[发明专利]基于簇的WSN可生存路由方法及生存性评估模型

说明书

技术领域

本发明涉及提高应急通信场合下WSN生存能力并有效量化评估WSN生存性的发明，具体是一种应急通信中基于簇的WSN可生存路由方法及生存性评估模型，涉及生存性路由、密钥协商、备用簇头链和半马尔可夫模型，特别是涉及基于簇的生存性路由协议和基于半马尔可夫过程的生存性评估模型。 

背景技术

近年来，网络可生存性的研究在学术界备受关注。ANSI T1小组给出了一个得到广泛认可的网络可生存性定义：在网络出现故障、失效和受到安全威胁及攻击的情况下，仍能保证系统提供必要服务或完成基本任务的能力。网络可生存性是以提高网络“容侵、容灾、容错”能力为目的，提高网络抗攻击能力的同时，更加注重系统在攻击时的识别能力、攻陷后的恢复能力以及恢复后的演变和学习能力。 

无线传感网（Wireless Sensor Network,WSN）不依赖固定网络设施、能够快速展开和自动组网的特性使其在应急通信中发挥着重要作用。无线传感网络具有节点能量有限、存储空间小、通信距离短以及网络拓扑变化频繁和信道传输不稳定的特性。在应急通信环境中，传感节点易受破坏和恶意攻击，并且通信链路易受干扰，拓扑结构动态变化。这种情况下，WSN必须能够在恶劣的环境中持续提供基本的网络服务，提高网络的生存能力，以便让指挥员实时掌握敌我双方装备、兵力以及行动情况，及时调整作战战略和行动方案。 

设计高效的生存性协议有助于WSN在面临生存性威胁时继续完成网络关键服务，进而增强WSN在应急通信中的可生存性。LEACH协议是WSN中常用的一种分簇网络协议，用于网络服务时主要面临的安全威胁有：选择性转发攻击、Sybil攻击和HELLO Flooding攻击。近年来，已有学者针对其安全威胁提出了一些安全路由协议。例如，刘爱东等人通过利用链路双向性认证和节点身份认证机制提出了一种防御HELLO洪泛攻击的方案，但是仅适用于防御特定的攻击，不能应用于攻击手段多样的战场环境中。邓亚平等人提出了一种动态分簇的异构传感网络安全路由协议，优先考虑能耗均衡的基础上有效提高网络的抗俘获能力。 Zhang K等人提出了基于改进的随机密钥对的安全路由协议RLEACH，提高了LEACH协议防御攻击的能力。然而，在分簇的无线传感网络中，簇头节点是网络中骨干节点，簇头节点在战场遭受攻击被摧毁后，骨干网络可能会瘫痪而不能完成关键的侦察任务，影响网络的可生存性。同时，RLEACH协议在数据传输阶段和LEACH协议一样，由簇头直接将监测数据传输给基站，没有考虑能耗均衡问题。目前，国内生存性路由协议的研究相对较少，苏金树等人对互联网无中断转发的生存性协议进行了研究，但是不适用于资源受限的无线传感网络。杜君等人提出一种基于功率控制的无线传感网络的可生存路由，该算法利用反馈机制并引入专用簇头，能够自适应调整路由策略来保证网络的可生存性。但是，该算法不适用于战场环境中，不能防御恶意节点攻击和簇头损坏带来的生存性威胁。 

另一方面，评价WSN的生存能力需要建立有效的生存性评估模型。近年来，已有学者提出不少评估模型对网络的可生存性进行评估，如卡内基梅隆大学SEI研究中心提出的基于系统结构的评估模型，即生存性分析方法SNA（Survivable Network Analysis）；也有人提出了基于系统状态的评估模型，根据网络在特定场合下可能的状态和各状态之间的转移概率计算可靠性、可用性等可生存性的数值函数来定量评估网络的生存能力，如Markov过程模型、有限状态机模型等。但是，这些评估模型有以下缺陷：一、SNA只能对网络的3R属性（即抵抗性、识别性和恢复性）进行定性评估，而且评估过程交互繁琐，不利于实际操作应用；二、马尔可夫过程模型中，系统状态间的转移概率服从负指数分布，不适用包含随机性生存性威胁的网络。当前，国内外对无线传感网生存性评估的研究还处于起步阶段，学者们提出了一些评估模型来评价无线传感网的生存能力。何欣等人提出了一种采用自愈技术的无线传感网基站生存模型，该模型使用半Markov过程来描述，通过自愈技术提高了入侵检测率，显著降低了系统失效率，提高了系统的生存能力。但是，软件自愈技术需要不断监测系统状态、做出决策并执行相应的操作，自愈操作的开销较大，不适合资源受限的传感节点。Dong Seong Kim等人提出了一种基于半马尔可夫过程(SMP)的适用于单个簇的WSN生存性模型，并通过数值分析验证了模型的可行性。但是，在应急通信中，节点容易发生故障、遭受攻击导致网络生存状态变化无常，状态的逗留时间也毫无规律，仅通过评估单个簇的生存性来衡量WSN的生存能力缺乏合理性。