[发明专利]一种容忍入侵的无线传感器网络拓扑生成方法

说明书

技术领域

本发明涉及网络安全及无线网络拓扑控制领域，具体地说是一种容忍入侵的无线传感器网络拓扑生成方法，用于实现对无线传感器网络的容侵的拓扑控制，所生成拓扑能容忍部分节点被入侵，依然能保持整个网络安全结构及关键服务的正常运行，属于网络技术领域。

背景技术

有线拓扑控制的目的在于构建与维持一个覆盖所有节点的连通网络，从而为信息传输提供路由基础；无线网络的拓扑控制因为通信带宽窄、信号易互相干扰，其拓扑控制不仅要考虑网络的覆盖度，还要考虑网络的稀疏性以避免信号干扰、提高通信效率。无线传感器网络的拓扑控制有更高要求，因为相对于通常意义下的无线网络具有通信带宽更窄、计算和存储能力极低、电池能源有限、节点数目巨大以及外在环境通常恶劣甚至恶意等特点。当前有关无线传感器网络的拓扑控制方法可以分为三个阶段：

1.节能的拓扑控制方法

节能的控制方法，主要考虑到电力耗尽会造成节点死亡，从而可能造成拓扑分割，针对此问题，首先想到的是节省能量，尽量均衡全网范围内的能源损耗，达到延长网络寿命的作用。常用的方法可以分为三类：功率控制、分层结构和休眠轮值；

1.1功率控制：统一功率分配方案COMPOW是第一个可实现的无线Ad hoc网络设计的典型的功率控制方案，密集布置传感器节点分布未必均匀，单一的相同功率分配方案产生的相同发射半径内不同节点的邻节点数目必然不同，COMPOW可通过设置不同的power level agent来管理不同节点的发射功率实现整个网络中节点负载的均衡，能在保证网络的连接与连通的前提下，使得网络交通容量最大化maximizing the traffic carrying capacity、延长电池寿命、减小MAC层竞争；ClustenPOW、MiniPOW分别是针对分簇网络结构和网络总能量最小化的功率控制方案；LINT/LILT和LMN/LMA等是典型的基于节点度数的功率分配算法，利用局部信息来调整相邻节点的连通性，从而保证整个网络的连通性，同时保证节点链路间有一定的冗余性和可扩展性。其核心思想是给定节点度的上限和下限需求，动态调整节点的发射功率，使得节点度数落在上限和下限之间。适用于传感器网络的本地平均算法(LMA：Local mean algorithm)和本地邻居平均算法(LMN：Local mean of neighbors algorithm)是两种周期性动态调整节点发射功率的算法，LMA以周期性的查询邻节点度数，通过发射一定功率发送LifeMsg消息，统计收到该消息邻节点的回复消息LifeAckMsg数目，获得自己的节点度数，然后采用一定策略调整发射功率，使得节点度数落在预先确定的上下限之间。LMN和LMA统计邻居数目方法有所不同，在LMN算法中，收到查询消息LifeMsg的节点发送LifeAckMsg消息时，将自己的邻居数放在消息中，查询节点在收集完所有的LifeAckMsg消息后，将所有邻居的邻居平均数作为自己的邻居数。基于节点度数的算法通过少量的局部信息达到了一定程度的优化效果，且不需要严格的时钟同步，计算机仿真结果也表明，此类算法的收敛性和网络的连通性可以保证。邻近图算法是解决功率分配问题的近似解法，把节点都使用最大功率发射时形成的拓扑图记为G＝(V，E)，其中V为网络节点集合；E边集，表示节点之间可直接通信的链路。按照一定的规则q求出该图的邻近图G’，最后G’中每个节点都使用以自己所邻接的最远通信节点来确定发射功率。邻近图的定义为：如果一个图G’＝(V’，E’)是G＝(V，E)由条件q导出的邻近图，则V＝V’，E’包含于E，对V中所有节点u，E’是满足给定的邻居判别条件q的E中边(u，v)的集合。经典的邻近图模型有RNG(RelativeNeighborhood Graph)，GG(Gabriel Graph)，YG(Yao Graph)以及MST(Minimum Spanning Tree)等。基于邻近图的功率控制算法有如CBTC、LMST、DRNG和DLSS等，主要分为两个阶段，第一阶段是信息收集阶段，是节点以自己的最大发射功率查询自己的可达邻居集合构成初始拓扑图，然后求出邻近图(如最小生成树)，确定邻居节点，根据最远邻居的距离，调整发射半径，形成兼顾网络的连通性和节省能量两个目的的拓扑结构，更进一步，通过对所形成拓扑图进行边的增删，使得网络达到双向连通。