一种基于多要素信任机制的分簇路由方法

摘要

本发明公开了一种为无线传感器网络开发的基于多要素信任机制的分簇路由方法。该方法采用基于多要素的信任机制来保证节点的安全和可靠，该信任机制从通信、数据和能量角度选取信任要素，引入“低回报高惩罚”机制阻止恶意节点通过短期合法行为快速提升信任值或利用低信任值在网络中长期生存。同时，在网络拓扑建立时，节点的综合信任值结合簇头选举值和路由通信代价，确保可信簇头选举和可信路由选择。在数据传输过程中，利用节点的综合信任值排除恶意节点、自私节点和低竞争力节点，建立安全可信的网络环境。

主权项

一种基于多要素信任机制的分簇路由方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：1)从通信、数据和能量角度选取六个信任要素，所述六个信任要素为数据完整性数据转发率数据新鲜性数据发送率数据一致性和能量可信性所述数据完整性表示为：$T_1^{i,j}\left(t\right)=[100\times \frac{{\mathrm{IP}}_{i,j}(t-t_0)}{{\mathrm{TFP}}_{i,j}(t-t_0)}]$其中，[·]表示取最近整数值函数，t₀表示上次评估时刻，表示在t时刻节点i对节点j转发数据的完整性评估值，IP_i,j(t‑t₀)表示节点j在评估周期内完整转发的数据包数量，TFP_i,j(t‑t₀)表示节点j转发的数据包总数；所述数据转发率表示为：$T_2^{i,j}\left(t\right)=[100\times \frac{{\mathrm{TFP}}_{i,j}(t-t_0)}{{\mathrm{ACK}}_{i,j}(t-t_0)}]$其中，表示节点i对节点j转发数据率的评估值，TFP_i,j(t‑t₀)表示节点j转发节点i传递的数据包数量，ACK_i,j(t‑t₀)表示节点j反馈给节点i的ACK消息数量；所述数据新鲜性表示为：$T_3^{i,j}\left(t\right)=[100\times \frac{{\mathrm{FRP}}_{i,j}(t-t_0)}{{\mathrm{TSP}}_{i,j}(t-t_0)}]$其中，表示节点i对节点j发送数据的新鲜性评估值，FRP_i,j(t‑t₀)表示新鲜数据包数量，TSP_i,j(t‑t₀)表示发送数据包的总数；所述数据发送率表示为：$T_4^{i,j}\left(t\right)=[100\times \min \{\frac{N_H-{\mathrm{TSP}}_{i,j}(t-t_0)}{N_H-{\mathrm{ES}}_{i,j}(t-t_0)},\frac{N_H-{\mathrm{ES}}_{i,j}(t-t_0)}{N_H-{\mathrm{TSP}}_{i,j}(t-t_0)}\left\}\right]$其中，表示节点i对节点j发送数据包量的信任评估值，ES_i,j(t‑t₀)表示发包数量的期望值，由基站预先设置，当发包数量在理想范围时，节点的评估值较高；所述数据一致性表示为：$T_5^{i,j}\left(t\right)=[100\times \frac{{\mathrm{CP}}_{i,j}(t-t_0)}{{\mathrm{CP}}_{i,j}(t-t_0)+{\mathrm{NCP}}_{i,j}(t-t_0)}]$其中，表示点i对节点j传递数据的一致性评估值，CP_i,j(t‑t₀)表示一致数据包的数量，NCP_i,j(t‑t₀)表示不一致数据包的数量；所述能量可信性表示为：$T_6^{i,j}\left(t\right)=[100\times \frac{E_j\left(t\right)}{E_0}]$其中，表示节点i对节点j能量可信性的评估值，E_j(t)表示节点j的剩余能量，E₀表示节点j的初始能量；2)根据所述六个信任要素，进行成员节点综合信任值和簇头综合信任值的获取；3)根据网络中各节点的综合信任值、候选簇头阈值和簇头选举值，进行新一轮可信簇头的选举；4)根据簇内路由代价函数和簇间路由代价函数，形成簇内可信路由和簇间可信路由；所述步骤2)中，成员节点综合信任值的获取具体包括以下步骤：21)成员节点根据所述数据完整性数据转发率数据新鲜性和数据发送率利用加权平均计算出推荐信任值RT^i,j(t)后，将其传递给簇头；22)簇头根据所述推荐信任值RT^i,j(t)的偏离程度d_i,j滤除虚假信任值，再利用剩余的RT^i,j(t)计算出成员节点的间接信任值IT^j(t)；23)簇头根据数据新鲜性数据发送率数据一致性和能量可信性计算出成员节点的直接信任值DT^j(t)；24)簇头结合所述成员节点的直接信任值DT^j(t)和间接信任值IT^j(t)对成员节点作综合评估，得到成员节点的当前综合信任值CT^j(t)；25)簇头将所述成员节点的当前综合信任值CT^j(t)与设定的信任阈值λ作比较，若当前综合信任值CT^j(t)小于所述信任阈值λ，则信任值更新权重σ＝σ_high，反之，则σ＝σ_low；26)簇头根据成员节点前一时刻t₀的综合信任值TT^j(t₀)和当前综合信任值CT^j(t)更新成员节点的综合信任值TT^j(t)，更新的具体方法为：TT^j(t)＝[(1‑σ)×TT^j(t₀)+σ×CT^j(t)]；所述步骤2)中，簇头综合信任值的获取具体包括以下步骤：21’)簇头根据所述数据完整性数据转发率数据新鲜性和数据发送率利用加权平均计算出推荐信任值后，将其传递给基站；22’)基站根据所述推荐信任值的偏离程度滤除虚假信任值，再利用剩余的计算出簇头的间接信任值23’)基站根据数据新鲜性数据发送率数据一致性和能量可信性计算出簇头的直接信任值24’)基站结合所述簇头的直接信任值和间接信任值对簇头作综合评估，得到簇头的当前综合信任值25’)基站将所述簇头的当前综合信任值与设定的信任阈值λ'作比较，若当前综合信任值小于所述信任阈值λ'，则信任值更新权重σ'＝σ'_high，反之，则σ'＝σ'_low；26’)基站根据簇头前一时刻t₀的综合信任值和当前综合信任值更新簇头的综合信任值更新的具体方法为：${\mathrm{TT}}^{{\mathrm{ch}}_j}\left(t\right)=[(1-{\sigma }^{\prime })\times {\mathrm{TT}}^{{\mathrm{ch}}_j}\left(t_0\right)+{\sigma }^{\prime }\times {\mathrm{CT}}^{{\mathrm{ch}}_j}\left(t\right)];$所述步骤3)具体包括以下步骤：31)当前簇头的能量低于设定的能量阈值，或者簇头综合信任值低于设定的簇头可信阈值时，基站将簇头更新准备消息RTUCH向网络内所有节点广播；32)簇头收到簇头更新准备消息RTUCH后，将其簇内各成员节点的综合信任值TT^j(t)发送给基站，基站保存好各成员节点的综合信任值TT^j(t)后，发布簇头更新消息UCH；33)网络中各节点收到所述簇头更新消息UCH消息后，产生一个随机数，若所述随机数的值小于候选簇头阈值T(n)，则该节点成为候选簇头，然后向基站发出申请当选簇头消息AFCH，未成为候选簇头的节点则进入休眠状态，等待当选簇头发出的入簇消息；34)基站收到所述申请当选簇头消息AFCH后，根据其所保存的网络中各节点的综合信任值，剔除恶意候选簇头，向低竞争力候选簇头发出降级消息，向符合当选簇头条件的候选簇头发出确认消息，并向全网公布当选簇头的综合信任值；35)候选簇头若收到降级消息，则进入休眠状态，等待当选簇头发布入簇消息，候选簇头若收到确认消息，则向周围节点广播入簇消息；36)成员节点若收到多个不同当选簇头发布的入簇消息，则选择具有最大簇头选举值CHSV(i,ch_j)的当选簇头作为自己的簇头，所述簇头选举值CHSV(i,ch_j)由成员节点到当选簇头的距离和当选簇头的综合信任值决定；所述步骤4)中，簇内可信路由的形成，由簇内路由代价函数决定，成员节点选择具有最小簇内路由代价的成员节点作为中继节点，数据经中继节点进行转发，簇内路由代价函数为：$\mathrm{intra}\_\cos t(i,j)=\left\{\begin{array}{cc}{c}_1\times \frac{\overline{E_{i^{\prime }\mathrm{neighbor}}\left(t\right)}}{E_j\left(t\right)}+c_2\times \frac{\overline{{\mathrm{TT}}_{i^{\prime }\mathrm{neighbor}}\left(t\right)}}{{\mathrm{TT}}^j\left(t\right)}+c_3\times \frac{d_{i-j}^2+d_{j-\mathrm{ch}}^2}{d_{i-\mathrm{ch}}^2},& i\ne j\\ c_1\times \frac{\overline{E_{i^{\prime }\mathrm{neighbor}}\left(t\right)}}{E_j\left(t\right)}+c_2\times \frac{\overline{{\mathrm{TT}}_{i^{\prime }\mathrm{neighbor}}\left(t\right)}}{100}+c_3,& i=j\end{array}\right.,$式中，表示成员节点i簇内所有邻居节点的剩余能量的平均值，E_j(t)表示成员节点j的剩余能量；表示成员节点i的簇内所有邻居节点的综合信任值的平均值；d_i‑j表示成员节点i到成员节点j的距离，d_j‑ch表示成员节点j到簇头的距离，d_i‑ch表示成员节点i到簇头的距离；c₁、c₂和c₃为加权系数，且满足c₁+c₂+c₃＝1；所述步骤4)中，簇间可信路由的形成，由簇间路由代价函数决定，簇头选择具有最小簇间路由代价的簇头作为中继簇头，数据经中继簇头进行转发，簇间路由代价函数为：$\mathrm{inter}\_\cos t({\mathrm{ch}}_i,{\mathrm{ch}}_j)=\left\{\begin{array}{cc}{c_1}^{\prime }\times \frac{\stackrel{‾}{E_{{{\mathrm{ch}}_i}^{\prime }\mathrm{ngb}}\left(t\right)}}{E_{{\mathrm{ch}}_j}\left(t\right)}{c_2}^{\prime }\times \frac{\stackrel{‾}{{\mathrm{TT}}_{{{\mathrm{ch}}_i}^{\prime }\mathrm{ngb}}\left(t\right)}}{{\mathrm{TT}}^{{\mathrm{ch}}_j}\left(t\right)}+{c_3}^{\prime }\times \frac{d_{{\mathrm{ch}}_i-{\mathrm{ch}}_j}^2+d_{{\mathrm{ch}}_j-\mathrm{bs}}^2}{d_{{\mathrm{ch}}_i-\mathrm{bs}}^2},& {\mathrm{ch}}_i\ne {\mathrm{ch}}_j\\ {c_1}^{\prime }\times \frac{\stackrel{‾}{E_{{{\mathrm{ch}}_i}^{\prime }\mathrm{ngb}}\left(t\right)}}{E_{{\mathrm{ch}}_j}\left(t\right)}+{c_2}^{\prime }\frac{\stackrel{‾}{{\mathrm{TT}}_{{{\mathrm{ch}}_i}^{\prime }\mathrm{ngb}}\left(t\right)}}{100}+{c_3}^{\prime },& {\mathrm{ch}}_i={\mathrm{ch}}_j\end{array}\right.,$式中，表示簇头ch_i的邻居簇头的剩余能量的平均值，表示簇头ch_j的剩余能量；表示簇头ch_i的邻居簇头的综合信任值的平均值；表示簇头ch_i到簇头ch_j的距离，表示簇头ch_j到基站的距离，表示簇头ch_i到基站的距离；c₁'、c₂'和c₃'为加权系数，且满足c₁'+c₂'+c₃'＝1。