基于安全性的無線傳感器網(wǎng)絡時鐘同步算法研究

殷鵬

摘 要： 無線傳感器網(wǎng)絡存儲能力不高，導致以往提出的無線傳感器網(wǎng)絡時鐘同步算法的安全性能不高、同步誤差較大，現(xiàn)提出基于安全性的無線傳感器網(wǎng)絡時鐘同步算法?；诎踩缘臒o線傳感器網(wǎng)絡時鐘同步系統(tǒng)中的父節(jié)點構建無線傳感器網(wǎng)絡和子節(jié)點，子節(jié)點通過與父節(jié)點進行數(shù)據(jù)交互，平衡無線傳感器網(wǎng)絡時鐘同步，CC2530芯片將父節(jié)點和子節(jié)點進行連接。無線傳感器網(wǎng)絡時鐘同步的運算工作在仿真器中完成，傳輸接口將父節(jié)點和子節(jié)點的交互信息輸出到仿真器，為運算工作提供數(shù)據(jù)仿真源。安全性調(diào)試接口對父節(jié)點構建網(wǎng)絡結果和時鐘同步運算結果進行實時展示。系統(tǒng)對同步安全算法和同步算法語言的設計，較為有效地實現(xiàn)了無線傳感器網(wǎng)絡時鐘同步。經(jīng)實驗驗證可知，所提算法同步誤差小，安全性能高。

關鍵詞： 數(shù)據(jù)交互； 無線傳感器網(wǎng)絡； 時鐘同步； 數(shù)據(jù)仿真

中圖分類號： TN711?34； TP212.9 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）04?0151?04

Research on security?based clock synchronization algorithm for wireless sensor network

YIN Peng

（Business College of Shanxi University， Taiyuan 030024， China）

Abstract： Since the previously?proposed clock synchronization algorithms for wireless sensor network have poor safety performance and big synchronization error due to the poor storage capacity of the wireless sensor network， a security?based clock synchronization algorithm for wireless sensor network is proposed. The father node in the system is used to construct the wireless sensor network and child nodes. The data of the child nodes is interacted through the father node to balance the clock synchronization of the wireless sensor network. The chip CC2530 is adopted to connect the father node with the child nodes. The operation of the wireless sensor network clock synchronization is accomplished in the simulator. The mutual information of the father node and child nodes is output to the simulator through the transmission interface to provide the data simulation source for operation. The real?time display for the network results constructed by the father node and clock synchronization operation results were realized with the security debugging interface. The synchronization security algorithm and synchronization algorithm language were designed to implement the clock synchronization of the wireless sensor network. The results of the experimental verification show that the algorithm has small error and high safety.

Keywords： data interaction； wireless sensor network； clock synchronization； data simulation

0 引 言

無線傳感器網(wǎng)絡是一種將感應技術、無線傳輸技術和微電子技術有機融合在一起的自組織網(wǎng)絡，具有低耗、廉價、性能優(yōu)良等特點。無線傳感器網(wǎng)絡通常被安置在需要進行數(shù)據(jù)行為監(jiān)控的區(qū)域內(nèi)，在消防、智能家電、軍事、醫(yī)療等領域均有著非常廣泛的應用[1?3]。時鐘同步是協(xié)調(diào)無線傳感器網(wǎng)絡處理能力和耗能水平的保障。由于受到無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)目較少的限制，無線傳感器網(wǎng)絡的存儲能力往往不高，導致其時鐘同步算法的安全性能不高、同步誤差較大。故提出基于安全性的無線傳感器網(wǎng)絡時鐘同步算法，提高算法安全性能、縮減同步誤差[4?6]。

科研組織曾研究出一些無線傳感器網(wǎng)絡時鐘同步算法，但均或多或少地存在一定的缺陷，如文獻[7]提出的TPSN無線傳感器網(wǎng)絡時鐘同步算法，是以樹狀圖為參照物設計出的結構類同步算法。它先對無線傳感器網(wǎng)絡的拓撲模型進行構建，再對傳感器節(jié)點進行分組同步。該算法的安全性能不高，且拓撲結構無法精準反映出無線傳感器網(wǎng)絡的實際分布情況，因此同步誤差較高；文獻[8]提出的神經(jīng)元無線傳感器網(wǎng)絡時鐘自動同步算法，是根據(jù)RFA時鐘同步協(xié)議進行設計的同步算法。RFA時鐘同步協(xié)議通過調(diào)用無線傳感器網(wǎng)絡中歷史時鐘數(shù)據(jù)，來平衡現(xiàn)階段的同步誤差。但算法僅僅對時鐘偏差進行了平衡，斜率等誤差仍存在?，F(xiàn)提出基于安全性的無線傳感器網(wǎng)絡時鐘同步算法，解決上述算法的缺陷。經(jīng)實驗驗證可知，所提算法同步誤差小，安全性能高。

1 無線傳感器網(wǎng)絡時鐘同步系統(tǒng)設計

1.1 系統(tǒng)結構設計

圖1為基于安全性的無線傳感器網(wǎng)絡時鐘同步系統(tǒng)的結構圖。由圖1可知，基于安全性的無線傳感器網(wǎng)絡時鐘同步系統(tǒng)的核心組成設備是算法支持芯片，該芯片將系統(tǒng)的父節(jié)點和子節(jié)點進行連接。父節(jié)點的主要作用是構建無線傳感器網(wǎng)絡，在無線傳感器網(wǎng)絡存在的情況下，子節(jié)點才會出現(xiàn)。子節(jié)點的主要作用是通過與父節(jié)點進行數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)對無線傳感器網(wǎng)絡時鐘同步的平衡。

無線傳感器網(wǎng)絡時鐘同步的運算工作是在仿真器中完成的，系統(tǒng)中所配置的安全性調(diào)試接口和安全性傳輸接口均是運算工作的后臺支持端。安全性調(diào)試接口主要進行父節(jié)點構建網(wǎng)絡結果和仿真器中的時鐘同步運算結果的展示工作。安全性傳輸接口負責將父節(jié)點與子節(jié)點間的交互數(shù)據(jù)輸出到仿真器中，為運算工作提供數(shù)據(jù)仿真源。

1.2 算法支持芯片設計

由于無線傳感器網(wǎng)絡的應用常需進行隱蔽設計，故要求基于安全性的無線傳感器網(wǎng)絡時鐘同步系統(tǒng)選擇的算法支持芯片應方便攜帶，并且具有較高的集成度。

系統(tǒng)選用的算法支持芯片是CC2530芯片，CC2530芯片作為強化型的多領域8051片上系統(tǒng)，其體積很小、集成度較高、兼容性優(yōu)異，并擁有很強的運算平衡能力。圖2為CC2530芯片結構圖。

由圖2可知，CC2530芯片主要由8051中央處理器、射頻收發(fā)器、直接內(nèi)存訪問器組成，并擁有32 KB，64 KB，128 KB以及256 KB的閃存，可給予系統(tǒng)不同的工作流程，以平衡系統(tǒng)的資源和工作能耗。CC2530芯片還配置了無線傳感網(wǎng)絡傳輸協(xié)議棧，使得父節(jié)點與子節(jié)點間的信息交互更為流暢、精準。

1.3 安全性調(diào)試接口設計

在基于安全性的無線傳感器網(wǎng)絡時鐘同步系統(tǒng)中，安全性調(diào)試接口根據(jù)CC2530芯片中無線傳感網(wǎng)絡傳輸協(xié)議棧的傳輸支持，對父節(jié)點構建網(wǎng)絡結果和仿真器中的時鐘同步運算結果進行展示。圖3所示為安全性調(diào)試接口電路圖。

由圖3可知，安全性調(diào)試接口利用聯(lián)合測試行為組織（Joint Test Action Group，JTAG）協(xié)議進行展示調(diào)試。JTAG協(xié)議是專門為嵌入式系統(tǒng)進行調(diào)試工作的協(xié)議，其為電子設備提供了包括時鐘監(jiān)控、網(wǎng)絡轉換、電子控制、各類數(shù)據(jù)庫標準支持等調(diào)試功能。安全性調(diào)試接口利用JTAG協(xié)議提供的調(diào)試工具為基于安全性的無線傳感器網(wǎng)絡時鐘同步系統(tǒng)提供服務，其擁有10線接口，可與多種類型的仿真器進行連接。

1.4 安全性傳輸接口設計

安全性傳輸接口使用的接口類型是RS 422，RS 422接口的全稱為“平衡電壓數(shù)字接口電路的電氣特性接口”，其使用差模傳輸方式，最遠傳輸距離長達1 200 m，并具有較強的抗干擾能力和驅動能力。使用者只需在安全性傳輸接口中自行編譯簡單的控制語言，便能夠實現(xiàn)仿真器與無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點間的數(shù)據(jù)通信，通常采用異步啟停類型編碼語言。圖4為安全性傳輸接口電路圖。

由圖4可知，安全性傳輸接口電路擁有8個管腳和4個外設接口，其傳輸方式是串行雙向通信。電路中接收器的輸入阻抗是4 kΩ，電路所能承受的最大負載為100 Ω。

2 無線傳感器網(wǎng)絡時鐘同步算法設計

2.1 同步安全算法

出于對無線傳感器網(wǎng)絡中軟件和硬件的安全性能差異性較大的考慮，基于安全性的無線傳感器網(wǎng)絡時鐘同步算法對二者進行了分類設計，簡稱“同步安全算法”。同步安全算法由兩部分組成，分別是硬件時鐘同步安全算法和軟件時鐘同步安全算法。

2.1.1 硬件時鐘同步安全算法

無線傳感器網(wǎng)絡中的硬件時鐘數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出的是線性曲線，故可根據(jù)對比相鄰無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點采集到的歷史硬件時鐘數(shù)據(jù)，來判斷當前的硬件時鐘數(shù)據(jù)是否能夠實現(xiàn)精準同步。

用表示時鐘數(shù)據(jù)值，，表示兩個相鄰節(jié)點的序列，表示節(jié)點接收時鐘數(shù)據(jù)的時間序列，表示歷史時鐘讀數(shù)，表示兩相鄰節(jié)點與之間線性曲線斜率的單步估計值，則可表示為：

在判斷當前的硬件時鐘數(shù)據(jù)是否能夠實現(xiàn)精準同步時，首先計算出相鄰兩項的線性曲線斜率單步估計值和，如果時鐘精準同步，則滿足：

若不滿足式（2），則該硬件時鐘數(shù)據(jù)無法實現(xiàn)精準同步，此時基于安全性的無線傳感器網(wǎng)絡時鐘同步系統(tǒng)將會對其進行刪除處理。

2.1.2 軟件時鐘同步安全算法

與硬件時鐘不同，無線傳感器網(wǎng)絡中的軟件時鐘并不具備線性曲線，也不存在簡單的時鐘同步操作，對于軟件時鐘同步的精準與否可不作判斷，即時鐘一旦出現(xiàn)數(shù)據(jù)，則可看作是精準同步。所以，當時鐘數(shù)據(jù)不為空時，則代表時鐘同步已實現(xiàn)。

設是節(jié)點的時鐘數(shù)據(jù)，為相鄰兩節(jié)點間互傳的時鐘數(shù)據(jù)，則有：

式中：，分別代表軟件時鐘的校準系數(shù)；代表相鄰節(jié)點間的斜率；代表無線傳感器網(wǎng)絡中擁有相鄰節(jié)點的節(jié)點數(shù)量。

2.2 無線傳感器網(wǎng)絡時鐘同步算法語言設計

無線傳感器網(wǎng)絡時鐘同步算法語言利用CLKCON字節(jié)語言進行編譯。由于CC2530芯片內(nèi)共配備了4個計時器，故利用第一個計時器進行無線傳感器網(wǎng)絡時鐘的讀取，利用第二個計時器給出CLKCON字節(jié)語言的時間標準，第三個計時器為基于安全性的無線傳感器網(wǎng)絡時鐘同步算法的頻率進行定義，第四個計時器進行無線傳感器網(wǎng)絡時鐘的輸出。

對父節(jié)點而言，當仿真器需要進行運算工作時，父節(jié)點會首先對計時器的總顯示值BZ進行讀取。在與子節(jié)點進行數(shù)據(jù)交互前，需要讀取計時器3的顯示值B3，BZ和B3是仿真器的所需的重點數(shù)據(jù)，故將這兩個數(shù)據(jù)同時寫入數(shù)據(jù)包并進行傳送。所給出的無線傳感器網(wǎng)絡父節(jié)點時鐘同步算法語言如下：

Scratch file?pop?up mechanism=SUSPEND1；

%為系統(tǒng)設定復位標準，讀取計時器1中顯示值

{

Lag?nt（9）；

MICROscale?BZ=Read timer clock（）；

%給出“讀取計時器時鐘”的指令

MICROscale?B1=rx?collect?end?>info[11]；

%讀取計時器B1數(shù)據(jù)

Tx?buffer[tx?buffer?top?1][11]= MICROscale?B1；

%把B1匯入數(shù)據(jù)包并存儲

Tx?buffer[tx?buffer?top?1][12]= MICROscale?B2；

%把B2匯入數(shù)據(jù)包并存儲

Tx?buffer[tx?buffer?top?1][13]=read?time1?SUSPEND1；

%發(fā)送數(shù)據(jù)包前，讀取計時器B3數(shù)據(jù)

Tx?buffer[tx?buffer?top?1][116]=18；

%計量數(shù)據(jù)包的長度并存儲

}

當子節(jié)點確認已收取上述數(shù)據(jù)包后，應先對計時器4的顯示值進行讀取，再調(diào)出數(shù)據(jù)包中的BZ，B1，B3，最后利用第2.1節(jié)中給出的時鐘同步安全算法公式，對無線傳感器網(wǎng)絡時鐘同步進行平衡。所給出的無線傳感器網(wǎng)絡子節(jié)點時鐘同步算法語言如下：

Void DO?MICROscale（void）

{

Hal?FIT?info?fugle（）；

MICROscale?replace=1；

MICROscale?mark=false；

while（rx?collect?project?used！=0）

%檢驗所采集的數(shù)據(jù)里是否存在不合格數(shù)據(jù)包

{

readRxCollect（）； %讀取所采集的數(shù)據(jù)包

if（rx?collect?end?>info[9]==OxFF&&rx?collect?end?>info

[10]==SCMD?MICROscale）

Bool replace?mark；

MICROscale?B4=Read timer clock（）；

%讀取計時器4的顯示值B4

MICROscale?B1=rx?collect_end?>info[11]；

MICROscale?B2=rx?collect_end?>info[12]；

MICROscale?B3=rx?collect_end?>info[13]；

MICROscale?replace=（（MICROscale?B2?MICROscale?

B1）+（MICROscale?B2?MICROscale?B4））/2；

%運算出無線傳感器網(wǎng)絡的時鐘誤差

Write?timer1（read_timer1?CNB1（）+MICROscale?replace）；

%將芯片計時器的顯示數(shù)寫入數(shù)據(jù)包

Contrast string（"＼r＼ncogradient finish！"）；

%串口時鐘同步輸出

} }

3 實驗驗證

實驗采用仿真驗證方式對基于安全性的無線傳感網(wǎng)絡時鐘同步算法系統(tǒng)進行驗證，驗證項目為系統(tǒng)的同步誤差和安全性能。

仿真中無線傳感器網(wǎng)絡為正方形，其邊長為200 m，節(jié)點數(shù)量為200個，節(jié)點均勻分布在無線傳感器網(wǎng)絡中，網(wǎng)絡時鐘數(shù)據(jù)包共計60個。選取本文算法、對稱識別加密算法和FTFP算法進行實驗。

3.1 同步誤差驗證

規(guī)定無線傳感器網(wǎng)絡時鐘的同步誤差應低于±0.5 ms，用表示算法的同步時間，表示實際時間，則同步誤差的計算公式為：

（5）

在相同條件下，使用本文算法、對稱識別加密算法和FTFP算法對仿真無線傳感器網(wǎng)絡進行時鐘同步運算。運算周期為20 s，2 h后根據(jù)式（5）對各算法運算結果的同步誤差進行運算，將所得結果繪制成曲線，如圖5所示。由圖5可看出，本文算法的同步誤差要遠低于對稱識別加密算法和FTFP算法，可驗證本文算法同步誤差小。

3.2 安全性能驗證

在仿真無線傳感器網(wǎng)絡中加入天線，接收低等強度和高等強度的網(wǎng)絡入侵，此時，無線傳感器網(wǎng)絡中時鐘同步收斂速度越快，時鐘抗干擾能力越強，證明其算法的安全性能就越高。本文算法、對稱識別加密算法和FTFP算法的收斂速度曲線如圖6、圖7所示。

由圖6、圖7可知，在低等強度和高等強度的網(wǎng)絡入侵下，對稱識別加密算法和FTFP算法的收斂速度曲線的波動隨入侵強度的增大，未產(chǎn)生較大變化，其收斂速度始終不高，證明這兩種算法未能及時發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡入侵的存在，安全性能不高。而本文算法在高等強度網(wǎng)絡入侵下的收斂速度，比起其在低等強度網(wǎng)絡入侵下的收斂速度，有較大的提高，且收斂速度曲線始終高于其他兩種算法，證明本文算法能夠及時發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡入侵的存在，驗證了本文算法具有很高的安全性能。

4 結 論

本文設計基于安全性的無線傳感器網(wǎng)絡時鐘同步系統(tǒng)，系統(tǒng)中的父節(jié)點構建無線傳感器網(wǎng)絡和子節(jié)點，子節(jié)點通過與父節(jié)點進行數(shù)據(jù)交互，平衡無線傳感器網(wǎng)絡時鐘同步，CC2530芯片將父節(jié)點和子節(jié)點進行連接。系統(tǒng)對同步安全算法和同步算法語言的設計，較為有效地實現(xiàn)了無線傳感器網(wǎng)絡時鐘同步。經(jīng)實驗驗證可知，基于安全性的無線傳感器網(wǎng)絡時鐘同步系統(tǒng)同步誤差小，安全性能高。

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