[發明專利]基于NBDP聚類的無線傳感器網絡惡意節點檢測方法

有效

• 申請號: 202110054424.6
• 申請日: 2021-01-15
• 公開（公告）號: CN112929879B
• 公開（公告）日: 2022-05-03
• 發明（設計）人: 丁景澤;張浩天;吳援明
• 申請（專利權）人: 電子科技大學;賽爾網絡有限公司
• 主分類號: H04W12/122
• 分類號: H04W12/122;H04W40/22;H04W40/24;H04W84/18
• 代理公司: 電子科技大學專利中心 51203
• 代理人: 周劉英

1.一種基于NBDP聚類的無線傳感器網絡惡意節點檢測方法，其特征在于，首先進行如下定義和說明：

所述基于NBDP聚類的無線傳感器網絡惡意節點檢測方法涉及四種類型節點：第一種是負責實施基于噪聲密度峰值NBDP聚類以篩選惡意節點的匯聚節點；第二種是各個簇內負責監聽計算每個節點累計轉發率并以多跳路由的形式將數據包發送給匯聚節點的監測節點；第三種是簇首節點，在成簇的時候生成；第四種是成員節點，負責采集數據以及轉發數據；

所述基于NBDP聚類的無線傳感器網絡惡意節點檢測方法包括以下步驟：

S1、利用擴散聚類方案和混合能量均衡路由協議DCRP算法對無線傳感器網絡分簇，選出符合條件的監測節點；

S2、在網絡不斷運行的過程中，監測節點負責計算本簇內節點的累計轉發率，并發送給匯聚節點；

S3、匯聚節點對接收到的累計轉發率實施基于噪聲密度峰值NBDP聚類，篩選出惡意節點；

其中，所述步驟S1包括以下步驟：

S11、在一定區域內，隨機均勻部署一定數量的成員節點，成員節點在網絡中負責感知環境、收集環境數據，并將收集到的數據信息封裝在數據包內，發送給所屬簇的簇首；

S12、由匯聚節點向周圍廣播Hello消息，收到Hello消息的第一批節點加入第一個簇，并向匯聚節點發送成簇報文，匯聚節點通過DCRP算法的簇首選擇公式，決定下一跳簇首，

其中，所述DCRP算法對無線傳感器網絡分簇時，成簇階段發送的成簇報文內包含跳數、剩余能量、未成簇鄰居數三個信息，匯聚節點通過簇首選擇公式為每一個節點計算一個簇首可能值，該簇首選擇公式如下：

其中，參數滿足α+β+γ＝1，以確保W(i)為0到1之間的值；N(i)表示節點未成簇鄰居數；N_max表示所有節點中未成簇鄰居數的最大值；D(i)表示節點的深度，即跳數；E(i)表示節點的剩余能量，E₀表示節點的初始能量；節點的簇首可能值W(i)越高，其越有可能被選為簇首；

S13、由下一跳簇首向周圍廣播Hello消息，將收到Hello消息的非第一跳未成簇節點標記為第二跳節點，這些第二跳節點加入到該簇中，并向所屬簇簇首發送成簇報文，所屬簇簇首通過多跳路由的形式轉發給匯聚節點，匯聚節點通過簇首選擇公式，決定下一跳簇首；

S14、采用與步驟S13相同的方法依次得到下一條簇首、形成下一個簇，直至網絡拓撲不再變化，網絡分簇階段結束；

S15、每一個簇內，除了簇首以外的剩余能量最多的成員節點，被選舉為該簇的監測節點；

S16、每個監測節點控制發送半徑廣播信息，發送一個包含監測節點ID信息的數據包，形成與簇首路由相同方向的監測路由，如果某個簇的監測節點與父親簇的監測節點通信不可達，則在這個簇內選舉一個可信成員節點作為橋節點，輔助這個簇的監測節點與父親簇的監測節點之間的通信；

所述步驟S2包括以下步驟：

S21、在網絡運行過程中，每個簇內的監測節點不收集環境信息，僅僅通過看門狗方式監測簇內的成員節點以及簇首是否轉發了接收的數據包，并記錄下本簇內的成員節點以及簇首每一輪的收包數和發包數；

S22、網絡運行的每一輪結束后，監測節點通過記錄的成員節點以及簇首到當輪為止的累計發包數和累計收包數，計算每個成員節點以及每個簇首的累計轉發率，

其中，第k個簇首的累計轉發率的計算公式為：

其中R_CH_k(n)為在前n輪里被第k個簇首接收的數據包總數；F_CH_k(n)為在前n輪里第k個簇首成功轉發的數據包總數；r_CH_k(n)為第n輪里被第k個簇首接收的數據包總數；f_C H_k(n)為第n輪里第k個簇首成功轉發的數據包總數；CFR_CH_k(n)為第k個簇首的累計轉發率；

簇內第j個成員節點的累計轉發率的計算公式為：

其中，N為正常情況下第j個成員節點在前n輪里應該向它的簇首發送的數據包總數；F_MN_j(n)為在前n輪里第j個成員節點成功發送的數據包總數；f_MN_j(n)為第n輪里第j個成員節點成功發送的數據包總數；CFR_MN_j(n)為第j個成員節點的累計轉發率；

S23、監測節點將計算的每個成員節點以及每個簇首的累計轉發率封裝在監測數據包中，通過多跳監測路由，將簇內每個成員節點以及每個簇首的累計轉發率數據發送給匯聚節點；

所述步驟S3包括以下步驟：

S31、在網絡運行每一輪后且匯聚節點收到監測節點發來的網絡內所有成員節點以及所有簇首的累計轉發率數據后，匯聚節點構造每個成員節點以及每個簇首對應的二維聚類數據，構成所有成員節點以及所有簇首的二維聚類數據集，

其中，所述所有成員節點以及所有簇首的二維聚類數據集(Data Set,DS)為：

DS＝{x₁,x₂,x₃,…,x_m} (7)

其中，m為無線傳感器網絡中除監測節點外剩余節點的總數，若節點k為簇首，則x_k＝(CFR_CH_k(n),CFR_CH_k(n-1))；若節點k為成員節點，則x_k＝(CFR_MN_k(n),CFR_MN_k(n-1))；

S32、匯聚節點以所有成員節點以及所有簇首的二維聚類數據集為基礎，運行NBDP聚類算法，通過聚類結果，確定噪聲點，將對應的節點設置為當輪懷疑節點；

S33、匯聚節點在確定當輪的懷疑節點后，對網絡中除監測節點之外的所有節點進行檢查，如果有節點連續s輪被認定為懷疑節點，則匯聚節點廣播該節點為惡意節點的信息，將該節點排出網絡之外。