[發(fā)明專利]一種基于信任機制的無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點安全狀態(tài)評估方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201711269049.7
• 申請日: 2017-12-05
• 公開（公告）號: CN108092759B
• 公開（公告）日: 2021-03-23
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 陶洋;謝金輝;許湘揚;梅思夢;代建建;鄧行;李朋;楊飛躍;章思青
• 申請（專利權(quán)）人: 重慶郵電大學(xué)
• 主分類號: H04L9/00
• 分類號: H04L9/00;H04L29/06;H04W4/38;H04W12/122
• 代理公司: 北京同恒源知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11275
• 代理人: 趙榮之

1.一種基于信任機制的無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點安全狀態(tài)評估方法，其特征在于：該方法包括以下步驟：

S1：自私節(jié)點聲譽值評估：當(dāng)節(jié)點n處于時隙st_k并與相遇節(jié)點m建立連接時，首先相互交換節(jié)點身份Nid來驗證雙方節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中的唯一合法性，如果相遇節(jié)點m因為條件限制需要實施自私行為，則節(jié)點n通過直接交互獲悉節(jié)點m是否拒絕接收部分或者全部消息，并將自私行為分為三種情況進行聲譽值評估；

S2：惡意節(jié)點聲譽值評估：惡意節(jié)點以欺騙其他節(jié)點的方式誘使協(xié)作節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)消息，惡意節(jié)點接收消息之后體現(xiàn)出非協(xié)作性有兩種方式：一是通過竊取或者篡改消息，二是通過丟棄消息；

量化評估客體節(jié)點聲譽值，其中所述量化由評估主體節(jié)點在每個時隙內(nèi)部進行，且所述評估客體節(jié)點為與所述評估主體節(jié)點相遇的節(jié)點；并在每個時隙結(jié)束時刻更新評估客體節(jié)點聲譽值；如果評估客體節(jié)點聲譽值高于評估主體節(jié)點所設(shè)定的信任閾值，則評估主體節(jié)點選擇與評估客體節(jié)點交互，將消息轉(zhuǎn)發(fā)至評估客體節(jié)點，信任其在未來移動過程中能夠?qū)脑u估主體節(jié)點接收到的消息未經(jīng)篡改地轉(zhuǎn)發(fā)給其他中繼節(jié)點或目的節(jié)點，共同完成協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)消息的過程；由于機會網(wǎng)絡(luò)間斷性連接，評估主體節(jié)點無法一直跟蹤監(jiān)視評估客體節(jié)點是否按照協(xié)作方式正常轉(zhuǎn)發(fā)消息，因此通過三種途徑來搜集用于聲譽值評估的信息，從而準(zhǔn)確量化評估客體節(jié)點聲譽值；

步驟S1中，三種自私行為情況為：

情況1：相遇節(jié)點m只愿意接收以朋友節(jié)點為目的節(jié)點的消息或者以內(nèi)容偏好為導(dǎo)向的消息，則將節(jié)點m加入節(jié)點n的自私節(jié)點列表sList_n，列明節(jié)點m所屬社區(qū)Oid_m和內(nèi)容偏好Con_m并由節(jié)點n和節(jié)點m共同簽名證明加入sList_n信息的真實性；

情況2：相遇節(jié)點m剩余能量不足，則判斷其剩余能量不足的依據(jù)是需要確保在時隙st_k結(jié)束時刻為止，節(jié)點m利用剩余能量接收目的節(jié)點的消息，其公式為：

其中，為節(jié)點m在時隙st_k內(nèi)處于鏈路空閑狀態(tài)下的單位時間能耗，為距離時隙st_k結(jié)束時刻內(nèi)鏈路連接狀態(tài)下節(jié)點m作為目的節(jié)點接收消息的時間；由節(jié)點m在時隙st_k內(nèi)的歷史交互經(jīng)驗決定；節(jié)點n將節(jié)點m加入sList_n，列明節(jié)點m為能量不足節(jié)點且僅能存活至?xí)r隙st_k結(jié)束時刻為止；

情況3：相遇節(jié)點m緩存資源不足，則判斷其緩存資源不足公式為：

其中，表示節(jié)點m尚未利用的緩存空間，表示節(jié)點m中以節(jié)點n為目的節(jié)點的消息所占用的緩存空間，表示節(jié)點n中緩存的以節(jié)點m為目的節(jié)點的消息所占用的緩存空間；

節(jié)點m通過積極轉(zhuǎn)發(fā)消息來改變緩存空間不足的情況，當(dāng)節(jié)點m緩存不足時調(diào)整緩存空間，

其中，表示節(jié)點m自身消息所占用的緩存空間，表示節(jié)點m中已緩存卻隸屬于其他節(jié)點的消息所占用的緩存空間；

按照消息相似度確定消息轉(zhuǎn)發(fā)優(yōu)先級，計算公式為：

其中，表示消息緩存于節(jié)點m且屬于內(nèi)容偏好Con_A的消息相似度，C(M_m∈Con_A)表示節(jié)點m中已緩存屬于內(nèi)容偏好Con_A的消息數(shù)量，C(M_n∈Con_A)表示節(jié)點n中已緩存屬于內(nèi)容偏好Con_A的消息數(shù)量；因此，的數(shù)值大小由節(jié)點n和節(jié)點m所緩存消息內(nèi)容偏好的差異決定，節(jié)點m按照消息相似度由低到高的順序依次轉(zhuǎn)發(fā)消息；

節(jié)點m在時隙st_k內(nèi)接收消息的平均緩存空間為轉(zhuǎn)發(fā)消息的平均緩存空間為對節(jié)點n轉(zhuǎn)發(fā)消息緩存空間增量為接收消息緩存空間增量為節(jié)點m由擁塞至正常狀態(tài)所需時間為計算公式為：因此，緩存不足的自私節(jié)點在移動過程中積極轉(zhuǎn)發(fā)消息以降低擁塞風(fēng)險，使節(jié)點能夠盡快由自私節(jié)點重新成為協(xié)作節(jié)點；

步驟S1中所述的聲譽值評估具體為：節(jié)點n根據(jù)導(dǎo)致相遇節(jié)點m產(chǎn)生自私行為的原因?qū)⒆运焦?jié)點及產(chǎn)生原因分別加入sList_n中并加上時間戳，如下表所示：

節(jié)點n的自私節(jié)點列表sList_n

當(dāng)節(jié)點相遇時，需要相互交換經(jīng)過簽名認證的自私節(jié)點列表sList，結(jié)合相遇節(jié)點的sList，評估主體節(jié)點通過判定相遇節(jié)點是否為協(xié)作節(jié)點更新sList；

當(dāng)評估客體節(jié)點已聲明為自私節(jié)點時，評估主體節(jié)點將自私節(jié)點聲譽值記錄為在該時隙內(nèi)所設(shè)定的信任閾值，直至評估客體節(jié)點解除自私行為；

步驟S2中，三種用于搜集聲譽值評估信息的途徑是：

(1)朋友節(jié)點推薦：朋友節(jié)點通過與評估客體節(jié)點交互，如果評估客體節(jié)點聲譽值高于朋友節(jié)點所設(shè)定的信任閾值，且完成了協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)義務(wù)，則朋友節(jié)點信任評估客體節(jié)點，提高評估客體節(jié)點聲譽值，由于信任具有傳遞性，因此評估主體節(jié)點也信任評估客體節(jié)點；

(2)中繼節(jié)點反饋：當(dāng)中繼節(jié)點與評估主體節(jié)點相遇時，中繼節(jié)點是消息經(jīng)評估主體節(jié)點與評估客體節(jié)點之后的下游節(jié)點，如果中繼節(jié)點最終通過評估客體節(jié)點獲得消息，則證明評估客體節(jié)點履行了協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)消息的義務(wù)；

(3)目的節(jié)點反饋：當(dāng)目的節(jié)點接收到消息之后，通過解析通信雙方節(jié)點簽名之后的路由列表rList獲悉協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)該消息的中繼節(jié)點合法身份；目的節(jié)點相應(yīng)提高成功投遞消息的中繼節(jié)點聲譽值；此外，目的節(jié)點在與非朋友節(jié)點的其他節(jié)點相遇時發(fā)送反饋信息，使其他節(jié)點相應(yīng)調(diào)整評估客體節(jié)點聲譽值；

步驟S2中，惡意節(jié)點聲譽值評估具體方法為：

當(dāng)節(jié)點n在時隙st_k內(nèi)與節(jié)點m相遇時，如果節(jié)點n未識別節(jié)點m的自私行為且在網(wǎng)絡(luò)中首次交互，則節(jié)點n將首先視節(jié)點m為協(xié)作節(jié)點，更新節(jié)點m在本時隙的推薦系數(shù)RC(st_k)_n,m，計算公式為：

其中，表示節(jié)點n在時隙st_k內(nèi)與朋友節(jié)點的交互總次數(shù)，表示節(jié)點n在時隙st_k內(nèi)與推薦節(jié)點m的朋友節(jié)點的交互次數(shù)；由于評估主體節(jié)點n無法直接通過與節(jié)點m交互量化評估客體節(jié)點m的聲譽值，節(jié)點n需要與中繼節(jié)點l交互，通過中繼節(jié)點l的反饋信息確認節(jié)點m是否已協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)了消息，因此確認協(xié)作過程由三方節(jié)點共同完成，且三方節(jié)點兩兩之間存在相遇概率；按照時間順序由節(jié)點n與節(jié)點m相遇，到節(jié)點m與節(jié)點l相遇，再到節(jié)點n與節(jié)點l相遇的間接相遇概率IP(st_k)_n,m,l，計算公式為：

其中，t(st_k)^residue表示距離時隙st_k結(jié)束時刻的時間，表示節(jié)點n與節(jié)點m、再與節(jié)點l相遇的平均相遇間隔時間；節(jié)點m根據(jù)在時隙st_k內(nèi)所轉(zhuǎn)發(fā)的消息記錄向節(jié)點n提供轉(zhuǎn)發(fā)期望FE(st_k)_m，證明在本時隙轉(zhuǎn)發(fā)消息的能力，計算公式為：

其中，j表示在時隙st_k內(nèi)與節(jié)點m的相遇節(jié)點，u表示在時隙st_k內(nèi)節(jié)點m的相遇節(jié)點數(shù)量，表示節(jié)點m與節(jié)點j的平均轉(zhuǎn)發(fā)消息數(shù)量，t(st_k)^residue表示距離時隙st_k結(jié)束的時間，表示在該時隙內(nèi)節(jié)點m與節(jié)點j的平均相遇間隔時間；

根據(jù)上述參數(shù)，評估主體節(jié)點n在時隙st_k內(nèi)計算評估客體節(jié)點m的聲譽值TR(st_k)_n,m，計算公式為：

其中，表示評估主體節(jié)點n在時隙st_k內(nèi)通過中繼節(jié)點l反饋的評估客體節(jié)點消息投遞數(shù)量，∑C(st_k)_n,m表示節(jié)點n在時隙st_k內(nèi)轉(zhuǎn)發(fā)至節(jié)點m的消息數(shù)量，且∑C(st_k)_n,m＜FE(st_k)_m，PL(st_k)_n,m表示經(jīng)過目的節(jié)點驗證未經(jīng)篡改的消息，此消息是經(jīng)中繼節(jié)點l成功投遞至目的節(jié)點的路由跳數(shù)；

通過已量化的聲譽值預(yù)測下一時隙聲譽值：當(dāng)評估主體節(jié)點n在每個時隙結(jié)束時刻量化評估客體節(jié)點m的聲譽值，并利用自回歸時間序列模型預(yù)測節(jié)點m在下一時隙的聲譽值，預(yù)測公式為：

其中，TR(st_k)_n,m，TR(st_k-1)_n,m，....，TR(st_k-p)_n,m為評估主體節(jié)點n在時隙st_k，st_k-1，…，st_k-p內(nèi)對評估客體節(jié)點m的聲譽值評估，α為自回歸時間序列模型參數(shù)，為白噪聲序列，且服從均值為0、方差為σ²的正態(tài)分布，p為自回歸階次；根據(jù)公式(1)，由自回歸階次為p，可推導(dǎo)出如下(k-p)個公式，如下公式所示：

令A(yù)＝[α₁ α₂…α_p-1 α_p]^T，則轉(zhuǎn)化為矩陣式為：

TR＝BA+u，

采用最小二乘法，從而得出解：

A＝(B^T·B)^-1·B^T·TR，

根據(jù)H.AKaike信息定階準(zhǔn)則AIC確定p的階數(shù)：

其中，表示評估客體節(jié)點聲譽值在不同時隙的觀察值與預(yù)測值之間殘差的方差，N表示評估聲譽值數(shù)量，使AIC數(shù)值最小的取值即為p的階數(shù)，從而得出評估主體節(jié)點n對于評估客體節(jié)點m的聲譽值評估。