷處理系統及其方法。解決上述技術問題的技術方案是一種無線傳感器網絡層次型入侵診斷處理系統，包括由大量傳感器節點組成的數據探測層和由基站組成的入侵診斷層，所述的數據探測層用於數據檢測、數據聚合、數據加密、數據傳輸，並將檢測數據發送到網絡接入點，網絡接入點將檢測數據通過無線信道向基站轉發；所述的入侵診斷層用於根據數據探測層提供的檢測數據，診斷出網絡中所有的妥協節點，並採取應對措施處理。本發明的進ー步技術方案是所述的入侵診斷層包括依次相連的數據收集模塊、數據處理模塊、決策模塊和執行模塊，其中，
所述的數據收集模塊用於收集數據探測層提供的檢測數據，並為後期數據處理作準
備;
所述的數據處理模塊是基站的核心組件，用於將數據收集模塊收集到的檢測數據使用數值算法進行數據處理；
所述的決策模塊用於對ー個節點是否為妥協節點作診斷，然後採用獨立的或合作的決策算法在傳感器節點或基站上實施；
所述的執行模塊用於根據決策模塊的處理結果將妥協節點恢復為正常節點；或者將妥協節點進行部分或全部隔離。本發明的再進ー步技術方案是所述的傳感器節點包括傳感器、處理器、無線收發器和電池，所述的傳感器用於檢測數據，處理器用於將傳感器檢測到的數據進行加工處理，無線收發器用於接收查詢指令並將處理後的檢測數據發送到網絡接入點，電池用於為傳感器、處理器、無線收發器提供電源，所述的傳感器、處理器、無線收發器依次相連，所述的電池輸出端分別與傳感器、處理器、無線收發器的輸入端連接。
本發明的另ー技術方案是一種無線傳感器網絡層次型入侵診斷處理方法，該方法是ー種採用上述的無線傳感器網絡層次型入侵診斷處理系統對無線傳感器進行入侵診斷的處理方法，該方法包括以下步驟
51.數據檢測
數據探測層開始檢測，並將檢測數據進行數據聚合、數據加密；
52.數據傳輸
數據探測層將加密後的檢測數據發送到網絡接入點，網絡接入點將檢測數據通過無線信道向基站轉發； 53.數據收集
入侵診斷層的數據收集模塊收集到數據探測層轉發來的檢測數據，並為後期數據處理作準備；
54.數據處理
數據處理模塊將檢測數據使用數值算法進行數據處理；
55.決策
決策模塊對ー個傳感器節點是否為妥協節點作診斷，如果是，則採用獨立的決策算法在傳感器節點上實施；如果否，則採用合作的決策算法在基站上實施；
56.執行
執行模塊根據決策模塊的處理結果將妥協節點恢復為正常節點，或者將妥協節點進行部分或全部隔離，操作結束。本發明的進ー步技術方案是在步驟S3中所述的為後期數據處理作準備是數據收集模塊將收集到的檢測數據的存儲格式統ー為後期數據處理模塊的數據存儲格式。本發明的進ー步技術方案是在步驟S4中所述的使用數值算法進行數據處理的過程如下
S4.I.建立Simulink模型，Simulink模型根據應用程式的要求,對來自數據收集模塊的數據進行處理；
S4.2.基於Simulink模型開發ー個獨立的Simulink應用程式；
S4.3.通過Matlab接ロ程序改寫來自Java應用程式的數據，使之符合Matlab數據格式的要求，修改後的數據通過內存加載到Matlab工作區，該過程作為ー個獨立的應用程式進行處理；
S4.4.使用基於Java的Matlab生成器生成ー個Java程序庫集合,該程序庫用於整個數據處理方法的Java代理類；
S4.5.數據處理結束後，Simulink應用程式提供某個傳感器節點的預測值和預測誤差，所述的預測誤差為實際檢測值與預測值之間的差異；
54.6.通過Matlab接ロ程序，將Matlab數據格式轉換為Java數據格式,輸出數據到決策模塊。本發明的再進ー步技術方案是在步驟S5中所述的決策模塊的決策過程如下
55.I.輸入數據；
S5.2.判斷預測誤差是否大於閾值
決策模塊根據系統預先設定的閾值對傳感器節點進行審核，判斷預測誤差是否大於閾值，如果是，則進入步驟S5. 3，如果否，則其信任因子值不變；
S5.3.傳感器節點的信任因子值減I ;
S5.4.判斷信任因子值是否小於零
判斷傳感器節點的信任因子值是否小於零，如果是，則進入步驟S5. 5，如果否，基站繼續監控並處理網絡數據；
S5.5.宣告該傳感器節點是ー個妥協節點；
S5.6.輸出指令，將該妥協節點排除到網絡之外。由於採用上述結構，本發明之無線傳感器網絡層次型入侵診斷處理系統及其方法與現有技術相比，具有以下有益效果
I.可提高數據處理的準確度和實時性，降低誤報率
由於本發明之無線傳感器網絡層次型入侵診斷處理系統分為兩層由大量普通的傳感器節點構成的數據探測層和由基站構成入侵診斷層，其中，數據探測層可完成各種簡單的任務，如數據檢測、數據聚合、數據加密、數據傳輸等；入侵診斷層能完成對入侵進行診斷的主要功能，如數據收集、數據處理、惡意行為分析、應用安全措施等。因此，本發明的系統功能強大，極大地提高了數據處理的準確度和實時性，從而降低了誤報率。2.可對入侵進行有效處理
由於本發明之無線傳感器網絡層次型入侵診斷處理包括的步驟為Si.數據檢測；
S2.數據傳輸；S3.數據收集；S4.數據處理；S5.決策；S6.執行，其中在步驟S4通過數據模塊使用數值算法對數據進行處理後，在步驟S5中，可通過決策模塊對一個傳感器節點是否為妥協節點作診斷，如果是，則採用獨立的決策算法在傳感器節點上實施；如果否，則採用合作的決策算法在基站上實施；而在步驟S6中，執行模塊根據決策模塊的處理結果將妥協節點恢復為正常節點；或者將妥協節點進行部分或全部隔離。因此，本發明可對入侵進行有效處理，提高了無線傳感器網絡的安全性。3.本無線傳感器網絡層次型入侵診斷處理系統具有通用性，可以實施於任何路由、任何拓撲結構的無線傳感器網絡中。4.本無線傳感器網絡層次型入侵診斷處理系統的主要功能模塊由基站完成，確保了入侵診斷處理系統自身的安全性，並節省了網絡能耗。5.方法簡便，操作便捷
本發明之無線傳感器網絡層次型入侵診斷處理方法比較簡單，無需複雜的算法，其操作也比較便捷。下面，結合附圖和實施例對本發明之無線傳感器網絡層次型入侵診斷處理系統及其方法的技術特徵作進ー步的說明。


圖I :實施例一所述本發明之無線傳感器網絡層次型入侵診斷處理系統的結構框圖，
圖2 :實施例一所述傳感器節點以及數據收集模塊的數據格式結構圖，
圖3 :實施例一所述的數據處理模塊的結構框圖，
圖4 :實施例ニ所述本發明之無線傳感器網絡層次型入侵診斷處理方法的流程框圖，圖5 :實施例ニ的步驟S4所述使用數值算法進行數據處理過程的流程框圖，
圖6 :實施例ニ的步驟S5所述決策過程的流程框圖。在上述附圖中，各標號如下
I-數據探測層， 11-傳感器節點，2-入侵診斷層，21-基站，211-數據收集模塊，212-數據處理模塊，213-決策模塊，214-執行模塊，111-傳感器，112-處理器，
113-無線收發器，114-電池，
A -傳感器節點的數據格式，B-數據收集模塊的數據格式。
具體實施方式

實施例一
一種無線傳感器網絡層次型入侵診斷處理系統(參見圖1)，包括由大量傳感器節點11組成的數據探測層I和由基站21組成的入侵診斷層2，所述的數據探測層I用於數據檢測、數據聚合、數據加密、數據傳輸,並將檢測數據發送到網絡接入點，網絡接入點將檢測數據通過無線信道向基站21轉發，所述的傳感器節點11包括傳感器111、處理器112、無線收發器113和電池114，其中傳感器111用於檢測數據，處理器112用於將傳感器檢測到的數據進行加工處理，無線收發器113用於接收查詢指令並將處理後的檢測數據發送到網絡接入點，電池114用於為傳感器111、處理器112、無線收發器113提供電源，所述的傳感器111、處理器112、無線收發器113依次相連，所述的電池114輸出端分別與傳感器111、處理器112、無線收發器113的輸入端連接；所述的入侵診斷層2用於根據數據探測層I提供的檢測數據，診斷出網絡中所有的妥協節點，並採取應對措施處理；所述的入侵診斷層2包括依次相連的數據收集模塊211、數據處理模塊212、決策模塊213和執行模塊214，其中，
所述的數據收集模塊211用於收集數據探測層提供的檢測數據，並為後期數據處理作準備；由於從網絡中各傳感器節點處收集到的數據都有一個類似的格式，如TinyOS數據包格式，通常包含5位元組TinyOS Header、7位元組XSensor Header和若干字節Payload (如圖2的A所示)，而數據收集模塊存儲的數據結構則如圖2的B所示，該格式與數據處理模塊的要求相符，數據收集模塊的功能使用J2EE環境和Java語言實現，並啟動ー個線程，從傳感器節點處收集數據；
所述的數據處理模塊212是基站的核心組件，用於將數據收集模塊收集到的檢測數據使用數值算法進行數據處理，該數據處理模塊212的任務是使用數值算法進行數據處理，由於simulink有豐富的工具庫和函數庫，能進行準確、可靠的科學計算，可以針對任何能夠用數學來描述的系統進行建模，因此該模塊使用一個專門的自回歸預測器(AR)來開發Simulink模型,該自回歸模型的通用格式如下
X (t) = a:x (t~l) + a2x (t~2) + ...... + anx(t_n) + ^ (t)
其中，x(t)是根據歷史檢測值估計的預測值，^是自回歸係數(由AR預測器提供)，也稱作權值，n是自回歸次數(本文方案取n=3)，I為高斯白噪聲；
數據處理模塊建立了ー個獨立的Simulink應用程式，該Simulink模型使用ー個3階的RLS自適應濾波算法輸出預測值，預測誤差和權重與每個時間步長匹配；
使用Simulink模型可以進行準確的數據處理,如圖3所示,Simulink模型的輸入數據來自數據收集模塊的輸出，由於Simulink模型把數據結構作為輸入動態存儲到Matlabエ作空間中，所以需要ー個進行數據模式轉換的接ロ程序，負責將數據收集模塊的輸出格式轉變為有效的Matlab數據格式；同時在Simulink模塊和決策模塊之間也需要一個接ロ程序作相應數據格式轉換，兩種技術(Matlab和Simulink)的應用嵌入到ー個Java庫集合中；
所述的決策模塊213用於對ー個節點是否為妥協節點作診斷，然後採用獨立的或合作的決策算法在傳感器節點或基站上實施；
所述的執行模塊214用於根據決策模塊的處理結果將妥協節點恢復為正常節點；或者將妥協節點進行部分或全部隔離。實施例ニ
一種無線傳感器網絡層次型入侵診斷處理方法，該方法是ー種採用實施 例一所述的無線傳感器網絡層次型入侵診斷處理系統對無線傳感器進行入侵診斷的處理方法，它包括以下步驟(參見圖4)
51.數據檢測
數據探測層開始檢測，並將檢測數據進行數據聚合、數據加密；
52.數據傳輸
數據探測層將加密後的檢測數據發送到網絡接入點，網絡接入點將檢測數據通過無線信道向基站轉發；
53.數據收集
入侵診斷層的數據收集模塊收集到數據探測層轉發來的檢測數據，並為後期數據處理作準備，所述的為後期數據處理作準備是數據收集模塊將收集到的檢測數據的存儲格式統一為後期數據處理模塊的數據存儲格式。S4 數據處理
數據處理模塊將檢測數據使用數值算法進行數據處理；
55.決策
決策模塊對ー個傳感器節點是否為妥協節點作診斷，如果是，則採用獨立的決策算法在傳感器節點上實施；如果否，則採用合作的決策算法在基站上實施；
56.執行
執行模塊根據決策模塊的處理結果將妥協節點恢復為正常節點，或者將妥協節點進行部分或全部隔離，操作結束。在步驟S4中，所述的數據處理模塊將檢測數據使用數值算法進行數據處理的過程如下(流程框圖參見圖5)
54.I.建立Simulink模型，Simulink模型根據應用程式的要求,對來自數據收集模塊的數據進行處理；
S4.2.基於Simulink模型開發ー個獨立的Simulink應用程式；
S4.3.通過Matlab接ロ程序改寫來自Java應用程式的數據，使之符合Matlab數據格式的要求，修改後的數據通過內存加載到Matlab工作區，該過程作為ー個獨立的應用程式進行處理；
S4.4.使用基於Java的Matlab生成器生成ー個Java程序庫集合,該程序庫用於整個數據處理方法的Java代理類；54.5.數據處理結束後，Simulink應用程式提供某個傳感器節點的預測值和預測誤差，所述的預測誤差為實際檢測值與預測值之間的差異；
54.6.通過Matlab接ロ程序，將Matlab數據格式轉換為Java數據格式，輸出數據到決策模塊。在步驟S5中所述的決策模塊的決策過程如下(流程框圖參見圖6)
55.I.輸入數據；
S5.2.判斷預測誤差是否大於閾值
決策模塊根據系統預先設定的閾值對傳感器節點進行審核，判斷預測誤差是否大於閾
值，如果是，則進入步驟S5. 3，如果否，則其信任因子值不變；
S5.3.傳感器節點的信任因子值減I ;
S5.4.判斷信任因子值是否小於零
判斷傳感器節點的信任因子值是否小於零，如果是，則進入步驟S5. 5，如果否，基站繼續監控並處理網絡數據；
S5.5.宣告該傳感器節點是ー個妥協節點；
55.6.輸出指令，將該妥協節點排除到網絡之外；所述的指令是ー個包含節點ID和特殊消息的能被目標節點認可的數據結構，指令會觸發ー個專用程序以處理網絡中的ー個或多個節點，例如，激活妥協節點的睡眠程序，使該節點不能參與網絡通信。
權利要求
1.一種無線傳感器網絡層次型入侵診斷處理系統，其特徵在於包括由大量傳感器節點(11)組成的數據探測層(I)和由基站(21)組成的入侵診斷層(2)，所述的數據探測層(I)用於數據檢測、數據聚合、數據加密、數據傳輸，並將檢測數據發送到網絡接入點，網絡接入點將檢測數據通過無線信道向基站(21)轉發；所述的入侵診斷層(2)用於根據數據探測層(I)提供的檢測數據，診斷出網絡中所有的妥協節點，並採取應對措施處理。
2.根據權利要求I所述的無線傳感器網絡層次型入侵診斷處理系統，其特徵在於所述的入侵診斷層(2)包括依次相連的數據收集模塊(211)、數據處理模塊(212)、決策模塊(213)和執行模塊(214)，其中， 所述的數據收集模塊(211)用於收集數據探測層提供的檢測數據，並為後期數據處理作準備； 所述的數據處理模塊(212)是基站的核心組件，用於將數據收集模塊收集到的檢測數據使用數值算法進行數據處理； 所述的決策模塊(213)用於對ー個節點是否為妥協節點作診斷，然後採用獨立的或合作的決策算法在傳感器節點或基站上實施； 所述的執行模塊(214)用於根據決策模塊的處理結果將妥協節點恢復為正常節點；或者將妥協節點進行部分或全部隔離。
3.根據權利要求2所述的無線傳感器網絡層次型入侵診斷處理系統，其特徵在於所述的傳感器節點(11)包括傳感器(111)、處理器(112)、無線收發器(113)和電池(114)，所述的傳感器(111)用於檢測數據，處理器(112)用於將傳感器檢測到的數據進行加工處理，無線收發器(113)用於接收查詢指令並將處理後的檢測數據發送到網絡接入點，電池(114)用於為傳感器(111)、處理器(112)、無線收發器(113)提供電源，所述的傳感器(111)、處理器(112)、無線收發器(113)依次相連，所述的電池(114)輸出端分別與傳感器(111)、處理器(112)、無線收發器(113)的輸入端連接。
4.一種無線傳感器網絡層次型入侵診斷處理方法，其特徵在於該方法是ー種採用權利要求3所述的無線傳感器網絡層次型入侵診斷處理系統對無線傳感器進行入侵診斷的處理方法，該方法包括以下步驟 `51.數據檢測 數據探測層開始檢測，並將檢測數據進行數據聚合、數據加密； ` 52.數據傳輸 數據探測層將加密後的檢測數據發送到網絡接入點，網絡接入點將檢測數據通過無線信道向基站轉發； `53.數據收集 入侵診斷層的數據收集模塊收集到數據探測層轉發來的檢測數據，並為後期數據處理作準備； ` 54.數據處理 數據處理模塊將檢測數據使用數值算法進行數據處理； ` 55.決策 決策模塊對ー個傳感器節點是否為妥協節點作診斷，如果是，則採用獨立的決策算法在傳感器節點上實施；如果否，則採用合作的決策算法在基站上實施；S6.執行 執行模塊根據決策模塊的處理結果將妥協節點恢復為正常節點，或者將妥協節點進行部分或全部隔離，操作結束。
5.根據權利要求4所述的無線傳感器網絡層次型入侵診斷處理方法，其特徵在於在步驟S3中所述的為後期數據處理作準備是數據收集模塊將收集到的檢測數據的存儲格式統ー為後期數據處理模塊的數據存儲格式。
6.根據權利要求4所述的無線傳感器網絡層次型入侵診斷處理方法，其特徵在於在步驟S4中所述的使用數值算法進行數據處理的過程如下 S4. I.建立Simulink模型，Simulink模型根據應用程式的要求,對來自數據收集模塊的數據進行處理； S4. 2.基於Simulink模型開發ー個獨立的Simulink應用程式； S4.3.通過Matlab接ロ程序改寫來自Java應用程式的數據，使之符合Matlab數據格式的要求，修改後的數據通過內存加載到Matlab工作區，該過程作為ー個獨立的應用程式進行處理； S4.4.使用基於Java的Matlab生成器生成ー個Java程序庫集合,該程序庫用於整個數據處理方法的Java代理類； S4.5.數據處理結束後，Simulink應用程式提供某個傳感器節點的預測值和預測誤差，所述的預測誤差為實際檢測值與預測值之間的差異； 54.6.通過Matlab接ロ程序，將Matlab數據格式轉換為Java數據格式,輸出數據到決策模塊。
7.根據權利要求4或5或6所述的無線傳感器網絡層次型入侵診斷處理方法，其特徵在於在步驟S5中所述的決策模塊的決策過程如下 S5.I.輸入數據； S5. 2.判斷預測誤差是否大於閾值 決策模塊根據系統預先設定的閾值對傳感器節點進行審核，判斷預測誤差是否大於閾值，如果是，則進入步驟S5. 3，如果否，則其信任因子值不變； S5. 3.傳感器節點的信任因子值減I ; S5.4.判斷信任因子值是否小於零 判斷傳感器節點的信任因子值是否小於零，如果是，則進入步驟S5. 5，如果否，基站繼續監控並處理網絡數據； S5. 5.宣告該傳感器節點是ー個妥協節點； S5.6.輸出指令，將該妥協節點排除到網絡之外。
全文摘要
一種無線傳感器網絡層次型入侵診斷處理系統及其方法，涉及一種無線傳感器網絡的安全保護系統及其方法，系統包括由大量傳感器節點組成的數據探測層和由基站組成的入侵診斷層，其中數據探測層用於數據檢測、數據聚合、數據加密、數據傳輸，並將檢測數據發送到網絡接入點，網絡接入點將檢測數據通過無線信道向基站轉發；入侵診斷層用於根據數據探測層提供的檢測數據，診斷出網絡中所有的妥協節點，並採取應對措施處理。方法包括步驟S1.數據檢測；S2.數據傳輸；S3.數據收集；S4.數據處理；S5.決策；S6.執行。本發明能有效提高入侵診斷的準確性，降低漏報率和誤報率，並可對入侵進行有效處理，提高了無線傳感器網絡的安全性。
文檔編號H04W12/00GK102869006SQ20121033830
公開日2013年1月9日 申請日期2012年9月13日 優先權日2012年9月13日
發明者歸奕紅, 劉寧, 黃光明, 韋彬貴, 廖颯, 楊敬桑, 廖波光 申請人:柳州職業技術學院