無線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理安全覆蓋空洞方法研究

彭 蕾，夏潔武，肖 英，黃安民

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理安全覆蓋空洞方法研究

*彭 蕾，夏潔武，肖 英，黃安民

（井岡山大學電子信息工程學院，江西，吉安 343009）

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)面臨的物理安全問題研究中，提出了一種網(wǎng)絡(luò)覆蓋空洞修復(fù)方法。通過檢測每個節(jié)點的能量值是否達到臨界值，找出覆蓋空洞范圍邊界所圍成的最小覆蓋圓及圓心位置，并找出離圓心位置最近的休眠節(jié)點進行激活，最后用來替換失敗節(jié)點從而達到修復(fù)目的。通過仿真驗證，該方法保證了網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量，減少了檢測修復(fù)時間，延長其網(wǎng)絡(luò)節(jié)點生存周期。

無線傳感網(wǎng)絡(luò)；物理安全問題；覆蓋空洞；修復(fù)算法

近年來，無線傳感網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks, WSNs）發(fā)展迅速，已被應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療健康監(jiān)護、環(huán)境監(jiān)測、國防偵察等各個重要領(lǐng)域中[1]。通過無線傳感節(jié)點來感知有效范圍內(nèi)的事件并且獲取數(shù)據(jù)，在一些特殊的環(huán)境下，可以代替人工作業(yè), 避免危險，幫助人們有效全面的獲取時實信息[1]。但是，與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)相比，無線傳感網(wǎng)絡(luò)具有鮮明的自身特點，其安全問題成為制約WSNs發(fā)展與應(yīng)用的主要因素之一[2]。

1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)安全

通常，一個典型的無線傳感網(wǎng)絡(luò)由傳感器節(jié)點、Sink節(jié)點(即信息收集節(jié)點)、互聯(lián)網(wǎng)和用戶界面等組成，如圖1所示。通過飛機撒播、人工放置等方式，在感知對象的內(nèi)部或者周邊進行大量的傳感節(jié)點布署。節(jié)點之間通過自組方式構(gòu)成無線傳感網(wǎng)絡(luò)，并以協(xié)作的方式感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中指定的信息，達到對目標區(qū)域內(nèi)任意處進行信息的實時采集、處理和分析的目的，并且將數(shù)據(jù)傳回Sink節(jié)點，最后通過網(wǎng)絡(luò)通信將整個區(qū)域內(nèi)的Sink節(jié)點數(shù)據(jù)傳送到遠程控制中心進行集中處理。

圖1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)

2 網(wǎng)絡(luò)安全要求

由于無線傳感網(wǎng)絡(luò)體使用自身攜帶的電池供電，且通常布置在無人看管或敵對方等各種環(huán)境當中，為了確保網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量，提出了以下幾點要求：(1)保密性(Confidentiality)，即WSNs要求傳感器在存儲、處理和傳遞的過程當中，信息不被未授權(quán)的節(jié)點竊?。唬?）完整性(Integrity)，即要求信息在傳輸過程當中，不受外界攻擊致使信息篡改或丟失；（3）數(shù)據(jù)鮮活性(Data Freshness），即要求能夠獲取實時數(shù)據(jù)，確保接收的數(shù)據(jù)最新；（4）容錯性(False Tolerant)，即當節(jié)點不能正常工作、增加新節(jié)點或?qū)?jié)點進行調(diào)整的過程中仍能保持正常運轉(zhuǎn)[3-5]。

目前，無線傳感網(wǎng)絡(luò)所面臨的主要有密鑰、物理、網(wǎng)絡(luò)、應(yīng)用以及基站安全問題。體現(xiàn)在以下幾個方面：（1）節(jié)點易被攻擊、拆解并獲取節(jié)點存儲的密碼與采集的數(shù)據(jù)；（2）傳感器受有限資源限制，當節(jié)點因電源電量不足等因素致使傳感器出現(xiàn)異?；蛲Ｖ构ぷ?；（3）攻擊者有意在網(wǎng)絡(luò)中多個位置放置被控制節(jié)點的副本以引起網(wǎng)絡(luò)的不一致；（4）通過發(fā)射無線電信號對傳感網(wǎng)絡(luò)進行干擾，致使網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)異常；（5）在隨機部署過程中或受到攻擊時，造成該區(qū)域正常工作的傳感器稀疏[6]。

3 覆蓋空洞檢測與防范

網(wǎng)絡(luò)覆蓋是WSNs服務(wù)質(zhì)量重要的度量指標之一。為保證網(wǎng)絡(luò)的連通性和能量低耗性，傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋選擇感知對象附近節(jié)點活躍工作，而將其余的節(jié)點轉(zhuǎn)換到能耗較低的睡眠狀態(tài)。日本學者Kun-Ying H sieh等[7]人提出：“節(jié)點死亡所產(chǎn)生的覆蓋空洞不僅會降低網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量，而且會使得空洞四周的節(jié)點加速死亡，從而導致在整個網(wǎng)絡(luò)生命結(jié)束后，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部仍有未傳輸?shù)絪ink 節(jié)點的監(jiān)測信息”。因此，如何解決覆蓋空洞問題成為建立WSNs有效安全機制的關(guān)鍵之一。

3.1 覆蓋分類

根據(jù)覆蓋對象的不同，可分為區(qū)域覆蓋（area coverage），點覆蓋（point converage）與柵欄覆蓋（barrier coverage）[9]，分別如圖2(a)、(b)、(c)所示。

圖2 無線傳感網(wǎng)絡(luò)覆蓋類型

3.2 覆蓋空洞修復(fù)策略

本文主要針對區(qū)域覆蓋類型進行研究，結(jié)合文獻[10]與文獻[11]的特點，提出了一種更佳的修復(fù)覆蓋空洞策略，其主要思想是：第一步，檢測每個節(jié)點的能量值是否達到臨界值，如超過臨界值則發(fā)出失效信息；第二步，界定覆蓋空洞并確定其范圍大小，找出覆蓋空洞范圍邊界所圍成的最小覆蓋圓圓心位置；第三步，找出離圓心位置最近的休眠節(jié)點并激活，用來替換失敗節(jié)點從而達到修復(fù)目的。

3.2.1 覆蓋空洞界定

本文采用文獻[12]中的算法檢測覆蓋空洞，確定其位置與大小。YAO提出的該種覆蓋空洞邊界節(jié)點確定算法的主要思想是：即以一個空洞邊界節(jié)點為起點建立最大單純復(fù)形子網(wǎng)，若節(jié)點與最大單純復(fù)形子網(wǎng)邊界相鄰，則該節(jié)點為空洞邊界節(jié)點[12]。

圖3 覆蓋空洞的界定

如圖3所示，節(jié)點1與覆蓋空洞有兩個興趣點R、S，點R、S分別為節(jié)點1與覆蓋空洞交界的開始點與結(jié)束點。同理，與覆蓋空洞相鄰的存活節(jié)點都有一個或兩個興趣節(jié)點，通過這些興趣節(jié)點的邊圍成的多邊形近似于覆蓋空洞。設(shè)傳感器區(qū)域有n個節(jié)點，Ai表示節(jié)點i感知的區(qū)域大小，Coverage Hole (CH)為覆蓋空洞的大小。則由失敗節(jié)點i導致的覆蓋空洞大小CH可以表示為：

3.2.2 空洞修復(fù)策略

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋空洞修復(fù)主要思想：（1）當活躍節(jié)點能量值達到失效臨界點，該節(jié)點向簇首發(fā)送失效信息。（2）當簇首收到失效節(jié)點信息，立即按照圖3，圖4方法尋找邊界節(jié)點，找出邊界節(jié)點所圍成的多邊形所構(gòu)成的圓，確定圓心為新的最佳節(jié)點位置。（3）以新節(jié)點為圓心，找出離圓心最近距離的休眠節(jié)點，并激活它來替代之前的死亡節(jié)點。（4）如遇簇首節(jié)點達到能量臨界值，向Sink節(jié)點發(fā)送失效信息，同理，用（2）、（3）方法進行新簇首節(jié)點替代。（5）覆蓋空洞修復(fù)完成。

圖 新活躍節(jié)點選取策略

3.2.3 偽代碼算法

根據(jù)覆蓋空洞修復(fù)策略，其偽代碼算法如下：

1、IF Ei

2、IF Eh

3、IF Head≠?，THEN Send (i Hole Boundary MSG, j); //當Head收到失效節(jié)點信息，發(fā)送界定覆蓋空洞邊界指令Hole Boundary MSG給節(jié)點i, 向所有鄰居節(jié)點發(fā)送覆蓋空洞邊界信息;

4、IF Sink≠?，THEN Send (Head Hole Boundary MSG, m); //當Sink收到失效節(jié)點信息，發(fā)送界定覆蓋空洞邊界指令Hole Boundary MSG給節(jié)點m, 向所有鄰居節(jié)點發(fā)送覆蓋空洞邊界信息;

5、Updated Hole Boundary MSG (THIS); //更新節(jié)點的Hole Boundary MSG，否則Discard MSG;

6、Forward(j Hole Boundary MSG, K); //節(jié)點j轉(zhuǎn)發(fā)覆蓋空洞邊界信息給下一個鄰居節(jié)點k;

7、Forward(Head Hole Boundary MSG, O); //節(jié)點Head轉(zhuǎn)發(fā)覆蓋空洞邊界信息給下一個鄰居節(jié)點O;

8、S(n)=Collection (K), S(N)=Collection (O)；//得到所有覆蓋空洞邊界節(jié)點S(n)和S(N)；

9、CH≌polygon; Polygon∈ the minimum circumscribed circle； //失效節(jié)點i,Head所產(chǎn)生的空洞范圍Coverage Hole（CH）與邊界節(jié)點相交的邊轉(zhuǎn)成的多邊形近似于覆蓋空洞大??；

10、O(x,y)∈Polygon；//根據(jù)多邊行所圍成的圓圈circumscribed circle,確定空洞圓心，為O（x, y）;

11、M=Select Deaction(i); M（i）,Action; // 從失效節(jié)點i覆蓋空洞范圍內(nèi)收集所有非活躍節(jié)點M，選取離圓心O(x,y)最近的節(jié)點M（i）激活；

12、Head=Send (i Hole Boundary Repair MSG); // 向簇首h發(fā)送空洞修復(fù)信息;

13、Updated Head；Updated Sink. // 更新簇首與基站失效節(jié)點集Head與Sink。

表1 仿真參數(shù)

3.4 仿真與分析

通過對覆蓋空洞修復(fù)算法（CHRA）進行模擬仿真實驗，仿真參數(shù)如表1，并且與不采用修復(fù)算法以及CHPA算法進行網(wǎng)絡(luò)空洞檢測修復(fù)時間以及網(wǎng)絡(luò)生存周期進行比較。

如圖5與圖6所示，與CHPA策略與無修復(fù)策略比較，本文提出的無線傳感網(wǎng)絡(luò)覆蓋空洞修復(fù)策略（CHRP），使網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量更佳。在同一覆蓋率的情況下，其空洞檢測修復(fù)時間減少10~5個時間單位, 覆蓋率70%~100%之間，隨之網(wǎng)絡(luò)覆蓋率與空洞檢測修復(fù)時間成反比，即隨著網(wǎng)絡(luò)覆蓋率的增長，其空洞檢測修復(fù)效率越高；CHRP較CHPA算法，其網(wǎng)絡(luò)覆蓋生存周期延長約7~20個時間單位，雖然CHPA策略較without repair有顯著改善，但CHRA策略基于CHPA的基礎(chǔ)上的改進，使其網(wǎng)絡(luò)生存周期時間進一步延長。

圖5 網(wǎng)絡(luò)空洞檢測修復(fù)時間

圖6 網(wǎng)絡(luò)覆蓋生存周期

4 結(jié)束語

WSNs安全問題成為影響無線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的關(guān)鍵因素。本文主要概括了無線傳感網(wǎng)絡(luò)所面臨的物理安全問題，并重點對其中的覆蓋空洞問題進行剖析與探討，提出了一種CHPA網(wǎng)絡(luò)覆蓋空洞修復(fù)算法，經(jīng)過模擬仿真，其策略對網(wǎng)絡(luò)覆蓋空洞修復(fù)效率有明顯提高。

[1] 高傳善，楊垠，毛迪林.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議研究綜述[J].世界科技研究與發(fā)展，2005(4):325- 349.

[2] 趙章界，劉海峰. 無線傳感網(wǎng)中的安全問題[J], 計算機安全, 2010(6):1-4.

[3] Zhou Yun, Fang Yuguang,Zhang Yanchao. Securing wireless sensor networks: a survey. volume 10 of Communications Surveys and Tutorials[C].IEEE, 2008:6-28.

[4] Perrig A. SPINS: Security Protocols for Sensor Networks[J].ACM Wireless Networks, 2002,8(5):521- 534.

[5] Kavitha T, Sridharan D. Security Vulnerabilities In Wireless Sensor Networks: A Survey[J].Journal of Inforamtion Assurance and Security,2010(5):31-44.

[6] Ahmed N, KanhereS S, Jha S. The holes problem in wireless sensor networks:a survey[J]. Mobile Computing and Communications Review,2005,1(2): 1326-1338.

[7] Kun-Ying H sieh, Jang-Ping Sheu. Hole Detection and Boundary Recognition in Wireless Sensor Networks [A]. Proceedings of IEEE 20th International Symposium on Personal. Indoor and Mobile Radio Communications, 2009 [C]. Tokyo, Japan,2009.

[8] 任彥，張思東，張宏科.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中覆蓋控制理論與算法[J].軟件學報，2006, 7(3): 422- 433

[9] Cardei M, Wu J. Coverage in Wireless Sensor Networks[M]. Handbook of sensor Networks CRC Press, 2004.

[10] XU Chugui,DENG Xiaoheng,ZOU Haojie. Repair Policies of Coverage Holes in Wireless Sensor Networks[J]. Chinese Journal of Sensors and Actuators, 2010,2:256-259.

[11] Bao Xu,Ju Yongfeng, Coverage-Hole Repair Algorithm towards Nodes Failure in Wireless Sensor Networks[J].Computer Measurement & Control, 2011,6:1516-1522.

[12] Yao Jixing, Zhang Guyu, Jinko Kanno. Decentralized De-tection and Patching of Coverage Holes in Wireless Sensor Net-works[M]. Proc.of International Conference on Intelligent Sens-ing,Situation Management,Impact Assessment,and Cyber-Sens-ing, 2009.

[13] Padmavathi G., Shanmugapriya D. A Survey of Attacks Security Mechanisms and Challenges in Wireless Sensor Networks[J]. International Journal of Computer Science and Information Security, 2009,4(2):1-9.

WIRELESS SENSOR NETWORKS PHYSICAL SECURITY COVERAGE HOLE METHOD RESEARCH

*PENGLei, XIA Jie-wu, XIAO Ying, HUANGAn-min

（School of Electronics and Information Engineering, Jinggangshan University, Ji’an, Jiangxi 343009, China)

We propose a kind of network coverage holes repair method in the area of physical security issues which wireless sensor network faces. Through detect the energy value of each node if reach to the critical value, we find the minimum covering circle the coverage holes range boundary surrounded and the circle center position. Furthermore, we also find and activate the dormant node which is closest to the circle center. Finally, we replace the failed nodes to achieve the aim of repair. The simulation verification shows that the proposed method can ensure the quality of network coverage, reduce detect and repair time and prolong the network life cycle.

wireless sensor networks; physical security problems; coverage holes; restoration algorithm

TP393

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2012.04.015

1674-8085(2012)04-0066-04

2012-02-24；

2012-03-27

*彭 蕾(1983-)，女，江西吉安人，講師，碩士，主要從事無線傳感網(wǎng)絡(luò)安全研究(E-mail: leipl512@gmail.com);

夏潔武(1969-)，女，江西泰和人，教授，碩士，主要從事無線傳感網(wǎng)絡(luò)安全研究(E-mail: xiajiewu@jgsu.edu.cn);

肖 英(1965-)，女，江西吉安人，教授，碩士，主要從事無線傳感網(wǎng)絡(luò)安全研究(Email:mengya11@126.com)

黃安民(1976-)，男，江西吉安人，講師，碩士，主要從事稀疏信號重建、壓縮感知和陣列信號處理研究(E-mail: huanganmin@jgsu.edu.cn).