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专利号: 2021102838615
申请人: 长春工业大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 电通信技术
更新日期:2024-02-23
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于自适应信任机制的无线传感器网络安全路由方法,其特征在于包括构建信任模型和基于信任节点的安全路由;所述的基于自适应信任机制的无线传感器网络安全路由方法的信任模型,由四种信任组成,即直接信任,间接信任,能量信任和综合信任,具体内容如下:所述的直接信任是通过历史信任和当前信任加权求和所得,历史信任是根据节点过去的直接信任值经过挥发后计算而来,通过设计挥发因子来降低节点过去行为所带来的直接信任值;当前信任是根据节点当前行为的发送和接收包的个数计算得来的,并对直接信任值增加自适应惩罚因子;

直接信任是节点i评估节点j的信任程度;节点i对节点j的直接信任值表示如下:其中 代表节点i评价节点j经过挥发之后的历史信任值; 的作用是进一步限制历史信任值在信任模型中的作用;引入挥发因子λ来降低历史信任值的作用,其中λ≤0.5;

历史信任值的表示如公式(2)所示:

t

在公式(1)中(Rt+St) 表示当前状态下的信任值;γ和(1‑γ)分别表示历史信任值挥发后的信任值和当前状态下的信任值的权重,0<γ<1,其值的大小根据具体的无线传感器网络(WSN)而定;receive_messagej表示节点i监测节点j收到数据包的个数,send_messagej表示节点i监测节点j发送数据包的个数;messagej表示被监测节点j就接收和发送数据包的总个数;rejectionj和un_sendj分别表示节点j拒绝接收和拒绝发送数据包的个数;考虑到快速识别恶意节点的重要性,定义一个自适应惩罚因子θ如公式(5):其中,ABj和NBj分别表示节点j的不正常行为和正常行为;a1、a2、a3为自适应惩罚因子的可调参数;在ACj的作用下,惩罚因子θ会自适应的下降而导致恶意节点的直接信任值快速下降;

所述的间接信任是根据第三方节点提供的直接信任计算而来的,使得信任评价更具有公正性;

间接信任是保证信任评价的公正性,采用半集中式的计算模式来减轻节点的负担;所有节点的间接信任值由基站计算,每个节点只需要将对邻居节点的直接信任值附在数据包中,然后发送给基站,节点i评价节点j的间接信任值计算公式如下:其中,q为公共可信邻居节点的个数, 为节点i对可信公共节点u的直接信任值;

代表可信公共节点u对节点j的直接信任值;

所述的能量信任是根据节点的剩余额能量占比来衡量的,避免了一直消耗具有高信任值的节点,使得节点的能量更加均衡;能量信任值的计算公式如下:其中REj和E0分别表示节点j的剩余能量和初始能量;

最后将直接信任,间接信任和能量信任加权求和的方法计算综合信任,综合信任的高低代表节点被信任程度的强弱,即综合信任值高的节点更值得信赖,更加安全;

综合信任代表节点的信任程度,综合信任值越高,节点的信任程度就越高;如果节点i评估节点j的综合信任值低于阈值CTth,则认为节点j是恶意节点;并且将此恶意节点排除在网络之外,禁止其参与网络的任何活动;因此,节点i对节点j评价的综合信任值 表示如下:其中,η1、η2和η3分别是直接信任值、间接信任值和能量信任值的权重;满足η1+η2+η3=

1;

所述的基于自适应信任机制的无线传感器网络安全路由方法的安全路由,其是根据节点的综合信任值来计算路由的是否安全;建立安全路由的过程包括簇头(CH)选举阶段、监控节点选举阶段(IN)、CH选择下一跳阶段和信任更新阶段;

所述的CH选举阶段是根据节点的综合信任值进行的;首先,WSN中每个节点根据公式(8)计算出邻居节点的综合信任值,并且广播综合信任值最高的邻居节点的ID;其次,邻居节点接收到广播包后对比是否和自己的ID匹配,如果匹配,则邻居节点将被选举数加一,即Elected_num=Elected_num+1;如果不匹配,则丢弃;最后每个节点广播Elected_num,具有最高的Elected_num担任簇头;然后每个节点就近加入簇中;

所述的IN选举阶段是选择簇内节点监控簇内所有节点的状态,防止恶意节点发起虫洞攻击;为了保证监控节点能够检测到簇内所有节点的信号强度,在选择监控节点时,选择具距CH近、能量高、信任值高的节点作为监控节点;CH选择监控节点的公式如下:其中dtoCH代表是成员节点到自己CH距离的归一化值;dtoCH是节点到自己CH的距离,dtochmin和dtochmax是成员节点到自己CH的最小距离和最大距离;

(a)监控节点监控成员节点:监控节点由CH选择完毕后开始根据不等式(11)监视簇内节点,以便快速地的发现恶意节点发起的虫洞攻击;

其中RSSIj为监视节点检测到簇内节点j的接收信号强度,cn为簇内节点的个数,为所有簇内节点的接收信号强度的平均值;因此,只要某个恶意节点发起虫洞攻击,判断其RSSI和是否偏离正常行为便可被检测到;

(b)监控节点监控簇头节点:基站根据公式(12)主动避开虫洞攻击,最大程度地保护网络;

其中, 为CHi对下一跳CHj的综合信任值,R为CH节点的最大通信半径, 是簇头节点CHi和下一跳CHj之间的距离;

为了保证监控节点是正常工作的,CH会随机向监控节点发送一个检查包;如果监控节点回复CH,则簇头通知簇内成员节点以维护监控节点在担任监控任务前的高信任值;如果监控节点没有回复CH,则CH重新选择监控节点,并告知簇内节点老的监控节点从此不再担任监控任务;

所述的CH选择下一跳阶段是为了提高无线传感器网络的效率和路由的安全;选择安全路由的任务交给基站来承担;利用Pr值,发现恶意节点的同时,降低节点在传输过程中的能量消耗;具体工作步骤如下:Step1:源CH节点CHi向下一跳预选CH发送请求包;

Step2:预选CH接收到请求包之后,将自己的ID信息加入其中;然后他们继续向它的下一跳预选CH发送请求包;以此类推直至基站;

Step3:基站收到多条路径过来的请求包之后,根据公式(12)计算每条路径的Pr值;然后基站选择Pr值最大的路径作为最佳路由,并且沿着这条路径反向发送确定包;

Step4:源CH节点CHi收到来自基站的确定包之后,将这个最优的路由存储在可信路由表中;

所述的信任更新阶段是簇头选举阶段、监控节点选举阶段和簇头选择下一跳阶段完成之后进行;成员节点向自己的CH发送数据,CH向下一跳转发数据直至基站;

具体更新步骤:

Step 1:普通节点通过监听邻居节点正常行为和异常行为以及利用公式(1)来计算每个节点的直接信任值;

Step 2:在簇头选举之后,每个成员节点向对应的CH传输数据的同时将评估邻居节点的直接信任值和自己的剩余附在其中;

Step 3:CH将收集到的数据发送给基站;

Step 4:基站通过公式(8)来计算 值,再将 值组播给每个CH,最后由CH广播到每个成员节点;

Step 5:每个节点收到 值后更新综合信任值;

但是在Step4中,基站计算 值时,可能会收到恶意节点的恶意评价;为了保证 值的准确性,基站在计算 值前会先评价各个节点的直接信任值的可信度,过滤掉异常的直接信任值;

评价公共邻居节点k对节点j的直接信任值的可信度如下:

如果 的数值越大,那么节点k提供的直接信任值就越可能是来自恶意节点的恶意评价;为了保证直接信任值的可靠性,设置可信度阈值 过滤掉 的直接信任值。