基于安全性的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步算法研究

殷鵬

摘 要： 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)能力不高，導(dǎo)致以往提出的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步算法的安全性能不高、同步誤差較大，現(xiàn)提出基于安全性的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步算法。基于安全性的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步系統(tǒng)中的父節(jié)點(diǎn)構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和子節(jié)點(diǎn)，子節(jié)點(diǎn)通過與父節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，平衡無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步，CC2530芯片將父節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步的運(yùn)算工作在仿真器中完成，傳輸接口將父節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)的交互信息輸出到仿真器，為運(yùn)算工作提供數(shù)據(jù)仿真源。安全性調(diào)試接口對(duì)父節(jié)點(diǎn)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)結(jié)果和時(shí)鐘同步運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)展示。系統(tǒng)對(duì)同步安全算法和同步算法語言的設(shè)計(jì)，較為有效地實(shí)現(xiàn)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可知，所提算法同步誤差小，安全性能高。

關(guān)鍵詞： 數(shù)據(jù)交互； 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)； 時(shí)鐘同步； 數(shù)據(jù)仿真

中圖分類號(hào)： TN711?34； TP212.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）04?0151?04

Research on security?based clock synchronization algorithm for wireless sensor network

YIN Peng

（Business College of Shanxi University， Taiyuan 030024， China）

Abstract： Since the previously?proposed clock synchronization algorithms for wireless sensor network have poor safety performance and big synchronization error due to the poor storage capacity of the wireless sensor network， a security?based clock synchronization algorithm for wireless sensor network is proposed. The father node in the system is used to construct the wireless sensor network and child nodes. The data of the child nodes is interacted through the father node to balance the clock synchronization of the wireless sensor network. The chip CC2530 is adopted to connect the father node with the child nodes. The operation of the wireless sensor network clock synchronization is accomplished in the simulator. The mutual information of the father node and child nodes is output to the simulator through the transmission interface to provide the data simulation source for operation. The real?time display for the network results constructed by the father node and clock synchronization operation results were realized with the security debugging interface. The synchronization security algorithm and synchronization algorithm language were designed to implement the clock synchronization of the wireless sensor network. The results of the experimental verification show that the algorithm has small error and high safety.

Keywords： data interaction； wireless sensor network； clock synchronization； data simulation

0 引 言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種將感應(yīng)技術(shù)、無線傳輸技術(shù)和微電子技術(shù)有機(jī)融合在一起的自組織網(wǎng)絡(luò)，具有低耗、廉價(jià)、性能優(yōu)良等特點(diǎn)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常被安置在需要進(jìn)行數(shù)據(jù)行為監(jiān)控的區(qū)域內(nèi)，在消防、智能家電、軍事、醫(yī)療等領(lǐng)域均有著非常廣泛的應(yīng)用[1?3]。時(shí)鐘同步是協(xié)調(diào)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)處理能力和耗能水平的保障。由于受到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目較少的限制，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的存儲(chǔ)能力往往不高，導(dǎo)致其時(shí)鐘同步算法的安全性能不高、同步誤差較大。故提出基于安全性的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步算法，提高算法安全性能、縮減同步誤差[4?6]。

科研組織曾研究出一些無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步算法，但均或多或少地存在一定的缺陷，如文獻(xiàn)[7]提出的TPSN無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步算法，是以樹狀圖為參照物設(shè)計(jì)出的結(jié)構(gòu)類同步算法。它先對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)淠Ｐ瓦M(jìn)行構(gòu)建，再對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分組同步。該算法的安全性能不高，且拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)無法精準(zhǔn)反映出無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際分布情況，因此同步誤差較高；文獻(xiàn)[8]提出的神經(jīng)元無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘自動(dòng)同步算法，是根據(jù)RFA時(shí)鐘同步協(xié)議進(jìn)行設(shè)計(jì)的同步算法。RFA時(shí)鐘同步協(xié)議通過調(diào)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中歷史時(shí)鐘數(shù)據(jù)，來平衡現(xiàn)階段的同步誤差。但算法僅僅對(duì)時(shí)鐘偏差進(jìn)行了平衡，斜率等誤差仍存在。現(xiàn)提出基于安全性的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步算法，解決上述算法的缺陷。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可知，所提算法同步誤差小，安全性能高。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1為基于安全性的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。由圖1可知，基于安全性的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步系統(tǒng)的核心組成設(shè)備是算法支持芯片，該芯片將系統(tǒng)的父節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接。父節(jié)點(diǎn)的主要作用是構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)存在的情況下，子節(jié)點(diǎn)才會(huì)出現(xiàn)。子節(jié)點(diǎn)的主要作用是通過與父節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步的平衡。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步的運(yùn)算工作是在仿真器中完成的，系統(tǒng)中所配置的安全性調(diào)試接口和安全性傳輸接口均是運(yùn)算工作的后臺(tái)支持端。安全性調(diào)試接口主要進(jìn)行父節(jié)點(diǎn)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)結(jié)果和仿真器中的時(shí)鐘同步運(yùn)算結(jié)果的展示工作。安全性傳輸接口負(fù)責(zé)將父節(jié)點(diǎn)與子節(jié)點(diǎn)間的交互數(shù)據(jù)輸出到仿真器中，為運(yùn)算工作提供數(shù)據(jù)仿真源。

1.2 算法支持芯片設(shè)計(jì)

由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用常需進(jìn)行隱蔽設(shè)計(jì)，故要求基于安全性的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步系統(tǒng)選擇的算法支持芯片應(yīng)方便攜帶，并且具有較高的集成度。

系統(tǒng)選用的算法支持芯片是CC2530芯片，CC2530芯片作為強(qiáng)化型的多領(lǐng)域8051片上系統(tǒng)，其體積很小、集成度較高、兼容性優(yōu)異，并擁有很強(qiáng)的運(yùn)算平衡能力。圖2為CC2530芯片結(jié)構(gòu)圖。

由圖2可知，CC2530芯片主要由8051中央處理器、射頻收發(fā)器、直接內(nèi)存訪問器組成，并擁有32 KB，64 KB，128 KB以及256 KB的閃存，可給予系統(tǒng)不同的工作流程，以平衡系統(tǒng)的資源和工作能耗。CC2530芯片還配置了無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議棧，使得父節(jié)點(diǎn)與子節(jié)點(diǎn)間的信息交互更為流暢、精準(zhǔn)。

1.3 安全性調(diào)試接口設(shè)計(jì)

在基于安全性的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步系統(tǒng)中，安全性調(diào)試接口根據(jù)CC2530芯片中無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議棧的傳輸支持，對(duì)父節(jié)點(diǎn)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)結(jié)果和仿真器中的時(shí)鐘同步運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行展示。圖3所示為安全性調(diào)試接口電路圖。

由圖3可知，安全性調(diào)試接口利用聯(lián)合測試行為組織（Joint Test Action Group，JTAG）協(xié)議進(jìn)行展示調(diào)試。JTAG協(xié)議是專門為嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試工作的協(xié)議，其為電子設(shè)備提供了包括時(shí)鐘監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換、電子控制、各類數(shù)據(jù)庫標(biāo)準(zhǔn)支持等調(diào)試功能。安全性調(diào)試接口利用JTAG協(xié)議提供的調(diào)試工具為基于安全性的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步系統(tǒng)提供服務(wù)，其擁有10線接口，可與多種類型的仿真器進(jìn)行連接。

1.4 安全性傳輸接口設(shè)計(jì)

安全性傳輸接口使用的接口類型是RS 422，RS 422接口的全稱為“平衡電壓數(shù)字接口電路的電氣特性接口”，其使用差模傳輸方式，最遠(yuǎn)傳輸距離長達(dá)1 200 m，并具有較強(qiáng)的抗干擾能力和驅(qū)動(dòng)能力。使用者只需在安全性傳輸接口中自行編譯簡單的控制語言，便能夠?qū)崿F(xiàn)仿真器與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)通信，通常采用異步啟停類型編碼語言。圖4為安全性傳輸接口電路圖。

由圖4可知，安全性傳輸接口電路擁有8個(gè)管腳和4個(gè)外設(shè)接口，其傳輸方式是串行雙向通信。電路中接收器的輸入阻抗是4 kΩ，電路所能承受的最大負(fù)載為100 Ω。

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步算法設(shè)計(jì)

2.1 同步安全算法

出于對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中軟件和硬件的安全性能差異性較大的考慮，基于安全性的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步算法對(duì)二者進(jìn)行了分類設(shè)計(jì)，簡稱“同步安全算法”。同步安全算法由兩部分組成，分別是硬件時(shí)鐘同步安全算法和軟件時(shí)鐘同步安全算法。

2.1.1 硬件時(shí)鐘同步安全算法

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的硬件時(shí)鐘數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出的是線性曲線，故可根據(jù)對(duì)比相鄰無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采集到的歷史硬件時(shí)鐘數(shù)據(jù)，來判斷當(dāng)前的硬件時(shí)鐘數(shù)據(jù)是否能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)同步。

用表示時(shí)鐘數(shù)據(jù)值，，表示兩個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)的序列，表示節(jié)點(diǎn)接收時(shí)鐘數(shù)據(jù)的時(shí)間序列，表示歷史時(shí)鐘讀數(shù)，表示兩相鄰節(jié)點(diǎn)與之間線性曲線斜率的單步估計(jì)值，則可表示為：

在判斷當(dāng)前的硬件時(shí)鐘數(shù)據(jù)是否能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)同步時(shí)，首先計(jì)算出相鄰兩項(xiàng)的線性曲線斜率單步估計(jì)值和，如果時(shí)鐘精準(zhǔn)同步，則滿足：

若不滿足式（2），則該硬件時(shí)鐘數(shù)據(jù)無法實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)同步，此時(shí)基于安全性的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步系統(tǒng)將會(huì)對(duì)其進(jìn)行刪除處理。

2.1.2 軟件時(shí)鐘同步安全算法

與硬件時(shí)鐘不同，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的軟件時(shí)鐘并不具備線性曲線，也不存在簡單的時(shí)鐘同步操作，對(duì)于軟件時(shí)鐘同步的精準(zhǔn)與否可不作判斷，即時(shí)鐘一旦出現(xiàn)數(shù)據(jù)，則可看作是精準(zhǔn)同步。所以，當(dāng)時(shí)鐘數(shù)據(jù)不為空時(shí)，則代表時(shí)鐘同步已實(shí)現(xiàn)。

設(shè)是節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘數(shù)據(jù)，為相鄰兩節(jié)點(diǎn)間互傳的時(shí)鐘數(shù)據(jù)，則有：

式中：，分別代表軟件時(shí)鐘的校準(zhǔn)系數(shù)；代表相鄰節(jié)點(diǎn)間的斜率；代表無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中擁有相鄰節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量。

2.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步算法語言設(shè)計(jì)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步算法語言利用CLKCON字節(jié)語言進(jìn)行編譯。由于CC2530芯片內(nèi)共配備了4個(gè)計(jì)時(shí)器，故利用第一個(gè)計(jì)時(shí)器進(jìn)行無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘的讀取，利用第二個(gè)計(jì)時(shí)器給出CLKCON字節(jié)語言的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，第三個(gè)計(jì)時(shí)器為基于安全性的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步算法的頻率進(jìn)行定義，第四個(gè)計(jì)時(shí)器進(jìn)行無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘的輸出。

對(duì)父節(jié)點(diǎn)而言，當(dāng)仿真器需要進(jìn)行運(yùn)算工作時(shí)，父節(jié)點(diǎn)會(huì)首先對(duì)計(jì)時(shí)器的總顯示值BZ進(jìn)行讀取。在與子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互前，需要讀取計(jì)時(shí)器3的顯示值B3，BZ和B3是仿真器的所需的重點(diǎn)數(shù)據(jù)，故將這兩個(gè)數(shù)據(jù)同時(shí)寫入數(shù)據(jù)包并進(jìn)行傳送。所給出的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)父節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘同步算法語言如下：

Scratch file?pop?up mechanism=SUSPEND1；

%為系統(tǒng)設(shè)定復(fù)位標(biāo)準(zhǔn)，讀取計(jì)時(shí)器1中顯示值

{

Lag?nt（9）；

MICROscale?BZ=Read timer clock（）；

%給出“讀取計(jì)時(shí)器時(shí)鐘”的指令

MICROscale?B1=rx?collect?end?>info[11]；

%讀取計(jì)時(shí)器B1數(shù)據(jù)

Tx?buffer[tx?buffer?top?1][11]= MICROscale?B1；

%把B1匯入數(shù)據(jù)包并存儲(chǔ)

Tx?buffer[tx?buffer?top?1][12]= MICROscale?B2；

%把B2匯入數(shù)據(jù)包并存儲(chǔ)

Tx?buffer[tx?buffer?top?1][13]=read?time1?SUSPEND1；

%發(fā)送數(shù)據(jù)包前，讀取計(jì)時(shí)器B3數(shù)據(jù)

Tx?buffer[tx?buffer?top?1][116]=18；

%計(jì)量數(shù)據(jù)包的長度并存儲(chǔ)

}

當(dāng)子節(jié)點(diǎn)確認(rèn)已收取上述數(shù)據(jù)包后，應(yīng)先對(duì)計(jì)時(shí)器4的顯示值進(jìn)行讀取，再調(diào)出數(shù)據(jù)包中的BZ，B1，B3，最后利用第2.1節(jié)中給出的時(shí)鐘同步安全算法公式，對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步進(jìn)行平衡。所給出的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)子節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘同步算法語言如下：

Void DO?MICROscale（void）

{

Hal?FIT?info?fugle（）；

MICROscale?replace=1；

MICROscale?mark=false；

while（rx?collect?project?used！=0）

%檢驗(yàn)所采集的數(shù)據(jù)里是否存在不合格數(shù)據(jù)包

{

readRxCollect（）； %讀取所采集的數(shù)據(jù)包

if（rx?collect?end?>info[9]==OxFF&&rx?collect?end?>info

[10]==SCMD?MICROscale）

Bool replace?mark；

MICROscale?B4=Read timer clock（）；

%讀取計(jì)時(shí)器4的顯示值B4

MICROscale?B1=rx?collect_end?>info[11]；

MICROscale?B2=rx?collect_end?>info[12]；

MICROscale?B3=rx?collect_end?>info[13]；

MICROscale?replace=（（MICROscale?B2?MICROscale?

B1）+（MICROscale?B2?MICROscale?B4））/2；

%運(yùn)算出無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時(shí)鐘誤差

Write?timer1（read_timer1?CNB1（）+MICROscale?replace）；

%將芯片計(jì)時(shí)器的顯示數(shù)寫入數(shù)據(jù)包

Contrast string（"＼r＼ncogradient finish！"）；

%串口時(shí)鐘同步輸出

} }

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)采用仿真驗(yàn)證方式對(duì)基于安全性的無線傳感網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步算法系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證項(xiàng)目為系統(tǒng)的同步誤差和安全性能。

仿真中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為正方形，其邊長為200 m，節(jié)點(diǎn)數(shù)量為200個(gè)，節(jié)點(diǎn)均勻分布在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘數(shù)據(jù)包共計(jì)60個(gè)。選取本文算法、對(duì)稱識(shí)別加密算法和FTFP算法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

3.1 同步誤差驗(yàn)證

規(guī)定無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘的同步誤差應(yīng)低于±0.5 ms，用表示算法的同步時(shí)間，表示實(shí)際時(shí)間，則同步誤差的計(jì)算公式為：

（5）

在相同條件下，使用本文算法、對(duì)稱識(shí)別加密算法和FTFP算法對(duì)仿真無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行時(shí)鐘同步運(yùn)算。運(yùn)算周期為20 s，2 h后根據(jù)式（5）對(duì)各算法運(yùn)算結(jié)果的同步誤差進(jìn)行運(yùn)算，將所得結(jié)果繪制成曲線，如圖5所示。由圖5可看出，本文算法的同步誤差要遠(yuǎn)低于對(duì)稱識(shí)別加密算法和FTFP算法，可驗(yàn)證本文算法同步誤差小。

3.2 安全性能驗(yàn)證

在仿真無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中加入天線，接收低等強(qiáng)度和高等強(qiáng)度的網(wǎng)絡(luò)入侵，此時(shí)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中時(shí)鐘同步收斂速度越快，時(shí)鐘抗干擾能力越強(qiáng)，證明其算法的安全性能就越高。本文算法、對(duì)稱識(shí)別加密算法和FTFP算法的收斂速度曲線如圖6、圖7所示。

由圖6、圖7可知，在低等強(qiáng)度和高等強(qiáng)度的網(wǎng)絡(luò)入侵下，對(duì)稱識(shí)別加密算法和FTFP算法的收斂速度曲線的波動(dòng)隨入侵強(qiáng)度的增大，未產(chǎn)生較大變化，其收斂速度始終不高，證明這兩種算法未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)入侵的存在，安全性能不高。而本文算法在高等強(qiáng)度網(wǎng)絡(luò)入侵下的收斂速度，比起其在低等強(qiáng)度網(wǎng)絡(luò)入侵下的收斂速度，有較大的提高，且收斂速度曲線始終高于其他兩種算法，證明本文算法能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)入侵的存在，驗(yàn)證了本文算法具有很高的安全性能。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)基于安全性的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步系統(tǒng)，系統(tǒng)中的父節(jié)點(diǎn)構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和子節(jié)點(diǎn)，子節(jié)點(diǎn)通過與父節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，平衡無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步，CC2530芯片將父節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接。系統(tǒng)對(duì)同步安全算法和同步算法語言的設(shè)計(jì)，較為有效地實(shí)現(xiàn)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可知，基于安全性的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步系統(tǒng)同步誤差小，安全性能高。

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