基于多輪詢(xún)的WSN節(jié)點(diǎn)捕獲檢測(cè)方法

徐嘉慧

（昆明理工大學(xué) 信息工程與自動(dòng)化學(xué)院，云南 昆明 650500）

0 引 言

得益于集成感測(cè)、信息處理以及無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的快速發(fā)展和日趨成熟[1]，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）漸漸成為信息物理融合系統(tǒng)（Cyber Physical Systems）中的研究熱點(diǎn)。傳感器節(jié)點(diǎn)的部署通常具有無(wú)人值守的特性，低成本要求使得其部署環(huán)境和通信過(guò)程缺少安全保護(hù)，因此物理節(jié)點(diǎn)容易受到攻擊和干擾[2]。隨著人們對(duì)WSN功能的需求越來(lái)越多樣化，需要在指定區(qū)域內(nèi)部署大量節(jié)點(diǎn)以實(shí)現(xiàn)需求，因此近年來(lái)針對(duì)WSN節(jié)點(diǎn)的安全檢測(cè)方案不斷涌現(xiàn)。

WSN入侵攻擊包括外部和內(nèi)部?jī)煞N方式，其中內(nèi)部攻擊更加難以檢測(cè)和處理。內(nèi)部攻擊包括節(jié)點(diǎn)捕獲、重新部署及發(fā)起攻擊3個(gè)階段[3]。歷年來(lái)，對(duì)內(nèi)部攻擊的研究著重于對(duì)第2個(gè)階段和第3個(gè)階段的檢測(cè)。Song提出一種對(duì)節(jié)點(diǎn)重新部署后物理位置是否發(fā)生變化的檢測(cè)方法[4]，Ioannis[5]和Ren等人[6]分別提出了一種選擇性轉(zhuǎn)發(fā)攻擊的檢測(cè)方法。Song通過(guò)丟包率超過(guò)閾值時(shí)生成的警報(bào)消息數(shù)量比例來(lái)判斷節(jié)點(diǎn)狀態(tài)；Ioannis和Ren根據(jù)數(shù)據(jù)包丟失與預(yù)期的差值來(lái)判斷節(jié)點(diǎn)狀態(tài)，并且推導(dǎo)最優(yōu)閾值。Dong提出了一種新穎的WSN分布式低存儲(chǔ)克隆檢測(cè)協(xié)議（LSCD）[7]，規(guī)定任何兩條檢測(cè)路徑之間的距離必須小于見(jiàn)證者路徑長(zhǎng)度，以此確保了檢測(cè)路徑必須遇到見(jiàn)證者路徑。

將節(jié)點(diǎn)（被捕獲節(jié)點(diǎn)或克隆節(jié)點(diǎn)）重新部署到WSN中并通過(guò)該節(jié)點(diǎn)發(fā)起攻擊會(huì)帶來(lái)很大的危害與損失。對(duì)第1階段即節(jié)點(diǎn)捕獲階段的攻擊檢測(cè)能夠盡可能早地發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)危險(xiǎn)狀態(tài)，從而降低對(duì)后續(xù)階段的安全威脅，保證WSN的安全運(yùn)行。因此，優(yōu)化WSN內(nèi)部攻擊第1階段的檢測(cè)方案對(duì)于WSN的信息和網(wǎng)絡(luò)安全至關(guān)重要。

如果節(jié)點(diǎn)只根據(jù)自身信息來(lái)判斷是否被捕獲，系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)很高的誤報(bào)率，因此很多典型的節(jié)點(diǎn)捕獲檢測(cè)方案都根據(jù)鄰居節(jié)點(diǎn)的反饋[8]來(lái)進(jìn)行綜合判斷。例如，Lin提出一種CAT（Couple-based node compromise detection）檢測(cè)方案[9]，通過(guò)鄰居節(jié)點(diǎn)之間建立耦合來(lái)交互信標(biāo)（Beacon）消息，從而確認(rèn)彼此是否處于被捕獲的危險(xiǎn)狀態(tài)。然而，CAT只能互相監(jiān)控，當(dāng)局部區(qū)域內(nèi)大量節(jié)點(diǎn)被捕獲時(shí)，WSN無(wú)法檢測(cè)到危險(xiǎn)。Ding等人通過(guò)一種簡(jiǎn)單有效的FSD（First Stage Detection）[10]協(xié)議來(lái)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)，如果節(jié)點(diǎn)未接收到鄰居節(jié)點(diǎn)預(yù)期數(shù)量的連續(xù)問(wèn)候消息則懷疑鄰居節(jié)點(diǎn)已被捕獲。在這些方法中，為了保證能夠時(shí)刻交互消息，節(jié)點(diǎn)需要一直處于工作狀態(tài)，因此能耗過(guò)高。Ding進(jìn)一步提出了一種通過(guò)節(jié)點(diǎn)定期廣播hello消息來(lái)證明自己未被捕獲的LDCFSD（Low Duty Cycle FSD）[11]檢測(cè)方案，方案加入了休眠機(jī)制，但是需要額外的同步機(jī)制使全部節(jié)點(diǎn)同步休眠。Mohamed提出一種基于重疊組的受損節(jié)點(diǎn)檢測(cè)方案[12]，通過(guò)在局部區(qū)域中的鄰居節(jié)點(diǎn)之間建立鏈?zhǔn)紾roup，從而形成重疊的Group以檢測(cè)攻擊威脅。

1 整體架構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)模型

方案針對(duì)WSN內(nèi)部攻擊中第1個(gè)階段中分布式節(jié)點(diǎn)被捕獲的問(wèn)題進(jìn)行檢測(cè)。假設(shè)在一個(gè)固定區(qū)域內(nèi)均勻部署靜態(tài)傳感器節(jié)點(diǎn)N={N1,N2,N3,…,Nn}，并且在部署階段，所有節(jié)點(diǎn)都處于安全狀態(tài)。WSN中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的通信都是雙向的，即在該區(qū)域內(nèi)，任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)可以相互通信，且節(jié)點(diǎn)之間消息通信過(guò)程所用時(shí)間忽略不計(jì)。該方案將WSN中的節(jié)點(diǎn)N分為底層節(jié)點(diǎn)（Bottom Node，BN）、監(jiān)控節(jié)點(diǎn)（Monitoring Node，MN）及決策節(jié)點(diǎn)（Decision Node，DN）3類(lèi)。1個(gè)BN、2個(gè)MN及1個(gè)DN共同構(gòu)成三級(jí)體系（Three Hierarchy System，THS）。1個(gè)通信結(jié)構(gòu)至少包含2個(gè)不相鄰的THS，因此一個(gè)完整的通信結(jié)構(gòu)至少由7個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。

通過(guò)多輪詢(xún)機(jī)制[13]，BN會(huì)周期性地向其任意一個(gè)MN發(fā)送自身狀態(tài)消息，當(dāng)出現(xiàn)異?，F(xiàn)象時(shí)，MN向BN發(fā)送詢(xún)問(wèn)消息。MN與BN交互信息后判斷BN當(dāng)前安全是否受到威脅，若MN判斷BN處于危險(xiǎn)狀態(tài)時(shí)向其他MN發(fā)送自身狀態(tài)消息，各個(gè)MN節(jié)點(diǎn)根據(jù)詢(xún)問(wèn)信息將判斷結(jié)果發(fā)送給決策節(jié)點(diǎn)DN。當(dāng)DN收到安全信息時(shí)保持正常工作，當(dāng)DN收到非安全信息時(shí)，與判斷同一個(gè)BN安全狀態(tài)的其他DN交互信息，協(xié)同決策該BN的狀態(tài)是否已被捕獲，并將狀態(tài)信息和節(jié)點(diǎn)唯一ID上報(bào)基站（Base Station，BS），由BS處理該被捕獲節(jié)點(diǎn)。

2 多輪詢(xún)節(jié)點(diǎn)捕獲檢測(cè)方案

2.1 方案概述與假設(shè)

WSN節(jié)點(diǎn)捕獲檢測(cè)方案最難以解決的問(wèn)題是誤報(bào)和漏報(bào)導(dǎo)致的檢測(cè)準(zhǔn)確度降低。該方案采用多輪詢(xún)的通信方式，以BN、MN及DN組成的多個(gè)THS共同構(gòu)成蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)（Cobweb），在節(jié)點(diǎn)安全狀態(tài)被威脅時(shí)，能夠完成多次協(xié)同決策，有效降低了誤報(bào)情況的發(fā)生。

節(jié)點(diǎn)同步休眠時(shí)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都始終處于喚醒狀態(tài)，因此節(jié)點(diǎn)能夠捕捉到每一個(gè)信息交互時(shí)間點(diǎn)，但是需要占用并且消耗更多的資源，在應(yīng)用上會(huì)有一定的限制。

異步休眠機(jī)制中，節(jié)點(diǎn)不需要同步喚醒和休眠，因此不需要同步機(jī)制，但BN與MN之間需要通過(guò)hello（問(wèn)候）消息和heart（心跳）消息來(lái)確定BN的安全狀態(tài)，之后由MN上報(bào)DN，由屬于同一個(gè)BN的DN交互信息，共同決定是否上報(bào)BS。

假設(shè)Cobweb的通信周期為C，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的工作周期為T(mén)，通信周期由3個(gè)T構(gòu)成。在一個(gè)T中，工作時(shí)間為T(mén)w，休眠時(shí)間為T(mén)s，令Tw取值大于Ts，保證節(jié)點(diǎn)工作效率；假設(shè)每個(gè)節(jié)點(diǎn)被捕獲的時(shí)間為T(mén)c，令Tc取值小于T，使得如果BN在任意一個(gè)T內(nèi)被捕獲，那么MN都無(wú)法接收到BN發(fā)送的消息，MN會(huì)發(fā)送給BN詢(xún)問(wèn)消息并將信息發(fā)送給DN，由DN之間協(xié)同決策后上報(bào)給BS。

2.2 多輪詢(xún)機(jī)制與Cobweb結(jié)構(gòu)

CAT[9]檢測(cè)方案通過(guò)節(jié)點(diǎn)兩兩結(jié)對(duì)的方式相互通信，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)互為彼此的BN與MN，且每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能成為DN，通信模型如圖1（a）所示。因?yàn)榇朔桨钢械腄N無(wú)法協(xié)同決策，所以隨著被捕獲節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加，相互監(jiān)控的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)被捕獲的概率增大，DN角色缺失，誤報(bào)率隨之增加。

圖1 通信模型

Group檢測(cè)方案[12]通過(guò)節(jié)點(diǎn)與鄰居節(jié)點(diǎn)建立鏈?zhǔn)紾roup。Group之間通過(guò)一個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)連接，最終形成鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)的通信模型，如圖1（b）所示。鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)中，兩個(gè)Group互為彼此的BN與MN。當(dāng)Group中任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)被捕獲，該Group通信結(jié)構(gòu)被破壞，此時(shí)鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)中與其相鄰的Group充當(dāng)DN的角色。由于鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)被捕獲時(shí)，此方案無(wú)法判斷被捕獲的節(jié)點(diǎn)處于哪一個(gè)相鄰Group，因此誤報(bào)率將大大提升。

本文提出的方案采用多輪詢(xún)的通信方式，其基本通信單元是由1個(gè)BN、2個(gè)MN和1個(gè)DN共同組成的THS，通信模型如圖1（c）所示。由于各個(gè)THS的BN可以為同一節(jié)點(diǎn)，因此BN、MN及DN之間的通信形成了類(lèi)似蛛網(wǎng)的結(jié)構(gòu)（即Cobweb）。當(dāng)Cobweb由6個(gè)THS構(gòu)成時(shí)，其通信模型如圖2所示。

1個(gè)Cobweb可分解為6個(gè)THS，THS={THS1,THS2,THS3,…,THS6}，其 中THS1={BNa,MNb,MNc,…,DNb}。當(dāng)MNb或MNc在T內(nèi)沒(méi)有收到由BNa發(fā)送的hello消息時(shí)，該節(jié)點(diǎn)會(huì)在下一個(gè)通信周期向BNa發(fā)送heart消息來(lái)詢(xún)問(wèn)BNa是否存活，確認(rèn)后MNb將結(jié)果發(fā)送給DNm和DNh，MNc將結(jié)果發(fā)送給DNh與DNi，在該結(jié)構(gòu)中消息傳輸時(shí)間忽略不計(jì)。若MNb與MNc中有1個(gè)或2個(gè)認(rèn)為BNa處于危險(xiǎn)狀態(tài)，則BNa向其他MN發(fā)送hello消息。當(dāng)在THS1中DNh無(wú)法根據(jù)MNb和MNc發(fā)送的信息來(lái)判斷BNa是否處于安全狀態(tài)時(shí)，DNh將會(huì)向其他DN進(jìn)行問(wèn)詢(xún)。MNb和MNc中有一個(gè)向DNh發(fā)送BNa危險(xiǎn)信息時(shí)，DNh則判斷BNa處于待定狀態(tài)；MNb和MNc中有兩個(gè)向DNh發(fā)送BNa危險(xiǎn)信息時(shí)，DNh則判斷BNa處于危險(xiǎn)狀態(tài)。當(dāng)全部DN都處于待定狀態(tài)或一半與一半以上DN都判斷BN處于危險(xiǎn)狀態(tài)時(shí)，DNh認(rèn)為BNa已經(jīng)被捕獲并報(bào)告給BS。

圖2 蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)

在該方案中，BNa不再按照傳統(tǒng)的多輪詢(xún)方式向MNb、MNc、MNd、MNe、MNf及MNg以一定周期依次發(fā)送消息，而是在第一個(gè)T內(nèi)同時(shí)向相鄰的MNb和MNc發(fā)送消息。若BNa處于待定或者危險(xiǎn)狀態(tài)，則BNa在第2個(gè)T內(nèi)向相其他MN發(fā)送消息，從而保證了該通信模型的周期在一個(gè)C內(nèi)。此外，該方案提出的Cobweb通信模型通過(guò)兩次協(xié)同決策來(lái)降低通信模型的誤報(bào)率，提升了檢測(cè)率的準(zhǔn)確度。

2.3 異步休眠機(jī)制

在異步休眠機(jī)制中，當(dāng)節(jié)點(diǎn)處于休眠狀態(tài)時(shí)，該節(jié)點(diǎn)將無(wú)法發(fā)送、接收到任何消息，使得MN、DN錯(cuò)過(guò)若干hello和heart消息，DN做出錯(cuò)誤決策，最終導(dǎo)致大量誤報(bào)和漏報(bào)現(xiàn)象。因此，該方案針對(duì)WSN節(jié)點(diǎn)捕獲問(wèn)題對(duì)異步休眠機(jī)制做出了相應(yīng)的改進(jìn)，保證節(jié)點(diǎn)在保留異步休眠機(jī)制的同時(shí)在Tw不會(huì)錯(cuò)過(guò)鄰居節(jié)點(diǎn)傳達(dá)的信息。

在隨機(jī)抓取的同一個(gè)時(shí)間T內(nèi)，節(jié)點(diǎn)間工作時(shí)間Tw與休眠時(shí)間Ts是異步的，即在同一T內(nèi)Tw、Ts分配在不同的時(shí)間段。該方案將全部異步休眠節(jié)點(diǎn)分為N1，N2，N3，…，N6共計(jì)6類(lèi)異步休眠節(jié)點(diǎn)，Cobweb中的BN和MN可能不屬于同一類(lèi)異步休眠節(jié)點(diǎn)。

BN在節(jié)點(diǎn)由休眠狀態(tài)轉(zhuǎn)為工作狀態(tài)后的第一時(shí)刻向其全部MN發(fā)送第1次hello消息，在Tw進(jìn)行一半時(shí)向其全部MN發(fā)送第2次hello消息，在Tw即將結(jié)束的最后一刻向其全部MN發(fā)送第3次hello消息。無(wú)論當(dāng)前MN屬于哪一類(lèi)異步休眠節(jié)點(diǎn)，保證在其Tw中都能接收到至少1次hello消息。

如果在一個(gè)工作周期T中，MN沒(méi)有接收到任何BN發(fā)送的hello消息，那么當(dāng)下一個(gè)Tw開(kāi)始時(shí)，在與BN向MN發(fā)送hello消息相同的時(shí)刻，MN向BN發(fā)送3次heart消息來(lái)確認(rèn)MN當(dāng)前的安全狀態(tài)。該方案保證在BN的Tw中，BN可以接收到至少1次heart消息。

以BN為N1的情況為例，分析當(dāng)對(duì)應(yīng)的MN分別為N1，N2，N3，…，N6時(shí)，BN與MN之間hello消息的3次通信情況，如圖3所示。

圖3 節(jié)點(diǎn)異步休眠

在一個(gè)固定區(qū)域中，若干靜態(tài)傳感器節(jié)點(diǎn)共同組成Cobweb。Cobweb可拆分為若干個(gè)THS。在1個(gè)THS中，有且只有1個(gè)BN，若干MN，有且只有1個(gè) DN。其中MN={MN1,MN2,MN3,…,MNn}。

當(dāng)MN1與BN同屬于異步休眠節(jié)點(diǎn)類(lèi)型N1時(shí)，如圖3（a）所示，在此特殊情況下可將MN1與BN看作同步休眠周期節(jié)點(diǎn)，BN向MN1發(fā)送的3次hello消息皆可在MN1的Tw內(nèi)，即MN1能夠成功接收到BN全部的hello消息。與此相對(duì)應(yīng)，當(dāng)MN1在1個(gè)工作周期T中沒(méi)有接收到任何hello消息時(shí)，BN疑似被捕獲，MN1在當(dāng)前Ts結(jié)束后立即向BN發(fā)送3次heart消息。如果BN未被捕獲，BN將成功接收3次heart消息并回應(yīng)，從而證明該BN節(jié)點(diǎn)并未被捕獲，仍然處于安全狀態(tài)。

當(dāng)MN2屬于異步休眠節(jié)點(diǎn)類(lèi)型N2時(shí)，如圖3（b）所示，BN向MN2發(fā)送的3次hello消息中有1次在MN1的Tw內(nèi)，有2次hello消息在MN2的Ts內(nèi)，即MN2能夠成功接收到BN1次hello消息。同上，當(dāng)MN2沒(méi)有接收到hello消息時(shí)，向BN發(fā)送的3次heart消息中有1次在BN的Tw內(nèi)。

當(dāng)MN3屬于異步休眠節(jié)點(diǎn)類(lèi)型N3時(shí)，如圖3（c）所示，MN3能夠成功接收到BN2次hello消息，MN3沒(méi)有接收到hello消息時(shí)，BN成功接收2次MN3的heart消息。

當(dāng)MN4屬于異步休眠節(jié)點(diǎn)類(lèi)型N4時(shí)，如圖3（d）所示，MN4能夠成功接收到BN2次hello消息，MN4沒(méi)有接收到hello消息時(shí)，BN成功接收2次MN4的heart消息。

當(dāng)MN5屬于異步休眠節(jié)點(diǎn)類(lèi)型N5時(shí)，如圖3（e）所示，MN5能夠成功接收到BN一次hello消息，MN5沒(méi)有接收到hello消息時(shí)，BN成功接收1次MN5的heart消息。

當(dāng)MN6屬于異步休眠節(jié)點(diǎn)類(lèi)型N6時(shí)，如圖3（f）所示，MN6能夠成功接收到BN2次hello消息，MN6沒(méi)有接收到hello消息時(shí)，BN成功接收1次MN6的heart消息。

2.4 具體方案流程

在固定區(qū)域中由一個(gè)BS與若干節(jié)點(diǎn)N={N1,N2,N3,…,Nn}(n≥7)共同組成WSN，每個(gè)N都有且只有一個(gè)ID，在部署后記錄自己相對(duì)應(yīng)的BN、MN、DN，并且在初始化時(shí)同步給BS。針對(duì)WSN中節(jié)點(diǎn)捕獲入侵檢測(cè)問(wèn)題，該方案將全部N拆解為若干個(gè)Cobweb。為了保證兩次協(xié)同決策正常運(yùn)行，1個(gè)Cobweb必須包含至少2個(gè)不相鄰的THS，其中至少包含1個(gè)BN、4個(gè)MN與2個(gè)DN。

在檢測(cè)過(guò)程中，MN對(duì)BN進(jìn)行監(jiān)控并將監(jiān)控結(jié)果發(fā)送給對(duì)應(yīng)DN，每個(gè)DN根據(jù)對(duì)應(yīng)的2個(gè)MN發(fā)送的信息來(lái)做出決策。當(dāng)?shù)玫降男畔⒉蛔阋耘袛嘣揃N是否被捕獲時(shí)，DN向其它的DN進(jìn)行問(wèn)詢(xún)，最終做出本地協(xié)同決策。當(dāng)決策結(jié)果為該節(jié)點(diǎn)已被捕獲時(shí)，DN通過(guò)多跳路由向BS發(fā)出信息，由BS通告區(qū)域內(nèi)全部節(jié)點(diǎn)，給出對(duì)策并采取措施。

在該方案中，假設(shè)有n(n≥7)個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中，有h(h≥4)個(gè)MN、k(k≥2)個(gè)DN與1個(gè)BN，設(shè)立節(jié)點(diǎn)捕獲指數(shù)Ci代表節(jié)點(diǎn)被捕獲的可能性，Ci取值范圍為[0,1]，取值越接近1表示該節(jié)點(diǎn)被捕獲可能性越大。

具體流程如下：

（1）初始化Cobweb，底層節(jié)點(diǎn)BN被喚醒時(shí)全部對(duì)應(yīng)的h個(gè)MN處于監(jiān)控狀態(tài)。BN根據(jù)3.2節(jié)采用多輪詢(xún)方式向MNi發(fā)送hello消息，此時(shí)節(jié)點(diǎn)捕獲指數(shù)Ci為0。

（2）BN與MNi采用3.3節(jié)異步休眠機(jī)制相互通信，如果在第一個(gè)T內(nèi)MNi收到hello消息，MNi認(rèn)為BN未被捕獲并向?qū)?yīng)的DNi發(fā)送該消息。如果在第一個(gè)T內(nèi)MNi沒(méi)有收到hello消息，MNi在第2個(gè)周期向BN發(fā)送heart消息，若BN回應(yīng)heart消息，則依舊認(rèn)為BN未被捕獲，若MNi未收到回應(yīng)，則認(rèn)為BN已被捕獲并向?qū)?yīng)的DNi發(fā)送該消息。

（3）DNi收到對(duì)應(yīng)的2個(gè)MNi所發(fā)送的消息，并進(jìn)行第1次協(xié)同決策。如果2個(gè)MNi發(fā)送的皆為未捕獲消息，則重復(fù)執(zhí)行步驟（1），直至DNi收到已捕獲消息后廣播給其他DN。與此同時(shí)，DNi接收其他DN廣播的消息并與自身所得到的消息進(jìn)行驗(yàn)證，進(jìn)行第2次協(xié)同決策后共接收到j(luò)(j≤n)個(gè)已捕獲消息，Ci=Ci+j/n。

（4）計(jì)算當(dāng)前Ci，當(dāng)Ci≤1/2時(shí)認(rèn)為當(dāng)前BN并未被捕獲，則重復(fù)執(zhí)行步驟（1），直至Ci＞1/2時(shí)，DNi向BS發(fā)送已被捕獲節(jié)點(diǎn)BN的ID，BS接收到該消息后做出相應(yīng)處理，當(dāng)前流程結(jié)束。該方案的流程如圖4所示。

3 實(shí)驗(yàn)方案仿真

在MATLAB仿真環(huán)境下，將該檢測(cè)方案與CAT檢測(cè)方案和GROUP檢測(cè)方案分別在誤報(bào)率、漏報(bào)率及檢測(cè)率3方面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。

在100 m×100 m的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地中隨機(jī)均勻部署一個(gè)BS與100個(gè)靜態(tài)傳感器節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)此時(shí)都處于安全狀態(tài)且相互正常通信，通信距離為30 m。實(shí)驗(yàn)中設(shè)定被捕獲的節(jié)點(diǎn)Nc={N1,N2,N3,…,N30}不會(huì)超過(guò)節(jié)點(diǎn)總量的30%，并以每增加5個(gè)被捕獲節(jié)點(diǎn)時(shí)對(duì)應(yīng)的誤報(bào)率、漏報(bào)率及檢測(cè)率變化得出圖像，結(jié)果分別如圖5、圖6及圖7所示。

圖4 方案流程圖

為了保證實(shí)驗(yàn)的一般性，設(shè)定1 min即60 s為節(jié)點(diǎn)被捕獲所需時(shí)間Tc，每個(gè)節(jié)點(diǎn)工作周期T為T(mén)c的1/4即15 s，每個(gè)周期中工作時(shí)間Tw為10 s，休眠時(shí)間Ts為5 s。該方案最長(zhǎng)使用3T完成檢測(cè)即45 s，且45 s＜Tc，滿(mǎn)足節(jié)點(diǎn)捕獲時(shí)間大于節(jié)點(diǎn)周期的條件。1個(gè)節(jié)點(diǎn)以自身作為BN，選取6個(gè)周邊部署的鄰居節(jié)點(diǎn)作為MN，選取6個(gè)相鄰MN節(jié)點(diǎn)的6個(gè)共同鄰居節(jié)點(diǎn)為DN。

從圖5可以看出，CAT檢測(cè)方案、GROUP檢測(cè)方案及本文檢測(cè)方案的檢測(cè)率皆隨著被捕獲Nc的數(shù)量增多而下降。其中，CAT檢測(cè)方案的檢測(cè)率由100%下降到79.6%，GROUP檢測(cè)方案的檢測(cè)率由100%下降到86.7%，本文檢測(cè)方案的檢測(cè)率由100%下降到94.6%。

圖5 不同方案的檢測(cè)率

由于本文方案將節(jié)點(diǎn)組成THS與Cobweb結(jié)構(gòu)，并采用多輪詢(xún)的通信方式來(lái)完成協(xié)同決策，節(jié)點(diǎn)異步休眠機(jī)制的引入保證了信息的通信暢通，因此即使Nc的數(shù)量逐漸增多，該方案依然能夠保證檢測(cè)率平緩下降。GROUP檢測(cè)方案在鏈?zhǔn)綑z測(cè)的體系下，隨著Nc數(shù)量的增多，鏈狀結(jié)構(gòu)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)全部被捕獲的概率增大，且并未考慮休眠機(jī)制，消息丟失與誤報(bào)的概率增大。CAT檢測(cè)方案在結(jié)對(duì)互相檢測(cè)的體系下，當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)被捕獲，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)被捕獲的消息將無(wú)法傳達(dá)給基站，且與GROUP檢測(cè)方案一樣并未考慮休眠機(jī)制。因此隨著Nc數(shù)量的增多，結(jié)對(duì)的節(jié)點(diǎn)同時(shí)被捕獲的可能性也更大，檢測(cè)率下降的也更加明顯。

從圖6可以看出，CAT檢測(cè)方案、GROUP檢測(cè)方案及本文檢測(cè)方案的誤報(bào)率皆隨著被捕獲Nc的數(shù)量增多而上升。其中，GROUP檢測(cè)方案的檢測(cè)率由15.8%上升到36.2%，CAT檢測(cè)方案的檢測(cè)率由12.5%上升到24.9%，該檢測(cè)方案的檢測(cè)率由0.8%上升到6.4%。

由于本文方案采用THS與Cobweb結(jié)構(gòu)來(lái)保證協(xié)同決策的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，因此該方案誤報(bào)率上升趨勢(shì)更為平緩。由于沒(méi)有考慮休眠機(jī)制，盡管CAT檢測(cè)方案在結(jié)對(duì)互相檢測(cè)的體系下需要監(jiān)控的節(jié)點(diǎn)比GROUP檢測(cè)方案少，但是仍會(huì)存在將處在Ts時(shí)的節(jié)點(diǎn)誤報(bào)為Nc的情況，因此CAT檢測(cè)方案誤報(bào)率上升得比本文方案更加明顯。GROUP檢測(cè)方案需要監(jiān)控的節(jié)點(diǎn)更多，也會(huì)有更多將Ts時(shí)的節(jié)點(diǎn)誤報(bào)為Nc的情況，因此誤報(bào)率上升最為明顯。

圖6 不同方案的誤報(bào)率

從圖7可以看出，CAT檢測(cè)方案、GROUP檢測(cè)方案及本文檢測(cè)方案的漏報(bào)率皆隨著被捕獲Nc的數(shù)量增多而上升。其中，CAT檢測(cè)方案的漏報(bào)率由0%上升到16.4%，GROUP檢測(cè)方案的漏報(bào)率由0%上升到8.6%，本文檢測(cè)方案的漏報(bào)率由0%上升到4.2%。

圖7 不同方案的漏報(bào)率

3種方案由于一些邊緣的孤兒節(jié)點(diǎn)無(wú)法支撐檢測(cè)的體系，皆會(huì)造成漏報(bào)的情況。由于本文方案的檢測(cè)體系種各個(gè)節(jié)點(diǎn)分工明確，包容性更強(qiáng)，孤兒節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)的更少，因此該方案的漏報(bào)率上升得更為平緩。GROUP檢測(cè)方案在一組鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)間隔被捕獲時(shí)，無(wú)法判斷處在間隔中的節(jié)點(diǎn)是否被捕獲，因此隨著Nc數(shù)量的增多，漏報(bào)率也會(huì)有一些提升。在CAT檢測(cè)方案中，若是兩個(gè)結(jié)對(duì)的節(jié)點(diǎn)同時(shí)被捕獲則會(huì)造成漏報(bào)情況，同時(shí)也會(huì)影響檢測(cè)率，因此隨著Nc數(shù)量的增多，漏報(bào)率明顯上升。

4 結(jié) 語(yǔ)

為了降低異步休眠框架中WSN節(jié)點(diǎn)捕獲檢測(cè)方案的誤報(bào)率與漏報(bào)率，本文提出了一種融合多輪詢(xún)機(jī)制與節(jié)點(diǎn)協(xié)同決策的檢測(cè)方案。將目標(biāo)檢測(cè)區(qū)域節(jié)點(diǎn)分為BN、MN及DN共3種，每1個(gè)BN、1個(gè)DN及2個(gè)MN組成一個(gè)THS，由節(jié)點(diǎn)分布密度決定由n(n≥2)個(gè)THS構(gòu)成一個(gè)Cobweb結(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)之間采用多輪詢(xún)機(jī)制通信。若一個(gè)Cobweb結(jié)構(gòu)里沒(méi)有節(jié)點(diǎn)被捕獲，則隨機(jī)的THS始終在第1個(gè)周期里工作，節(jié)點(diǎn)之間協(xié)同決策來(lái)降低誤報(bào)率；與此同時(shí)，本文改善了異步休眠機(jī)制來(lái)應(yīng)對(duì)節(jié)點(diǎn)異步休眠方式中信息丟失的問(wèn)題，無(wú)論節(jié)點(diǎn)的工作時(shí)間Tw與休眠時(shí)間Ts在一個(gè)周期T中如何分布，都能夠保證消息正常地發(fā)送與接收，從而降低了方案的誤報(bào)率。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文所提出的檢測(cè)方案通過(guò)降低誤報(bào)率與漏報(bào)率，很好地提升了檢測(cè)率的準(zhǔn)確度。然而，由于本文檢測(cè)方案需要精細(xì)的Cobweb結(jié)構(gòu)支持，因此在目標(biāo)區(qū)域節(jié)點(diǎn)密度過(guò)小時(shí)無(wú)法完成檢測(cè)，下一步的研究方向是如何在低節(jié)點(diǎn)密度的情況下優(yōu)化檢測(cè)方案。