传感器网络可靠性研究现状分析

1、传感器网络可靠性研究现状分析 学号：139030023 姓名：杨文祥摘 要:无线传感器网络的应用越来越普及，必须提供无线传感器网络可靠性进行评估的保证。针对目前各种无线传感器网络可靠性的定义、无线传感器网络可靠性安全及其研究进行了分类，分别讨论了不同类别定义的无线传感器网络可靠性模型建立和进展情况。根据现有研究成果中存在的不足，对未来的研究发展提出了自己的看法。关键词:无线传感器网络；可靠性；模型建立Abstract:The application of wireless sensor network(WSN) is more and more popular.WSN must be prov

2、ided to evaluate the reliability of assurance.Aiming at all kinds of WSN,the definition of reliability, reliability of WSN security and its research ,we classify them and discuss respectively WSN model establishment and progress of reliability of different defined categories.According to the defects

3、 of existing results of the research,I put forward my own views of the study of the future development.Key words:wireless sensor network(WSN),reliability,model establishment 0引 言 近几年，无线传感器网络得到蓬勃发展，已广泛应用在军事、医疗等领域。无线传感器网络由大量的节点组成，一个稳定无线传感器网络的建立，如何选择合适的网络结构和高效的部署网络节点，其方案的可行性依赖于网络可靠性的分析与评价。网络中节点大多由能量有限的

4、电池进行供电，环境变化、冲突干扰和网络结构等因素都可能导致用户无法通过无线传感器网络系统可靠地监控区域。因此，选择何种方法进行无线传感器网络可靠性的评估和评价标准的效率是构建无线传感器网络的首要问题。如何定义无线传感器网络的可靠性与无线传感器网络可靠性模型的建立是近年来研究的一个热点。据统计，目前对无线传感器网络可靠性的研究占无线传感器网络研究的5%。本文对无线传感器网络可靠性定义进行了归类分析，讨论了基于任务和寿命的2种可靠性定义的可靠性模型的研究进展，并就有待解决的问题和未来的重点研究方向提出了自己的意见。1无线传感器网络可靠性的定义对有线网络系统的可靠性研究技术已经十分成熟，无线传感器网

5、络可靠性研究与有线网络有相似性，但也有其特异性。有线网络的可靠性只需要考虑点与点之间的连接有关，而无线传感器网络由大量能量有限的电池供电的传感器节点组成，对其可靠性进行评估时既需要考虑传感器节点问的连接性，还要考虑传感器节点本身的特点和传感器节点的覆盖性。在目前发表的学术文章中，并没有对无线传感器网络可靠性给出统一的定义。在可靠性理论中对可靠性的定义是“在规定 的条件下，规定的时间内，完成规定功能的概率。”这一定义也可以用到无线传感器网络当中。在无线传感器网络中，“规定功能”是一个不确定的需求，它由用户确定，用户规定不同，得到的可靠性值是不相同的。已发表文献中对无线传感器网络可靠性的定义实际上

6、是将规定的功能从两方面进行考虑，一方面从无线传感器网络不能实现规定的功能的角度；另一方面，从无线传感器网络能够实现功能的角度。模型的建立是以定义为基础的，这里，对各种定义方法进行简单分类，并分别研究其过程。2基于寿命的无线传感器网络可靠性 当从无线传感器网络不能实现功能的角度考虑时，引入一个特殊时刻，假设在时刻之前系统不失效，在时刻之后系统失效，那么，时刻实际上表示的是无线传感器网络的寿命。无线传感器网络不能实现功能的时刻就可以通过无线传感器网络到达寿命时刻表示。用表示无线传感器网络可靠性函数，它可以通过计算无线传感器网络系统存活到时刻的可能性1-5得到，用公式表示为在(0，)时刻之间系统不失

7、效。 在此，无线传感器的可靠性是基于其自身寿命的。无线传感器网络的寿命也是近几年的一个研究热点，它与无线传感器网络的连通性和覆盖性都密不可分。基于连通性的无线传感器网络寿命定义有以下几种：1)无线传感器网络寿命6,7是第一个节点死亡时刻；2)网络中节点死亡数目到达某一定阈值8的时刻；3)网络中出现第一个分区9的时刻；4)包传递率低于某一阈值10的时刻。联合连通性和覆盖性定义无线传感 器网络寿命的文献11。基于寿命的无线传感器网络可靠性模型的建立是以上述定义方法为基础的，并随着寿命研究的发展而发展。基于寿命的无线传感器网络的可靠性模型建立的工具常用的有可靠度表格12、马尔科夫链12等。实际上，在

8、无线传感器网络寿命定义相同的情况下，采用任何一种工具得到的可靠性模型应该都是相同的。 可靠度表格表明了无线传感器网络系统的可靠性与每一个传感器节点或者每一个传感器节点间的连接的可靠性的依赖关系。此种方法依据无线传感器网络寿命的定义中的第二种定义方法，但并未规定阈值的确切值，只是通过无线传感器网络的失效分布函数来统计表示出无线传感器网络的寿命，阈值可在01之间变化。文献1中定义无线传感器网路的寿命只是与传感器节点的寿命有关，并假定传感器节点的失效分布服从指数分布，那么，无线传感器网络的寿命就是一个与传感器节点失效分布有关的统计量。文中使用了基于元件(CNR)的方法计算无线传感器网络可靠性，分别求

9、出了串联、并联和几种树形结构的基于寿命的可靠性模型，CNR方法实际上就是可靠度表格方法。在文献2中定义无线传感器网络可靠性不仅与传感器节点失效有关，还与传感器节点间的连接失效有关，文中用可靠度表格的方法最先得到Zig Bee协议的星形、树形的基于寿命的可靠性模型，然后提出了一种网状网分割算法，利用现有的模型建立网状网的无线传感器网络可靠性模型。文中认为传感器节点失效与连接失效是相互独立的，在建立无线传感器网络可靠性模型时将两者直接相乘 。无线传感器网络系统的马尔科夫模型3基于2个基本概念：系统的所有可能状态和各种状态之间的转换。系统的失效状态用F表示，那么，系统的可靠性被定义为系统在除了F之外

10、任何状态的可能性，即可靠性函数，文中认为网络中第一个失效节点出现时系统进入失效状态。提高无线传感器网络的可靠性可以通过使用备用传感器节点来实现，在假定只有2个并联传感器节点的无线传感器 网络中，文中使用了几种不同的冗余方式，并给出其马尔科夫模型和对应的无线传感器网络可靠性模型，最后仿真比较了各种备用对可靠性的影响。文献4作者扩大了无线传感器网络的规模并增加了冗余节点的数量，提出用马尔科夫矩阵方法计算可靠性模型的新方法，简化了无线传感器网络可靠性模型的计算过程，并且，该作者将此模型应用到了风车发电的风力发电厂中5。3基于任务的无线传感器网络可靠性 无线传感器网络实现规定的功能，也就是从系统一直可

11、以执行规定任务的角度考虑，那么，定义无线传感器网络的可靠性可以从系统执行的任务角度考虑。一些学者根据自己的要求对无线传感器网络可靠性进行了定义并建立了相应的模型。 Purohit N等人13假定了一个具有n个相同传感器节点和一个Sink节点的无线传感器网络，每个传感器节点都配有只传感器，且这些传感器节点都可以实现信息采集和路由的功能。文中定义一个事件，表示至少一个传感器节点的至少1只传感器可以感知环境并可以将感 知到的数据通过Sink节点传输到服务器，事件A发生的概率就是该无线传感器网络的可靠性。Purohit N等人依次建立了终端节点、路由节点、Sink节点的软件和硬件以及事件A的可靠度表格

12、，最终建立了该无线传感器网络的定量可靠性模型。此文中只是考虑了无线传感器网络节点问的连通性，而没有考虑到无线传感器网络的覆盖性问题14。 Shrestha A等人15考虑了一种簇结构的无线传感器网络，定义无线传感器网络的可靠性是监控区域内的每一个点至少被K个节点覆盖，并且，这K个节点中的每一个都至少存在一条通往Sink节点的路径的概率。在可靠性模型建立过程中考虑了共因失效(CCF)15因素，使用 了简化的二元决策图方法。虽然作者的定义中不仅考虑到了传感器节点间的连接性，并且考虑了传感器节点的覆盖性，但最终只是给出了基于覆盖簇结构的无线传感器网络可靠性模型。Hamed Yousefi H等人16

13、在文献15的基础上，建立基于K节点覆盖、节点问连接失效和路径失效的可靠性模型。文中定义无线传感器网络的可靠性是Sink节点成功探测事件的概率，也就是各个簇头节点探测事件的概率与簇头节点聚合的数据成功传输到Sink节点的概率的乘积，而簇头节点探测事件本身是与覆盖有关的函数，被定义为源簇是K节点覆盖，并且，簇头成功收到至少K个包的概率。文中分别求出了以上3个部分的函数表达式，并最终得到基于簇的无线传感器网络可靠性模型。4无线传感器网络可靠性的安全分析早期的研究集中在新的网络协议发展方面，新的协议具有比其他ad-hoc网络更严格的性能要求，包括节能、自组织能力、高数量节点的可测量性等。然而，传感器网

14、络的多数应用面临严峻的安全问题，包括窃听、传感器数据伪造、拒绝服务攻击和传感器节点物理妥协，这使得安全问题和其他传感器性能问题同样重要。以下具体分析对传感器网络安全威胁攻击，并提出适当的解决机制，以适应这种新出现的特殊的ad-hoc网络分类。 4.1路由安全 许多传感器网络路由协议是相当简单的，并且不把安全放在主要目标。因此，这些协议比在一般ad-hoc网络更易受攻击。Karlof等介绍了如何攻击ad-hoc网络和端对端网络，同时也介绍了sinkholes和HELLO flood攻击，我们简要地介绍攻击传感器网络的这两类攻击。sinkholes攻击根据路由算法技术，sinkholes攻击设法诱

15、使几乎所有通往衰竭节点的数据，在对方中心创造一个“污水池”。例如，攻击者可能欺骗或重放一个虚假信息给通过衰竭节点的一条高质量路线。如果路由协议使用一个端到端承认技术来核实路线的质量，一个强有力的laptop类攻击者可能供给一条特高品质路线，以单跳方式提供足够的能量到达目的地，就象早期的rushing攻击。因为sinkholes攻击意味很大数量的节点，他们能够引起许多篡改交通流通的其他攻击，例如有选择性的向前。我们应该提及传感器网络由于自身的特别通信范例，对这类攻击是特别脆弱的，所有节点必须发送感知数据到一个接收节点。因此，一个减弱的节点只有提供一条唯一优质路线给接收节点，为了感应潜在的大量节点

16、。sinkholes攻击是很难防范的，特别是在集成的路由协议，结合数据信息例如剩余能量。另外，geo-路由协议作为抵抗sinkholes攻击众所周知，因为它的拓扑结构建立在局部信息和通信上，通信通过接收节点的实际位置自然地寻址，所以在别处诱使它创造污水池变得就很困难了。HELLO flood攻击这类攻击对他们的邻居节点发送多数路由协议必需的hello数据包。收到这样数据包的节点也许假设，它在发送者的范围内。Laptop类攻击者在网络中能寄发这种数据包到所有传感器节点，以使他们相信减弱的节点属于他们的邻居。这导致大量的节点发送数据包到这个虚构的邻居。传感器网络中的几个路由协议，例如directe

17、d diffustion，LEACH，and TEEN 17，易受这类攻击，特别是当hello包包含路由信息或定位信息进行交换。一种简单的方式减少hello泛洪攻击是验证链接是否是双向的。然而，如果攻击者有一台高度敏感接收器，一个信任的接收节点为了防止hello攻击，对每个节点来说也许只选择有限的邻居节点。 解决方法：SPINS安全框架协议-SPINS提出用于优选的二个传感器网络安全协议框架，即SNEP和TESLA。SNEP通过一个链接加密功能实现加密作用。这个技术在发送者和接收者之间使用一个共有的计数器，建立一个一次性密钥的接收器防止重放攻击并且保证数据新鲜。SNEP也使用一个信息验证代码保

18、证两方认证和数据完整性。TESLA是TESLA的优化形式，是为严格地提供被证实的广播环境的一个新的协议。TESLA需要在广播节点和接收器之间实现宽松同步。INSENSINSENS是在传感器网络中通过修造传感器节点和接收节点之间多个重复道路以绕过中间恶意节点提供闯入宽容的路由协议。另外，INSENS也限制了DOS类型泛洪攻击，同时防止错误路由信息或其他控制信息克服sinkholes攻击。然而，INSENS存在几个缺点，最重要的是接收节点应该容错，并且它不应该在休息时被攻击者与网络的其余节点隔离分开。 4.2密钥管理发布虽然“密钥管理”在保证机密和认证方面是重要的，但它在无线传感器网络中仍然存在着

19、很多未解决的问题，主要表现在以下几个方面：密钥前配置：在传感器网络设计安装前，由于未知的物理拓扑结构，predeployment密钥被考虑作为唯一的实用选择密钥分发给相应的可信赖选项。然而，传统密钥配置计划在无线传感器网络是不合适的，安装的密钥在每个节点要么是单一任务密钥，要么是一套分离的n-1密钥，与另一个私下配对分享。实际上，所有传感器节点的捕获都会危及整个网络的安全，因为在传感器捕获侦查上有选择性的密钥撤销是不可能的，反之在每个传感器节点成对的密钥分配解决需要存储和装载n-1个密钥18。当使用超过10000个传感器时，由于资源局限先前描述了，这就变得不切实际了。此外，因为直接的点对点通信

20、是仅在数量极少的邻近节点之间完成的，分享在所有两个传感器节点之间的私用密钥是不能再用的。共享密钥发现：另一个富有挑战性问题是每个节点在它分享至少一把密钥的无线通信范围内需要发现一个邻居。因此，只有当他们分享一把密钥时，链接存在两个传感器节点之间。一种好的共享密钥发现方法不应该允许攻击者知道其在每两个节点之间的共有密钥。道路密钥确立：对于不共享密钥和以多跳方式连接的任一对节点来说，需要被分配道路密钥来保证端到端的安全通信。道路钥匙应该是与中介节点不成对地共享钥匙，这一点很重要。除了这些问题之外，在传感器网络中密钥管理还面对其他重要富有挑战性问题，例如当可利用的密钥过期时，能量效率重建密钥机制，以

21、及最小密钥建立延迟。解决方法：为了克服传统的密钥配置缺点，本质上是解决配置在每个节点上的密钥的大小。例如，被描述的机率密钥分享协议是在每两个节点之间使用保证的一种共有的密钥发现方法，以一个被选上的概率，分享一把密钥，仅仅很小数量的密钥在每个传感器节点被装载。后者从一个大的密钥池中任意地得出。然而，这个协议存在几个缺点，由于它对被信任的控制节点的信赖，每个密钥圈和对应的传感器的身份验证密钥标识符被保存。此外，基本的机率密钥分享方法的恢复力对节点捕获能力是微弱的，因为仅一把密钥分享在每两个节点之间，对于攻击者来说，捕获一个小数字节点来打破大数字链接变得比较容易。为提高节点捕获能力的恢复力，提出了一

22、种q综合方法19，q密钥(q1)需要分享在节点之间来代替一把密钥。当很小数量的节点减弱，这种方法证明了它的效率与基本配置的比较。另一个解决方案是一把共有的密钥可以位于多个节点中，不仅仅只有两个节点知道。因此，这把密钥不可能加密任何在网络中使用的两个节点间的私有消息。所以，我们提议强化基本的机率方法，建立使用极限密钥共享，对相应的通讯节点建立专有的配对方式密钥。另一个重要研究趋势是在传感器网络中密钥管理领域，包括在这样环境里允许对公共密钥加密法用途的新技术。Guabtz等提出对被使用的加密算法和关联参量的正确选择，仔细优化，以及低功率设计技术可能使不对称的加密在传感器网络中可行。虽然这项研究显示

23、出，公共密钥加密法可以达到与使用NtruEncrypt密码系统平均功率消耗量少20W 20，但我们应该注意到，这种算法还没有证明它对密码分析学的抵抗。另外，考虑运算法则的安全级别，不能反映使用不对称的密码学在传感器网络中的现实情景，因为我们相信在无线传感器网络中对公共密钥机制的使用由一个更高的安全级别的保证比那些以更低的消息交换的对称关键技术更复杂。 4.3数据融合安全数据聚合(或数据融合)是在无线传感器网络的设计和发展中涌现的一个关键主题。在这个过程中，称作“aggregators”的中介节点收集未加工的感知信息形式传感器节点，在本地处理它，并且迅速将结果发送给终端用户。这种重要操作根本上减

24、少相当数量在网络上传送的数据，因而延长节点的工作周期，是无线传感器网络最重要的设计因素21。然而，这种功能由于攻击环境的存在而受到挑战。对于数据融合有效性的断言提出了对重复数据融合节点的用途。这些节点进行数据融合操作和aggregators一样，但寄发的结果作为信息验证代码(MAC)送到aggregator而不是送它到基地22。为了证明融合结果的有效性，aggregator必须与它所证明节点接收到的结果一起沿着计划的路线送到基地。如果一衰竭的aggregator想要发送无效融合数据，它必须给无效结果伪造证明。当n从m证人处证明与aggregators结果一致时，融合结果被证实，否则后者放弃并且

25、基地发送它合法的融合结果。我们认为当证人被足够信任时，这种解答是高效率的，否则它要求使用投票计划以获得可接受的融合结果。在提出了基于融合集体证明方法的安全框架核实aggregators给的值是真实值的接近值，即使aggregators和传感器节点发生破坏。在这种方法中aggregator通过修建Merkle杂乱信息树来收集数据。aggregator承诺保证使用传感器提供的数据，并且作为基地核实的声明关于融合结果的正确性。5结 论本文笔者在前面部分总结了无线传感器网络可靠性的定义，并对其进行分类，讨论了不同类别定义的无线传感器网络可靠性模型建立，进展情况以及无线传感器网络可靠性的安全分析。本文笔

26、者贡献： 贡献一：针对目前各种无线传感器网络可靠性的定义、无线传感器网络可靠性安全及其研究进行了分类，分别讨论了不同类别定义的无线传感器网络可靠性模型建立和进展情况。根据现有研究成果中存在的不足，对未来的研究发展提出了自己的看法。由于对无线传感器网络可靠性的研究目前还处于发展阶段，仍然存在一些有待解决的问题： 1.无论是基于任务的还是基于寿命的无线传感器网络可靠性模型，均应对同一个要求下的同一个网络有统一的可靠性模型。 2.在基于任务的可靠性模型建立时，如何确立任务是目前尚待解决的问题。 3.在基于寿命的可靠性模型建立时，覆盖、节点间的连接和节点本身是可靠性中模型建立的基础。目前的研究存在研究

27、方向单一、组合简单的问题。在研究节点寿命问题上，都假定节点失效分布函数符合指数分布，虽有提出Weibul1分布比指数分布能够更好地描述节点的失效，但未见证明分析。 4.随着无线传感器网络的寿命定义的发展，基于寿命的可靠性模型是未来发展的重点。5. 在复杂网络系统中，要分别考虑各个元件的可靠重要度，也需要考虑无线传感器网络中各个节点(连接)的重要度，这对提高无线传感器网络可靠性有重要的参考价值。 贡献二：通过对无线传感器网络易遭受的攻击分析，提出了合适的解决方案，密钥管理方面提出了极限密钥共享方法，路由攻击重点介绍了SPINS安全框架协议和INSENS协议，数据融合安全是为了保证数据的完整性和新

28、鲜性，具体提出了重复数据融合节点证明方法。参考文献：1Le Zhengyi，Becker E，Dimitrios G Modeling reliability for wireless sensor node coverage in assistive testbedsC/Proceedings of the 3rd International Conference on Pervasive Technologies Related to Assistive Environments,2010：46-522Lin Chengmin，Teng Huikang，Yang ChengchihA me

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