[發(fā)明專利]分簇路由協(xié)議下WSN惡意程序傳播的建模與防控方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202210280666.1
• 申請日: 2022-03-22
• 公開（公告）號: CN114679727A
• 公開（公告）日: 2022-06-28
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 鄭逸凡;雷德梁;徐鋒慶;張麗萍
• 申請（專利權(quán)）人: 南京航空航天大學(xué)
• 主分類號: H04W12/122
• 分類號: H04W12/122;H04W12/128;H04W40/32;H04W24/02;H04W24/06;H04W84/18
• 代理公司: 南京蘇高專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

1.一種分簇路由協(xié)議下WSN惡意程序傳播的建模與防控方法，其特征在于，包括以下步驟：

第一步、對分簇路由協(xié)議的傳感網(wǎng)絡(luò)中每種類型節(jié)點傳染病毒效力進(jìn)行建模，引入Holling-Ⅱ函數(shù)刻畫傳染的飽和性；

第二步、引入Kermark-Mckendrick模型刻畫節(jié)點間的狀態(tài)變化，并且改進(jìn)K-M模型具體應(yīng)用到簇頭與簇節(jié)點的傳染關(guān)系中；建立狀態(tài)轉(zhuǎn)化方程組；

第三步、建立關(guān)于染病節(jié)點占比與防控病毒傳播成本的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，求解最優(yōu)化問題；

第四步、建立免疫時效性函數(shù)刻畫補(bǔ)丁失效情況，進(jìn)行數(shù)值仿真，刻畫防控隨時間的效果圖。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分簇路由協(xié)議下WSN惡意程序傳播的建模與防控方法，其特征在于，適用于分簇路由協(xié)議中，即第二步具體如下：

(1)N為傳感器總數(shù)，n為簇頭個數(shù)，易感狀態(tài)節(jié)點S中簇頭以轉(zhuǎn)化量轉(zhuǎn)化為染病狀態(tài)簇頭I₁，該過程轉(zhuǎn)化率設(shè)為λ₁，轉(zhuǎn)化量的形式為Holling-Ⅱ函數(shù)形式，以描述其感染飽和性，其中m為參數(shù)；易感狀態(tài)節(jié)點S中下屬節(jié)點以轉(zhuǎn)化量轉(zhuǎn)化為染病狀態(tài)下屬節(jié)點I₂，該過程轉(zhuǎn)化率設(shè)為λ₂；部分易感節(jié)點S被免疫，免疫的節(jié)點數(shù)占所有易感節(jié)點比例為a(t)，即有a(t)的易感節(jié)點S轉(zhuǎn)化為R類節(jié)點，其中a是時間的函數(shù)，Λ，λ為常數(shù)；

(2)部分染病狀態(tài)節(jié)點I被排查，被排查的節(jié)點占所有染病節(jié)點的比例為b(t)，即有b(t)比例的I類節(jié)點轉(zhuǎn)化為R類節(jié)點，其中b是時間的函數(shù)；

(3)S(t)為t時刻易感節(jié)點數(shù)，I(t)為t時刻染病節(jié)點數(shù)，R(t)為t時刻免疫節(jié)點數(shù)，由上述描述可推出各狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移方程如下：

即最終有：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分簇路由協(xié)議下WSN惡意程序傳播的建模與防控方法，其特征在于，由一階無線電模型First Order Radio Model確定網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點的耗能，進(jìn)而確定節(jié)點生死狀態(tài)。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分簇路由協(xié)議下WSN惡意程序傳播的建模與防控方法，其特征在于，所述第三步具體為：

(1)將免疫率a(t)以及排查率b(t)兩個變量進(jìn)行控制，得到控制集；

(2)定義目標(biāo)函數(shù)

其中T為任意時刻；

(3)以步驟(2)的目標(biāo)函數(shù)和第三步得到的狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程為依據(jù)，推導(dǎo)得到哈密頓函數(shù)；

(4)以步驟(1)得到的控制集為第二約束條件，通過哈密頓函數(shù)得出最優(yōu)的控制變量，使得網(wǎng)絡(luò)中染病節(jié)點最少，抵御惡意程序傳播的成本最少。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分簇路由協(xié)議下WSN惡意程序傳播的建模與防控方法，其特征在于，所述分簇路由協(xié)議包括Leach分簇協(xié)議和PSO-UFC分簇協(xié)議。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的分簇路由協(xié)議下WSN惡意程序傳播的建模與防控方法，其特征在于，所述Leach分簇協(xié)議包括如下步驟：

(1)選簇頭階段：

正式成簇之前必須先在所有節(jié)點中依照協(xié)議選擇簇頭，Leach協(xié)議的規(guī)則為：只有之前未成為過簇頭的節(jié)點之后可以被選為簇頭，這類節(jié)點集合用G表示，該成簇機(jī)制可用每個節(jié)點被選為簇頭的概率T(n)加以描述；第1/P–1輪時，為了讓系統(tǒng)所有節(jié)點都能參與分擔(dān)簇頭的耗能壓力，令剩余沒有被選中為簇頭的節(jié)點全部成為簇頭；第1/P輪，所有節(jié)點成為簇頭的歷史被清除，重新獲得成為簇頭的資格，

T(n)是選擇一個節(jié)點作為簇頭的概率函數(shù)，P是系統(tǒng)中期望簇頭的數(shù)目與節(jié)點總數(shù)的比率，r為仿真輪數(shù)或仿真時間計數(shù)變量，G為所有未擔(dān)任過簇頭的節(jié)點集，初始狀態(tài)下包含網(wǎng)絡(luò)中所有傳感器節(jié)點，集合元素的數(shù)量隨迭代遞減，每經(jīng)過P輪G恢復(fù)初始狀態(tài)；

(2)成簇階段：

選出簇頭后，簇頭依照協(xié)議進(jìn)行廣播，令接收到廣播的下屬加入本簇；下屬節(jié)點依照距離遠(yuǎn)近，尋找距離最近的簇，向?qū)?yīng)簇頭發(fā)送信息告知，從而加入該簇；

(3)信息交流：

每輪成簇后，每個普通節(jié)點都向簇頭發(fā)送一次信息，簇頭將信息融合后發(fā)給基站，之后進(jìn)入下一輪成簇。

7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的分簇路由協(xié)議下WSN惡意程序傳播的建模與防控方法，其特征在于，所述PSO-UFC分簇協(xié)議執(zhí)行步驟為：

(1)選出簇頭：

基于簇內(nèi)距離、距基站距離、傳感器節(jié)點剩余能量的線性組合構(gòu)建適應(yīng)度函數(shù)，使適應(yīng)度函數(shù)最大；采用粒子群算法解決選簇頭這一NP問題，

其中||N_i-MCH_j||為下屬節(jié)點i距簇頭節(jié)點j的距離，l_j為屬于簇頭j的下屬節(jié)點的數(shù)量，E_R(MCH_j)為實際簇頭j的剩余能量，||MCH_j-BS||為簇頭節(jié)點距基站的距離，F(xiàn)itness為適應(yīng)度函數(shù)，優(yōu)化目標(biāo)為適應(yīng)度函數(shù)最小，α,β,γ為常系數(shù)；

(2)簇的構(gòu)造：

簇頭組合選取結(jié)束后，下屬節(jié)點接受到簇頭的廣播后選擇將加入的簇；選擇依據(jù)包括簇頭節(jié)點距離、簇頭節(jié)點距基站距離、簇頭節(jié)點剩余能量、簇頭節(jié)點的節(jié)點度；下屬節(jié)點遍歷可加入的簇頭，從中選出相對節(jié)能的簇頭加入，并向該簇頭發(fā)送信息進(jìn)行反饋；

(3)多跳路徑構(gòu)造：

集群簇形成后，構(gòu)建簇頭節(jié)點之間的多跳路徑用于信息交流，路徑的選擇依據(jù)簇頭節(jié)點剩余能量、簇頭節(jié)點之間距離、簇頭節(jié)點距基站的距離、簇頭節(jié)點的節(jié)點度，形成合適的多跳路徑；

(4)信息交流：

每輪成簇之后，每個下屬節(jié)點都向簇頭節(jié)點發(fā)送探測到的消息，簇頭節(jié)點將多條消息融合，然后將融合后的消息按照多跳樹路徑發(fā)送給下一個簇頭，之后進(jìn)入下一輪成簇。