ZHU Shicai，WANG Haitao，WU Liancai，YAN Li

(Institution of Communication Engineering，PLAUST，Nanjing 210007，Jiangsu，China)

Survivability Estimation Model for Clustered Wireless Sensor Network Based on SMP*

ZHU Shicai，WANG Haitao*，WU Liancai，YAN Li

(Institution of Communication Engineering，PLAUST，Nanjing 210007，Jiangsu，China)

Wireless sensor network is suitably applied in some occasions，such as battlefield scout and emergency communication，how to evaluate the survivability quantitatively has gradually attracted attention.A survivability estimation model of clustered WSN based on the semi-markov process is put forward in this paper.By considering the survival states of the cluster heads in emergency communication，the survivability states transition diagram of cluster heads is established based on the semi-markov process.Combining with network survivability requirements，the survivability effectiveness function of the entire network is calculated，and the influence and correlation of various evaluation indexes of network survivability is analyzed quantitatively.And then，using this model the survivability of the WSN running under SRPC protocol and RLEACH protocol is quantitatively evaluated.Analysis and simulation results show that，the model not only can be used to evaluate the survivability of WSN in emergency communication objectively and effectively，but can provide reference for the practical deployment and application of WSN.

wireless sensor network;emergency communication;survivability;estimation model;semi-markov process EEACC:7230

無線傳感網(wǎng)WSN(Wireless Sensor Network)［1］不依賴固定網(wǎng)絡(luò)設(shè)施、能夠快速展開和自動組網(wǎng)的特性使其在應(yīng)急通信中發(fā)揮著重要作用。網(wǎng)絡(luò)可生存性是指網(wǎng)絡(luò)在遭受攻擊、故障或者意外事故時，能夠及時地完成其關(guān)鍵任務(wù)的能力［2］。分簇?zé)o線傳感網(wǎng)［3］應(yīng)用于應(yīng)急通信時可以提高網(wǎng)絡(luò)拓展性、有效延長網(wǎng)絡(luò)壽命，簇頭存在單點失效問題，它的可生存性影響著整個網(wǎng)絡(luò)的生存能力［4］。但是，無線傳感網(wǎng)極度受限的能量、存儲和通信資源嚴(yán)重影響其生存能力，如何有效量化評估WSN可生存性已備受業(yè)界關(guān)注。無線傳感網(wǎng)生存性評估模型就是為方便分析WSN的生存能力而建立的一種物理或數(shù)學(xué)模型，是分析和評價WSN可生存性的主要途徑，亦為增強WSN可生存性提供重要依據(jù)［3，5］。為此，本文在全面考慮應(yīng)急通信中無線傳感網(wǎng)特性的基礎(chǔ)上提出了一種基于半馬爾可夫過程的分簇?zé)o線傳感網(wǎng)生存性評估模型，分析驗證表明，該模型能夠有效地、定量地評估WSN的生存能力。

1 相關(guān)工作

近年來，已有不少學(xué)者提出了基于系統(tǒng)狀態(tài)的評估模型，該模型根據(jù)網(wǎng)絡(luò)在特定場合下可能的狀態(tài)和各狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移概率計算可靠性、可用性等可生存性的數(shù)值函數(shù)來定量評估網(wǎng)絡(luò)的生存能力，如Markov過程模型、有限狀態(tài)機模型等［6］。但是，馬爾可夫過程模型中，系統(tǒng)狀態(tài)間的逗留時間服從負(fù)指數(shù)分布，不適用包含隨機性生存威脅的網(wǎng)絡(luò)。因此，利用馬爾可夫過程不能客觀地評估網(wǎng)絡(luò)可生存性，而半馬爾可夫過程能較好克服這一缺陷，其各個狀態(tài)的逗留時間可以服從任何分布，基于SMP建立的生存性模型更能客觀有效地評估網(wǎng)絡(luò)可生存性。

當(dāng)前，國內(nèi)外對無線傳感網(wǎng)生存性評估的研究還處于起步階段，學(xué)者們提出了一些評估模型來評價無線傳感網(wǎng)的生存能力。例如，文獻(xiàn)［7］通過考慮網(wǎng)絡(luò)壽命、數(shù)據(jù)包丟失率和延時對WSN可生存性的影響提出了一種生存性評估模型。文獻(xiàn)［8］綜合考慮了網(wǎng)絡(luò)的抗毀性和網(wǎng)絡(luò)壽命，提出了一種可靠性評估模型，通過實現(xiàn)模型中的優(yōu)化目標(biāo)，提高了無線傳感網(wǎng)的生存性能。但是，這些模型考慮的生存性因素不夠全面，生存狀態(tài)不夠完善，不適用于應(yīng)急通信中易受敵方惡意攻擊的無線傳感網(wǎng)。Dong Seong Kim等人提出了一種基于SMP的適用于單個簇的WSN生存性模型［9］，僅考慮了簇頭遭受攻擊時的生存狀態(tài)，通過自適應(yīng)機制和軟件自愈等策略可以提高簇頭的生存能力，并通過數(shù)值分析驗證了模型的可行性;但是，在應(yīng)急通信中網(wǎng)絡(luò)生存狀態(tài)變化無常，簇頭容易發(fā)生故障或者失效，狀態(tài)的逗留時間也毫無規(guī)律，同時僅通過評估單個簇的生存性來衡量WSN的生存能力缺乏合理性，因此，該模型不能用來評估應(yīng)急通信中WSN的可生存能力。為此，本文針對文獻(xiàn)［9］存在的缺陷綜合考慮應(yīng)急通信中分簇WSN的簇頭的生存狀態(tài)，依據(jù)網(wǎng)絡(luò)的生存性需求建立了一種基于SMP的分簇WSN生存性評估模型，它通過評估所有簇頭的生存性來衡量WSN的生存能力，并利用該模型對SRPC協(xié)議和RLEACH協(xié)議下運行的WSN生存能力進(jìn)行量化評估，通過數(shù)值分析和模擬仿真驗證了該模型的可行性。

2 生存性評估模型

2.1 評估模型分析

設(shè)簇頭的生存狀態(tài)集合為S，則應(yīng)急通

信場合中WSN簇頭的生存狀態(tài)集合S={H，A，M，R，F(xiàn)}，其具體含義如下:①健康狀態(tài)(H):網(wǎng)絡(luò)持續(xù)提供服務(wù)，未發(fā)生故障、遭受攻擊和失效，網(wǎng)絡(luò)能夠轉(zhuǎn)發(fā)并傳輸機密、可用、完整的偵察信息。②受攻擊狀態(tài)(A):網(wǎng)絡(luò)遭受HELLO Flooding攻擊、選擇性轉(zhuǎn)發(fā)(Selective Forwarding)或者Sybil等攻擊，影響到網(wǎng)絡(luò)的壽命、信息的安全性以及基本服務(wù)的完成。③故障狀態(tài)(M):網(wǎng)絡(luò)運行時傳感節(jié)點被摧毀、軟硬件老化等造成的故障，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)不能正常轉(zhuǎn)發(fā)和傳輸監(jiān)測數(shù)據(jù)，造成服務(wù)的中斷。④恢復(fù)狀態(tài)(R):網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障、遭受攻擊和失效后，利用冗余技術(shù)、資源重配置和相應(yīng)的生存性協(xié)議對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行修復(fù)。⑤失效狀態(tài)(F):網(wǎng)絡(luò)遭受嚴(yán)重攻擊且可生存性技術(shù)修復(fù)網(wǎng)絡(luò)失敗，網(wǎng)絡(luò)不能持續(xù)提供基本的服務(wù)。

根據(jù)連續(xù)時間Markov的性質(zhì)［9］，簇頭處于生存狀態(tài)Si的概率為PSi，應(yīng)急通信中簇頭的SMP生存狀態(tài)概率轉(zhuǎn)化關(guān)系如圖1所示。網(wǎng)絡(luò)處于健康狀態(tài)(H)時，簇頭接收并融合簇內(nèi)節(jié)點上傳的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并采用特定協(xié)議或者算法將數(shù)據(jù)安全可靠地傳輸?shù)交?。簇頭因遭受敵方摧毀或自身軟、硬件老化而轉(zhuǎn)化為故障狀態(tài)(M)，此時，若WSN及時利用網(wǎng)絡(luò)重配置或軟件自愈技術(shù)成功恢復(fù)后便可轉(zhuǎn)化為健康狀態(tài)(H)，否則進(jìn)入失效狀態(tài);簇頭因遭受惡意節(jié)點攻擊或者被俘獲轉(zhuǎn)化為受攻擊狀態(tài)(A)，此時，若WSN通過密鑰協(xié)商和身份認(rèn)證等“防”、“檢”技術(shù)成功修復(fù)后轉(zhuǎn)化為修復(fù)狀態(tài)(R)，然后通過隔離或者備用資源重配置成功則轉(zhuǎn)化為健康狀態(tài)(H)，繼續(xù)提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)并完成監(jiān)測任務(wù)，否則，轉(zhuǎn)化為失效狀態(tài)(F);在失效狀態(tài)(F)只能由系統(tǒng)管理員經(jīng)過手動修復(fù)和重配置以便恢復(fù)到健康狀態(tài)(H)。

圖1 應(yīng)急通信中簇頭的SMP生存狀態(tài)轉(zhuǎn)換模型

SMP生存狀態(tài)轉(zhuǎn)換模型中各項參數(shù)的定義如表1所示。

表1 SMP生存狀態(tài)轉(zhuǎn)換模型參數(shù)定義

2.2 分簇WSN可生存性評估

根據(jù)SMP生存性模型對分簇WSN網(wǎng)絡(luò)生存性進(jìn)行分析，由狀態(tài)轉(zhuǎn)移模型和各項參數(shù)，可以得到圖1中生存狀態(tài)模型的連續(xù)Markov鏈狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣Q，其中狀態(tài)空間S={H，M，A，R，F(xiàn)};

設(shè)簇頭的穩(wěn)定狀態(tài)的概率矢量為Π=［νH，νM，νA，νR，νF］，根據(jù)連續(xù)馬爾可夫性質(zhì)，可得如下方程組:

根據(jù)以上方程組可以求得如下方程:

方程式中PMH+PMF=1，PFH=1，PF+PRH=1，PR+PAF=1，對方程(1)求解得:

簇頭在故障狀態(tài)、修復(fù)狀態(tài)和失效狀態(tài)時，不能持續(xù)提供網(wǎng)絡(luò)的基本服務(wù)，而在攻擊狀態(tài)下可以降低服務(wù)的安全等級來繼續(xù)提供網(wǎng)絡(luò)基本服務(wù)，因此可將基于連續(xù)時間馬爾可夫過程的簇頭節(jié)點的可生存性定義為概率νS(CH)，故νS(CH)=νH+νA，將式(2)、式(3)代入求得:

設(shè)簇頭處于生存狀態(tài)Si的平均逗留時間為hSi，則基于SMP的簇頭節(jié)點的生存狀態(tài)的穩(wěn)態(tài)概率可由式(5)來計算［11］:

假設(shè)基于半馬爾可夫過程的簇頭的可生存性為πS(CH)，由式(2)、式(3)、式(5)可得:

無線傳感網(wǎng)節(jié)點分布密集，冗余性和容錯性較強，網(wǎng)絡(luò)的生存性不能由單個簇頭節(jié)點的生存性來衡量，而應(yīng)綜合考慮由多個簇頭節(jié)點構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)提供關(guān)鍵服務(wù)的能力。因此，在應(yīng)急通信場景中為了提高監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與安全性，以及傳輸數(shù)據(jù)的可靠性，規(guī)定每輪網(wǎng)絡(luò)中有一半以上的簇頭是可生存的，則該輪網(wǎng)絡(luò)才是可生存的。因此，假設(shè)第i輪選舉產(chǎn)生的簇頭總數(shù)為mi，則在第i輪網(wǎng)絡(luò)生存性πS(ER)i可定義為:

p{有一半以上的簇頭是可生存的/簇頭總數(shù)為mi}假設(shè)在網(wǎng)絡(luò)運行過程中每個簇頭的生存性相互獨立，則在第i輪網(wǎng)絡(luò)可生存性πS(ER)i為:

那么整個網(wǎng)絡(luò)運行r輪時網(wǎng)絡(luò)生存性可用所有輪網(wǎng)絡(luò)生存性的均值來衡量，即整個網(wǎng)絡(luò)的生存性可定義為πS(WN)，其中

3 模型分析與驗證

所謂模型驗證是指在一定的實驗條件下確定該模型能否提供網(wǎng)絡(luò)的準(zhǔn)確信息，如生存性指標(biāo)對網(wǎng)絡(luò)生存性的影響以及各生存指標(biāo)之間的相關(guān)性［10］。上述的基于SMP的WSN生存性模型的輸出變量是無線傳感網(wǎng)的整體生存性，即WSN滿足生存性需求時的穩(wěn)態(tài)概率。文獻(xiàn)［12］提出了一種戰(zhàn)場環(huán)境中基于簇的WSN生存性路由協(xié)議—SRPC，該協(xié)議在均衡能耗的基礎(chǔ)上可有效抵御惡意節(jié)點的攻擊，并在簇頭節(jié)點遭受攻擊或者被摧毀后保證監(jiān)測信息的可靠投遞，從網(wǎng)絡(luò)安全性、服務(wù)生存性和數(shù)據(jù)包投遞率等方面提高了WSN在戰(zhàn)場環(huán)境中的生存能力。RLEACH協(xié)議［13］是一種基于改進(jìn)的隨機密鑰對的安全路由協(xié)議，它通過提高網(wǎng)絡(luò)抵御攻擊的能力和網(wǎng)絡(luò)生存壽命來提高網(wǎng)絡(luò)的可生存性。

文獻(xiàn)［14］指出同一網(wǎng)絡(luò)在不同外部環(huán)境下生存性可能不同，網(wǎng)絡(luò)的生存能力在只有特定環(huán)境下才能得到有效衡量與評估。因此，根據(jù)文獻(xiàn)［9］的數(shù)據(jù)，該模型中健康狀態(tài)、故障狀態(tài)、受攻擊狀態(tài)、修復(fù)狀態(tài)、失效狀態(tài)的平均逗留時間分別取0.6 min、0.4 min、0.3 min、0.3 min和0.4 min。由文獻(xiàn)［11］仿真結(jié)果可知，當(dāng)簇頭發(fā)生故障的概率為PM=0.5%，惡意節(jié)點的數(shù)目為5時，SRPC協(xié)議的抗攻擊能力Pr= 83.65%，而RLEACH協(xié)議的抗攻擊能力Pr= 80.29%。由此，可以求得2種協(xié)議下簇頭遭受攻擊的概率PA，分別為16.35%和19.71%。方便起見，本文在網(wǎng)絡(luò)運行10輪的情況下評估WSN的可生存性。

3.1 生存性指標(biāo)間的相關(guān)性分析

該模型中簇頭的生存性可由式(6)計算得到，基于上述參數(shù)設(shè)置并采用MATLAB軟件可得到WSN采用SRPC和RLEACH協(xié)議時簇頭可生存性在不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的變化情況，如圖2所示。

圖2 不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下簇頭的可生存性

SRPC協(xié)議抵抗惡意節(jié)點攻擊的能力比RLEACH協(xié)議要強，故SRPC協(xié)議中簇頭的可生存性比RLEACH協(xié)議要高。應(yīng)急通信中WSN可生存性強調(diào)的是網(wǎng)絡(luò)在遭受攻擊或者發(fā)生故障后繼續(xù)提供關(guān)鍵服務(wù)的能力，因此，若網(wǎng)絡(luò)能夠及時檢測到入侵情況及受損程度，并能迅速得到修復(fù)，則認(rèn)為該簇頭的可生存性很強;若網(wǎng)絡(luò)能夠及時檢測到入侵情況及受損程度，但是不能迅速得到修復(fù)，則認(rèn)為該簇頭的可生存性很差;若網(wǎng)絡(luò)不能檢測到入侵情況及受損程度而直接進(jìn)入失效狀態(tài)，此時簇頭的可生存性和網(wǎng)絡(luò)修復(fù)率無關(guān)。由圖2可以看出，對于SRPC協(xié)議和RLEACH協(xié)議，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)自我修復(fù)失敗率和入侵檢測成功率最高時簇頭的可生存性最弱，分別為82.91%和74.99%;當(dāng)網(wǎng)絡(luò)自我修復(fù)成功率和入侵檢測成功率最高時簇頭的可生存性最強，分別為99.55%和91.38%。同時，需要強調(diào)的是，在這2個協(xié)議中，當(dāng)入侵檢測率為1時，簇頭可生存性隨著網(wǎng)絡(luò)修復(fù)率的降低而迅速下降，說明提高網(wǎng)絡(luò)修復(fù)率是增強網(wǎng)絡(luò)可生存性的決定因素;當(dāng)網(wǎng)絡(luò)修復(fù)失敗率為1時，簇頭可生存性隨著入侵檢測率的提高而降低。綜上可知，利用該模型得到的理論值和實際是相吻合的。

3.2 分簇WSN可生存性分析

結(jié)合SRPC協(xié)議和RLEACH協(xié)議，可以將該模型中的分簇WSN的生存性需求定義為網(wǎng)絡(luò)在任何情況下均能將監(jiān)測信息安全可靠傳遞給用戶，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)遭受攻擊時可以通過降低服務(wù)的安全等級來繼續(xù)完成服務(wù)，則分簇WSN的可生存性可由式(8)來計算，將SRPC協(xié)議和RLEACH協(xié)議分別運行10輪，并統(tǒng)計每輪的簇頭數(shù)目，假設(shè)數(shù)組A=［XY］，其中X表示網(wǎng)絡(luò)入侵檢測成功的概率，Y表示網(wǎng)絡(luò)自我修復(fù)失敗的概率，則可以得到不同參數(shù)設(shè)置下簇頭的可生存性數(shù)值，利用［11］、［00］、［0.50.6 ］、［0.50.2］、［10］這五組數(shù)組和式(7)、式(8)以及相關(guān)參數(shù)，可以求得采用2種協(xié)議中整個網(wǎng)絡(luò)的可生存性的理論值。

結(jié)合文獻(xiàn)［12］中的參數(shù)，在OMNeT4.0++仿真軟件中利用SRPC協(xié)議和RLEACH協(xié)議分別對本文提出的生存性評估模型進(jìn)行模擬仿真，協(xié)議中每輪持續(xù)時間為60 s，每輪簇頭的初始狀態(tài)為H，隨著協(xié)議的運行網(wǎng)絡(luò)面臨的生存性威脅以一定概率使簇頭進(jìn)入相應(yīng)的生存狀態(tài)，轉(zhuǎn)換模型如圖1所示，并記錄簇頭轉(zhuǎn)換生存狀態(tài)的時刻，最后模擬的簇頭可生存性可表示為:

其中，ˉtH表示簇頭處于健康狀態(tài)的平均時間，ˉtA表示簇頭處于受攻擊狀態(tài)的平均時間，tER表示協(xié)議每輪的持續(xù)時間，本仿真中取60 s，則簇頭可生存性反映了簇頭在單位時間內(nèi)提供關(guān)鍵服務(wù)的能力。協(xié)議運行10輪后仿真結(jié)束，則網(wǎng)絡(luò)的整體生存性可由式(7)、式(8)得到，選取5個隨機種子形成5種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對該模型進(jìn)行模擬仿真，最后將平均值作為模擬結(jié)果。模擬結(jié)果和理論值的比較如圖3、圖4所示(其中橫坐標(biāo)分別對應(yīng)5組參數(shù)數(shù)組)。

由圖3、圖4可以看出在SRPC協(xié)議和RLEACH協(xié)議中，簇頭可生存性的理論值與模擬值基本相符合，但是整體網(wǎng)絡(luò)的可生存性的模擬值在數(shù)組［0.5

圖3 簇頭可生存性模擬值與理論值對比

0.2 ］時與理論值誤差相對較大，但在誤差允許的范圍內(nèi)仍可認(rèn)為是相吻合的。同時，網(wǎng)絡(luò)可生存性考慮的是網(wǎng)絡(luò)的整體性能，即使網(wǎng)絡(luò)中一些簇頭遭受摧毀或被攻擊，但是網(wǎng)絡(luò)整體只要能夠滿足預(yù)定的生存性需求就認(rèn)為該網(wǎng)絡(luò)是可生存的。因此，WSN可生存性應(yīng)該高于簇頭的可生存性，對比圖3和圖4也可有效驗證上述結(jié)論。

圖4WSN可生存性模擬值與理論值對比

4 小結(jié)

無線傳感網(wǎng)的可生存性評估模型是WSN生存性分析的重要內(nèi)容，為增強應(yīng)急通信中WSN生存能力提供重要依據(jù)。本文提出了一種基于SMP的分簇WSN可生存性評估模型，該模型針對WSN面臨的生存性威脅全面考慮了應(yīng)急通信中簇頭節(jié)點的生存狀態(tài)，通過定量評估簇頭的可生存性來有效評估WSN的生存能力，為應(yīng)急通信中增強WSN的服務(wù)能力提供依據(jù)。此外，該模型具有通用性，不僅可以用來評估應(yīng)用RLEACH協(xié)議和SRPC協(xié)議的WSN的可生存性，還可以應(yīng)用在其他經(jīng)典分簇路由協(xié)議，如EBCRP協(xié)議［15］等。分析驗證結(jié)果表明，該模型用來評估應(yīng)急通信中WSN可生存性是有效可行的。建立生存性評估模型的最終目的是增強應(yīng)急通信中WSN的生存能力，今后的工作將著重考慮如何設(shè)計高效的生存性協(xié)議或者算法來切實增強WSN在應(yīng)急通信中的生存能力，提高WSN的容侵、容災(zāi)和容錯的能力。

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朱世才(1989-)，男，解放軍理工大學(xué)碩士研究生，研究方向為無線傳感網(wǎng)絡(luò);490585649@qq.com;

王海濤(1976-)，男，解放軍理工大學(xué)副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向為無線自組網(wǎng)與應(yīng)急通信保障。

基于SMP的分簇WSN生存性評估模型*

朱世才，王海濤*，吳連才，閆力
(解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院，南京210007)

無線傳感網(wǎng)(WSN)很適合用于戰(zhàn)場偵察和應(yīng)急通信等場合，增強WSN的生存能力并對其進(jìn)行量化評估逐漸受到關(guān)注。本文提出一種基于半馬爾可夫過程(SMP)的分簇WSN生存性評估模型，該模型在考慮應(yīng)急通信中簇頭生存狀態(tài)的基礎(chǔ)上建立了基于SMP的簇頭生存狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖;結(jié)合網(wǎng)絡(luò)生存性需求計算WSN的生存性效用函數(shù)，并定量分析了多種評價指標(biāo)對網(wǎng)絡(luò)生存能力的影響及其相關(guān)性;進(jìn)而，利用該模型對采用SRPC協(xié)議和RLEACH協(xié)議的WSN生存能力進(jìn)行了量化評估和比較分析。分析與驗證結(jié)果表明，提出的生存性評估模型不僅可以對應(yīng)急通信中WSN的生存能力進(jìn)行客觀有效的評估，還能對WSN的實際部署和應(yīng)用提供參考依據(jù)。

無線傳感網(wǎng);應(yīng)急通信;可生存性;評估模型;半馬爾可夫過程

TP393

A

1004－1699(2014)03－0383－05

2013-09-12修改日期:2013-10-24

項目來源:國家自然科學(xué)基金項目(61072043)

10.3969/j.issn.1004－1699.2014.03.021