專利名稱：基于自動機和生命游戲的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)廣播認證方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是WSN(Wireless Sensor Network，無線傳感器網(wǎng)絡(luò))中廣播認證機制的一種新型方法，屬于物聯(lián)網(wǎng)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及信息安全技術(shù)的交叉領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
WSN由部署在檢測區(qū)域內(nèi)的大量廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信的方式形成一個多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作的感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者。WSN由于廣播認證的特殊性，例如拓撲結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化、觸發(fā)時間的同步性、以及網(wǎng)絡(luò)流量的不穩(wěn)定性，使得這種網(wǎng)絡(luò)需要定制一種有效的廣播認證方法。WSN按照網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)來分類，可以分成平面式結(jié)構(gòu)和層簇式結(jié)構(gòu)。平面式分布傳感器網(wǎng)絡(luò)由一個或一組計算能力強的基站和大量廉價的微型傳感器節(jié)點所組成。網(wǎng)絡(luò)中，采用延遲透露對稱密鑰的機制來實現(xiàn)非對稱性，從而達到廣播認證的目的。而當網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大節(jié)點數(shù)眾多時，基站的覆蓋范圍受限，將很難實現(xiàn)向全網(wǎng)節(jié)點的廣播。層簇式結(jié)構(gòu)從一定程度上克服了平面式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的缺陷，本發(fā)明提出一種基于DFA(Deterministic Finite Automation，確定有窮自動機)的分簇算法，將傳感器網(wǎng)絡(luò)劃分為多個簇，每個簇在地理位置上位于不同的區(qū)域，簇中含有多個節(jié)點(簇與簇之間沒有交集)；另外，將按照某種算法 (例如Leach算法，具體采用何種選舉簇頭的算法對本發(fā)明要保護的內(nèi)容并無影響)選擇出某個節(jié)點擔(dān)任該簇的簇頭，負責(zé)該簇與上一層簇頭或者基站的信息交互等工作，具體的拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。CA (Cellular Automaton，元胞自動機)結(jié)構(gòu)簡單、易于在計算機上實現(xiàn)、有較強的表達復(fù)雜關(guān)系的能力，因此可用于對網(wǎng)絡(luò)模型的研究，尤其是對網(wǎng)絡(luò)整體動態(tài)特性的研究。CA按其所在元胞空間的維數(shù)可簡單分為一維CA、二維CA、三維CA、高維CA。其中， 二維CA的著名模型有生命游戲模型?？紤]到WSN網(wǎng)絡(luò)流量分布與因特網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)流量分布的不同，本發(fā)明提出了一種基于 GoL(Game of Life，生命游戲)的網(wǎng)絡(luò)模擬流量算法。宏觀來看，因特網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)流量呈現(xiàn)泊松分布，而WSN由于節(jié)點間的無線鏈接的脆弱性、拓撲結(jié)構(gòu)動態(tài)變化、以及無線信道的開放性等特征，其網(wǎng)絡(luò)流量呈現(xiàn)復(fù)雜的形態(tài)。將時間離散化，某一時段網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)包流量映射為 GoL中某個時刻處于工作狀態(tài)的元胞數(shù)量。這樣，能夠模擬WSN中的一種或多種網(wǎng)絡(luò)流量形態(tài)，并根據(jù)實際情況可以對流量模型進行實時的改變。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的主要是針對層簇式結(jié)構(gòu)的WSN，提出一種新型的基于自動機的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)廣播認證方法，根據(jù)實際節(jié)點分布管理、密鑰發(fā)布時間確定、WSN網(wǎng)絡(luò)流量模擬三方面情況來具體實現(xiàn)廣播認證。技術(shù)方案
首先給出幾個定義鄰居節(jié)點任意節(jié)點A—跳范圍內(nèi)的節(jié)點稱之為其鄰居節(jié)點，A可與其鄰居節(jié)點直接通信，但并非A所有的鄰居節(jié)點都和其在同一簇中；舉例說明，如圖1所示，節(jié)點1和節(jié)點 3都是節(jié)點2的鄰居節(jié)點，但是節(jié)點1和節(jié)點2位于簇1中，而節(jié)點3位于簇2。非鄰居節(jié)點任意節(jié)點A除了鄰居節(jié)點之外不能直接通信的節(jié)點稱之為其非鄰居節(jié)點，可能存在許多A的非鄰居節(jié)點與A在同一簇中；舉例說明，如圖1所示，節(jié)點3與節(jié)點 5位于同一簇內(nèi)，但節(jié)點5不是節(jié)點3的鄰居節(jié)點。在本方法中，簇頭節(jié)點之間并非直接通信，而是通過中繼節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)信息。舉例說明，如圖1所示，簇1中的簇頭節(jié)點(節(jié)點1)需要和簇2中的簇頭節(jié)點(節(jié)點4)進行通信， 則需要通過中繼節(jié)點(節(jié)點2)進行跳轉(zhuǎn)。改進的模η確定有窮自動機(模nDFA)有一個初態(tài)，η個終態(tài)，對于任意的0、1字符串(二進制數(shù))能且只能到達其中一個終態(tài)；舉例說明，如圖2所示，為改進的模3DFA， 終態(tài)Cli表示該二進制數(shù)所對應(yīng)的十進制數(shù)模3后余i，如，某二進制數(shù)(00101101)2經(jīng)過改進模3DFA到達終態(tài)q(l，表示該二進制數(shù)對應(yīng)的十進制數(shù)G5) 10模3結(jié)果為0 ；圖3所示的模5DFA和圖4所示的模7DFA和模3DFA同理，只有終態(tài)個數(shù)有變化。完成代價對于任意改進的模nDFA，從狀態(tài)Qi —步跳轉(zhuǎn)到Qj的權(quán)值為| i_j |/n(i 可以大于等于或者小于j)，而每個0、1字符串從初態(tài)qn到達終態(tài)qz的所有路徑的權(quán)值和即為該字符串相對該DFA的完成代價；舉例說明，如圖2所示，字符串0011相對于改進模3DFA 的完成代價為5/3。元胞自動機(CA)模型空間被一定形式的網(wǎng)格分割為許多單元，即元胞(cell)， 每一元胞取有限的離散狀態(tài)，遵循同樣的作用規(guī)則，依據(jù)確定的局部規(guī)則作同步更新，散布在規(guī)則網(wǎng)格中的大量元胞通過簡單的相互作用而構(gòu)成動態(tài)系統(tǒng)的演化。CA按其所在元胞空間的維數(shù)可簡單分為一維CA、二維CA、三維CA、高維CL·以Wolfram —維CA舉例說明，如圖 5所示，每個元胞的狀態(tài)(有0、1兩種狀態(tài))由其本身和左、右鄰居三者在上一個時刻的狀態(tài)決定(即S/+1 =_/^_/，S1', Si+/)，其中^+1代表t+1時刻中間元胞的狀態(tài)，幻,Si-ASi+/分別代表t時刻中間元胞和左、右鄰居的狀態(tài))，按照規(guī)則90演化0011011010 (隨機值，默認為t =0時刻的狀態(tài))，在t = 1時刻狀態(tài)為0111011001，在t = 2時刻狀態(tài)為0101011110，. . ·， 這樣不斷動態(tài)變化下去，構(gòu)成整個系統(tǒng)的時間空間動態(tài)變化。(注規(guī)則90以3個元胞為一個單位，每個元胞有0、1兩種狀態(tài)，所以3個元胞組成的一個單位有 8 種狀態(tài)，分別是(111)、(110)、(101)、(100)、(011)、(010)、(001)、(000)， 其中，(110)表示t時刻左鄰居狀態(tài)為1，本身狀態(tài)為1，右鄰居狀態(tài)為0，即SiY = 1，S/= 1， Si+/ = 0，其余的 7 種狀態(tài)含義類似。又由于 Ill2 = 710，IlO2 = 610，IOl2 = 510，IOO2 = 410， Oll2 = 31(|，OlO2 = 21(|，OOl2 = IiqjOOO2 = Oltl，且 90 = 0^2^1^2^0^2^1^2^1^2^0^2^1^21 +0 °，故規(guī)定在(110)、(100)、(011)、(001)這四種相鄰狀態(tài)下，下一時刻中間元胞的狀態(tài)為1，其余4種相鄰狀態(tài)的下一時刻中間元胞的狀態(tài)為0，即1 = f(l，l，0)，l = f(l，0，0)， 1 = f(0，l，l)，l = f(0，0，l)，0 = f(l,1,1),0 = f(l,0,1),0 = f(0,1,0),0 = f(0，0，0)。邊界條件為周期邊界規(guī)則，即將一個隨機的0、1字符串首尾相接，左邊界和右邊界為新鄰居，左邊界變成右邊界的右鄰居，而右邊界變成左邊界的左鄰居。則左邊界、右邊界、右邊界的左鄰居三者為一個單位共同決定下一時刻右邊界的狀態(tài)，同理右邊界、左邊界、左邊界的右鄰居三者為一個單位共同決定下一時刻左邊界的狀態(tài)。如圖5所示，舉例說明，t時刻的狀態(tài)為0111011001，則左邊界0為右邊界1的右鄰居，右邊界1為左邊界0的左鄰居，在計算t+Ι時刻的狀態(tài)時，可將其看作是Iloil 10110011 0，左邊界t時刻為0，t+1 時刻為0 = €(1，0，1)，右邊界1時刻為1, t+Ι時刻為0 = f(0，l，0)。)S23/B3 即為Survive2，3/Birth3，以9個網(wǎng)格為一個單位，每個網(wǎng)格有“工作”、 “休眠”兩種狀態(tài)。如果一個“工作”的網(wǎng)格周圍的8個鄰居網(wǎng)格中有2個或者3個“工作”， 那么這個網(wǎng)格在下一個時刻的狀態(tài)依然為“工作”，否則“休眠”;如果一個“休眠”的網(wǎng)格周圍恰巧有3個“工作”的鄰居網(wǎng)格，那這個網(wǎng)格在下一個時刻的狀態(tài)變成“工作”，否則依然 “休眠”。舉例說明，如圖6所示，圖中有18張小圖，每個小圖左邊代表t時刻9個相鄰網(wǎng)格的狀態(tài)，小圖右邊表示t+Ι時刻9個相鄰網(wǎng)格的狀態(tài)。t時刻，在小圖(1)到小圖(9)中， 中間網(wǎng)格的狀態(tài)為“工作”，但只有小圖⑶和小圖⑷符合S23的條件(S卩，小圖(3)有兩個“工作”鄰居，小圖⑷有三個“工作”鄰居)所以，在t+Ι時刻，只有小圖(2)和小圖(3) 的中間網(wǎng)格狀態(tài)仍保持為“工作”，而小圖⑴、(4)、(5)、(6)、(7)、(8)、(9)的中間網(wǎng)格狀態(tài)變成“休眠”。t時刻，在小圖(10)到小圖(18)中，中間網(wǎng)格的狀態(tài)為“休眠”，但只有小圖(13)滿足B3的條件(S卩，小圖(13)有3個“工作”鄰居)所以，在t+Ι時刻，只有小圖 (13)的中間網(wǎng)格狀態(tài)變成“工作”，而小圖(10)、(11)、(12)、(14)、(15)、(16)、(17)、(18) 的中間網(wǎng)格狀態(tài)仍保持“休眠”。生命游戲是二維元胞自動機的一種著名模型，依照規(guī)則S23/B3來實現(xiàn)元胞在 “工作”、“休眠”兩種狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換。本發(fā)明中，將“工作”狀態(tài)的元胞數(shù)作為WSN中數(shù)據(jù)包的流量。舉例說明，如圖7所示，t時刻黑色格子的數(shù)目為12，代表此時網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)包的數(shù)目也為12。本發(fā)明針對WSN，將廣播認證分成三個部分，第一部分是普通節(jié)點的分簇方法，第二部分是網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包流量的模擬，第三部分是廣播密鑰發(fā)布時間的確定。在方法實現(xiàn)第一部分之前，需要對WSN進行初始化。網(wǎng)絡(luò)部署之前，每個節(jié)點存儲一個身份標識(ID號)、一個能識別0、1字符串的 DFA、能量值、簇頭節(jié)點(某個節(jié)點的ID號，表示該節(jié)點屬于哪一個簇)、節(jié)點類型標識(標識為簇頭、中繼、普通三者之一)。舉例說明，如圖1所示，簇2的簇頭節(jié)點是節(jié)點4，節(jié)點4 的前驅(qū)節(jié)點為節(jié)點2。每個節(jié)點也含有一個鄰居列表，記錄鄰居節(jié)點的ID號、能量值、完成代價(見定義)、簇頭號、響應(yīng)時間等信息。配置完以上信息之后，網(wǎng)絡(luò)開始部署。方法流程該廣播認證方法的完整過程將具體描述如下一基于DFA的分簇過程將DFA作為每個節(jié)點的屬性特征，即每個節(jié)點都含有某一種改進的模nDFA，用于識別和處理分簇建立過程中的接收信號。改進的模nDFA通過對接收信號的處理得到各自的完成代價，即當接收信號和模nDFA確定時，所對應(yīng)的完成代價也確定。這樣，綜合完成代價、能量值等因素來確定所需要選擇的節(jié)點的優(yōu)先級，選擇優(yōu)先級高的節(jié)點作為所需要的節(jié)點?；镜泥従庸?jié)點建立過程
該認證流程劃分為基于用窮自動機DFA的分簇過程，基于生命游戲的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN數(shù)據(jù)流量的模擬過程，哈希Hash密鑰鏈的構(gòu)造、基于網(wǎng)絡(luò)流量的發(fā)布和驗證過程三部分一 .基于DFA的分簇過程將DFA作為每個節(jié)點的屬性特征，即每個節(jié)點都含有某一種改進的模η有窮自動機(模nDFA)，用于識別和處理分簇建立過程中的接收信號，改進的模nDFA通過對接收信號的處理得到各自的完成代價，即當接收信號和模nDFA確定時，所對應(yīng)的完成代價也確定， 這樣，綜合完成代價、能量值等因素來確定所需要選擇的節(jié)點的優(yōu)先級，選擇優(yōu)先級高的節(jié)點作為所需要的節(jié)點；基站的鄰居節(jié)點建立過程步驟1)基站節(jié)點廣播發(fā)送“鄰居建立”消息，即包含[消息類型，源節(jié)點ID，一串隨機的0、1字符串]的數(shù)據(jù)包；步驟2)若接收節(jié)點尚未有簇頭節(jié)點，則立即反饋應(yīng)答消息，即[消息類型，源節(jié)點 ID，本節(jié)點ID，能量信息，完成代價]，并將基站節(jié)點作為簇頭節(jié)點記錄下來；步驟3)基站節(jié)點將所有接收節(jié)點信息存入鄰居節(jié)點列表中，并以完成代價升序排列；基站的簇頭選舉過程步驟4)基站節(jié)點從上向下遍歷鄰居列表，選擇響應(yīng)時間小于時間閾值Tt、能量值大于能量閾值A(chǔ)的節(jié)點為簇頭節(jié)點；簇頭數(shù)量可通過調(diào)整Tt和&來確定；步驟5)基站節(jié)點廣播發(fā)送“簇建立消息”，按照[消息類型，源節(jié)點ID，選為簇頭節(jié)點ID]的格式進行；步驟6)接收節(jié)點收到“簇建立消息”后，若被選舉為簇頭節(jié)點，則將類型標識改為 “簇頭”，簇頭節(jié)點ID改為自己的ID ；簇頭的鄰居節(jié)點建立過程步驟7)任一簇頭節(jié)點i廣播發(fā)送“鄰居建立”消息，即包含[消息類型，源節(jié)點ID， 一串隨機的0、1字符串]的數(shù)據(jù)包；步驟8)若接收節(jié)點尚未有簇頭節(jié)點，則立即反饋應(yīng)答消息，即[消息類型，源節(jié)點 ID，本節(jié)點ID，能量信息，完成代價]，并將節(jié)點i作為簇頭節(jié)點記錄下來；步驟9)節(jié)點i將所有接收節(jié)點信息存入鄰居節(jié)點列表中，并以完成代價升序排列；簇頭的中繼節(jié)點的選舉過程步驟10)簇頭節(jié)點i從上向下遍歷鄰居列表，選擇類型標識為“普通”、響應(yīng)時間小于時間閾值TTi、能量值大于能量閾值QTi的節(jié)點為中繼節(jié)點；中繼節(jié)點的數(shù)量可通過調(diào)整 Tli和QTi來確定；步驟11)節(jié)點i廣播發(fā)送“中繼節(jié)點選舉消息”，按照[消息類型，源節(jié)點ID，選為中繼節(jié)點ID]的格式進行；步驟12)接收節(jié)點收到“中繼節(jié)點選舉消息”后，若被選舉為中繼節(jié)點，則將類型標識改為“中繼”；中繼的鄰居節(jié)點建立過程
步驟13)任一中繼節(jié)點j廣播發(fā)送“鄰居建立”消息，即包含[消息類型，源節(jié)點 ID，一串隨機的0、1字符串]的數(shù)據(jù)包；步驟14)若接收節(jié)點尚未有簇頭節(jié)點，則立即反饋應(yīng)答消息，即[消息類型，源節(jié)點ID，本節(jié)點ID，能量信息，完成代價]；步驟15)中繼節(jié)點將所有接收節(jié)點信息存入鄰居節(jié)點列表中，并以完成代價升序排列；中繼的后繼簇頭節(jié)點選舉過程步驟16)中繼節(jié)點j從上向下遍歷鄰居列表，選擇類型標識為“普通”、響應(yīng)時間小于時間閾值TTi、能量值大于能量閾值QTi的節(jié)點為簇頭節(jié)點；中繼節(jié)點的數(shù)量可通過調(diào)整 Tli和QTi來確定；步驟17)節(jié)點j廣播發(fā)送“簇頭節(jié)點選舉”消息，按照[消息類型，源節(jié)點ID，選為簇頭節(jié)點ID]的格式進行；步驟18)接收節(jié)點收到“簇頭節(jié)點選舉消息”后，若被選舉為簇頭節(jié)點，則將類型標識改為“簇頭”，簇頭節(jié)點ID改為自己的ID ；新節(jié)點的加入過程步驟19)任一新節(jié)點k廣播發(fā)送“鄰居建立”消息，即包含[消息類型，源節(jié)點ID， 一串隨機的0、1字符串]的數(shù)據(jù)包；步驟20)接收節(jié)點立即反饋應(yīng)答消息，即[消息類型，源節(jié)點ID，本節(jié)點ID，能量信息，完成代價，節(jié)點類型]；步驟21)節(jié)點k將所有接收節(jié)點信息存入鄰居節(jié)點列表中，將“簇頭”節(jié)點優(yōu)先排在前面，再以完成代價升序排列；步驟22)節(jié)點k從上向下遍歷鄰居列表，若沒有鄰居則此節(jié)點失效，加入失敗，結(jié)束；步驟23)若鄰居節(jié)點中有簇頭節(jié)點，則向簇頭發(fā)送“請求加入”消息，按照[消息類型，簇頭節(jié)點ID，本節(jié)點ID]的格式進行；步驟24)簇頭節(jié)點收到請求消息后，發(fā)送“新鄰居更新”消息，即包含[消息類型， 源節(jié)點ID，新節(jié)點ID，一串隨機的0、1字符串]的數(shù)據(jù)包；步驟25)節(jié)點k立即反饋應(yīng)答消息，即消息類型，源節(jié)點ID，本節(jié)點ID，能量信息，完成代價]，并將簇頭ID記錄下來；步驟26)簇頭節(jié)點按照完成代價由小到大的順序，將節(jié)點k的信息插入鄰居節(jié)點列表中；步驟27)若鄰居節(jié)點全部為普通節(jié)點，節(jié)點k從上向下遍歷鄰居列表，選擇響應(yīng)時間小于時間閾值TTi、能量值大于能量閾值QTi的節(jié)點ρ為中繼節(jié)點，向節(jié)點ρ發(fā)送“中繼節(jié)點選舉”消息，按照[消息類型，源節(jié)點ID，選為中繼節(jié)點ID]的格式進行；步驟28)節(jié)點ρ收到被選舉消息后，發(fā)送“新鄰居更新”消息，即包含[消息類型， 源節(jié)點ID，新節(jié)點ID，一串隨機的0、1字符串]的數(shù)據(jù)包；步驟29)節(jié)點k立即反饋應(yīng)答消息，即消息類型，源節(jié)點ID，本節(jié)點ID，能量信息，完成代價]，并將中繼ID記錄下來記為簇頭節(jié)點；二基于生命游戲的WSN數(shù)據(jù)流量的模擬過程
采用L*L的正方形網(wǎng)格的二維模型，每個網(wǎng)格為一個元胞，“工作”狀態(tài)的元胞數(shù)即為網(wǎng)絡(luò)流量數(shù)；其中，L值由網(wǎng)絡(luò)的最大流量數(shù)dgmax確定，即L*L ^ dgmax ；將一維的網(wǎng)絡(luò)流量映射到二維的網(wǎng)格中，通過對網(wǎng)格生命狀態(tài)的模擬近似得到網(wǎng)絡(luò)流量的分布；每個離散時刻點所有“工作”狀態(tài)的網(wǎng)格數(shù)即為對應(yīng)時間段內(nèi)基站節(jié)點需要廣播的數(shù)據(jù)包個數(shù)；對應(yīng)的時間段為(q_l) *tdg到q*tdg，其中^g為一段固定的時長，q為時刻點，q = 0,1,2,3,...；網(wǎng)絡(luò)啟動時流量的模擬過程步驟30)置L*L個網(wǎng)格的初始狀態(tài)為0，即表示“休眠”狀態(tài)，設(shè)初始時刻時間為0， 即；步驟31)隨機選擇rdm個網(wǎng)格，將其狀態(tài)置為1，即表示“工作”狀態(tài)，此時刻記為 l*tdg，表示0*tdg到l*tdg時段內(nèi)數(shù)據(jù)包流量為rdm ；rdm為小于2*L的隨機值；步驟3 所有的網(wǎng)格會根據(jù)生命游戲的S23/B3規(guī)則，隨著^g前的系數(shù)q的遞增不斷地變換其狀態(tài)，對應(yīng)于(Q-IRttig到C^ttlg時段內(nèi)數(shù)據(jù)包流量不斷變化；步驟33)網(wǎng)絡(luò)啟動過程中，即從l*tdg到20*、8時間段，流量是一個宏觀的遞增過程，因此，當“工作”狀態(tài)網(wǎng)格數(shù)目小于rdm/2時，需要增加rdn個“工作”網(wǎng)格，即再次隨機選擇rdn個網(wǎng)格，將其狀態(tài)置為1 ；rdn為小于rdm的隨機數(shù)；網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定時流量的模擬過程步驟34)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定過程中，即從21*、8往后的時間段，所有的網(wǎng)格會根據(jù)生命游戲的S23/B3規(guī)則，隨著tdg前的系數(shù)q的遞增不斷地變換其狀態(tài)，對應(yīng)于(q_l) *tdg到C^ttlg時段內(nèi)數(shù)據(jù)包流量不斷變化；步驟35)在網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定過程中，若出現(xiàn)數(shù)據(jù)流量長時間低于閾值Iiumsmall = L的情況， 則需要增加rdk個“工作”網(wǎng)格，即隨機選擇rdk個網(wǎng)格，將其狀態(tài)置為1 ；其中，長時間表示 tdg遞增了 30次，即表示整個網(wǎng)格的狀態(tài)連續(xù)變換了 30次；rdk為小于L的隨機數(shù)；三Hash密鑰鏈的構(gòu)造、基于網(wǎng)絡(luò)流量的發(fā)布和驗證過程假設(shè)在(q-1) *tdg到q*tdg時間段內(nèi)的數(shù)據(jù)包總數(shù)目為dg,，且以速度dg/、勻速到達基站，即表示在(q-1) *tdg到q*、時間段內(nèi)，dgq個數(shù)據(jù)包每個以tdg/c^的時間間隔依次到達基站；將一個^g長的時間段可分為(1 個小時段，每個小時段長為tdg/dg(1，每個小時段用I表示，第i個小時段記為Ii)；每一小時段擁有一對對稱密鑰Ki,用于加密和解密需要廣播的內(nèi)容，并且，在第Ii小時段內(nèi)廣播第i個廣播密文和公布第i-d個密鑰Ki_d，顯然，發(fā)布廣播密鑰較發(fā)布密文的時間差C^tdgAtetl要長于基站節(jié)點與最遠節(jié)點之間的一次包交換時間；d表示密鑰發(fā)布的延遲尺寸；步驟36)基站生成一個隨機數(shù)R，并利用偽隨機函數(shù)H，計算H(R)，H2 (R)，-,Hn(R) 分別作為η次會話的密鑰存放在密鑰池中，將Hn(R)作為密鑰頭Ktl，并規(guī)定第i小時段的密鑰 Ki = Hlri(R),其中，i = 1,2, ...，n，且 Htl(R) =R),n>>dgq；步驟37)基站廣播初始參數(shù)消息，即[消息類型，源節(jié)點ID，當前基站時鐘Tb，開始時間T1,密鑰頭Ktl，時間間隔tdg/dg(1，透露時延d，最大時鐘差異δ_]；步驟38)每級簇頭節(jié)點和中繼節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)基站的廣播初始參數(shù)消息；步驟39)各節(jié)點收到后，將各自的時鐘與基站節(jié)點的時鐘同步，并且記錄下1\為、tdg/dgq> d、δ max 等信息；步驟40)基站節(jié)點在第i個小時段內(nèi)，廣播第i個數(shù)據(jù)包密文和發(fā)布第i_d個密鑰U ；步驟41)接收節(jié)點收到第i個tdg/dg(1的數(shù)據(jù)包密文后，判斷密鑰Ki是否已經(jīng)發(fā)布過，若已經(jīng)發(fā)布則丟棄此包；若尚未發(fā)布則先驗證Κ"的真假，若為真則緩存此包并且解密第i_d時段密文數(shù)據(jù)包，否則丟棄；步驟42) (q-1) *tdg到C^ttlg時間段內(nèi)的數(shù)據(jù)包廣播完成后，hash密鑰鏈從 Α'Οι Μ用到巧^歧，則從q*td往后的時間段的數(shù)據(jù)包使用從％^郇，1開始往后的密鑰，以此類推直到密鑰鏈用完。有益效果本發(fā)明提出了基于自動機和生命游戲的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)廣播認證方法，該方法具有如下優(yōu)點(1)通過利用基于DFA的分簇算法一定程度上克服了平面式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的缺陷，擴大了基站節(jié)點的通信范圍，并且實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點能量的合理分配；(2)通過利用基于生命游戲的模擬流量算法，一定程度上能夠模擬WSN中的一種或多種網(wǎng)絡(luò)流量形態(tài)，并可以根據(jù)實際情況對流量模型進行實時的改變。


圖1層簇式WSN網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)圖，
圖2改進的模3DFA，
圖3改進的模5DFA，
圖4改進的模7DFA，
圖5沃爾夫勒姆(Wolfram) —維<
圖6 S23/B3 規(guī)則，
圖7生命游戲，
圖8 WSN流量模擬啟動過程，
圖9 WSN流量模擬穩(wěn)定過程。
具體實施例方式以下將以圖1到圖9為例，通過一個具體的例子來進一步詳細說明本發(fā)明的技術(shù)方案和方法流程。首先完成網(wǎng)絡(luò)的初始化，即分配給每個節(jié)點唯一的ID、某個模η的DFA、并且在節(jié)點中存儲以下內(nèi)容能量值、簇頭節(jié)點、節(jié)點類型標識、鄰居列表[鄰居節(jié)點ID、能量值、完成代價、簇頭節(jié)點、響應(yīng)時間]。以圖1中的節(jié)點1為例，節(jié)點1的ID為ID1,存放著一個模 3的DFA，能量值為2J，簇頭節(jié)點為基站的ID(IDtl),節(jié)點類型為“簇頭”，鄰居列表中存在四項內(nèi)容，代表它有四個鄰居，即分別為節(jié)點2、節(jié)點7、節(jié)點8、節(jié)點9，其中鄰居節(jié)點2的信息為ID2，1. 5J,8/5,0. 2msO一基于DFA的分簇過程基站的鄰居節(jié)點建立過程以基站節(jié)點、節(jié)點1、節(jié)點8、節(jié)點10、節(jié)點11為例說明。
步驟1)基站節(jié)點廣播發(fā)送“鄰居建立”消息Mbn =[ “鄰居建立”，IDq，00110110]， 其中“鄰居建立”是消息類型，ID0是源節(jié)點ID，00110110是一串隨機的0、1字符串；步驟2)節(jié)點1收到基站發(fā)來的Mbn消息，首先檢查自己的的簇頭節(jié)點，為空，則立即反饋應(yīng)答消息軋=[“鄰居應(yīng)答”，1^^,217/3],其中“鄰居應(yīng)答”是消息類型，IDtl是源節(jié)點IDdD1是本節(jié)點ID，2J是能量信息，7/3是完成代價(節(jié)點1中的DFA是模3DFA)， 節(jié)點8反饋消息為Mr =[ “鄰居應(yīng)答”，ID0, ID8,0. 5J，19/7](節(jié)點8中的DFA是模7DFA)， 節(jié)點10反饋消息為Mr =[ “鄰居應(yīng)答”，ID0, ID10, 2J, 3](節(jié)點10中的DFA是模5DFA)，節(jié)點11反饋消息為Mr =[ “鄰居應(yīng)答”，ID0, ID11,1. 2J，7/3](節(jié)點11中的DFA是模3DFA)；步驟3)假設(shè)節(jié)點1、8、10、11的響應(yīng)時間分別為0. 2ms, 0. 3ms, 0. 4ms, 1. 0ms，基站收到反饋的應(yīng)答消息后，將應(yīng)答消息和響應(yīng)時間一并存入鄰居節(jié)點列表中，順序為節(jié)點1、 節(jié)點11、節(jié)點8、節(jié)點10 (先按照完成代價升序排列，完成代價相同則按照響應(yīng)時間升序排列，響應(yīng)時間相同則按照能量值升序排列，能量值相同則按照ID號排列)；基站的簇頭選舉過程以基站節(jié)點、節(jié)點1、節(jié)點8、節(jié)點10、節(jié)點11為例說明。步驟4)基站節(jié)點從上向下遍歷鄰居列表，選擇響應(yīng)時間小于時間閾值Tt = 0. 5ms、能量值大于能量閾值Qt = IJ的節(jié)點為簇頭節(jié)點，符合條件的只有節(jié)點1和節(jié)點10 ；步驟5)基站節(jié)點廣播發(fā)送“簇建立”消息Mbc =[ “簇建立”，ID0, ID1, ID10]，其中 “簇建立”為消息類型，ID0為源節(jié)點ID，ID1, ID10為被選為簇頭節(jié)點ID ；步驟6)節(jié)點1、8、10、11收到“簇建立消息”后，節(jié)點1和節(jié)點10將其類型標識改為“簇頭”，簇頭節(jié)點改為自己的ID ；簇頭的鄰居節(jié)點建立過程以節(jié)點1、節(jié)點2、節(jié)點7、節(jié)點8、節(jié)點9為例說明。步驟7)節(jié)點1(簇頭)廣播發(fā)送“鄰居建立”消息Mbn=[ “鄰居建立”，ID1, 10011110]，其中“鄰居建立”是消息類型，ID1是源節(jié)點ID，10011110是一串隨機的0、1字
符串；步驟8)節(jié)點2簇頭為空，將IDdt為“簇頭節(jié)點”，并反饋消息為軋=[“鄰居應(yīng)答”，ID1, ID2，1. 5J，15/7](節(jié)點2中的DFA是模7DFA)，節(jié)點7簇頭為空，將ID1作為“簇頭節(jié)點”，并反饋消息為Mr =[ “鄰居應(yīng)答”，ID1, ID7,1. 2J，8/5](節(jié)點7中的DFA是模5DFA)， 節(jié)點8簇頭為空，將ID1作為“簇頭節(jié)點”，并反饋消息為Mr =[ “鄰居應(yīng)答”，ID1, ID8,0. 5J， 3](節(jié)點8中的DFA是模3DFA)，節(jié)點9 “簇頭節(jié)點”是IDltl，所以不反饋應(yīng)答消息；步驟9)假設(shè)節(jié)點2、7、8的響應(yīng)時間分別為:0. 3ms, 0. 2ms, 0. lms，節(jié)點1收到反饋的應(yīng)答消息后，將應(yīng)答消息和響應(yīng)時間一并存入鄰居節(jié)點列表中，順序為節(jié)點7、節(jié)點2、節(jié)點8 (先按照完成代價升序排列，完成代價相同則按照響應(yīng)時間升序排列，響應(yīng)時間相同則按照能量值升序排列，能量值相同則按照ID號排列)；簇頭的中繼節(jié)點的選舉過程以節(jié)點1、節(jié)點2、節(jié)點7、節(jié)點8為例說明。步驟10)節(jié)點1 (簇頭)從上向下遍歷鄰居列表，選擇類型標識為“普通”、響應(yīng)時間小于時間閾值TTi = 0. 5ms、能量值大于能量閾值QTi = IJ的節(jié)點為中繼節(jié)點，符合條件的只有節(jié)點2和節(jié)點7 ；
步驟11)節(jié)點1廣播發(fā)送“中繼節(jié)點選舉”消息Mbm =[ “中繼節(jié)點選舉”，ID1, ID2, ID7]，其中“中繼節(jié)點選舉”為消息類型，ID1為源節(jié)點ID，ID2, ID7為被選為中繼節(jié)點ID ；步驟12)節(jié)點2、7、8節(jié)點收到“中繼節(jié)點選舉”消息后，節(jié)點2和節(jié)點7將其類型標識改為“中繼”；中繼的鄰居節(jié)點建立過程以節(jié)點2、節(jié)點3、節(jié)點4為例說明。步驟13)節(jié)點2(中繼節(jié)點)廣播發(fā)送“鄰居建立”消息Mbn =[ “鄰居建立”，ID2， 11001000]，其中“鄰居建立”是消息類型，ID2是源節(jié)點ID，11001000是一串隨機的0、1字符串；步驟14)節(jié)點3簇頭為空，立即反饋消息為Mr =[ “鄰居應(yīng)答”，ID2，ID3,0. 5J， 11/5](節(jié)點3中的DFA是模5DFA)，節(jié)點4簇頭為空，立即反饋消息為Mr =[ “鄰居應(yīng)答”， ID2，ID4,1. 2J，7/3](節(jié)點 4 中的 DFA 是模 3DFA)；步驟15)假設(shè)節(jié)點3、4的響應(yīng)時間分別為:0. 3ms,0. 2ms，節(jié)點2收到反饋的應(yīng)答消息后，將應(yīng)答消息和響應(yīng)時間一并存入鄰居節(jié)點列表中，順序為節(jié)點3、節(jié)點4(先按照完成代價升序排列，完成代價相同則按照響應(yīng)時間升序排列，響應(yīng)時間相同則按照能量值升序排列，能量值相同則按照ID號排列)；中繼的后繼簇頭節(jié)點選舉過程以節(jié)點2、節(jié)點3、節(jié)點4為例說明。步驟16)節(jié)點2(中繼節(jié)點)從上向下遍歷鄰居列表，選擇類型標識為“普通”、響應(yīng)時間小于時間閾值TTi = 0. 5ms、能量值大于能量閾值QTi = IJ的節(jié)點為簇頭節(jié)點，符合條件的只有節(jié)點4 ；步驟17)節(jié)點2廣播發(fā)送“簇頭節(jié)點選舉”消息Mb。=[“簇頭節(jié)點選舉”，ID2，ID4]， 其中“簇頭節(jié)點選舉”為消息類型，ID2為源節(jié)點ID，ID4為被選為簇頭節(jié)點ID ；步驟18)節(jié)點3、4節(jié)點收到“簇頭節(jié)點選舉”消息后，節(jié)點4將其類型標識改為“簇頭”，“簇頭節(jié)點”改為ID4;新節(jié)點的加入過程以節(jié)點6、節(jié)點12、節(jié)點13、節(jié)點14、節(jié)點15為例說明(節(jié)點13、14、15為新節(jié)點)。步驟19)新節(jié)點13廣播發(fā)送“鄰居建立”消息Mbn=[“鄰居建立”，ID13,01111100]， 其中“鄰居建立”是消息類型，ID13是源節(jié)點ID，01111100是一串隨機的0、1字符串；新節(jié)點14廣播發(fā)送“鄰居建立”消息Mbn=[ “鄰居建立”，ID14,00111111]；新節(jié)點15廣播發(fā)送“鄰居建立”消息Mbn =[ “鄰居建立”，ID15,10011101]；步驟20)節(jié)點6立即反饋應(yīng)答消息虬=[“鄰居應(yīng)答”，ID13, ID6,1.5J，3，“簇頭”] (節(jié)點6中的DFA是模5DFA)，節(jié)點12立即反饋應(yīng)答消息Mr =[ “鄰居應(yīng)答”，ID13, ID12, 2. 5J，10/3，“普通”](節(jié)點 12 中的 DFA 是模 3DFA)；節(jié)點12立即反饋應(yīng)答消息Mr =[ “鄰居應(yīng)答”，ID14, ID12, 2. 5J，3，“普通”](節(jié)點 12中的DFA是模3DFA)；沒有節(jié)點反饋應(yīng)答消息給節(jié)點15 ；步驟21)節(jié)點13將鄰居節(jié)點信息存入鄰居節(jié)點列表中，節(jié)點6的信息排在節(jié)點12 的前面(簇頭節(jié)點優(yōu)先排在前面，再以完成代價升序排列)；
節(jié)點14將鄰居節(jié)點信息存入鄰居節(jié)點列表中(只有一個鄰居節(jié)點，所以不用排序)；節(jié)點15鄰居節(jié)點列表中鄰居節(jié)點信息為空；步驟22)節(jié)點15從上向下遍歷鄰居列表，沒有鄰居，節(jié)點15失效，加入失敗，結(jié)束；步驟23)節(jié)點13從上向下遍歷鄰居列表，發(fā)現(xiàn)節(jié)點6為簇頭節(jié)點，則向節(jié)點6發(fā)送“請求加入”消息化。=[“請求加入”，ID6, ID13],其中“請求加入”為消息類型，ID6為簇頭節(jié)點ID, ID13為本節(jié)點ID，再轉(zhuǎn)到步驟24)；步驟24)節(jié)點6 (簇頭)收到請求消息后，發(fā)送“新鄰居更新”消息Mnu =[ “新鄰居更新”，ID6, ID13,10000001]，其中“新鄰居更新”為消息類型，ID6為源節(jié)點ID，ID13為新節(jié)點IDaooooooi為一串隨機的0、1字符串；步驟25)節(jié)點13立即反饋應(yīng)答消息Mr =[ “鄰居應(yīng)答”，ID13, ID6, 2. 0J，8/7]，其中“鄰居應(yīng)答”為消息類型，ID13為源節(jié)點ID，ID6為本節(jié)點ID，2. OJ為能量信息，8/7為完成代價](節(jié)點13中的DFA是模7DFA)，并且將簇頭節(jié)點改為ID6 ；步驟26)節(jié)點6按照完成代價由小到大的順序，將新節(jié)點13的信息插入鄰居節(jié)點列表中，節(jié)點13加入成功，結(jié)束；步驟27)節(jié)點14從上向下遍歷鄰居列表，發(fā)現(xiàn)只有一個鄰居節(jié)點且為普通節(jié)點， 向節(jié)點12發(fā)送“中繼節(jié)點選舉”消息Mbm =[ “中繼節(jié)點選舉”，ID14, ID12]，其中為消息類型， 為源節(jié)點ID，為被選為中繼節(jié)點ID ；步驟28)節(jié)點12收到被選舉消息后，發(fā)送“新鄰居更新”消息Mnu=[ “新鄰居更新”，ID12, ID14,00110110]，其中，“新鄰居更新”為消息類型，ID12為源節(jié)點ID, ID14為新節(jié)點ID，00110110—串隨機的0、1字符串；步驟29)節(jié)點14立即反饋應(yīng)答消息Mr =[ “鄰居應(yīng)答”，ID12, ID14, 2. 5J，7/3]，其中“鄰居應(yīng)答”為消息類型，ID12為源節(jié)點ID，ID14為本節(jié)點ID，2. 5J為能量信息，7/3為完成代價，并將中繼ID記錄下來記為簇頭節(jié)點；二基于生命游戲的WSN數(shù)據(jù)流量的模擬過程簡單起見，取網(wǎng)絡(luò)的最大流量數(shù)為120，且取L值為12，滿足12*12彡120。即采用 12*12 (表示整個平面橫向網(wǎng)格有12個，縱向網(wǎng)格也有12個)的正方形網(wǎng)格的二維模型。 、為固定時長，不妨取為lmin。網(wǎng)絡(luò)啟動時流量的模擬過程步驟30)置12*12個網(wǎng)格的初始狀態(tài)為0 (即表示“休眠”狀態(tài))，不妨設(shè)初始時刻時間為0，用0*、表示；步驟31)隨機選擇rdm(rdm為小于2*12的隨機值，不妨取2 個網(wǎng)格，將其狀態(tài)置為1 (即表示“工作”狀態(tài))，此時刻記為l*tdg，如圖8中Nttlg的小圖所示，表示0*tdg到 l*tdg時段內(nèi)數(shù)據(jù)包流量為22;步驟32)所有的網(wǎng)格會根據(jù)生命游戲的S23/B3規(guī)則，隨著tdg前的系數(shù)q(q = 0， 1,2,3,…)的遞增不斷地變換其狀態(tài)，如圖8所示，小圖1*、中有22個“工作”元胞，小圖2*tdg中有20個“工作”元胞，表示從l*tdg到2*tdg時段內(nèi)數(shù)據(jù)包流量減少了 2個；步驟33)從l*tdg到20*、8時間段(啟動過程)，流量是一個宏觀的遞增過程。圖8中20*、8小圖中的“工作”狀態(tài)網(wǎng)格數(shù)目為10(表示I^ttlg到20*、8時段內(nèi)數(shù)據(jù)包流量為10)小于閾值rdm/2 = 11，需要增加rdn (rdn為小于rdm的隨機數(shù)，不妨取20)個“工作” 網(wǎng)格，如圖8中21*、8的小圖所示，增加了 20個“工作”狀態(tài)的網(wǎng)格，8卩“工作”網(wǎng)格變成了 10+20 = 30個(表示20*、到21*、時段內(nèi)數(shù)據(jù)包流量為30)；網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定時流量的模擬過程步驟34)從21*、8往后的時間段(穩(wěn)定過程)，所有的網(wǎng)格會根據(jù)生命游戲的S23/ B3規(guī)則，隨著tdg前的系數(shù)q的遞增不斷地變換其狀態(tài)，如圖9所示，小圖50*、中有37個 “工作”元胞，小圖51*、8中有50個“工作”元胞，小圖52*、8中有34個“工作”元胞，表示從50*、到51*、8時段內(nèi)數(shù)據(jù)包流量增加了 13個，從51*、8到52*、8時段內(nèi)數(shù)據(jù)包流量減少了 16個；步驟35)在網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定過程中，出現(xiàn)數(shù)據(jù)流量長時間(長時間表示、遞增了 30次) 低于閾值numsmall (Mimsmall = L，本例中取12)的情況，如圖9中231*、8到的小圖所示，此30*、時段中，“工作”網(wǎng)格數(shù)目一直低于12(表示231*tdg到時段內(nèi)數(shù)據(jù)包流量一直低于12)。則需要增加rdk(rdk為小于L的隨機數(shù)，不妨取11)個“工作”網(wǎng)格，如圖9中到262*、的小圖所示，增加了 11個“工作”狀態(tài)的網(wǎng)格，即“工作”網(wǎng)格變成了 8+11 =19個(表示^Nttlg到262*、8時段內(nèi)數(shù)據(jù)包流量為19)；三Hash密鑰鏈的構(gòu)造、基于網(wǎng)絡(luò)流量的發(fā)布和驗證過程以50*、8到51*、8時間段為例說明，時段長lmin，假設(shè)在此時間段內(nèi)，數(shù)據(jù)包總數(shù)目為50，則數(shù)據(jù)包以50/1(個/min)的速度勻速到達基站。即表示在50*、到51*、時間段內(nèi)，50個數(shù)據(jù)包每個以l/50min= 1. 2 的時間間隔依次到達基站。一個Imin長的時間段可分為50個小時段，每個小時段長為1. 25s，每個小時段用 I表示(例如第i個小時段記為Ii)。每一小時段擁有一對對稱密鑰Ki,用于加密和解密需要廣播的內(nèi)容。并且，在第Ii小時段內(nèi)廣播第i個廣播密文和公布第表示密鑰發(fā)布的延遲尺寸)個密鑰，顯然廣播密鑰較密文發(fā)布的延遲時間(2*1. 25s)要長于基站節(jié)點與最遠節(jié)點之間的一次包交換時間。步驟36)基站生成一個隨機數(shù)R，并利用偽隨機函數(shù)H，計算H(R)，H2(R),…， H1000 (R)分別作為1000(1000 >> 50)次會話的密鑰存放在密鑰池中，將Hicicitl(R)作為密鑰頭K。，并規(guī)定第i時段的密鑰Ki = Η1000"1㈨(其中，i = 1，2，…，1000,且H° (R) = R)；步驟37)基站廣播初始參數(shù)消息Mip =[ “初始參數(shù)配置”，ID0,12:00:00' 00”， 12:01:00，00",00100011. · · 11001110,1. 25s，2，20ms]，其中“初始參數(shù)配置”為消息類型， ID0為源節(jié)點ID，12:00:00’ 00”為當前基站時鐘時間TB，12:01:00’ 00”為開始時間T1, 00100011. . . 11001110為密鑰頭KQ，1. 25s為時間間隔tdg/dg(1，2為密鑰發(fā)布的延遲尺寸d， 20ms為最大時鐘差異δ_ ；步驟38)每級簇頭節(jié)點和中繼節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)基站的廣播初始參數(shù)消息；步驟39)各節(jié)點收到后，將各自的時鐘與基站節(jié)點的時鐘同步，并且記錄下T1 = 12:01:00’ 00”、K0 = 00100011. . . 11001110、tdg/dgq = 1. 25ms、d = 2、δ max = 20ms 等信息；步驟40)基站節(jié)點在第i個1. 25s內(nèi)，廣播第i個數(shù)據(jù)包密文和發(fā)布第i_2個密鑰Kh ；
步驟41)接收節(jié)點收到第i個1. 25s內(nèi)的數(shù)據(jù)包密文后，判斷密鑰Ki是否已經(jīng)發(fā)布過，若已經(jīng)發(fā)布則丟棄此包；若尚未發(fā)布則先驗證IV2的真假，若為真則緩存此包并且解密第i-2時段密文數(shù)據(jù)包，否則丟棄；步驟4 50*tdg到51*、8時間段內(nèi)的數(shù)據(jù)包共有50個，因此50個數(shù)據(jù)包廣播完成后，hash密鑰鏈已經(jīng)使用了Z^rfft = 1 -SO個密鑰，則從51*、往后的時間段的數(shù)據(jù)包使用從icZfii^s^ =開始往后的密鑰，以此類推直到密鑰鏈用完。
權(quán)利要求
1. 一種基于自動機和生命游戲的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)廣播認證方法，其特征在于該認證流程劃分為基于用窮自動機DFA的分簇過程，基于生命游戲的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN數(shù)據(jù)流量的模擬過程，哈希Hash密鑰鏈的構(gòu)造、基于網(wǎng)絡(luò)流量的發(fā)布和驗證過程三部分 一.基于DFA的分簇過程將DFA作為每個節(jié)點的屬性特征，即每個節(jié)點都含有某一種改進的模η有窮自動機 (模nDFA)，用于識別和處理分簇建立過程中的接收信號，改進的模nDFA通過對接收信號的處理得到各自的完成代價，即當接收信號和模nDFA確定時，所對應(yīng)的完成代價也確定，這樣，綜合完成代價、能量值等因素來確定所需要選擇的節(jié)點的優(yōu)先級，選擇優(yōu)先級高的節(jié)點作為所需要的節(jié)點；基站的鄰居節(jié)點建立過程步驟1)基站節(jié)點廣播發(fā)送“鄰居建立”消息，即包含[消息類型，源節(jié)點ID，一串隨機的0、1字符串]的數(shù)據(jù)包；步驟2)若接收節(jié)點尚未有簇頭節(jié)點，則立即反饋應(yīng)答消息，即[消息類型，源節(jié)點ID， 本節(jié)點ID，能量信息，完成代價]，并將基站節(jié)點作為簇頭節(jié)點記錄下來；步驟3)基站節(jié)點將所有接收節(jié)點信息存入鄰居節(jié)點列表中，并以完成代價升序排列； 基站的簇頭選舉過程步驟4)基站節(jié)點從上向下遍歷鄰居列表，選擇響應(yīng)時間小于時間閾值Tt、能量值大于能量閾值A(chǔ)的節(jié)點為簇頭節(jié)點；簇頭數(shù)量可通過調(diào)整Tt和&來確定；步驟5)基站節(jié)點廣播發(fā)送“簇建立消息”，按照[消息類型，源節(jié)點ID，選為簇頭節(jié)點 ID]的格式進行；步驟6)接收節(jié)點收到“簇建立消息”后，若被選舉為簇頭節(jié)點，則將類型標識改為“簇頭”，簇頭節(jié)點ID改為自己的ID; 簇頭的鄰居節(jié)點建立過程步驟7)任一簇頭節(jié)點i廣播發(fā)送“鄰居建立”消息，即包含[消息類型，源節(jié)點ID，一串隨機的0、1字符串]的數(shù)據(jù)包；步驟8)若接收節(jié)點尚未有簇頭節(jié)點，則立即反饋應(yīng)答消息，即[消息類型，源節(jié)點ID， 本節(jié)點ID，能量信息，完成代價]，并將節(jié)點i作為簇頭節(jié)點記錄下來；步驟9)節(jié)點i將所有接收節(jié)點信息存入鄰居節(jié)點列表中，并以完成代價升序排列； 簇頭的中繼節(jié)點的選舉過程步驟10)簇頭節(jié)點i從上向下遍歷鄰居列表，選擇類型標識為“普通”、響應(yīng)時間小于時間閾值TTi、能量值大于能量閾值QTi的節(jié)點為中繼節(jié)點；中繼節(jié)點的數(shù)量可通過調(diào)整TTi和 QTi來確定；步驟11)節(jié)點i廣播發(fā)送“中繼節(jié)點選舉消息”，按照[消息類型，源節(jié)點ID，選為中繼節(jié)點ID]的格式進行；步驟12)接收節(jié)點收到“中繼節(jié)點選舉消息”后，若被選舉為中繼節(jié)點，則將類型標識改為“中繼”；中繼的鄰居節(jié)點建立過程步驟13)任一中繼節(jié)點j廣播發(fā)送“鄰居建立”消息，即包含[消息類型，源節(jié)點ID，一串隨機的0、1字符串]的數(shù)據(jù)包；步驟14)若接收節(jié)點尚未有簇頭節(jié)點，則立即反饋應(yīng)答消息，即[消息類型，源節(jié)點ID， 本節(jié)點ID，能量信息，完成代價]；步驟15)中繼節(jié)點將所有接收節(jié)點信息存入鄰居節(jié)點列表中，并以完成代價升序排列；中繼的后繼簇頭節(jié)點選舉過程步驟16)中繼節(jié)點j從上向下遍歷鄰居列表，選擇類型標識為“普通”、響應(yīng)時間小于時間閾值TTi、能量值大于能量閾值QTi的節(jié)點為簇頭節(jié)點；中繼節(jié)點的數(shù)量可通過調(diào)整TTi和 QTi來確定；步驟17)節(jié)點j廣播發(fā)送“簇頭節(jié)點選舉”消息，按照[消息類型，源節(jié)點ID，選為簇頭節(jié)點ID]的格式進行；步驟18)接收節(jié)點收到“簇頭節(jié)點選舉消息”后，若被選舉為簇頭節(jié)點，則將類型標識改為“簇頭”，簇頭節(jié)點ID改為自己的ID ； 新節(jié)點的加入過程步驟19)任一新節(jié)點k廣播發(fā)送“鄰居建立”消息，即包含[消息類型，源節(jié)點ID，一串隨機的0、1字符串]的數(shù)據(jù)包；步驟20)接收節(jié)點立即反饋應(yīng)答消息，即[消息類型，源節(jié)點ID，本節(jié)點ID，能量信息， 完成代價，節(jié)點類型]；步驟21)節(jié)點k將所有接收節(jié)點信息存入鄰居節(jié)點列表中，將“簇頭”節(jié)點優(yōu)先排在前面，再以完成代價升序排列；步驟22)節(jié)點k從上向下遍歷鄰居列表，若沒有鄰居則此節(jié)點失效，加入失敗，結(jié)束； 步驟23)若鄰居節(jié)點中有簇頭節(jié)點，則向簇頭發(fā)送“請求加入”消息，按照[消息類型， 簇頭節(jié)點ID，本節(jié)點ID]的格式進行；步驟24)簇頭節(jié)點收到請求消息后，發(fā)送“新鄰居更新”消息，即包含[消息類型，源節(jié)點ID，新節(jié)點ID，一串隨機的0、1字符串]的數(shù)據(jù)包；步驟25)節(jié)點k立即反饋應(yīng)答消息，S卩[消息類型，源節(jié)點ID，本節(jié)點ID，能量信息，完成代價]，并將簇頭ID記錄下來；步驟26)簇頭節(jié)點按照完成代價由小到大的順序，將節(jié)點k的信息插入鄰居節(jié)點列表中；步驟27)若鄰居節(jié)點全部為普通節(jié)點，節(jié)點k從上向下遍歷鄰居列表，選擇響應(yīng)時間小于時間閾值TTi、能量值大于能量閾值QTi的節(jié)點ρ為中繼節(jié)點，向節(jié)點ρ發(fā)送“中繼節(jié)點選舉”消息，按照[消息類型，源節(jié)點ID，選為中繼節(jié)點ID]的格式進行；步驟28)節(jié)點ρ收到被選舉消息后，發(fā)送“新鄰居更新”消息，即包含[消息類型，源節(jié)點ID，新節(jié)點ID，一串隨機的0、1字符串]的數(shù)據(jù)包；步驟29)節(jié)點k立即反饋應(yīng)答消息，S卩[消息類型，源節(jié)點ID，本節(jié)點ID，能量信息，完成代價]，并將中繼ID記錄下來記為簇頭節(jié)點； 二基于生命游戲的WSN數(shù)據(jù)流量的模擬過程采用L*L的正方形網(wǎng)格的二維模型，每個網(wǎng)格為一個元胞，“工作”狀態(tài)的元胞數(shù)即為網(wǎng)絡(luò)流量數(shù)；其中，L值由網(wǎng)絡(luò)的最大流量數(shù)dgmax確定，即L*L ^ dgmax ；將一維的網(wǎng)絡(luò)流量映射到二維的網(wǎng)格中，通過對網(wǎng)格生命狀態(tài)的模擬近似得到網(wǎng)絡(luò)流量的分布；每個離散時刻點所有“工作”狀態(tài)的網(wǎng)格數(shù)即為對應(yīng)時間段內(nèi)基站節(jié)點需要廣播的數(shù)據(jù)包個數(shù)；對應(yīng)的時間段為(q-Ι)*、到q*tdg，其中、為一段固定的時長，q為時刻點， q = 0,1,2,3,…；網(wǎng)絡(luò)啟動時流量的模擬過程步驟30)置L*L個網(wǎng)格的初始狀態(tài)為0，即表示“休眠”狀態(tài)，設(shè)初始時刻時間為0，即 O^tdg ；步驟31)隨機選擇rdm個網(wǎng)格，將其狀態(tài)置為1，即表示“工作”狀態(tài)，此時刻記為l*tdg， 表示0*tdg到l*tdg時段內(nèi)數(shù)據(jù)包流量為rdm ；rdm為小于2*L的隨機值；步驟32)所有的網(wǎng)格會根據(jù)生命游戲的S23/B3規(guī)則，隨著^g前的系數(shù)q的遞增不斷地變換其狀態(tài)，對應(yīng)于(卩-1)*、8到(1*、8時段內(nèi)數(shù)據(jù)包流量不斷變化；步驟33)網(wǎng)絡(luò)啟動過程中，即從1*、到20*、8時間段，流量是一個宏觀的遞增過程，因此，當“工作”狀態(tài)網(wǎng)格數(shù)目小于rdm/2時，需要增加rdn個“工作”網(wǎng)格，即再次隨機選擇 rdn個網(wǎng)格，將其狀態(tài)置為1 ；rdn為小于rdm的隨機數(shù)； 網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定時流量的模擬過程步驟34)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定過程中，即從21*、8往后的時間段，所有的網(wǎng)格會根據(jù)生命游戲的 S23/B3規(guī)則，隨著tdg前的系數(shù)q的遞增不斷地變換其狀態(tài)，對應(yīng)于(q_l) *tdg到C^ttlg時段內(nèi)數(shù)據(jù)包流量不斷變化；步驟35)在網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定過程中，若出現(xiàn)數(shù)據(jù)流量長時間低于閾值Iiumsmall = L的情況，則需要增加rdk個“工作”網(wǎng)格，即隨機選擇rdk個網(wǎng)格，將其狀態(tài)置為1 ；其中，長時間表示 tdg遞增了 30次，即表示整個網(wǎng)格的狀態(tài)連續(xù)變換了 30次；rdk為小于L的隨機數(shù)； 三Hash密鑰鏈的構(gòu)造、基于網(wǎng)絡(luò)流量的發(fā)布和驗證過程假設(shè)在(q_l)*tdg到q*tdg時間段內(nèi)的數(shù)據(jù)包總數(shù)目為dg,，且以速度Clgyttlg勻速到達基站，即表示在(q-Ι)*、到q*、時間段內(nèi)，(1 個數(shù)據(jù)包每個以tdg/c^的時間間隔依次到達基站；將一個tdg長的時間段可分為(1 個小時段，每個小時段長為tdg/dg(1，每個小時段用I 表示，第i個小時段記為Ii)；每一小時段擁有一對對稱密鑰Ki,用于加密和解密需要廣播的內(nèi)容，并且，在第Ii小時段內(nèi)廣播第i個廣播密文和公布第i_d個密鑰IVd，顯然，發(fā)布廣播密鑰較發(fā)布密文的時間差d*tdg/c^要長于基站節(jié)點與最遠節(jié)點之間的一次包交換時間；d 表示密鑰發(fā)布的延遲尺寸；步驟36)基站生成一個隨機數(shù)R，并利用偽隨機函數(shù)H，計算H(R)，H2(R)，-,Hn(R)分別作為η次會話的密鑰存放在密鑰池中，將Hn(R)作為密鑰頭Ktl，并規(guī)定第i小時段的密鑰 Ki = Hlri (R)，其中，i = 1,2, ...，n，且 Htl(R) = R),n >> dgq ；步驟37)基站廣播初始參數(shù)消息，即[消息類型，源節(jié)點ID，當前基站時鐘Τκ，開始時間T1,密鑰頭Ktl，時間間隔tdg/dg(1，透露時延d，最大時鐘差異δ max]； 步驟38)每級簇頭節(jié)點和中繼節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)基站的廣播初始參數(shù)消息； 步驟39)各節(jié)點收到后，將各自的時鐘與基站節(jié)點的時鐘同步，并且記錄下T1、K0, tdg/ dgq、 d、δ max 等信息；步驟40)基站節(jié)點在第i個小時段內(nèi)，廣播第i個數(shù)據(jù)包密文和發(fā)布第i_d個密鑰Kh;步驟41)接收節(jié)點收到第i個tdg/c^的數(shù)據(jù)包密文后，判斷密鑰Ki是否已經(jīng)發(fā)布過， 若已經(jīng)發(fā)布則丟棄此包；若尚未發(fā)布則先驗證IVd的真假，若為真則緩存此包并且解密第 i-d時段密文數(shù)據(jù)包，否則丟棄；步驟42) (q-1) *tdg到q*tdg時間段內(nèi)的數(shù)據(jù)包廣播完成后，hash密鑰鏈從妨力用到則從q*td往后的時間段的數(shù)據(jù)包使用從ΚΣ^^^-ι 開始往后的密鑰，以此類推直到密鑰鏈用完。
全文摘要
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由于其特征使之面臨較多的隱患。本發(fā)明方法針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)認證中基站的覆蓋范圍受限、網(wǎng)絡(luò)流量特殊分布這兩方面的問題，提出了基于自動機和生命游戲的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)廣播認證方法，該方法可擴大基站的覆蓋范圍實現(xiàn)全網(wǎng)節(jié)點的廣播，模擬WSN網(wǎng)絡(luò)流量的分布形態(tài)。主要通過改進的確定有窮自動機、分簇算法、生命游戲算法等多種方式相結(jié)合，來實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)廣播認證。并設(shè)計了具體的技術(shù)方案和步驟流程，顯著區(qū)別于現(xiàn)有的WSN網(wǎng)絡(luò)中使用的廣播認證方法。在基站節(jié)點的通信范圍、網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點能量的合理分配、網(wǎng)絡(luò)流量形態(tài)的模擬等方面具有有益效果。
文檔編號H04W28/10GK102164369SQ201110126518
公開日2011年8月24日 申請日期2011年5月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月13日
發(fā)明者劉莉, 周旋, 孫力娟, 張偉, 戴庭, 沙超, 王汝傳, 竇軼, 譚志剛, 陳昊, 黃文聰, 黃海平 申請人:南京郵電大學(xué)