论文研究-WSNs中高效且适应性强的安全数据融合.pdf

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针对无线传感器网络中传感节点能量的有限性和无线链路的时变性,设计了一种高能效的、适应性强的安全数据融合算法EASDA。该算法在融合过程中基于非物理意义的模式码将传感器节点分成冗余集,在数据传输过程中利用数字喷泉码进行编码。仿真结果显示,该算法有效地减少了冗余数据的传输,使网络中能耗更加均衡,并且适应于任何删除信道。
第11期 秦晓良,等:WSNs中高效且适应性强的安全数据融合 4301· 译码开始时,检測码即编码分组t,,t3,L=1011,通过上面 如图3所示,A、B、C和D是上级节点,剩余节点为下级节 步骤的执行,最后得到原始分组s,s,s3=101。 点。下面简单介绍一下这个过程 由图可知,P(A)={F},P(B)={F,F},P(C)={F,G, H,P(D)=H,l},则有cE=1,=1/2,cG=1/3,cn=1/2, 1=1/2。 由f=(∑ 1)/p可得 () f1=0、f=14,fc=1/9、J=0 由 f可得 okE=1,r=4/9,c=2/9,cn=1/2,1=1/2;至此,第二阶 段结束。 第误节点 K2IT码译码过程 2.2.3喷泉码的设计问题 笫i-1层节点 喷泉编码适用于各种删除概率的无线信道,即不管信道的 图3中间节点处数据的传输 删除慨率为多大,都能使数据传输的效率最优。 从编译码过程可知,喷泉码的设计要注意两个方面的问3仿真与分析 题:a)应尽量减小译码开销,为了成功译码,接收方需要接收 本章对 EASDA协议的性能进行仿真和分析 的编码分组数据m要略大于原始分组数目k,这里译码开销设 先前的安全融合协议(这里主要是指FSDA、 ESPDA等协 为E=m/k-1;b)应尽量减小编译码复杂度理想情況下,应该议)在数据传输阶段具有能耗集中化问题:通常是由上级节点 使生成每个编码分组所需要的运算量是一个与k无关的常数,从其下级节点中选择一个合适的节点来发送数据,这个节点独 而成功译码所需要的运算量是一个关丁k的线性函数。 立承担发送数据给上级节点的任务,传输能耗比较集中。在 2.3数据传输中各节点发送部分大小的确定 EASDA机制中,由分类得到的具有相同数据的多个下级节点 基于喷泉码的多个下级节点到单个上级节点间的数据通共同承担向上级节点传输数据的任务,使网络中能量消耗史加 信有两种方式a)基于并行下载的思想,各发送节点以最快的均衡,从而有效地解决能耗集中化间题。 速率发送编码分组,由于喷泉码的编码分组是彼此独立的,任 图4描述了随着会话轮数的增长,剩余节点数目的变化曲 何两个编码分组发生重合的概率极低,因此避免∫重复接线。其中,假设下级节点的数目为10,各节点的传输次数阀 收9:b)各发送节点在发送编码分组之前,先确定各自要发送值是100;每轮会话选择一个节点执行传输任务,其剩余传输 部分的大小0。本文中,采用方式b)进行数据传输,具体描次数减1;当节点剩余传输次数为0,该节点死亡,剩余节点数 述如下 目减1。从图中可以看岀,先前的协议在7000轮之后就开始 传感节点和上级父节点间的通信:根据对传感节点的分有节点死亡,并且随着剩余节点数目的减少,网络的容错能力 类,各个冗余集利用喷泉编码传输信息给上级父节点;本协议下降。而 EASDA机制在9000轮之后,节点才开始死亡,但是 中,允许一个节点有多个上级父节点。 死亡速率很快,因此,该机制可有效改进网络能耗的均衡能力, 中间节点间的通信:假定要传送的数据量为1,这里只考从而延长了网络寿命。 虑一个冗余集对应的信息的传输。图3是层次型网络拓扑中 在无线信道中,丢包率对传输数据量和网络安全性能的影 的某两层节点的二部图,设第i层节点个数为5,其父节点位于响很大。在先前的协议中,发送节点对数据加密之后,直接发 第i-1层,个数为4。 送,针对网络丢包问题,或是根本不予考虑,或是采用检测重发 a)初始部分确定阶段。首先确定i昃中,各节点的子集中机制,即当接收方检测到丢包事件,就通知发送方,请求重新发 节点的数目,从而初步确定从每个子集节点接收部分的大小。送数据。因此,只要出现丟包,发送方需要将整个数据重新发 对于节点v,其子集P()中的节点数目为p,初步确定n的各送,即使只有一个数据包天失,随着丢包率的增大,发送数据包 个节点发送的部分的大小为1/p,然后发送请求发送的消息给的数量增长很快。本文协议通过在传输过程中引人具有线性 其子集;而υ的子集中的每个子节点v可能接收到多个父节点编译码复杂度的喷泉编码,有效减少了传输的数据量。 的请求,则v选择请求发送部分最大值作为其初步确定的要 图5给出了传输数据包的数日随着丢包率的变化规律。 发送的部分,设为a。 设定需要传送的数据可分为k=2000个原始分组。在先前的 b)发送部分确定阶段。若各子节点v按步骤α)确定的部协议屮,由于发送)每次重发,都需要将整个数据重发,因此传 分大小发送数据分组,则接收到的数据分组的总数通常会大输的数据包的数目是h的整数倍,即n×k,n≥1;显然,这种数 于它的需求量。因此要减小发送部分的大小,改进网络中数据据传输方式会增加很多无用数据包的传输,造成带宽和能量的 的传输效率;设最终确定婁发送的部分的大小为α-a。-f,浪费。在 EASDA机制中,接收端需婁接收的编码分组的数目 这里/=(∑P)-1)/p表示减小的部分大小。 为Axk,其中=1.03时,可保证译码失败率小于10m。 α)各子节点根据确定的部分大小α发送经喷泉编码由于任何两个喷泉编码分组相同的概率极小,故接收方只在乎 的编码分组给其父节点 接收到的编码分组的数日,任何的丢失包都可以用随后发送的 4302 计算机应用研究 任意数据包补充,有效减少了几余数据包的传输,在时变信道参考文献 中的适应性增强了。 [11 HU L, EVANS D. Secure aggregation fur w ireless uel works[ C1//Pruc of Work shop on Security and Assurance in Ad hoc Networks. Wash ngton DC: IEEE Computer Society, 2003: 384-391 [2] YANG Yi, WANG Xin-ran, ZHL Sen-can, et aL. SDAP: a secure hop 040 妝 by-hop data aggregation protocol for sensor networks[ C]// Proe of the 7 th ACM Inlernaliunlal SyIn pusiulml Un Mubile Ad Huc Networking and Computing. New York: ACM press, 2006: 356-367 75U8859I 0.10203040.506070809 会话轮数 丟包率 [3 CAM H, OZDEMIR S, SANLI H O. ESPDA: energy eficient and se 图4剩余节点数目随着 图5传输包的数目随着 会话轮数的变化 丢包率的变化规律 cure pattern based data aggregation for wireless sensor networks [CI//Proc of the 2nd IEEE Conference on Sensors. New York 安全方面融合过程基于模式码进行,而模式码是用一个 IEEE Society press 2003. 732-736 秘密的模式种子生成的,从而肠止了恶意节点从截的模式码[41 SANLI H0,.O∠ DEMIR S,CAMH.SRDA: cure reference based 恢复出真实数据。该协议中引入喷泉码,那么不用预先估计信 data aggregation protocol for wirelese sensor networks[C]// Proc of 道状态(时变信道中信道状态不稳定),可以保证时变信道中 the 60th IEEE Vehicular Technology Conference. New York: IEEE So 数据传输的高效性,而且各子节点共同承担发送数据包给父节 ciety Press,2004:4650-4654 点的仼务,有效地均衡了网络中节点能量消耗。传输过程中,「51罗蔚,胡向东,无线传感器网终中一种高效的安全救据融合协议 直接对密文进行喷泉编译码,保证了数据传输时的机密性。 [冂].重庆郝大学学报:自然科学版,2009,21(1):10-114 [6]谭璐,高维数据的维理论及应用[D].长沙:国防科技大学, 4结束语 )0 [7 LUBY M. LT codes[C]// Prvc uf the 43 rd A ual IEEE Sy mpusiuln 数据融合能够极大地减少通信开销,但是也使得安全性难 on Foundations of Computer Science. New York: IEEE Press, 2002 以保障。安全数据融合协议有助于解决这个问题的。但是,先 271-282 前的安全数据融合协议大多都没有考虑无线信道的时变特性[81 SHOKROLLAHI A. Raptor codes[J. EEE Tran on inform ation 对数据融合过程的影响。本文提出了高效且适应性强的安全 Theory,2006,52(6):2551-2567 数据融合协议 EASDA。该协议基丁模式码进行节点分类,避9]雷维嘉,谢显中,李广军采用数守喷泉码的无线协作中继方案及 免了对真实数据进行操作;然后基于喷泉码进行数据的传输, 其性能分析「J.电子学报,2010,38(1):228-233 可满足在无线信道删除概率可变的情况下,数据高效、可靠地10 VELLAMBI B N, RAHNAVARD N,FKHE.FTS: a distributed en 传输至汇聚节点;同时在效据传输之前,对原始效据加密,从而 ergy-efficient broadcasting scheme using fountain codes for multihop 保证了数据的机密性。仿真结果证明,同先前的办议相比,就 wireless networks[ J]. IEEE Tran on Communications, 2010, 58 延长网络寿命和在删除慨率不同的无线信道屮的数据传输量 (12):3561-3572, 方面而言, ESPDA协议更适用于无线传感器网络,可保证数据1l1 MAYMOUNKOV P. Online codes:; NYU Technical Report.Nw York. \YU2002 高效、可靠地传输 上接第4290页)优先缴节点的平均时延明显要低于低优先级对协议性能的影响 节点和 RRDAMA协议的平均时;而低优先级节点的平均时参考文献 延比 RRDAMA协议的略高; RRDAMA协议的平均时延介于[1]李建东,盛教,通信网络基[M],北京:高等教育出版社,2004 RRDAMA-P协议高低两种优先级半均时延曲线之间。从而可 124-131 以这样认为, RRDAMA-P协议高优先级节点较小的平均时延是[2]朱子行,临近空间迫信网多址接入协议研究D]西安:空军工程 以牺牲低优先级节点的时延性能为代价的。同时直观地分析, 大学,2010 RRDAMA-P协议高低优先级的半均时延仿真曲线与图3所示[3]钱雁斌,陈性元,杜学绘,临近空间网络安会切接机制研完[冂计 的理论分析曲线基本吻合,从而验讧了理论分析的合理性。 算机工程与应用,2008,44(15):18-21 4管明祥,郭庆,李陆.基于临近空间通信网络混合业务的MAC协 4结束语 议[J].华南理工大学学报:勻然科学板,2008,36(5):65-6 本文运用 OPNET、 MATLAB软件对本文协议平均时延进 [5] JIANG Zhi-feng, LI Yu-heng, LEUNG V C M. A predictive demand 行了分析,通过改变网络负载大小和上行时帧周期长度,比较 signment multiple access protocol for hrnarhand satellite networks supporting Internet applications[ C]//Proc of IEEE International Con 分析了不同的网络负载和时帧长度对 RRDAMA-E协议性能的 ference on Com munications. 2002. 2973-2977 影响,验证了协议设计的合理性。最后比较了在相同帧长条件 [6 SILDAR B. Queuing analysis of polled service classes in the IEEE 下带优先级的 RRDAMA-P协议和不带优先级的 RRDAMA协 806. 16 MAC protocol[ J]. IEEE Trans on Wireless Communica 议的平均时延一网络负载特性,验证了 RRDAMA-P协议中高 tions,2009,12(8):5767-5772 优先级节点在时延性能方面的优越性。下一步工作是对协议[71 TOBAGI F A. Multiaccess protocols in packet communication system 进一步研究,研究碰撞退避算法来减少分组碰撞后重发的问 IJ. IEEE Trans on Communication, 1980, 28(4): 468-488 题,以及如何与其他仿真环境的交互式仿真,提高仿真的精度。[8] GARCIAR M,HANJ. DAMA netw ork simulation modules [ C]∥ 而且信源仿真中可以选择不同的业务类型,考虑多种业务类型 Proc of IEEE Military Communications Conference. 1995: 438-442

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