CN114553322A - 一种低开销的水声网络去中心化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种低开销的水声网络去中心化方法，基于本发明构建的去中心化的水声网络，能够在水下环境以低开销完成了检测主节点故障自动检测，并完成主节点的智能切换，从而确保整个网络继续作业，延长了网络寿命。本发明基于本发明构建的去中心化的水声网络，能够在水下环境以低开销完成主节点故障自动检测，并完成主节点的智能切换，保障了网络的安全性和鲁棒性。在水下环境以低开销实现了基于共识的水声网络去中心化组网，有效降低了由于通信次数过多而产生的水声网络带宽与能量消耗，能够克服水声信道质量差以及节点能量有限对该方法实施的影响，提高了中心节点切换过程的成功率，在资源受限的水下环境中显著提升了水声网络的容错性和抗毁性。

Description

一种低开销的水声网络去中心化方法

技术领域

本发明涉及水声组网领域，具体涉及水声学，水声通信方面，具体是一种水声网络的去中心化方法。

背景技术

地球表面的70.9％是被海水覆盖，所以对海洋信息进行研究具有深刻意义。由于电子***、水下通信以及水下传感技术的发展，推动了水声网络(UANs)的发展。由于水声网络具有低成本，布设灵活，可自组织、可探测未知区域等优点被广泛的应用于海洋监测、海洋资源勘测、灾害预警、港口监控、辅助导航以及海洋军事等领域。考虑到恶劣水声信道与复杂海洋环境对水声组网带来的挑战，现有的水声网络大多是基于中心式控制。中心控制式网络具有网络稳定，收敛快，组网简单的优势，却存在容错性差与抗毁性弱的不足。如果中心节点故障或者被攻击，整个网络都将会陷入瘫痪。因此，构建去中心化的水声网络***意义重大。

在去中心化的水声网络***中，只有通过每个节点协调合作，才能使整个***正常运作。随着整个***规模的不断增长，会造成较大的时延和能量消耗。除此之外，去中心化水声网络***部署后，不正当的操作也可能导致***问题，一些节点也可能遭到攻击，造成***的不可靠性。所以，如何让每一个工作节点都能达成共识，即使出现了恶意节点，也能保证整体***的正常运行，这些都成为去中心化水声网络中亟解决的关键问题。

实用拜占庭容错方法(PBFT)由Castro(卡斯特罗)和Barbara Liskov(利斯科夫)在1999年提出来的，该方法解决了原始拜占庭容错方法效率不高的问题，将方法复杂度由指数级降低到多项式级；可以工作在异步环境中，并实现了一种拜占庭容错的分布式文件***。

然而，现有的PBFT方法在互联网基础设施以及陆地无线网络上被证明是有效的。若将PBFT方法应用于水声网络环境中时会遇到严重的问题，带来巨大的挑战。如由于水下环境复杂，水声信道高延迟，窄带宽，多径效应明显等环境因素的制约，不仅会降低节点达成共识的成功率；而且现有面向互联网以及陆地无线网的共识机制给带宽严重受限的水声网络带来巨大的控制开销，造成高能耗，在节点能量有限的水声网络中，该问题更加严重。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种低开销的水声网络去中心化方法。为了在资源受限的水下环境中增加水声网络的容错性和抗毁性，本发明提出了一种水声网络中节点去中心化方法：水声网络实用拜占庭容错方法(U-PBFT)。基于本发明构建的去中心化的水声网络，能够在水下环境以低开销完成了检测中心节点(也称主节点，下文统称为主节点)故障自动检测，并完成主节点的智能切换，从而确保整个网络继续作业，延长了网络寿命。

去中心化是一个动词也是一种进程。本发明为水声网络提出了一种去中心化方法，本发明所构建的水声网络，每个时刻都有确定的唯一的中心；但整个时间维度上，水声网络的中心节点依实际网络环境与节点状态的变化而不断自动切换。基于水声网络实用拜占庭容错方法与共识机制完成水声网络中心节点的自动智能更替，达到低开销、低能耗、低时延去中心化的目的。整个***“零信任”，节点不相信其中某一节点的消息，只相信大多数节点的决策，利用水下广播特性、隐式确认、计时器策略以及限制通信次数等四个角度相结合构建稳健的水声网络。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案的具体步骤如下：

步骤1：本发明主要针对水下自组织网络场景，网络场景部署图如图1所示。网络中节点单跳可达，T代表数据收集的一个周期，整个网络节点总数为N，网络节点分为主节点和普通节点，其中故障节点总数为f，N大于等于2f+1，任意选出一个节点为主节点，其余N-1个节点为普通节点，主节点接收普通节点发送的消息，并传输给水面基站；普通节点收集数据并传输给主节点，普通节点间的角色可以进行切换；

网络中，利用水下环境的广播特性、计时器机制并结合隐式确认机制，普通节点监听主节点的工作情况，依据判定规则判断主节点是否发生故障，若主节点发生故障，则普通节点提出切换请求，即发送共识数据包格式如下：

其中“Packet_Type”字段，描述共识进入的阶段，Packet_Type＝0表示Request阶段，Packet_Type＝1表示Commit阶段，Packet_Type＝2表示Reply阶段，“Source_id”代表源节点id，整个方法的流程如图3所示，水声网络组网成功后，整个网络开始工作；

步骤2：率先检测到主节点故障的普通节点变为请求切换节点，并提出request请求，将“切换主节点”的数据包发送至其他普通节点；

步骤3：收到request请求的普通节点，首先，核对发送者的信息，如信息来源正确，则收下该数据包，否则，丢弃该数据包；

其次，检查“切换主节点”是否与普通节点的本身意图相同，如“切换主节点”与普通节点本身意图，则发送commit消息至其他普通节点，进入步骤4，否则，丢弃该数据包，并进入步骤4；

步骤4：收到commit请求的普通节点，首先，检查发送者信息，如信息来源正确，则收下该数据包，如信息来源错误，则丢弃该数据包；其次，统计字段“Packet_type＝1”的数据包的个数，整个***中有f个故障节点，需要在存在故障的情况下其他普通节点还能做出决策，则需要普通节点个数为f+1，所以当收到大于或者等于f+1个“Packet_type＝1”的数据包时，进入步骤5，当收到小于f+1个“Packet_type＝1”的数据包，则丢弃该数据包，并进入步骤5；

步骤5：由于在commit阶段，节点已经做出了决策，但是由于水下链路的不稳定性，存在丢包、延时等问题，普通节点无法确定，其他普通节点也达到commit阶段，会导致整个网络不一致，所以所有conmmit阶段完成的普通节点需回复reply消息给下一任主节点；

步骤6：当下一任主节点收到任意一个来自其他节点的“Packet_type＝2”的数据包时，说明其他节点做出决策，则普通节点切换至发送数据给新的主节点，整个网络正常工作。

所述步骤1中，提出切换请求的具体步骤如下：

在数据收集周期T中，普通节点进行数据信息的收集，并传输给主节点，此时普通节点进行信道的监听，若未监听到主节点转发数据，且主节点的工作时间在阈值M内，则继续工作；若未监听到主节点转发数据，且主节点工作时间超出阈值M的范围，则判断主节点故障，提出切换主节点的请求，则该普通节点为率先检测到的节点，进入步骤2；其中阈值M为数据收集总周期，M＝mT，{m＝1，2，3，…，n}。

所述选择下一任主节点的计算公式为：

k＝(r+1)mod N

其中，k代表下一任主节点的节点序号，r是上一个工作的主节点的序号，mod代表取模运算符。

本发明的有益效果在于本发明提出了一种水声网络实用拜占庭容错方法(U-PBFT)，具有如下优势：

(1)基于本发明构建的去中心化的水声网络，能够在水下环境以低开销完成主节点故障自动检测，并完成主节点的智能切换，保障了网络的安全性和鲁棒性。

(2)该方法在水下环境以低开销实现了基于共识的水声网络去中心化组网，传统的PBFT方法的通信开销为2N²-2N次，本发明的水下实用拜占庭容错方法的通信开销为(N-2)²次，有效降低了由于通信次数过多而产生的水声网络带宽与能量消耗。

(3)本发明在完成网络中心化的过程中，能够克服水声信道质量差以及节点能量有限对该方法实施的影响，提高了中心节点切换过程的成功率，在资源受限的水下环境中显著提升了水声网络的容错性和抗毁性。

附图说明

图1是本发明水下网络场景部署图。

图2是本发明处理过程流程图。

图3是本发明共识过程流程图。

图4是本发明节点数为5-20个时的通信开销结果图。

图5是本发明节点数为20-100个时的通信开销结果图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案的具体步骤如下：

步骤1：本发明主要针对水下自组织网络场景，网络场景部署图如图1所示。网络中节点单跳可达，T代表数据收集的一个周期，整个网络节点总数为N，网络节点分为主节点和普通节点，其中故障节点总数为f，N大于等于2f+1，任意选出一个节点为主节点，其余N-1个节点为普通节点，主节点接收普通节点发送的消息，并传输给水面基站；普通节点收集数据并传输给主节点，普通节点间的角色可以进行切换；

网络中，利用水下环境的广播特性、计时器机制并结合隐式确认机制，普通节点监听主节点的工作情况，依据判定规则判断主节点是否发生故障，若主节点发生故障，则普通节点提出切换请求，即发送共识数据包格式如下：

其中“Packet_Type”字段，描述共识进入的阶段，Packet_Type＝0表示Request阶段，Packet_Type＝1表示Commit阶段，Packet_Type＝2表示Reply阶段，“Source_id”代表源节点id，整个方法的流程如图3所示，水声网络组网成功后，整个网络开始工作；

提出切换请求的具体步骤如下：

在数据收集周期T中，普通节点进行数据信息的收集，并传输给主节点，此时普通节点进行信道的监听，若未监听到主节点转发数据，且主节点的工作时间在阈值M内，则继续工作；若未监听到主节点转发数据，且主节点工作时间超出阈值M的范围，则判断主节点故障，提出切换主节点的请求，则该普通节点为率先检测到的节点，进入步骤2；其中阈值M为数据收集总周期，M＝mT，{m＝1，2，3，…，n}。

步骤2：率先检测到主节点故障的普通节点变为请求切换节点，并提出request请求，将“切换主节点”的数据包发送至其他普通节点；

步骤3：收到request请求的普通节点，首先，核对发送者的信息，如信息来源正确，则收下该数据包，否则，丢弃该数据包；

其次，检查“切换主节点”是否与普通节点的本身意图相同，如“切换主节点”与普通节点本身意图，则发送commit消息至其他普通节点，进入步骤4，否则，丢弃该数据包，并进入步骤4；

步骤4：收到commit请求的普通节点，首先，检查发送者信息，如信息来源正确，则收下该数据包，如信息来源错误，则丢弃该数据包；其次，统计字段“Packet_type＝1”的数据包的个数，整个***中有f个故障节点，需要在存在故障的情况下其他普通节点还能做出决策，则需要普通节点个数为f+1，所以当收到大于或者等于f+1个“Packet_type＝1”的数据包时，进入步骤5，当收到小于f+1个“Packet_type＝1”的数据包，则丢弃该数据包，并进入步骤5；

步骤5：由于在commit阶段，节点已经做出了决策，但是由于水下链路的不稳定性，存在丢包、延时等问题，普通节点无法确定，其他普通节点也达到commit阶段，会导致整个网络不一致，所以所有conmmit阶段完成的普通节点需回复reply消息给下一任主节点；

所述选择下一任主节点的计算公式为：

k＝(r+1)mod N

其中，k代表下一任主节点的节点序号，r是上一个工作的主节点的序号，mod代表取模运算符。

步骤6：当下一任主节点收到任意一个来自其他节点的“Packet_type＝2”的数据包时，说明其他节点做出决策，则普通节点切换至发送数据给新的主节点，整个网络正常工作。

实施例：

图1为本发明的水下网络场景部署图。构建一个总结点数为N的网络，更具体的，构建一个N＝5，f＝1，T＝10min，m＝3，M＝3T的水声网络，在指定的海域采集信息，其中，主节点负责接收来自其他节点的数据，并传输数据至地面站。水下组网成功后，整个网络开始工作。整个处理过程如图2所示，为了验证切换效果，则在T＝30min时，设置主节点故障，且由N₂节点率先检测到。

步骤1：普通节点进行数据信息的收集，并传输给主节点N₀，在T＝30min时，N₂检测到主节点故障进入步骤2；

步骤2：共识阶段流程如图3所示，节点N₂提出request请求，并将该数据包发送至其他普通节点。消息请求类型为<REQUEST，o，t，i，p>，其中o代表操作内容，t代表时间戳，i代表节点本身的节点号，p代表此时工作的主节点号；

步骤3：收到request请求的节点，首先，核对发送者的信息，信息来源正确，则收下该数据包，否则，丢弃。其次，检查“切换主节点”是否与本节点本身意图相同，相同则发送commit消息至其他普通节点，进入步骤4，发送消息格式为<COMMIT，p，t，i，o>，询问其他节点，其中p，t，i，o所代表的内容与步骤2相同，否则，丢弃。

步骤4：收到commit请求的节点，首先，检查发送者信息，信息来源正确，则收下该数据包，否则，丢弃。其次，统计字段“Packet_type＝1”的数据包的个数，当收到大于或者等于f+1个“Packet_type＝1”的数据包时，进入步骤5，否则，丢弃。

步骤5：进入replay阶段，普通节点回复replay消息给计算出的下一个主节点，此时计算出的下一个主节点为N₁，reply消息格式为<reply，p，t，i，r>，其中r代表响应消息。

步骤6：下一任主节点N₁收到reply消息，当收到任意一个来自其他节点的“Packet_type＝2”的数据包时，标志着主节点切换成功，则普通节点切换至发送数据给新的主节点，整个网络正常工作。

本发明利用U-PBFT实现了低能量开销下的水声网络去中心化组网，由图4、图5可知，随着网络模型的增大，节点数量在增加，通信开销也会随之增大，但与传统的PBFT相比较，U-PBFT的通信开销更小，则能量消耗更低。所以，本发明设计的针对水声网络中节点去中心化方法，是一种低能量开销的去中心化组网方法，对于水声网络具有重要研究价值。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (3)

1.一种低开销的水声网络去中心化方法，其特征在于包括下述步骤：

步骤1：网络中节点单跳可达，T代表数据收集的一个周期，整个网络节点总数为N，网络节点分为主节点和普通节点，其中故障节点总数为f，N大于等于2f+1，任意选出一个节点为主节点，其余N-1个节点为普通节点，主节点接收普通节点发送的消息，并传输给水面基站；普通节点收集数据并传输给主节点，普通节点间的角色可以进行切换；

网络中，利用水下环境的广播特性、计时器机制并结合隐式确认机制，普通节点监听主节点的工作情况，依据判定规则判断主节点是否发生故障，若主节点发生故障，则普通节点提出切换请求，即发送共识数据包格式如下：

其中“Packet_Type”字段，描述共识进入的阶段，Packet_Type＝0表示Request阶段，Packet_Type＝1表示Commit阶段，Packet_Type＝2表示Reply阶段，“Source_id”代表源节点id，水声网络组网成功后，整个网络开始工作；

步骤2：率先检测到主节点故障的普通节点变为请求切换节点，并提出request请求，将“切换主节点”的数据包发送至其他普通节点；

步骤3：收到request请求的普通节点，首先，核对发送者的信息，如信息来源正确，则收下该数据包，否则，丢弃该数据包；

其次，检查“切换主节点”是否与普通节点的本身意图相同，如“切换主节点”与普通节点本身意图，则发送commit消息至其他普通节点，进入步骤4，否则，丢弃该数据包，并进入步骤4；

步骤4：收到commit请求的普通节点，首先，检查发送者信息，如信息来源正确，则收下该数据包，如信息来源错误，则丢弃该数据包；其次，统计字段“Packet_type＝1”的数据包的个数，整个***中有f个故障节点，需要在存在故障的情况下其他普通节点还能做出决策，则需要普通节点个数为f+1，所以当收到大于或者等于f+1个“Packet_type＝1”的数据包时，进入步骤5，当收到小于f+1个“Packet_type＝1”的数据包，则丢弃该数据包，并进入步骤5；

步骤5：由于在commit阶段，节点已经做出了决策，所有conmmit阶段完成的普通节点需回复reply消息给下一任主节点；

步骤6：当下一任主节点收到任意一个来自其他节点的“Packet_type＝2”的数据包时，说明其他节点做出决策，则普通节点切换至发送数据给新的主节点，整个网络正常工作。

2.根据权利要求1所述的低开销的水声网络去中心化方法，其特征在于：

所述步骤1中，提出切换请求的具体步骤如下：

在数据收集周期T中，普通节点进行数据信息的收集，并传输给主节点，此时普通节点进行信道的监听，若未监听到主节点转发数据，且主节点的工作时间在阈值M内，则继续工作；若未监听到主节点转发数据，且主节点工作时间超出阈值M的范围，则判断主节点故障，提出切换主节点的请求，则该普通节点为率先检测到的节点，进入步骤2；其中阈值M为数据收集总周期，M＝mT，{m＝1，2，3，…，n}。

3.根据权利要求1所述的低开销的水声网络去中心化方法，其特征在于：

所述选择下一任主节点的计算公式为：

k＝(r+1)mod N

其中，k代表下一任主节点的节点序号，r是上一个工作的主节点的序号，mod代表取模运算符。

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