專利名稱：建立無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分層路由協(xié)議的信任機(jī)制的方法
建立無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分層路由協(xié)議的信任機(jī)制的方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信安全領(lǐng)域，具體地本發(fā)明涉及一種建立無線傳 感器網(wǎng)絡(luò)分層路由協(xié)議的信任機(jī)制的方法，將簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)和簇頭節(jié)點(diǎn)的各自交互記錄轉(zhuǎn)化為 自身信任值的安全度量，并將其應(yīng)用于無限傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由當(dāng)中。
背景技術(shù)：
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks)由于其高度的學(xué)科交叉性和廣泛 的應(yīng)用前景受到世界各地學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的高度關(guān)注。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由數(shù)目眾多的傳感 器節(jié)點(diǎn)通過多跳無線通信方式組成，她不依賴于基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施。每個節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中都同時(shí) 充當(dāng)了主機(jī)和路由器兩種角色，目的是協(xié)作感知，采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)的感知信息， 并對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，傳送到需要的終端。節(jié)點(diǎn)一般采用電池供電，能量極其受限。這種 情況下要延長網(wǎng)絡(luò)壽命就必須降低節(jié)點(diǎn)工作時(shí)的能量消耗，試驗(yàn)表明節(jié)點(diǎn)能量消耗主要集 中在通信模塊上。無線通信中，傳輸數(shù)據(jù)所消耗的能量和有效傳輸半徑的2 4次方相關(guān)， 因此要減少節(jié)點(diǎn)通信消耗，就必須減小節(jié)點(diǎn)的傳輸半徑。所以在大范圍的無限傳感器網(wǎng)絡(luò) 當(dāng)中，需要相應(yīng)的路由協(xié)議支持多跳中繼手段來傳輸數(shù)據(jù)。
由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用無線通信方式，信道缺乏必要的保護(hù)措施，使得自身易 于被攻擊和竊聽。而傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全問題大多基于公鑰密碼體制，這需要有中心節(jié)點(diǎn)，但是 在WSN中節(jié)點(diǎn)的地位是平等的，不存在所謂中心節(jié)點(diǎn)，所以傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全機(jī)制無法適應(yīng) WSN的安全問題。同時(shí)由于WSN的節(jié)點(diǎn)處理和存儲能力有限，一些好的加密算法也無法在 WSN中使用。因此為了保障路由協(xié)議的安全性，如何防止惡意行為對系統(tǒng)的利用和破壞，確 保網(wǎng)絡(luò)的健壯性、免受惡意行為的攻擊，使得節(jié)點(diǎn)能夠保證可靠的執(zhí)行路由協(xié)議成為一項(xiàng) 具有挑戰(zhàn)性的工作。
目前研究表明，分層結(jié)構(gòu)的路由協(xié)議更加適合大規(guī)模的無限傳感器網(wǎng)絡(luò)。在該思 想下，網(wǎng)絡(luò)通常劃分為簇，每個簇由一個簇頭和多個簇成員組成。這些簇頭形成高一級的網(wǎng) 絡(luò)，簇頭負(fù)責(zé)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的管理，并且完成簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的信息采集和融合，同時(shí)還負(fù)責(zé)向匯聚節(jié) 點(diǎn)進(jìn)行簇間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。盡管分層結(jié)構(gòu)的路由協(xié)議比平面型路由協(xié)議有著更高效，節(jié)能等優(yōu) 勢，但是其設(shè)計(jì)也存在著一些安全隱患，容易導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞，效率降低。
Boukerch et al.于 2007 年在《Computer Communications》期刊上發(fā)表的名為 "Trust-based security for wireless ad hoc and sensor networks，，的文章中提出了一 中ATRM的信任機(jī)制，這種機(jī)制以分布式算法應(yīng)用于分層路由協(xié)議當(dāng)中。ATRM假設(shè)了一個單 獨(dú)的可信任的中心用來產(chǎn)生可移動的Agent節(jié)點(diǎn)，其目的在于防止單個節(jié)點(diǎn)的失效。在這 里Agent節(jié)點(diǎn)是被認(rèn)為絕對可信的，在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中顯得不是十分合理。
Xu MD 在 2006 年于《Proc. of Computational Intelligence and Security (CIS))) 當(dāng)中發(fā)表了一篇"A new hierarchical trusted model for wireless sensor networks，， 的文章，對于無限傳感器網(wǎng)絡(luò)分層路由協(xié)議提出了一種TSRS的信任管理機(jī)制，這種TSRS采 用兩種算法計(jì)算簇頭和簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的信任值。然而這里的簇頭節(jié)點(diǎn)以及更高級的節(jié)點(diǎn)確實(shí)假設(shè)擁有更高級的硬件條件，這樣的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)使得節(jié)點(diǎn)間的通信，尤其是不同種類節(jié)點(diǎn)間的 通信變得復(fù)雜。
Riaz Ahmed Shaikh ^t 2009 $ 〒《IEEE Transactions on Parallel and DistributedSystems (SCI))) 發(fā) 表 T "Group-based Trust Management Scheme for Clusteredffireless Sensor Networks” 一文，提出一種基于分組的信任機(jī)制，在不同的分 組中建立成員節(jié)點(diǎn)之間和組與組之間的信任關(guān)系。但是這種信任機(jī)制需要組與組之間的直 接以及間接的信任關(guān)系，不能夠適應(yīng)例如樹形結(jié)構(gòu)的分層路由，并且在惡意攻擊的識別速 率上產(chǎn)生極大的延時(shí)。
因此，目前在建立無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分層路由協(xié)議的信任機(jī)制的設(shè)計(jì)中普遍存在的 問題是
1.在簇頭節(jié)點(diǎn)的選取上忽略了可靠性的考察。由于簇頭擔(dān)負(fù)整個簇內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)與 外界的通信任務(wù)，所以該簇頭節(jié)點(diǎn)在工作時(shí)刻的可靠性、高效性直接影響到了整個網(wǎng)絡(luò)的 運(yùn)行效率。相較于簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)，一旦簇頭節(jié)點(diǎn)失效或者被攻擊，會對網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生更大的擁塞或者 損毀。因此，保證選取的簇頭節(jié)點(diǎn)可靠高效是急需解決的問題。首先要保證在簇頭的選取 階段，能夠避免使用惡意的、自私的節(jié)點(diǎn)作為簇頭。其次，在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行階段，為了避免簇頭節(jié) 點(diǎn)在當(dāng)選之后被惡意攻擊而失效，要能夠時(shí)刻監(jiān)控簇頭節(jié)點(diǎn)，考察其是否能夠完成任務(wù)。
2.節(jié)點(diǎn)的可靠性度量沒有形成量化。通常判斷節(jié)點(diǎn)是否安全可靠，是根據(jù)該節(jié)點(diǎn) 上工作是否異常，或者具有惡意節(jié)點(diǎn)的特征。但是目前沒有一個準(zhǔn)確的度量來滿足簇頭節(jié) 點(diǎn)和簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)可靠性的需求差異，這導(dǎo)致或者整體提高了簇頭和簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的可靠性，而導(dǎo) 致了資源的浪費(fèi)和信息傳輸延遲，或者整體上降低了可靠性，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)易于擁塞和被攻擊。 因此需要建立一個對網(wǎng)絡(luò)的簇頭和簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的差異化管理和可靠性度量的信任機(jī)制。
3.對于節(jié)點(diǎn)的可靠性度量缺乏容忍性。在無線傳輸中，由于信道的干擾可能出現(xiàn) 信號的丟失，然而這并不是由于節(jié)點(diǎn)本身的問題所帶來的。零容忍的可靠性度量不能對偶 然原因的數(shù)據(jù)包丟失作出正確判斷，因此需要對節(jié)點(diǎn)的可靠性設(shè)置一定的容忍，將可靠性 定義為在一定范圍之內(nèi)的可靠。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中建立無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分層路由協(xié)議的信任 機(jī)制的設(shè)計(jì)中在可靠性方面的諸多不足，提出了一種基于無限傳感器網(wǎng)絡(luò)分層路由協(xié)議的 信任管理機(jī)制，其中將簇頭節(jié)點(diǎn)和簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)各自交互的歷史記錄根據(jù)兩者重要性的差別， 有區(qū)別的轉(zhuǎn)換為安全度量，成為信任值(TrustValue，簡稱為TV)，提高網(wǎng)絡(luò)安全性和信息 傳輸效率。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種建立無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分層路由協(xié)議的信任 機(jī)制方法，該方法包括
由匯聚節(jié)點(diǎn)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)的信任值；
基于所述節(jié)點(diǎn)信任值和基于所述信任值的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信任機(jī)制進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)內(nèi) 所有節(jié)點(diǎn)的信任計(jì)算，并形成一套有效評估機(jī)制。
其中所述計(jì)算節(jié)點(diǎn)的信任值為匯聚節(jié)點(diǎn)匯總所有簇頭節(jié)點(diǎn)、副簇頭節(jié)點(diǎn)采集到 的各自簇內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)，包括簇頭本身的交互狀況信息；根據(jù)所述交互狀況信息計(jì)算出信任
權(quán)利要求
1.一種建立無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分層路由協(xié)議的信任機(jī)制的方法，其特征在于(1)由匯聚節(jié)點(diǎn)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)信任值；(2)基于所述節(jié)點(diǎn)信任值和基于所述節(jié)點(diǎn)信任值的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信任機(jī)制進(jìn)行網(wǎng)絡(luò) 內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的信任計(jì)算，并形成一套評估機(jī)制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的建立無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分層路由協(xié)議的信任機(jī)制的方法，其特 征在于，步驟(1)中所述計(jì)算節(jié)點(diǎn)信任值的方法為由所述匯聚節(jié)點(diǎn)匯總所有簇頭節(jié)點(diǎn)和副簇頭節(jié)點(diǎn)采集到的所有各自簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)包括簇 頭本身的交互狀況信息；根據(jù)所述交互狀況信息計(jì)算信任值并評估，進(jìn)行等級劃分。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的建立無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分層路由協(xié)議的信任機(jī)制的方法，其 特征在于，所述交互狀況信息包括節(jié)點(diǎn)之間在一幀時(shí)隙內(nèi)收發(fā)數(shù)據(jù)包的成功次數(shù)和失敗次數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的建立無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分層路由協(xié)議的信任機(jī)制的方法，其特 征在于，所述交互狀況信息的采集過程為簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)按照各自分配的時(shí)隙定期發(fā)送至簇頭節(jié)點(diǎn)，包括自身ID號、數(shù)據(jù)包、發(fā)送時(shí) 間等信息；簇頭節(jié)點(diǎn)在本輪結(jié)束時(shí)根據(jù)統(tǒng)計(jì)的到達(dá)信息來確定本輪簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包發(fā)送成功 率，根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果計(jì)算每個簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前信任值；副簇頭節(jié)點(diǎn)根據(jù)本輪監(jiān)聽到的簇頭節(jié)點(diǎn)向匯聚節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的成功率計(jì)算該簇的 簇頭節(jié)點(diǎn)當(dāng)前信任值；匯聚節(jié)點(diǎn)收集所有簇頭節(jié)點(diǎn)和副簇頭節(jié)點(diǎn)計(jì)算出的節(jié)點(diǎn)信任值，再和記錄的歷史信任 值進(jìn)行合成，并且對所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信任等級的劃分。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的建立無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分層路由協(xié)議的信任機(jī)制的方法，其特征在于，所述計(jì)算信任值的方法為，S(N)在簇頭節(jié)點(diǎn)，根據(jù)八乂)= ^7V.) + ^7V.)計(jì)算出第j簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前信任值，在副簇頭節(jié)點(diǎn)，則根據(jù) W,, 乂)=S(TVi)+ 1+ C(TVi)+ 1 S(N1)success計(jì)算出第i簇頭節(jié)點(diǎn)failed的當(dāng)前信任值，其中，S(Nj)為簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)在一輪時(shí)隙內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)包成功的次數(shù)，C(Nj)為簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)在一 輪時(shí)隙內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)包失敗的次數(shù)，S(Ni)為副簇頭節(jié)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)的該簇頭節(jié)點(diǎn)在一輪時(shí)隙內(nèi)發(fā) 送數(shù)據(jù)包成功的次數(shù)，C(Ni)為副簇頭節(jié)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)的簇頭節(jié)點(diǎn)在一輪時(shí)隙內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)包失敗 的次數(shù)；在這里副簇頭對簇頭節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前信任評估根據(jù)簇頭是否向匯聚節(jié)點(diǎn)成功發(fā)送數(shù)據(jù) 包而有兩種計(jì)算方式，當(dāng)簇頭向匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包成功時(shí)根據(jù)公式success計(jì)算，當(dāng)簇 頭向匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包失敗時(shí)根據(jù)公式failed計(jì)算。匯聚節(jié)點(diǎn)將收到的所有簇頭發(fā)送 來的節(jié)點(diǎn)當(dāng)前信任值T(Nj)、T(Ni, Nj)定義為Tp_nt，Tpresent為節(jié)點(diǎn)當(dāng)前信任值，Thistory為 節(jié)點(diǎn)從初始狀態(tài)開始的歷史信任值，節(jié)點(diǎn)當(dāng)前信任值Tp_mt在下一輪周期時(shí)成為歷史信任最后，根據(jù)模塊值，Thistory初始值設(shè)為0，在匯聚節(jié)點(diǎn)存儲著所有節(jié)點(diǎn)之前的信任積累值Thistey ；再由匯聚節(jié)點(diǎn)根據(jù)Ti = α Jpresent+ α 2Thistory計(jì)算每個節(jié)點(diǎn)的信任值，其中，Tp_nt為節(jié) 點(diǎn)當(dāng)前信任值，Thistory為節(jié)點(diǎn)從初始狀態(tài)開始的歷史信任值，α ρ α 2分別為Tpresmt，Thistory 的比重系數(shù)，α1+α2 = 1 ；‘trusted1-/<7；<1uncertain 0.5-f2 <Tt <1-/進(jìn)行節(jié)點(diǎn)的評估、信任等級劃 un-trusted 0<7J <0.5-f2分，根據(jù)Ti的域值將節(jié)點(diǎn)劃分為信任、一般信任、不信任三個等級；其中，f\、f2為信任等級 劃分的閾值，
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的建立無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分層路由協(xié)議的信任機(jī)制的方法，其 特征在于，所述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信任機(jī)制為在基于LEACH的分簇路由協(xié)議基礎(chǔ)上，在每個 簇內(nèi)增加一個副簇頭節(jié)點(diǎn)對簇頭節(jié)點(diǎn)進(jìn)行當(dāng)前信任值計(jì)算，在路由消息上增加每輪時(shí)隙當(dāng) 中節(jié)點(diǎn)交互狀況信息，并且由簇頭節(jié)點(diǎn)收集本簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的交互狀況信息后計(jì)算出當(dāng)前信任 值，并匯總至匯聚節(jié)點(diǎn)；由匯聚節(jié)點(diǎn)結(jié)合歷史記錄對每個節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信任值的計(jì)算，并進(jìn)行整 體的評估，劃分出3個信任等級的節(jié)點(diǎn)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的建立無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分層路由協(xié)議的信任機(jī)制的方法，其特 征在于，在所述信任等級的劃分中，處于第一等級的高信任值節(jié)點(diǎn)在下一輪當(dāng)中有優(yōu)先成 為簇頭節(jié)點(diǎn)的可能，處于第二等級的節(jié)點(diǎn)有幾率參與到網(wǎng)絡(luò)的下一輪重新分簇過程當(dāng)中， 而處于第三等級的低信任值節(jié)點(diǎn)被視為自私的甚至是惡意節(jié)點(diǎn)排除出網(wǎng)絡(luò)之外。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的建立無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分層路由協(xié)議的信任機(jī)制的方法，其特 征在于，經(jīng)檢查節(jié)點(diǎn)處于第一、第二等級后信任機(jī)制的處理摘要為步驟1.檢查當(dāng)前所有節(jié)點(diǎn)的最終信任值是否落在第一等級區(qū)間，如果是則認(rèn)為該節(jié) 點(diǎn)與其他節(jié)點(diǎn)的交互成功率非常高，值得信任，該節(jié)點(diǎn)在下一輪有優(yōu)先權(quán)當(dāng)選簇頭節(jié)點(diǎn)；處 于第二等級的節(jié)點(diǎn)有幾率參與到網(wǎng)絡(luò)的下一輪重新分簇過程當(dāng)中，而處于第三等級的低信 任值節(jié)點(diǎn)將被視為自私的甚至是惡意節(jié)點(diǎn)；步驟2.對于被匯聚節(jié)點(diǎn)評估為低信任的節(jié)點(diǎn)，其ID號將被記錄并且排除出網(wǎng)絡(luò)； 步驟3.匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送下一輪簇頭競選廣播，并且附帶可以競選的節(jié)點(diǎn)名單，該名單全 部由被評估為第一等級的節(jié)點(diǎn)組成；如果第一等級中沒有節(jié)點(diǎn)宣布當(dāng)選則再次廣播競選名 單，名單改為由第二等級的節(jié)點(diǎn)組成；步驟4.簇頭競選成功后廣播競選成功信息，其余節(jié)點(diǎn)根據(jù)收到廣播順序，以就近原則 加入簇；形成簇后，在簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)中隨機(jī)選擇一個第一等級的節(jié)點(diǎn)作為副簇頭節(jié)點(diǎn)對簇頭節(jié) 點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控；若此時(shí)簇內(nèi)無第一等級節(jié)點(diǎn)，則改為從第二等級當(dāng)中選取。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分層路由協(xié)議的信任機(jī)制，其步驟包括簇頭節(jié)點(diǎn)收集簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)一輪時(shí)隙內(nèi)交互成功歷史，副簇頭節(jié)點(diǎn)記錄簇頭節(jié)點(diǎn)一輪時(shí)隙內(nèi)的成功交互歷史，形成所有節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前信任值；匯聚節(jié)點(diǎn)匯總所有節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前信任值之后，結(jié)合歷史信任記錄，合成每個節(jié)點(diǎn)的最終信任值TV；匯聚節(jié)點(diǎn)根據(jù)整個網(wǎng)絡(luò)最終信任值的水平，動態(tài)評價(jià)所有節(jié)點(diǎn)，將節(jié)點(diǎn)分為可信，一般，不可信三個等級；最終在下一輪網(wǎng)絡(luò)周期時(shí)，依據(jù)等級劃分選擇可信節(jié)點(diǎn)作為簇頭候選，不可信節(jié)點(diǎn)排除出網(wǎng)絡(luò)。本發(fā)明使得節(jié)點(diǎn)可靠地完成工作任務(wù)、不受節(jié)點(diǎn)失效，被惡意攻擊的影響、且延長分簇網(wǎng)絡(luò)生命周期。
文檔編號H04W40/22GK102036229SQ20101060076
公開日2011年4月27日 申請日期2010年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月22日
發(fā)明者徐慧慧, 朱川, 江金芳, 沈文, 董玉慧, 郭惠, 韓光潔 申請人:河海大學(xué)常州校區(qū)