[發(fā)明專(zhuān)利]基于演化博弈模型的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可生存性評(píng)估方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710256160.6
• 申請(qǐng)日: 2017-04-19
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN107204871B
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-06-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李冬輝;王藝琳
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 天津大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): H04L12/24
• 分類(lèi)號(hào): H04L12/24;H04W40/32;H04W84/18
• 代理公司: 天津盛理知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 12209
• 代理人: 高璇

1.一種基于演化博弈模型的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可生存性評(píng)估方法，其特征在于：包括以下步驟：

⑴模型選取，包括無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型、惡意程序攻擊模型、流行病模型；

⑵建立可生存性模型；

⑶通過(guò)演化動(dòng)力學(xué)分析對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可生存性進(jìn)行評(píng)估；

在所述步驟⑴的模型選取中，攻擊模型包括兩種影響節(jié)點(diǎn)之間傳輸數(shù)據(jù)的行為：

自私行為：節(jié)點(diǎn)由于能量限制，拒絕為其他節(jié)點(diǎn)提供轉(zhuǎn)發(fā)、中繼服務(wù)的行為；

攻擊類(lèi)型：DoS攻擊，其目的是使網(wǎng)絡(luò)無(wú)法提供正常服務(wù)，最常見(jiàn)的DoS攻擊是對(duì)網(wǎng)絡(luò)寬帶攻擊與連通性攻擊，流行病模型劃分成4個(gè)狀態(tài)，即SIRD模型。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于演化博弈模型的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可生存性評(píng)估方法，其特征在于：在所述步驟⑴的模型選取中，模型中有三種類(lèi)型節(jié)點(diǎn)：基站、簇頭節(jié)點(diǎn)和終端傳感器節(jié)點(diǎn)，簇頭節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的高一級(jí)網(wǎng)絡(luò)，把簇頭節(jié)點(diǎn)與簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)看成一個(gè)整體；將在網(wǎng)絡(luò)中處于不同位置的簇頭節(jié)點(diǎn)劃分成不同等級(jí)：主要的簇頭節(jié)點(diǎn)和次要的簇頭節(jié)點(diǎn)。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于演化博弈模型的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可生存性評(píng)估方法，其特征在于：在所述步驟⑶中，通過(guò)演化動(dòng)力學(xué)分析對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可生存性進(jìn)行評(píng)估的計(jì)算方法是：

下述各字母或符號(hào)含義為：

m為易被攻擊簇頭節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)，m為正整數(shù)，且m＜N，N為傳感器節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)

k為易被攻擊主要簇頭節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)，k為正整數(shù)，且k＜m

b₁為易被攻擊主要簇頭節(jié)點(diǎn)中自私節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)，b₁為正整數(shù)0≤b₁≤k

b₂為易被攻擊次要簇頭節(jié)點(diǎn)中自私節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)，b₂為正整數(shù)0≤b₂≤m-k

c為發(fā)送自身數(shù)據(jù)包或?qū)Ψ桨l(fā)送數(shù)據(jù)包所產(chǎn)生的成本

p為對(duì)方節(jié)點(diǎn)選擇合作策略產(chǎn)生的收益

l為因?qū)Ψ焦?jié)點(diǎn)不合作而導(dǎo)致的損失

μI為動(dòng)態(tài)激勵(lì)值，μ為調(diào)節(jié)因子

具體計(jì)算步驟為：

設(shè)表示t時(shí)刻所處的混合策略，其中為選擇合作策略s₁的節(jié)點(diǎn)數(shù)比例，為不合作的策略s₂的節(jié)點(diǎn)數(shù)比例，且有以下簡(jiǎn)記為

在t時(shí)刻選擇合作策略節(jié)點(diǎn)的期望收益：

在t時(shí)刻選擇不合作策略節(jié)點(diǎn)的期望收益：

可以得出整個(gè)種群的平均收益為：

因此，得出主要簇頭節(jié)點(diǎn)中自私節(jié)點(diǎn)選擇策略的演化動(dòng)力學(xué)復(fù)制動(dòng)態(tài)方程為：

令則復(fù)制動(dòng)態(tài)方程式17最多有三個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，分別為：

其中式20表示的穩(wěn)定狀態(tài)可能與式18或者式19表示的穩(wěn)定狀態(tài)相同，網(wǎng)絡(luò)的可生存性，即是穩(wěn)定狀態(tài)，則必須滿足

定理1

若uI＞0，(m-k-b₂)p-b₂l-kc+μI＜0，(m-k-b₂)p-b₂l-kc+2μI＞0，則和均是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要簇頭節(jié)點(diǎn)中自私節(jié)點(diǎn)選擇策略演化博弈的穩(wěn)定策略，且其中和分別是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中主要簇頭節(jié)點(diǎn)中自私節(jié)點(diǎn)選擇合作和不合作策略的概率；

證明：對(duì)式(17)兩邊求導(dǎo)，得

分別令為0和1，得到

F′(0)＝(m-k-b₂)p-b₂l-kc+μI＜0 式22

F′(1)＝-μI＜0 式23

由(m-k-b₂)p-b₂l-kc+2μI＞0得到

μI＞-(m-k-b₂)p+b₂l+kc-μI 式24

所以有

由式22和23可知，和均是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要簇頭節(jié)點(diǎn)中自私節(jié)點(diǎn)選擇策略演化博弈的穩(wěn)定策略；又由式25可知，主要簇頭節(jié)點(diǎn)選擇不合作策略的概率小于參與合作策略的概率；

定理1表明，當(dāng)主要簇頭節(jié)點(diǎn)選擇不合作策略選擇合作策略時(shí)，由

(m-k)p-kc+μI-[(m-k)p-kc]＝μI＞0 式26

由式26可以得出，次要簇頭節(jié)點(diǎn)中自私節(jié)點(diǎn)選擇合作的收益大于選擇不合作的收益；當(dāng)簇頭節(jié)點(diǎn)中自私節(jié)點(diǎn)選擇不合作策略時(shí)，由

(m-k-b₂)p-b₂l-kc+μI＜0 式27

簇頭節(jié)點(diǎn)中自私節(jié)點(diǎn)選擇不合作策略的收益大于選擇合作策略的收益；和均是演化穩(wěn)定策略，表示合作和不合作策略都有可能被主要簇頭節(jié)點(diǎn)與次要簇頭節(jié)點(diǎn)選擇；

定理2

若μI＞0，(m-k-b₂)p-b₂l-kc+μI＜0，(m-k-b₂)p-b₂l-kc+2μI＜0，則和均是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要簇頭節(jié)點(diǎn)中自私節(jié)點(diǎn)選擇策略演化博弈的穩(wěn)定策略，且

證明可計(jì)算出

F′(0)＝(m-k-b₂)p-b₂l-kc+μI＜0 式28

F′(1)＝-μI＜0 式29

由式28和29可知，和均是演化穩(wěn)定策略；由式30可知，主要簇頭節(jié)點(diǎn)中自私節(jié)點(diǎn)選擇不合作策略的概率大于參與合作策略的概率，即

定理3若μI＜0，則是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要簇頭節(jié)點(diǎn)中自私節(jié)點(diǎn)選擇策略演化博弈的穩(wěn)定策略；

證明可計(jì)算得

F′(0)＝(m-k-b₂)p-b₂l-kc+μI＜0 式31

由式31和32可知，是演化穩(wěn)定策略；

定理3表明，無(wú)論主要簇頭節(jié)點(diǎn)中自私節(jié)點(diǎn)選擇合作或不合作策略，次要簇頭節(jié)點(diǎn)中自私節(jié)點(diǎn)選擇合作策略的收益總是小于選擇不合作策略的收益；最終選擇合作策略的節(jié)點(diǎn)將會(huì)穩(wěn)定在處，即選擇不合作策略；

定理4若(m-k-b₂)p-b₂l-kc+μI＞0，則是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要簇頭節(jié)點(diǎn)中自私節(jié)點(diǎn)選擇策略演化博弈的穩(wěn)定策略；

證明可計(jì)算得出

F′(0)＝(m-k-b₂)p-b₂l-kc+μI＞0 式33

F′(1)＝-μI＜-[(m-k-b₂)p-b₂l-kc+μI]＜0 式34

定理4表明，無(wú)論主要簇頭節(jié)點(diǎn)的自私節(jié)點(diǎn)選擇合作策略或不合作策略，次要簇頭節(jié)點(diǎn)選擇合作策略的收益總是大于選擇不合作策略的收益；最終選擇合作策略的節(jié)點(diǎn)數(shù)比例會(huì)穩(wěn)定在處，即選擇合作策略；

由定理1到定理4可知，要使主要簇頭節(jié)點(diǎn)的自私節(jié)點(diǎn)都選擇合作策略，才能保證攻擊過(guò)程的流行病模型正常進(jìn)行，設(shè)計(jì)的模型才能滿足定理的條件；因此在本發(fā)明中引入激勵(lì)機(jī)制，當(dāng)定理1滿足并增大αT時(shí)，有

這表明隨著博弈的進(jìn)行，選擇不合作策略的節(jié)點(diǎn)比例將會(huì)逐漸降低，最后在節(jié)點(diǎn)數(shù)低處達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)αT增大到滿足定理4的條件時(shí)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的攻擊模型將處于理想的穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)無(wú)論節(jié)點(diǎn)選擇何種策略，最終都將選擇合作策略為穩(wěn)定狀態(tài)；定理2和定理3所滿足的狀態(tài)是應(yīng)該要避免的，因?yàn)榇藭r(shí)條件下節(jié)點(diǎn)都選擇不合作狀態(tài)的概率大于選擇合作狀態(tài)的概率，最終整個(gè)網(wǎng)絡(luò)將處于不穩(wěn)定狀態(tài)。