专利名称：无线传感器网络中应对恶意干扰的方法
技术领域：
本发明涉及的是一种无线通信技术领域的方法，具体是一种基于IEEE 802. 15. 4 技术的无线传感器网络中应对恶意干扰的方法。
背景技术：
无线传感器网络综合了传感器、嵌入式计算、分布式处理和无线通信等技术，是一 种全新的信息获取和处理技术。无线传感器网络由随机分布的集成传感器、数据处理单元 和通信模块的微小节点通过自组织的方式构成。它借助于节点中内置的形式多样的传感 器，协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，对其进行处理，并通过无线 和自组织多跳的网络方式，将获取到的信息送到终端用户。随着无线传感器网络的发展与应用越来越广泛，其安全问题也日益重要。同时，受 限于传感器结点本身计算能力、能量、传输媒介等的限制，无线传感器网络的安全问题比以 往的因特网上的安全问题更为棘手。在无线传感器网络中，结点之间通信使用的是开放而 且通信带宽受限的信道，这样使得干扰结点可以很容易地观测并参与到网络中正常结点的 通信。所以，干扰结点只要绕过MAC层(介质访问控制层)和物理层的一些相应安全机制， 通过简单地发送错误的信息就可以误导网络中的正常结点，从而影响整个传感器网络的正 常工作。这种干扰攻击可以看成DoS攻击(denial-of-service，拒绝服务攻击)的一个特 例。经文献检索发现，作者Y. Law和P. Havinga在ISSNIP 2005的89-95页上发表文 章"Howto secure a wireless sensor network，，，该文提至Ij的一些无线传感器网络中抗 干扰的方法，如基于物理层的HISS扩频技术和DHSS扩频技术(直接序列扩频技术)，或者 设计新的MAC层协议。前者需要改变现有的传感器结点的硬件设计，成本比较高，后者与现 有的传感器网络不兼容。所以现在亟需发掘一些新的机制用于对干扰攻击。这个机制需要 能达到一定的抗干扰能力，同时也需要能够在现有的传感器结点硬件上实现得了，并与当 前的传感器网络互相兼容。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种无线传感器网络中应对恶意干扰 的方法。本发明在IEEE 802. 15. 4协议的MAC层之上，通过引入相应的机制，使无线传感器 网络具备抗干扰的能力而无须修改当前的传感器硬件设计，并且可与当前无线传感器网络
相兼容。本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下步骤步骤1、传感器节点进行丢失节点判断后计算所有一跳邻居节点中的最大包传输 成功率所述的丢失节点判断是指传感器结点通过广播数据包至所有一跳邻居结点，并 根据收到的回复消息来更新其邻居结点列表，当原有的邻居节点列表中有至少一个结点在更新后的邻居表中不再出现，则该邻居节点为丢失节点并执行步骤4。所述的广播数据包的周期为50ms。所述的最大包传输成功率是指当不存在丢失节点时，传感器结点分别统计其自 身及其邻居结点的广播数据包-回复消息的包传输成功率，并且得出包传输成功率中的最 大值作为最大包传输成功率。 所述的广播数据包-回复消息的包传输成功率是指在一个时间窗口 W中，传感器 结点统计成功发送的数据包的个数和成功到达目的地的数据包的个数，二者的比值即为包 传输成功率Pdr ；其中W为2秒。步骤2、当最大包传输成功率大于传输率阈值时返回步骤1，否则传感器结点测量 当前通信信道中的信号能量强度；所述的当前通信信道中的信号能量强度通过以下方式获得传感器结点每隔 lms，连续50次读取信道中的信号能量强度，并选取50个信号能量强度值中最大的三个，取 平均后作为当前通信信道中的信号能量强度。所述的传输率阈值为50%。步骤3、当信号能量强度小于信号强度阈值时回到步骤1 ；否则传感器结点将当前 通信信道切换至保留信道，并在保留信道上等待重新连接，当重新连接则回到步骤1 ；否则 传感器结点搜索所有可用通信信道并依次在各个可用通信信道上等待重新连接，当重新连 接则回到步骤1 ；否则传感器节点将当前通信信道切换至初始信道，并等待连接，一直到连 接上后回到步骤1 ；所述的保留信道为传感器网络中在初始化时就预先设定好的无干扰信道序列，该 保留信道通过以下方式得到对所有的信道进行编码，网络中的每个传感器结点共享同一 个密钥用于产生一个相同的随机数序列，当需要获得一个保留信道编号时，按照所述的随 机数序列进行搜索得到的第一个空闲的信道即为保留信道。所述的空闲的信道是指当信道中的信号能量强度低于阈值时，则断定信道为空 闲。步骤4、传感器结点将当前通信信道切换至保留信道，并在保留信道上广播数据包 给所有一跳邻居结点，当收到步骤1中所述丢失节点的回复则执行下步骤5，否则传感器结 点将当前通信信道切换至初始信道并返回步骤1 ；步骤5、传感器结点将当前通信信道切换至初始信道，广播即将切换通信信道的消 息，然后再将通信信道切换至保留信道上，返回步骤1。有益效果现在广泛应用在无线传感器网络中的IEEE 802. 15. 4技术中并没有应 对干扰的机制，而传统的无线网络抗干扰的方法不能在现有的传感器结点上实现。本发明 在IEEE802. 15. 4技术的基础上，提出来了一种无线传感器网络中应对干扰的方法。通过 实验表明，这个方法能够有效地应对干扰，使得无线传感器网络在存在干扰的环境中正常 工作。在大多数情况下，其干扰检测精度达到80%以上，其信道切换时延可控制在百毫秒 级别，足以满足大部分现有的传感器网络应用的需要。同时这个方法的额外计算复杂度是 0(1)，基本不会影响到传感器的正常工作。本发明采用了引入置信度检验的包传输成功率 来进行干扰检测的判断，这是这个抗干扰系统的基础，使之在拥有较高抗干扰能力的前提 下，也不至于对传感器结点造成过大的额外负担。
图1是本发明流程示意图。
具体实施例方式下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行 实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施 例。运行本发明方法的设备为普通的传感器结点，具体的平台型号是Telosb。发明方 法的具体实现平台是=TinyOS 2操作系统。网络中所使用的通信技术是IEEE 802. 15. 4技 术。通过修改TinyOS 2里原来实现IEEE 802. 15. 4技术的代码，来把本发明应用到实 际的传感器结点中。具体步骤如下步骤1、传感器结点如果收到切换信道的消息通知的话，就把信道切换到消息中所 述的信道中。否则传感器结点通过在每次广播beacon数据包给所有一跳邻居结点时，根据 收到的回复消息来更新其邻居结点列表。如果结点没有收到原来的某个邻居结点列表上的 结点的回复消息，则传感器结点可以断定这个邻居结点发生了丢失，接着转步骤4继续操 作，否则传感器结点分别统计其自身及其邻居结点的包传输成功率，并且得出包传输成功 率中的最大值作为最大包传输成功率，具体步骤包括1. 1)传感器结点每隔t时间广播一个beacon数据包至邻居列表中的结点，以保证 网络中的数据流量不小于T
threshold‘ 其中T
threshold
取20个数据包/秒，t取值50ms ；1. 2)传感器结点在每次调用发包函数时，会统计成功发送的数据包的个数和成 功到达目的地的数据包的个数，二者的比值即为包传输成功率(记为Pdr)；最后在每个 长度为2秒的时间窗口内都统计出它与自身邻居结点之间的最大包传输成功率(记为 MaxPdr)；步骤2、比较步骤1所得到的MaxPdr与Pthresh。ld，如果MaxPdr > Pthreshold,转步骤 (1)继续操作，否则传感器结点测量得到当前通信信道中的信号能量强度SS。具体步骤为 通过设置一个定时触发的任务，每隔Ims触发一次，通过读取硬件预备好存放在寄存器中 的信号能量强度数值；当这个定时任务被触发50次后，就不再被触发，同时返回这50次测 量中所获得的数值里最大的前三个数值的平均值，这可以当作是所要求获得的信号能量强 度SS;其中，Pthresh。ld为根据需要设定的阈值，通过实验，可以取为50%。步骤3、比较步骤2中所得到的SS与Sthresh。ld，如果SS < Sthreshold,转步骤1继续操 作，否则传感器结点将当前通信信道切换至保留信道，设置一个定时任务，任务内容是如果 当前结点在T时间内重新被其他结点连接上，就转步骤1继续操作，否则传感器结点搜索所 有可用通信信道并依次在各个可用通信信道上等待重新连接，等待的最长时间为T，当重新 连接则回到步骤1 ；否则传感器节点将当前通信信道切换至初始信道，并等待连接，一直到 连接上后回到步骤1 ；其中，Sthresh。ld为根据需要设定的阈值，与传感器结点的硬件实现方法有关，可以通过实验获得一个合适的Sthresh。ld取值；在这里，Sthresh。ld可以取-82daii。所述的保留信道为传感器网络中在初始化时就预先设定好的无干扰信道序列，该 保留信道通过以下方式得到对所有的信道进行编码，网络中的每个传感器结点共享同一 个密钥用于产生一个相同的随机数序列。当需要获得一个保留信道编号时，就按照这个 序列搜索，遇到的第一个空闲的信道就是所求的保留信道。其中，判断信道空闲与否的方 法是通过测量信道中的信号能量强度SS2，测量方法与步骤2中测量SS值相同。当SS2 < SS2threshold时，就断定信道为空闲。通常，SS\toesh。ld可以取-90cffim。步骤4、传感器结点将当前通信信道切换至保留信道；传感器结点在保留信道上 广播数据包给所有一跳邻居结点，如果有收到步骤1中所述在新的邻居列表中消失的结点 的回复的话，则执行下一个步骤，否则传感器结点将当前通信信道切换至初始信道并返回 步骤1;步骤5、传感器结点将当前通信信道切换至初始信道，广播即将切换通信信道的消 息，然后再将通信信道切换至保留信道上，返回步骤1。
权利要求
1.一种无线传感器网络中应对恶意干扰的方法，其特征在于，包括以下步骤步骤1、传感器节点进行丢失节点判断后计算所有一跳邻居节点中的最大包传输成功率步骤2、当最大包传输成功率大于传输率阈值时返回步骤1，否则传感器结点测量当前 通信信道中的信号能量强度；步骤3、当信号能量强度小于信号强度阈值时回到步骤1 ；否则传感器结点将当前通信 信道切换至保留信道，并在保留信道上等待重新连接，当重新连接则回到步骤1 ；否则传感 器结点搜索所有可用通信信道并依次在各个可用通信信道上等待重新连接，当重新连接则 回到步骤1 ；否则传感器节点将当前通信信道切换至初始信道，并等待连接，一直到连接上 后回到步骤1 ；步骤4、传感器结点将当前通信信道切换至保留信道，并在保留信道上广播数据包给所 有一跳邻居结点，当收到步骤1中所述丢失节点的回复则执行下步骤5，否则传感器结点将 当前通信信道切换至初始信道并返回步骤1 ；步骤5、传感器结点将当前通信信道切换至初始信道，广播即将切换通信信道的消息， 然后再将通信信道切换至保留信道上，返回步骤1。
2.根据权利要求1所述的无线传感器网络中应对恶意干扰的方法，其特征是，所述的 丢失节点判断是指传感器结点通过广播数据包至所有一跳邻居结点，并根据收到的回复 消息来更新其邻居结点列表，当原有的邻居节点列表中有至少一个结点在更新后的邻居表 中不再出现，则该邻居节点为丢失节点并执行步骤4。
3.根据权利要求1所述的无线传感器网络中应对恶意干扰的方法，其特征是，所述的 广播数据包的周期为50ms。
4.根据权利要求1所述的无线传感器网络中应对恶意干扰的方法，其特征是，所述的 最大包传输成功率是指当不存在丢失节点时，传感器结点分别统计其自身及其邻居结点 的广播数据包-回复消息的包传输成功率，并且得出包传输成功率中的最大值作为最大包 传输成功率。
5.根据权利要求4所述的无线传感器网络中应对恶意干扰的方法，其特征是，所述的 广播数据包-回复消息的包传输成功率是指在一个时间窗口 W中，传感器结点统计成功发 送的数据包的个数和成功到达目的地的数据包的个数，二者的比值即为包传输成功率Pdr ； 其中W为2秒。
6.根据权利要求1所述的无线传感器网络中应对恶意干扰的方法，其特征是，所述的 当前通信信道中的信号能量强度通过以下方式获得传感器结点每隔1ms，连续50次读取 信道中的信号能量强度，并选取50个信号能量强度值中最大的三个，取平均后作为当前通 信信道中的信号能量强度。
7.根据权利要求1所述的无线传感器网络中应对恶意干扰的方法，其特征是，所述的 保留信道为传感器网络中在初始化时就预先设定好的无干扰信道序列，该保留信道通过以 下方式得到对所有的信道进行编码，网络中的每个传感器结点共享同一个密钥用于产生 一个相同的随机数序列，当需要获得一个保留信道编号时，按照所述的随机数序列进行搜 索得到的第一个空闲的信道即为保留信道。
8.根据权利要求1所述的无线传感器网络中应对恶意干扰的方法，其特征是，所述的空闲的信道是指当信道中的信号能量强度低于阈值时，则断定信道为空闲。
9.根据权利要求1所述的无线传感器网络中应对恶意干扰的方法，其特征是，所述的 传输率阈值为50%。
全文摘要
一种无线通信技术领域的无线传感器网络中应对恶意干扰的方法，通过最大包传输成功率和信号能量强度对邻居节点列表进行更新；并通过保留信道实现应对恶意干扰的信息传输。本发明使无线传感器网络具备抗干扰的能力而无须修改当前的传感器硬件设计，并且可与当前无线传感器网络相兼容。
文档编号H04W28/26GK102088741SQ201110050440
公开日2011年6月8日 申请日期2011年3月2日 优先权日2011年3月2日
发明者朱燕民, 李文贤 申请人:上海交通大学