一种无线传感器网络中基于公平概率标记的溯源追踪方法与流程

本发明属于无线传感器网络安全领域，特备涉及一种无线传感器网络中基于公平概率标记的溯源追踪方法。

背景技术：

无线传感器网络是由大量的彼此之间通过多跳无线链路和通信的传感器节点以自组织和多跳的方式构成的无线网络，可以广泛的运用到工业监测，农业，民用，环境监测，战场，海洋，火灾等各种特殊环境与应用中，被认为是未来的重要物联网络的关键基础技术之一。无线传感器网络的安全问题是一类重要的研究课题。其中溯源追踪问题是无线传感器网络中保证安全的一种重要机制，其研究具有重要的意义。

溯源追踪是保障无线传感器网络安全的一种重要机制。它的原理是在数据包往基站传送的过程中，通过在数据包中加上路由节点的标识号信息，也就是标记信息。在以后如果发生的攻击事件，那么系统可以通过这些标记的信息重建立数据包经过的路径，从而可以确定可能的恶意节点。在数据包标记方法中，最开始的方法是数据包路由路径上的每个节点都将自己的标示号信息加到数据包中(称为标记数据包)。这种方法的不足是随着数据包向基站的路由进行，数据包的长度越来越长，当达到基站前时，数据包的长度达到最大长度。而传感器网络中节点的能量极其有限，而一般不能重新充电。而近基站区域存在能量消耗非常高的热点区域，因而更加加重了网络的能量消耗，加速了网络的提前死亡。随后的研究对这种方法进行了改进，提出了一种概率标记方法。概率标记方法的改进是每个节点以一定概率标记经过的数据包，从而可以减少数据包的长度。在已经提出的概率标记方法中，每个节点对每一个经过的数据包都是以相等的概率来标记的，在本文中，我们称这种方法为等概率标记方法。虽然等概率标记方法对每一个数据包标记的概率相等，但是基站节点收到的数据包中，节点被标记的概率却不是相等的。因为，无线传感器网络的数据收集有"多对一"的特征，因而近基站的节点往往是多条路由的汇聚点，因而承担了更多数据包的路由转发，虽然对每一个数据包标记的概率是相等的，但由于经过这些节点的数据包比远基站处的多，因而基站收到数据包中标记近基站节点的概率大于远基站区域的节点。这种情况造成的不利后果是，被攻击者受到攻击时，需要收集较多的数据包才能得到带有远基站节点标记信息的数据包，即所谓的收敛时间较长，从而需要较长的时间才能确定恶意节点的位置。

技术实现要素：

本发明提供了一种无线传感器网络中基于公平概率标记的溯源追踪方法，其目的在于克服现有技术中各节点均采用相同概率对所经过的数据包进行标记，导致无线传感器网络寿命低、节点能量消耗过快的问题。

一种无线传感器网络中基于公平概率标记的溯源追踪方法，在平面无线传感器网络的溯源追踪过程中，采用不同的节点标记概率对距离基站不同距离处的节点对经过该节点的数据包进行节点标记，使得到达基站的所有数据包中所包含的每个节点被标记的次数相等：

近基站的节点采用较低的节点标记概率，远离基站的节点采用较高的节点标记概率；

所述节点标记概率，是指数据包经过节点时，节点标示号信息添加到数据包的概率；

所述节点被标记，是指当到达基站的数据包包含某节点标示号时，则该节点在该数据包中被标记。

对于距离基站不同距离处的节点对经过该节点的数据包进行节点标记的节点标记概率τx按以下公式计算：

其中，τ是距离基站为最远处的节点对经过该节点的数据包进行标记的节点标记数据包概率，为无线传感器网络设定值，表示向下取整函数，r表示平面无线传感器网络的网络通信半径，R是网络半径。

距离基站最远处的节点没有接受数据，在一个周期内只发送一个数据包，该节点标记数据包的概率为τ，此节点标记的数据包被基站收到的概率为π，π＝τ，即距离基站最远处的节点对经过本身的数据包的标记概率与达到基站的数据包中该节点被标记的概率相同。

有益效果

本发明提出了一种无线传感器网络中基于公平概率标记的溯源追踪方法，该方法针对现有技术中均未对实际应用的最广泛的2维的平面无线传感器网络公平标记的方法而提出，在节点标记数据包时是不等概率的，近基站的节点标记所经过的数据包的概率小，远基站的节点标记所经过的数据包的概率高，使得基站收到的所有数据包中，每个节点的被标记次数相等，即使得每个节点被公平标记；本发明所述的方法提供了准确的距离基站任意距离处的标记概率的计算公式，能够快速的确定各节点对所经过的数据包进行标记的概率，适应性强，对网络寿命的延长效果明显。

附图说明

图1为采用本发明所述方法和现有的等概念标记方法在设定的节点被标记概率下，各方法对应的无线传感器网络中节点承担的数据量示意图；

图2为采用本发明所述方法和现有的等概念标记方法在设定的节点被标记概率下，各方法对应的无线传感器网络的能量消耗示意图；

图3为采用本发明所述方法和现有的等概念标记方法在设定的节点被标记概率下，各方法对应的无线传感器网络的网络寿命示意图；

图4为采用本发明所述方法和现有的等概念标记方法在设定的节点被标记概率下，各方法对应的无线传感器网络溯源追踪的收敛时间示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

一种无线传感器网络中基于公平概率标记的溯源追踪方法，在平面无线传感器网络的溯源追踪过程中，采用不同的节点标记概率对距离基站不同距离处的节点对经过该节点的数据包进行节点标记，使得到达基站的所有数据包中所包含的每个节点被标记的次数相等：

近基站的节点采用较低的节点标记概率，远离基站的节点采用较高的节点标记概率；

所述节点标记概率，是指数据包经过节点时，节点标示号信息添加到数据包的概率；

所述节点被标记，是指当到达基站的数据包包含某节点标示号时，则该节点在该数据包中被标记。

对于距离基站不同距离处的节点对经过该节点的数据包进行节点标记的节点标记概率τx按以下公式计算：

其中，τ是距离基站为最远处的节点对经过该节点的数据包进行标记的节点标记数据包概率，为无线传感器网络设定值，表示向下取整函数，r表示平面无线传感器网络的网络通信半径，R是网络半径。

距离基站最远处的节点没有接受数据，在一个周期内只发送一个数据包，该节点标记数据包的概率为τ，此节点标记的数据包被基站收到的概率为π，π＝τ，即距离基站最远处的节点对经过本身的数据包的标记概率与达到基站的数据包中该节点被标记的概率相同。

在本实例中，R＝350米，r＝50米。图1和图2的实验结果给出了平面网络中不同策略下节点的承担的数据量，能量消耗。得到的结论是：公平标记方法下节点承担的数据量与能量消耗小。

从图3可以看，当τ＝0.1时，公平标记方法是等概率标记方法网络寿命的1.21694到1.86098倍，当τ＝0.3时，公平标记方法是等概率标记方法网络寿命的1.59309到3.37452倍。说明公平标记方法的性能优于等概率标记方法。

从图4可以看出公平标记方法下网络溯源追踪的收敛时间小于等概率标记方法。当网络半径R＝350m时，公平标记方法下网络溯源追踪的收敛时间仅为等概率标记方法收敛时间的0.3，也就是说减少收敛时间60％以上。