无线传感器网络中基于日志与迁移溯源追踪中的不等概率标记方法

摘要

本发明公开了一种无线传感器网络中基于日志与迁移溯源追踪中的不等概率标记方法，该方法通过在采用日志与迁移溯源追踪策略的无线传感器网络中，距离基站不同距离处的节点采用不等的标记概率：近基站区域的节点采用较低标记概率，远基站区域中的节点采用较高标记概率；在以往策略的基础上进一步提高远基站区域节点的标记概率，从而可以增大节点被标记的概率，增大系统的总标记量，从而可以提高溯源追踪的安全性能。在增大标记概率的基础上，不需要增大节点的存储容量，也不会影响网络的寿命。

说明书

技术领域

本发明属于无线网络安全领域，特别涉及一种无线传感器网络中基于日志与迁移溯源追 踪中的不等概率标记方法。

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 己的标识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。而近基站区域存在热区区域，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针对IP 网络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。在现有文献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，称这种方法为等概率标记方法。

随后的研究提出了一种日志结合迁移的方法，在这种方法中，依据无线传器网络近基站 节点承担的数据量与标记量多，而远基站区域节点的存储空间与能量有大量剩余的情况。当 近基站节点日志的标记量较多时，则将标记量迁移到远基站区域，这样即利用了远基站节点 的剩余能量与存储空间。又缓解了近基站区域的存储空间不足，减少了近基站区域需要传送 的标记量。然而该方法中，远基站区域的节点仍然存在大量的剩余能量和存储空间未被利用， 存在一定程度的浪费。

发明内容

本发明提供了一种无线传感器网络中基于日志与迁移溯源追踪中的不等概率标记方法， 通过对基站附近节点的标记概率采用与以往策略的相同标记概率，提高远基站区域节点的标 记概率，使得整个网络节点的标记概率增加，总标记量增加，充分利用远基站节点的能量和 空间，从而减少了溯源追踪所需的时间。

一种无线传感器网络中基于日志与迁移溯源追踪中的不等概率标记方法，在采用日志与 迁移溯源追踪策略的无线传感器网络中，距离基站不同距离处的节点采用不等的标记概率： 近基站区域的节点采用较低标记概率，远基站区域中的节点采用较高标记概率；并将无线传 感器网络分为三个区域，分别热区、缓冲区及富裕区域；

所述热区是指距离基站为1跳的节点所在的区域，所述缓冲区为距离基站为2-4跳的节点 所在的区域，所述富裕区域是指无线网络传感器中的节点不在热区与缓冲区的节点所在区域；

位于缓冲区的节点接收到带有标记信息的数据包后，将标记信息存储到节点上，如果节 点的剩余存储空间小于预定的空间时则将标记信息反向迁移到远基站的节点上存储。

所述距离基站不同距离处的节点τ_i采用不等的标记概率按照以下公式设定：

${\tau }_i=\left(\begin{array}{cc}\left(\begin{array}{cc}\tau ,& i<0.8n-12\\ -0.05(n-i)+0.95,& 0.8n-12\le i<0.8n>\\ 1,& i\ge 0.8n\end{array}\right)& if(n>2\upsilon )\\ \tau & if(n\le 2\upsilon )\end{array}\right)$

其中，τ为无线网络中设定的节点初始标记概率，i表示节点距离基站的跳数，距离基站 跳数为i的节点的标记概率为τ_i；n表示无线网络中距离基站最远节点的跳数；υ表示数据包 中允许携带的最大标记量的个数。

所述近基站区域中距离基站跳数为2-4跳区域范围内的节点将标志信息日志在缓存区，当 缓存区空间不够时，节点的标志信息迁移至能量富裕区域的节点，同时将迁移信息记录在位 于缓存区中存储有标志信息的节点上。

提前将标志信息存储在缓冲区，减少发送至基站的数据包长度，如果缓冲区空间不够， 则迁移到更远的地方，但是原始保存标记信息的节点存有迁移走的标记信息的标识号，因而 基站向这些节点询问谁有这些标记信息时，节点能够获知现在的标记信息是否发生迁移以及 迁移到哪个节点。

在节点迁移标志信息的过程中，节点按照设定的迁移跳数m，向数据路由的反方向路由 m跳后到达的节点，为标志信息和迁移信息的存储节点。

所述迁移跳数m取值为5。

如图1所示的路由路径中。依据本发明方法的标 记原则，对远基站的富裕区域节点采用高的标记概率，因而在图1中，节点采用高 的标记概率，比如1，即这些节点对经过自己的每一个数据包都进行标记。因而，从节点发 出的数据包在经过节点后，到达节点时，其标记域的长度为3。当标记信息域长度达 到υ＝3时，就进行日志，将标记信息日志到节点上，当节点日志的标记信息量较多时， 节点就采用迁移的方法，将节点日志的信息迁移到更远基站的节点上，如图1所示。 而对于节点来说，这些节点属于缓冲区，因而这些节点承担的数据量远高于富裕区域节 点的数据量，为减少这些节点承担的数据量，因而在本发明的方法中，对此区域的节点采用 较小的标记概率，从而可以减少节点承担的数据量。节点属于热区区域，是整个网络中能 量消耗最大与所需存储容量最大的节点，因而要提高网络寿命与减少节点所需要存储容量， 最重要的是减少节点承担的数据量与存储容量。为减少节点承担的数据量，在路由时， 数据包经过缓冲区时，将所有的标记信息都日志(或者迁移到富裕区域，沿路由的反方向路 由m跳，然后将标记信息存储到此节点上。如果反向的跳数还不到m跳就到网络的边缘了的 话，就存储到最后的那个节点上。)在缓冲区，从而使得到达热区区域的标记量减少到最小， 从而大大降低热区节点的能量消耗与存储需求，可以大幅度的提高网络性能的同时，保持很 高的跟踪恶意源节点的能力。

有益效果

本发明提供了一种无线传感器网络中基于日志与迁移溯源追踪中的不等概率标记方法， 该方法通过在采用日志与迁移溯源追踪策略的无线传感器网络中，距离基站不同距离处的节 点采用不等的标记概率：近基站区域的节点采用较低标记概率，远基站区域中的节点采用较 高标记概率；在以往策略的基础上进一步提高远基站区域节点的标记概率，从而可以增大节 点被标记的概率，增大系统的总标记量，从而可以提高溯源追踪的安全性能。在增大标记概 率的基础上，不需要增大节点的存储容量，也不会影响网络的寿命。

该方法所具有的优点，具体如下：

(1)首次采用了不等概率标记方法，对比以往溯源追踪策略具有更好的抵御攻击能力。

在远基站区域采用较高的标记概率，从而可以标记更多的路由信息，可以使得受害节点 受到攻击时能够获得更多的标记信息，从而可以在更小的时间内确定攻击者位置，也就是具 有更高的安全性。但仅仅提高标记的概率会导致节点的能量消耗增加，因而在本文所述方法 中，只在远基站区域采用较高的标记概率，而在远基站区域，其存储容量与剩余能量都比较 多，因而即使采用较高的标记概率，也不会损害网络寿命，而较高的标记概率得到的标志信 息可以更早的在远基站区域进行日志与迁移，从而可以充分利用远基站区域的剩余能量与存 储空间。而在近基站区域，我们逐步减少标记概率，而到热区区域时，节点的能量消耗不高 于以往的公平标记概率。从而，即提高了安全性，又没有降低网络寿命。

(2)采用了就近日志与标记的原则，能够比以往策略更加均衡与充分的利用节点的存储空 间，对比以往策略节点间的存储也更为公平。

在以往溯源追踪策略研究中，近基站区域节点需要存储大量的信息.因为在同构网络中， 节点的存储容量需要按最大存储容量来部署，从而使得非热区区域的存储容量剩余而浪费。 因而，本发明所述方法与以往研究一个重要的不同是除了采用不等概率标记方法外，还采用 了对标志信息迁移到远基站区域的方法。在本发明所述方法中，越远基站的区域，标记概率 越大，因而只需要较短的跳数时就可以进行日志与迁移，这样就可以利用了就近日志与迁移 的原则。即在越是远基站的区域，节点的剩余能量与空间越多，因而本发明所述方法充分利 用这一点，在远基站区域采用较高的标记概率,这样就可以充分利用远基站区域的能量与存 储空间就近日志与迁移，进行迁移时，都是短距离的迁移，避免了长距离的迁移，从而节省 的能量，改变了以往研究中要么远基站区域节点的存储空间得不到充分利用，或者利用时需 要迁移较长的距离从而消耗大量能量的不足，因而使得节点间的存储空间利用比以往研究更 为均衡与充分。

附图说明

图1为应用本发明所述方法的节点路由示意图；

图2为不同方法下节点的标记概率；

图3为基本的溯源追踪方法与等概率方法下节点接收、发送与迁移的标记量；

图4为等概率方法与本发明方法下节点接收、发送与迁移的标记量；

图5为不同策略下发送与接收的总的标记量度；

图6为不同发送半径下存储的总标记量；

图7为不同网络半径下存储的总标记量；

图8为不同发送半径下的网络寿命；

图9为网络不同区域节点所需存储空间。

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日志与迁移溯源追踪中的不等概率标记方法，在采用日志与 迁移溯源追踪策略的无线传感器网络中，距离基站不同距离处的节点采用不等的标记概率： 近基站区域的节点采用较低标记概率，远基站区域中的节点采用较高标记概率；并将无线传 感器网络分为三个区域，分别热区、缓冲区及富裕区域；

所述热区是指距离基站为1跳的节点所在的区域，所述缓冲区为距离基站为2-4跳的节点 所在的区域，所述富裕区域是指无线网络传感器中的节点不在热区与缓冲区的节点所在区域；

位于缓冲区的节点接收到带有标记信息的数据包后，将标记信息存储到节点上，如果节 点的剩余存储空间小于预定的空间时则将标记信息反向迁移到远基站的节点上存储。

所述距离基站不同距离处的节点τ_i采用不等的标记概率按照以下公式设定：

${\tau }_i=\left(\begin{array}{cc}\left(\begin{array}{cc}\tau ,& i<0.8n-12\\ -0.05(n-i)+0.95,& 0.8n-12\le i<0.8n>\\ 1,& i\ge 0.8n\end{array}\right)& if(n>2\upsilon )\\ \tau & if(n\le 2\upsilon )\end{array}\right)$

其中，τ为无线网络中设定的节点初始标记概率，i表示节点距离基站的跳数，距离基站 跳数为i的节点的标记概率为τ_i；n表示无线网络中距离基站最远节点的跳数；υ表示数据包 中允许携带的最大标记量的个数。

所述近基站区域中距离基站跳数为2-4跳区域范围内的节点将标志信息日志在缓存区，当 缓存区空间不够时，节点的标志信息迁移至能量富裕区域的节点，同时将迁移信息记录在位 于缓存区中存储有标志信息的节点上。

提前将标志信息存储在缓冲区，减少发送至基站的数据包长度，如果缓冲区空间不够， 则迁移到更远的地方，但是原始保存标记信息的节点存有迁移走的标记信息的标识号，因而 基站向这些节点询问谁有这些标记信息时，节点能够获知现在的标记信息是否发生迁移以及 迁移到哪个节点。

在节点迁移标志信息的过程中，节点按照设定的迁移跳数m，向数据路由的反方向路由 m跳后到达的节点，为标志信息和迁移信息的存储节点。

如图1所示的路由路径中。依据本发明方法的标 记原则，对远基站的富裕区域节点采用高的标记概率，因而在图1中，节点采用高 的标记概率，比如1，即这些节点对经过自己的每一个数据包都进行标记。因而，从节点发出的数据包在经过节点后，到达节点时，其标记域的长度为3。当标记信息域长度 达到υ＝3时，就进行日志，将标记信息日志到节点上，当节点日志的标记信息量较多 时，节点就采用迁移的方法，将节点日志的信息迁移到更远基站的节点上，如图1 所示。而对于节点来说，这些节点属于缓冲区，因而这些节点承担的数据量远高于富 裕区域节点的数据量，为减少这些节点承担的数据量，因而在本发明的方法中，对此区域的 节点采用较小的标记概率，从而可以减少节点承担的数据量。节点属于热区区域，是整个 网络中能量消耗最大与所需存储容量最大的节点，因而要提高网络寿命与减少节点所需要存 储容量，最重要的是减少节点承担的数据量与存储容量。为减少节点承担的数据量，在 路由时，数据包经过缓冲区时，将所有的标记信息都日志(或者迁移到富裕区域，沿路由的 反方向路由m跳，然后将标记信息存储到此节点上。如果反向的跳数还不到m跳就到网络 的边缘了的话，就存储到最后的那个节点上。)在缓冲区，从而使得到达热区区域的标记量 减少到最小，从而大大降低热区节点的能量消耗与存储需求，可以大幅度的提高网络性能的 同时，保持很高的跟踪恶意源节点的能力。

图2给出了不同方法下节点的标记概率。从图中可以看出在等概率标记方法下，所有节 点的标记概率相等。而在本发明方法中，节点距离基站越远，其标记概率越高。通过增大标 记概率，从而网络中存储的标记信息更多，从而有利用溯源追踪以提高网络安全。又由于本 发明方法采用迁移的方法，并只增大远基站区域节点的标记概率，从而并没有降低网络寿命。

图3和图4给出的是基本的溯源追踪方法，等概率方法下，本发明方法下节点接收、发 送与迁移的标记量。基本的溯源追踪方法是指采用与等概率方法相同的标记概率，但是没有 采用迁移的方法。而系统概率方法与本发明方法不同是，本发明方法标记的概率不同。

从图中可以看出，基本的溯源追踪方法近基站节点接收与发送的标记量最大，因而造成 热点区域节点的能量消耗过大而影响网络寿命，因而其性能最差。而本发明的方法与采用等 概率方法的区别是，本发明方法在远基站区域采用较高的标记概率，而在近基站区域采用与 等概率相等的标记概率，从而在本发明方法中近基站区域节点承担的标记量与等概率方法相 同，而在远基站区域，节点承担的标记量大于等概率标记方法，说明本发明的方法增大了标 记量，从而提高了策略溯源追踪的能力，也就是提高了安全性。

图5给出的是总的标记量，可见：基本的溯源追踪方法的最大标记最大。而本发明方法 的最大标记量最小，说明了本发明方法在网络寿命方法具有优越性。而本发明方法充分利用 远基站区域节点的能量与存储空间，从而在远基站区域节点承担的标记量大于已经提出的方 法。

图6给出了在节点不同发送半径下网络中能够存储的总标记量，从图6中可以看出，基本 的溯源追踪方法与等概率标记方法在网络中存储的标记信息量仅为本发明方法存储的标记量 的0.043倍到0.418倍。这说明本发明方法能够充分利用非热点区域的剩余存储空间存储更多 的标记信息，从而使得节点在受到攻击时，能够快速的获得充分的能够确定攻击节点，也就 是说大大的减少了收敛时间。

图7给出了在不同网络半径下，本发明方法与基本的溯源追踪方法与等概率标记方法存储 的总标记量的对比情况。从图7可以得到的结论是：本发明方法在不同网络半径下存储的标 记量是基本的溯源追踪方法与等概率标记方法的1.00倍到3.11倍。

图8给出了在不同发送半径r下，不同溯源追踪方法的网络寿命对比情况，从图中可以看 出：在不同的发送半径r下，本发明方法与等概率标记方法，其网络寿命相差并不大，从而 我们可以推断出，本发明方法并不会影响网络的网络寿命。但从前面的分析可知提高了网络 寿命。而基本的溯源追踪方法秘有标记量均传送到基站，因而其网络寿命远小于其它方法。

图9给出了网络不同区域节点所需的存储空间。本发明方法相对于基本的溯源追踪方法 来说均衡了网络中的节点的存储空间，虽然基本的溯源追踪方法中的最大存储能量并没有本 发明方法和等概率方法高，但是由于其所有的节点的数据量都发送给了基站，从而会导致网 络的寿命远小于其它方法，我们可知本发明方法和等概率方法对比，可知，本发明方法并没 有增加网络的最大存储容量，并且很好的均衡了网络节点中的存储空间。