基于無標度網絡的異質化WSNs抗毀性研究

梁健 何勇 翁虎

摘 要：無線傳感器網絡（WSNs）由于受到資源與能量限制，能效與抗毀性成為WSNs拓撲設計的關鍵問題。借助無標度網絡拓撲演化構建WSNs網絡拓撲模型，提高網絡的能效與抗毀性，從而最終延長WSNs的生存周期。根據現有模型，提出一種基于BA無標度網絡的WSNs異質化演化模型，該模型具有BA無標度網絡良好的隨機抗毀性，同時擁有較好的蓄意攻擊抗毀性。利用NetworkX仿真軟件進行對比仿真實驗，結果表明，該網絡模型在蓄意失效部分節點時，相較于EAEM模型，基本無多余節點失效，且網絡生命周期提升了10%左右。

關鍵詞：無線傳感器網絡;復雜網絡;拓撲演化;抗毀性;無標度網絡

DOI：10. 11907/rjdk. 192631 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

中圖分類號：TP309文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2020）005-0199-05

0 引言

“網絡抗毀性”衡量的是系統可持續、穩定提供可靠服務的能力。隨著社會網絡化程度的逐步加深，涉及到諸多領域，如軍事、家居、醫療及環境監測等，因此網絡可靠性成為社會發展的基礎。各種網絡在面臨惡意攻擊或自然災害時是否足夠可靠，仍能保持穩定運行是研究網絡抗毀性需要重點關注的問題。抗毀性主要體現在兩個方面：一是面臨隨機失效或隨機攻擊節點時網絡的性能表現，二是面臨選擇性失效或蓄意攻擊時網絡的性能表現。就目前網絡抗毀性研究而言，主要分為路由控制、網絡重構和拓撲演化3種方式。路由控制的核心思想是利用冗余節點和鏈路提升網絡的抗毀性;網絡重構是在已布設網絡的基礎上引入新的基礎設施，提升網絡異質性，進而改善網絡抗毀性;拓撲演化是指通過配置硬件參數或擴大網絡規模的方式，促使現有網絡拓撲向抗毀性較優的方向演化[1]。當前拓撲演化方法主要包括無標度網絡生長與構建k-連通網絡。無標度網絡借助“偏好依附”機制實現網絡生長，并讓網絡拓撲具備無標度特征。

在BA無標度網絡基礎上，學者們提出了新的WSNs拓撲結構演化模型，模型對節點的隨機故障及失效具有較高的魯棒性，但節點度分布不均衡，蓄意攻擊和高節點度節點失效將會對網絡造成巨大危害。在一些模型演化過程中考慮了節點剩余能量對網絡增長的影響，但對網絡模型的抗毀性未作出分析。Zhu等[3]基于局域網世界模型，提出一種無標度網絡模型EAEM（Energy-Aware Evolution Model）和EBEM（Energy-Balanced Evolution Model）。在EAEM模型中，新加入網絡的節點優先連接剩余能量高的節點，而在EBEM中，除考慮節點剩余能量外，優先加入連接度較高的節點。EAEM和EBEM雖然加入了剩余能量因素，但是忽略了隨著網絡演化，節點度變化對網絡拓撲的影響。其中一些節點度偏高，當面臨選擇性蓄意攻擊時，網絡抗毀性急劇下降。由于WSNs節點分為匯聚、簇頭節點和一般節點，因此WSNs具有的異質性也未能得到體現;Li等[4]提出一種異質WSNs網絡演化模型，將網絡中的節點分為兩種類型。新節點加入網絡時，先按照設定的占比分為匯聚類型和普通類型，并優先選擇與匯聚節點相連接。該模型通過節點分類將網絡從平面網絡轉換成分層網絡，以此體現WSNs的異質性，并能降低網絡路由設計的復雜度，但該模型在面對蓄意攻擊時，網絡抗毀性相對較差;Liu等[5]提出一種可調節冪率的網絡模型，同時通過數學方式優化參數，使網絡在擁有無標度網絡特性的同時，增加了一定隨機性，讓網絡同時擁有良好的隨機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網絡的能量特性和異質性，沒有真實反映WSNs網絡特征。

結合以上分析，本文提出一種基于BA無標度理論的WSNs拓撲優化模型，以提高WSNs抗毀性與最大化網絡生命周期為目標，在網絡初始演化過程中加入節點度變化參數，同時考慮了網絡剩余能量與節點度的共同影響。

1 無標度抗毀性演化模型

1.1 BA無標度演化模型

Barabasi&Albert發現了優先連接機制在網絡演化中產生度分布冪律特性，并提出一種經典的無標度網絡模型——BA模型。BA模型是目前最知名的網絡生成模型，其網絡生成步驟如下：

（1）初始網絡。初始網絡包含m0個節點，且m0個節點全連接。

（2）增長。在現有網絡基礎上，每添加一個新節點，選擇原網絡中的m個節點與新加入節點相連。

（3）優先連接。新添加節點與網絡中現有節點i相連，并遵循如下的優先連接概率：

其中，[jkj]等式為已存網絡中所有節點的度。通過仿真軟件生成BA網絡模型，其網絡拓撲結構如圖1所示，圖示節點大小代表節點的度，可以看到幾個關鍵節點連接著大多數節點。

1.2 演化模型假設

假設WSNs中隨機分散著N個節點，其具備如下特點：①傳感器節點具有全局唯一的標識符ID;②普通傳感器節點部署到目標區域內，其不具有移動能力，隨機分布在正方形區域;③在部署時，節點具有相同能量，且其能量均無法得到補充。

1.3 異質化能量均衡模型演化

針對WSNs抗毀性的研究是在具有無標度特性的網絡演化模型基礎上對模型進行適當改進，使其具有更好的抗毀性表現，并且更加符合WSNs網絡特性。當BA無標度網絡面臨隨機攻擊和蓄意攻擊時，由于其在蓄意攻擊下的抗毀性較差，所以為了達到提高無標度網絡抗毀性的目標，需要提高相應蓄意攻擊下的抗毀性。因此，基于BA無標度網絡的WSNs應具有以下3個特點：①具有無標度網絡良好的隨機攻擊抗毀性;②更好地體現網絡的異質性;③在已有網絡模型基礎上，有良好的蓄意攻擊抗毀性，且具有更長的網絡生命周期。

最終本文基于BA網絡模型，綜合考慮節點度、能量與網絡局域性，提出HEBEM （Heterogeneous Energy-Balanced Evolution Model）模型。該模型由拓撲特征和節點度負載共同決定網絡拓撲結構演化過程。根據WSNs實際特征，將網絡中的節點分為兩類：type-c和type-s節點，分別對應WSNs中的匯聚節點和普通節點。首先給出的網絡演化機制遵循以下連接策略，演化步驟如下：

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（責任編輯：黃 健）