一种基于数字水印与能量均衡的无线传感器网络路由方法技术

本发明专利技术公开了一种基于数字水印与能量均衡的无线传感器网络路由方法，主要解决现有方法未能充分考虑网络节点能量均衡以及未能有效实现数据安全传输的缺陷。该方法首先生成水印并将其嵌入到待传输的数据包中，然后在综合考虑距离、安全度与剩余能量的基础上，引入节点质量评估度进行下一跳节点的优化选择，随后，通过对接收数据包中水印的检测判断该数据包是否在传输过程中遭受篡改，并自适应地调整节点安全度，最终实现无线传感器网络中数据的安全有效传输。本发明专利技术提高了无线传感器网络的网络寿命，更好地实现了下一跳节点的优化选择，具有节点能量均衡以及数据安全认证的优点，整体性能优于同类方法，可用于无线传感器网络的路由选择。

A routing method for wireless sensor networks based on digital watermarking and energy balance

The invention discloses a wireless sensor network routing method and digital watermarking based on energy balance, mainly to solve the existing methods do not consider the network node energy balance and failed to effectively realize the defect data transmission security. This method first generates a watermark and embed the data packet to be transmitted, and then after considering the distance, safety degree and residual energy of the node, introducing quality assessment of selection, optimization of the next hop node and then judging whether the data packet is tampered during transmission through to receive data packets in watermark detection, and adaptive adjustment of the node degree of safety, ultimately achieve safe and effective data transmission in wireless sensor networks. The invention improves the network lifetime of wireless sensor network, to achieve a better optimization of the next hop node is selected, which has the advantages of node energy balance and data safety certification, the overall performance is better than the other methods, can be used for wireless sensor network routing.

【技术实现步骤摘要】
一种基于数字水印与能量均衡的无线传感器网络路由方法
本专利技术属于无线传感器网络安全
，尤其涉及一种基于数字水印与能量均衡的无线传感器网络路由方法。
技术介绍
无线传感器网络由部署在监测区域内大量的微型传感器节点组成，其目的是协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖区域内的监测信息。无线传感器网络在环境监测、医疗护理、军事和抢险救灾等领域中具有广泛应用。由于传感器节点普遍采用电池供电，节点能耗的均衡性成为影响网络寿命的主要因素。同时，由于网络攻击者的蓄意破坏，无线传感器网络数据传输的准确性和安全性至关重要。因此，如何在保证数据传输安全性的基础上均衡节点能耗、延长无线传感器网络的生命周期，是无线传感器网络路由方法面临的挑战性问题，引起了研究者们的广泛关注。BradKarp等人在“GPSR:GreedyPerimeterStatelessRoutingforWirelessNetworks”(《Proceedingsofthe6thAnnualInternationalConferenceonMobileComputingandNetworking》2000，243-254)中提出了一种名为GPSR(GreedyPerimeterStatelessRouting)的路由算法，该方法基于网络节点间距离利用贪婪算法与右手定则实现路由选择。该方法存在的不足之处是：由于该方法只将网络节点间的距离作为选择下一跳节点的判定因素，难以充分利用网络中的节点能量。湖南科技大学申请的专利“无线传感器网络中基于校验码的数据可靠性保护方法”(申请号：201510432030.4，申请公开号：CN105072618A)中公开了一种无线传感器网络中基于校验码的数据可靠性保护方法。该方法利用数字水印技术，通过对比信任度阈值来判断数据可靠性。该方法存在的不足之处是：当检测到数据包被篡改时，仅通过对比信任度阈值来决定接收或丢弃数据包，未能对数据包传输路径的安全性进行标定，因此该方法不能有效保护数据传输的安全性。综上所述，上述路由方法未能充分考虑无线传感器网络中节点能量均衡，未能有效实现无线传感器网络数据安全传输。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述已有技术的不足，提供一种基于数字水印与能量均衡的无线传感器网络路由方法，在综合考虑距离、安全度、剩余能量的基础上，引入节点质量评估度进行下一跳节点的最优选择，旨在解决现有无线传感器网络路由算法存在的未能充分考虑网络节点能量均衡以及未能有效实现数据安全传输的问题。实现本专利技术目的的具体思路是，首先生成水印并将其嵌入到待传输的数据包中，然后在综合考虑距离、安全度与剩余能量的基础上，引入节点质量评估度进行下一跳节点的优化选择，随后，通过对接收数据包中水印的检测判断该数据包是否在传输过程中遭受篡改，并自适应地调整节点安全度，最终实现无线传感器网络中数据的安全有效传输。进一步，所述的一种基于数字水印与能量均衡的无线传感器网络路由方法包括以下步骤：步骤一，无线传感器网络节点部署：无线传感器网络工作区域中包括1个源节点N，1个目的节点Sink和n个中间节点B＝{B1,B2,…,Bn}。其中，源节点N负责生成含水印数据包，目的节点Sink负责接收数据包，中间节点B＝{B1,B2,…,Bn}负责将源节点N生成的含水印数据包传输到目的节点Sink，每个中间节点包括能量、安全度及位置三个属性，其中第i个中间节点的属性分别记为能量Ei∈[0,0.2]，安全度Si∈[0,10]及位置(xi,yi)；步骤二，生成含水印数据包：首先源节点N生成原始数据包data＝{data1,data2,…,datai,…,data8}，其中第i个数据项datai由28位二进制序列组成；然后生成32位原始水印序列w＝{w1,w2,…wi,…,w8}，其中第i个水印项wi由4位二进制序列组成；再次，将第i个水印项wi追加到第i个数据项datai后，得到32位的第i个含水印数据项wdatai，最后重复这一过程直到得到含水印数据包wdata＝{wdata1,wdata2,…,wdatai,…,wdata8}，i＝1,2,…8；步骤三，选择邻居节点；步骤四，转发含水印数据包；步骤五，水印提取和检测；步骤六，重复步骤二～步骤五，直到无线传感器网络中任一中间节点找不到满足条件的下一跳节点进行数据包转发时终止；进一步，所述选择邻居节点具体包括：(3a)选定源节点N作为当前节点，记为U；(3b)按照下式，计算当前节点U到目的节点Sink的距离dUSink：其中(xU,yU)为当前节点U的位置，(xSink,ySink)为目的节点Sink的位置；(3c)根据公式TR＝πR2计算当前节点U的传输范围TR，并将当前节点U传输范围TR内的所有中间节点作为候选邻居节点，得到候选邻居节点集合BM＝{BM1,BM2,…,BMi,…,BMm}，其中π为圆周率3.14，R为当前节点U的传输半径，即当前节点U能够传输数据的最大距离；(3d)按照下式，计算第i个候选邻居节点BMi到目的节点Sink的距离di并将其与当前节点U到目的节点Sink的距离dUSink进行比较，如果di＜dUSink，则将第i个候选邻居节点BMi作为邻居节点放入邻居节点集合BH中，其中(xi,yi)为候选邻居节点BMi的位置，i＝1,2,…m，(xSink,ySink)为目的节点Sink的位置；(3e)重复步骤(3d)，直到处理完候选邻居节点集合BM＝{BM1,BM2,…,BMi,…,BMm}中的所有候选邻居节点，得到邻居节点集合BH＝{BH1,BH2,…,BHi,…,BHh}；进一步，所述转发含水印数据包具体包括：(4a)按照下式，计算第i个邻居节点BHi的质量评估度Mi：其中，Di表示第i个邻居节点BHi到目的节点Sink的距离，Ei表示第i个邻居节点BHi的能量，Si表示第i个邻居节点BHi的安全度，i＝1,2,…h，α，β，γ为常数，取值范围为[0,10]；(4b)重复步骤(4a)，直到计算完邻居节点集合BH＝{BH1,BH2,…,BHi,…,BHh}中的所有节点的质量评估度M＝{M1,M2,…,Mi,…,Mh}；(4c)对质量评估度M＝{M1,M2,…,Mi,…,Mh}进行排序，将质量评估度最小的邻居节点选为下一跳节点，接收由当前节点U转发的含水印数据包wdata，并将该下一跳节点记录到数据转发节点集合C中；(4d)将下一跳节点作为当前节点U，重复步骤(3b)到(4c)直至将含水印数据包wdata发送到目的节点Sink，得到接收数据包rdata＝{rdata1,rdata2,…,rdatai,…,rdata8}与数据转发节点集合C＝{C1,C2,…,Ci,…,Cr}；进一步，所述水印提取和检测具体包括：(5a)目的节点Sink依次从接收数据包rdata＝{rdata1,rdata2,…,rdatai,…,rdata8}中截取第i个数据项rdatai的后四位，得到32位的接收水印序列rw＝{rw1,rw2,…,rwi,…,rw8}，其中第i个接收水印项rwi由4位二进制序列组成，i＝1,2,…8；(5b)按照下式，计算接收水印序列rw＝{rw1,rw2,…,rwi,…,rw8}与原始水本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于数字水印与能量均衡的无线传感器网络路由方法，其特征在于，所述方法首先生成水印并将其嵌入到待传输的数据包中，然后在综合考虑距离、安全度与剩余能量的基础上，引入节点质量评估度进行下一跳节点的优化选择；随后，通过对接收数据包中水印的检测判断该数据包是否在传输过程中遭受篡改，并自适应地调整节点安全度，最终实现无线传感器网络中数据的安全有效传输。

【技术特征摘要】
1.一种基于数字水印与能量均衡的无线传感器网络路由方法，其特征在于，所述方法首先生成水印并将其嵌入到待传输的数据包中，然后在综合考虑距离、安全度与剩余能量的基础上，引入节点质量评估度进行下一跳节点的优化选择；随后，通过对接收数据包中水印的检测判断该数据包是否在传输过程中遭受篡改，并自适应地调整节点安全度，最终实现无线传感器网络中数据的安全有效传输。2.如权利要求1所述的基于数字水印与能量均衡的无线传感器网络路由方法，其特征在于，所述基于数字水印与能量均衡的无线传感器网络路由方法包括以下步骤：步骤一，无线传感器网络节点部署：无线传感器网络工作区域中包括1个源节点N，1个目的节点Sink和n个中间节点B＝{B1,B2,…,Bn}。其中，源节点N负责生成含水印数据包，目的节点Sink负责接收数据包，中间节点B＝{B1,B2,…,Bn}负责将源节点N生成的含水印数据包传输到目的节点Sink，每个中间节点包括能量、安全度及位置三个属性，其中第i个中间节点的属性分别记为能量Ei∈[0,0.2]，安全度Si∈[0,10]及位置(xi,yi)；步骤二，生成含水印数据包：首先源节点N生成原始数据包data＝{data1,data2,…,datai,…,data8}，其中第i个数据项datai由28位二进制序列组成；然后生成32位原始水印序列w＝{w1,w2,…wi,…,w8}，其中第i个水印项wi由4位二进制序列组成；再次，将第i个水印项wi追加到第i个数据项datai后，得到32位的第i个含水印数据项wdatai，最后重复这一过程直到得到含水印数据包wdata＝{wdata1,wdata2,…,wdatai,…,wdata8}，i＝1,2,…8；步骤三，选择邻居节点；步骤四，转发含水印数据包；步骤五，水印提取和检测；步骤六，重复步骤二～步骤五，直到无线传感器网络中任一中间节点找不到满足条件的下一跳节点进行数据包转发时终止。3.如权利要求2所述的基于数字水印与能量均衡的无线传感器网络路由方法，其特征在于，所述选择邻居节点具体包括：(3a)选定源节点N作为当前节点，记为U；(3b)按照下式，计算当前节点U到目的节点Sink的距离dUSink：其中(xU,yU)为当前节点U的位置，(xSink,ySink)为目的节点Sink的位置；(3c)根据公式TR＝πR2计算当前节点U的传输范围TR，并将当前节点U传输范围TR内的所有中间节点作为候选邻居节点，得到候选邻居节点集合BM＝{BM1,BM2,…,BMi,…,BMm}，其中π为圆周率3.14，R为当前节点U的传输半径，即当前节点U能够传输数据的最大距离；(3d)按照下式，计算第i个候选邻居节点BMi到目的节点Sink的距离di并将其与当前节点U到目的节点Sink的距离dUSin...

【专利技术属性】
技术研发人员：安玲玲，辛悦，王群，裴庆祺，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61