梁健 何勇 翁虎

摘 要：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSNs）由于受到資源與能量限制，能效與抗毀性成為WSNs拓?fù)湓O(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題。借助無標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溲莼瘶?gòu)建WSNs網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ?，提高網(wǎng)絡(luò)的能效與抗毀性，從而最終延長(zhǎng)WSNs的生存周期。根據(jù)現(xiàn)有模型，提出一種基于BA無標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)的WSNs異質(zhì)化演化模型，該模型具有BA無標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)良好的隨機(jī)抗毀性，同時(shí)擁有較好的蓄意攻擊抗毀性。利用NetworkX仿真軟件進(jìn)行對(duì)比仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，該網(wǎng)絡(luò)模型在蓄意失效部分節(jié)點(diǎn)時(shí)，相較于EAEM模型，基本無多余節(jié)點(diǎn)失效，且網(wǎng)絡(luò)生命周期提升了10%左右。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò);復(fù)雜網(wǎng)絡(luò);拓?fù)溲莼?抗毀性;無標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)

DOI：10. 11907/rjdk. 192631 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

中圖分類號(hào)：TP309文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-7800（2020）005-0199-05

0 引言

“網(wǎng)絡(luò)抗毀性”衡量的是系統(tǒng)可持續(xù)、穩(wěn)定提供可靠服務(wù)的能力。隨著社會(huì)網(wǎng)絡(luò)化程度的逐步加深，涉及到諸多領(lǐng)域，如軍事、家居、醫(yī)療及環(huán)境監(jiān)測(cè)等，因此網(wǎng)絡(luò)可靠性成為社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ)。各種網(wǎng)絡(luò)在面臨惡意攻擊或自然災(zāi)害時(shí)是否足夠可靠，仍能保持穩(wěn)定運(yùn)行是研究網(wǎng)絡(luò)抗毀性需要重點(diǎn)關(guān)注的問題?？箽灾饕w現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是面臨隨機(jī)失效或隨機(jī)攻擊節(jié)點(diǎn)時(shí)網(wǎng)絡(luò)的性能表現(xiàn)，二是面臨選擇性失效或蓄意攻擊時(shí)網(wǎng)絡(luò)的性能表現(xiàn)。就目前網(wǎng)絡(luò)抗毀性研究而言，主要分為路由控制、網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)和拓?fù)溲莼?種方式。路由控制的核心思想是利用冗余節(jié)點(diǎn)和鏈路提升網(wǎng)絡(luò)的抗毀性;網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)是在已布設(shè)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上引入新的基礎(chǔ)設(shè)施，提升網(wǎng)絡(luò)異質(zhì)性，進(jìn)而改善網(wǎng)絡(luò)抗毀性;拓?fù)溲莼侵竿ㄟ^配置硬件參數(shù)或擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的方式，促使現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎蚩箽暂^優(yōu)的方向演化[1]。當(dāng)前拓?fù)溲莼椒ㄖ饕o標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)生長(zhǎng)與構(gòu)建k-連通網(wǎng)絡(luò)。無標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)借助“偏好依附”機(jī)制實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)生長(zhǎng)，并讓網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚邆錈o標(biāo)度特征。

在BA無標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，學(xué)者們提出了新的WSNs拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)演化模型，模型對(duì)節(jié)點(diǎn)的隨機(jī)故障及失效具有較高的魯棒性，但節(jié)點(diǎn)度分布不均衡，蓄意攻擊和高節(jié)點(diǎn)度節(jié)點(diǎn)失效將會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)造成巨大危害。在一些模型演化過程中考慮了節(jié)點(diǎn)剩余能量對(duì)網(wǎng)絡(luò)增長(zhǎng)的影響，但對(duì)網(wǎng)絡(luò)模型的抗毀性未作出分析。Zhu等[3]基于局域網(wǎng)世界模型，提出一種無標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)模型EAEM（Energy-Aware Evolution Model）和EBEM（Energy-Balanced Evolution Model）。在EAEM模型中，新加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)優(yōu)先連接剩余能量高的節(jié)點(diǎn)，而在EBEM中，除考慮節(jié)點(diǎn)剩余能量外，優(yōu)先加入連接度較高的節(jié)點(diǎn)。EAEM和EBEM雖然加入了剩余能量因素，但是忽略了隨著網(wǎng)絡(luò)演化，節(jié)點(diǎn)度變化對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞挠绊?。其中一些?jié)點(diǎn)度偏高，當(dāng)面臨選擇性蓄意攻擊時(shí)，網(wǎng)絡(luò)抗毀性急劇下降。由于WSNs節(jié)點(diǎn)分為匯聚、簇頭節(jié)點(diǎn)和一般節(jié)點(diǎn)，因此WSNs具有的異質(zhì)性也未能得到體現(xiàn);Li等[4]提出一種異質(zhì)WSNs網(wǎng)絡(luò)演化模型，將網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)分為兩種類型。新節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，先按照設(shè)定的占比分為匯聚類型和普通類型，并優(yōu)先選擇與匯聚節(jié)點(diǎn)相連接。該模型通過節(jié)點(diǎn)分類將網(wǎng)絡(luò)從平面網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換成分層網(wǎng)絡(luò)，以此體現(xiàn)WSNs的異質(zhì)性，并能降低網(wǎng)絡(luò)路由設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，但該模型在面對(duì)蓄意攻擊時(shí)，網(wǎng)絡(luò)抗毀性相對(duì)較差;Liu等[5]提出一種可調(diào)節(jié)冪率的網(wǎng)絡(luò)模型，同時(shí)通過數(shù)學(xué)方式優(yōu)化參數(shù)，使網(wǎng)絡(luò)在擁有無標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)特性的同時(shí)，增加了一定隨機(jī)性，讓網(wǎng)絡(luò)同時(shí)擁有良好的隨機(jī)攻擊抗毀性及選擇性蓄意攻擊抗毀性。但該模型沒有考慮WSNs網(wǎng)絡(luò)的能量特性和異質(zhì)性，沒有真實(shí)反映WSNs網(wǎng)絡(luò)特征。

結(jié)合以上分析，本文提出一種基于BA無標(biāo)度理論的WSNs拓?fù)鋬?yōu)化模型，以提高WSNs抗毀性與最大化網(wǎng)絡(luò)生命周期為目標(biāo)，在網(wǎng)絡(luò)初始演化過程中加入節(jié)點(diǎn)度變化參數(shù)，同時(shí)考慮了網(wǎng)絡(luò)剩余能量與節(jié)點(diǎn)度的共同影響。

1 無標(biāo)度抗毀性演化模型

1.1 BA無標(biāo)度演化模型

Barabasi&Albert發(fā)現(xiàn)了優(yōu)先連接機(jī)制在網(wǎng)絡(luò)演化中產(chǎn)生度分布冪律特性，并提出一種經(jīng)典的無標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)模型——BA模型。BA模型是目前最知名的網(wǎng)絡(luò)生成模型，其網(wǎng)絡(luò)生成步驟如下：

（1）初始網(wǎng)絡(luò)。初始網(wǎng)絡(luò)包含m0個(gè)節(jié)點(diǎn)，且m0個(gè)節(jié)點(diǎn)全連接。

（2）增長(zhǎng)。在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，每添加一個(gè)新節(jié)點(diǎn)，選擇原網(wǎng)絡(luò)中的m個(gè)節(jié)點(diǎn)與新加入節(jié)點(diǎn)相連。

（3）優(yōu)先連接。新添加節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)中現(xiàn)有節(jié)點(diǎn)i相連，并遵循如下的優(yōu)先連接概率：

其中，[jkj]等式為已存網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的度。通過仿真軟件生成BA網(wǎng)絡(luò)模型，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，圖示節(jié)點(diǎn)大小代表節(jié)點(diǎn)的度，可以看到幾個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)連接著大多數(shù)節(jié)點(diǎn)。

1.2 演化模型假設(shè)

假設(shè)WSNs中隨機(jī)分散著N個(gè)節(jié)點(diǎn)，其具備如下特點(diǎn)：①傳感器節(jié)點(diǎn)具有全局唯一的標(biāo)識(shí)符ID;②普通傳感器節(jié)點(diǎn)部署到目標(biāo)區(qū)域內(nèi)，其不具有移動(dòng)能力，隨機(jī)分布在正方形區(qū)域;③在部署時(shí)，節(jié)點(diǎn)具有相同能量，且其能量均無法得到補(bǔ)充。

1.3 異質(zhì)化能量均衡模型演化

針對(duì)WSNs抗毀性的研究是在具有無標(biāo)度特性的網(wǎng)絡(luò)演化模型基礎(chǔ)上對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)，使其具有更好的抗毀性表現(xiàn)，并且更加符合WSNs網(wǎng)絡(luò)特性。當(dāng)BA無標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)面臨隨機(jī)攻擊和蓄意攻擊時(shí)，由于其在蓄意攻擊下的抗毀性較差，所以為了達(dá)到提高無標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)抗毀性的目標(biāo)，需要提高相應(yīng)蓄意攻擊下的抗毀性。因此，基于BA無標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)的WSNs應(yīng)具有以下3個(gè)特點(diǎn)：①具有無標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)良好的隨機(jī)攻擊抗毀性;②更好地體現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的異質(zhì)性;③在已有網(wǎng)絡(luò)模型基礎(chǔ)上，有良好的蓄意攻擊抗毀性，且具有更長(zhǎng)的網(wǎng)絡(luò)生命周期。

最終本文基于BA網(wǎng)絡(luò)模型，綜合考慮節(jié)點(diǎn)度、能量與網(wǎng)絡(luò)局域性，提出HEBEM （Heterogeneous Energy-Balanced Evolution Model）模型。該模型由拓?fù)涮卣骱凸?jié)點(diǎn)度負(fù)載共同決定網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)演化過程。根據(jù)WSNs實(shí)際特征，將網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)分為兩類：type-c和type-s節(jié)點(diǎn)，分別對(duì)應(yīng)WSNs中的匯聚節(jié)點(diǎn)和普通節(jié)點(diǎn)。首先給出的網(wǎng)絡(luò)演化機(jī)制遵循以下連接策略，演化步驟如下：

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（責(zé)任編輯：黃 健）