专利名称：一种基于能量场的传感网恶意节点检测方法
技术领域：
本发明涉及通信领域，具体涉及ー种基于能量场的传感网恶意节点检测方法。
背景技术：
无线传感器网络是ー种资源有限且以数据为中心的无线通信网络，节点是用电池或其它易耗尽的电源作为供电设备来使传感器节点正常工作，整个网络通常是处于恶劣环境且完全暴露在敌方视野中的。因此，如何最大程度的使节点间能耗均衡，节约节点能耗，避免能耗攻击(如DOS攻击、Sinkhole攻击)等安全威胁，延长网络寿命是研究无线传感网安全应用的关键性问题。专利《基于能量预测的无线传感器网络入侵检测方法》中包括以下步骤(I)汇聚节点汇总所有的当前能量剰余信息，根据能量剰余信息预测出下ー阶段所有节点的能量预计消耗值；能量消耗预测方法为节点能量预测消耗值为汇聚节点根据节点工作状态的转·移历史统计，对节点工作状态建立成为马尔科夫链，对下一阶段节点的工作状态进行在參与到一次成簇和路由转发工作所消耗的能量值。(2)计算节点的能量检测因子；汇聚节点预测出下ー阶段所有节点的能量预计消耗值，并在下一轮收集到节点能量实际消耗值，迸行对比得出检测因子。根据AE= |Ε；-Ε；计算所述能量检测因子，其中Ed为t个时间长度后节点上报至汇聚节点的节点能量实际消耗值，E;为节点在t个时间长度内能量预计消耗值。(3)将得到的能量检测因子ΛE与阈值ThreshoIdE比较，如果ΔΕ > ThresholdE，则认为该节点在本周期内没有正常的工作，认定为受到了外界的恶意入侵从而导致节点没有按照规律工作，从而消耗的能量显著的増加或減少。其中，阈值公式为ThresholdE =ETX*k+ ε Jbdtl2,其中，k为发送数据的比特数，Etx为发送每比特所要消耗的能量，ε amp为无线传输衰减因子，d0为正常节点的无线通信距离。其存在的不足包括(I)没有考虑到怎样使得网络节点的能量消耗更加均衡。(2)定义的阈值公式为节点发送数据的能量消耗值，若恶意节点不断发送数据那么相应的使得其阈值变大，从而使得检测精度下降，因此这种定义阈值的方法有待改进。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种基于能量场的传感网恶意节点检测方法，检测出威胁，为传感器网络的正常工作和延长网络生命周期奠定了基础。本发明提供一种基于能量场的传感网恶意节点检测方法，其改进之处在于，所述方法包括如下步骤(I)构建基于能量场的无线传感网；(2)在所述传感网中运用ARMA预测模型来预测节点的剰余能量值；(3)基于能量的恶意节点检测。其中，步骤(I)包括如下步骤(1-1)假定所有节点能量同构，每个节点确认自身的剰余能量，且节点在成为簇头期间不会受到恶意攻击；采用分布式自组织协议Leach协议进行分簇和选定簇头节点，使所有节点以轮为工作周期，周期性地轮流作为簇头节点；(1-2)每轮簇头节点被确定时，通过ー个单值能量势能函数计算出自身的势能值，并将自己的势能值通过与其周围邻居簇头节点数据通信时发送给邻居簇头节点；簇头节点获取周围邻居簇头的势能值的同时，通过接收无线信号的強弱或衰减程度算出与另ー个簇头节点之间的通信开销Cuv，并计算出驱动数据分组流向各个邻居簇头节点力的大小；(1-3)簇内节点将传感数据转发到自己所在簇的簇头节点，簇头节点进行数据转发时，转发给与它相邻的邻居簇头节点力FUi值最大的簇头节点，第二跳节点收到该数据分组，搜寻邻居簇头节点力FUi值最大的簇头节点，并转发该数据分组，直至数据分组到达唯一终点Sink节点；(1-4)在姆轮选举出的簇头节点中通过簇头节点之间的多跳路由与Sink节点形成ー个“多对一”的且具有向心性的网络通信模型。
其中，步骤(1-2)所述单值能量势能函数为V(y)ay+b,其中a>0,函数单调递增；y为节点本身的剰余能量。其中，步骤(1-2)所述簇头节点カ的计算公式为
,.PV(U)-V(V)Fll^v =----其中，Cuv为两个簇头节点间的通信开销；V(u)为u节点根据单值能量势能函数计算出自身的势能值；V(v)为V节点根据单值能量势能函数计算出自身的势能值。其中，步骤(2)包括如下步骤(2-1)通过无线通信模型，计算节点发送数据的能量消耗Etx和接收数据的能量消耗Em ；(2-2)簇头节点确认每轮簇内节点的剰余能量值和能量消耗值；(2-3)簇头节点获取到的簇内节点消耗能量为Xtl, X1,…，Xi,…，Xn，并以此顺序为序列，对该序列建立ARMA (I, I)模型预测下ー轮簇内节点能量消耗值之,X1,-,Xil-J,,''(2-4)将第j轮能量消耗预测值代入式得节点第j轮的剩余能量预测值ο其中，步骤(2-1)计算节点发送数据的能量消耗Etx的表达式为Etx = kETelec+kd2Eamp计算节点接收数据的能量消耗Em的表达式为Erx = kERelec其中，Elelec为发送每个比特需要消耗的能量；EKele。为接收每个比特需要消耗的能量出_为信号放大器能耗；(1为指网络中单个节点的最大通信距离；k为要发送或接收的数据比特位数。其中，步骤(2-2)中设滑动时间窗的大小为n，簇头节点获取每轮节点消耗能量为X0, X1,…，Xi,…，Xn，其中Xi = Etx；i (h, d)+Erx；i(h)Xi表示节点第i轮能量消耗d)为第i轮节点发送数据的能量消耗；En,i(h)为第i轮节点接收数据的能量消耗；节点第i轮的剩余能量实际值为第i_l轮的剩余能量实际值减去第i轮能量消耗实际值。(能量初始值Etl给定)其中，步骤(2-4)所述剩余能量预测值毛的表达式为
权利要求
1.一种基于能量场的传感网恶意节点检测方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤 (1)构建基于能量场的无线传感网； (2)在所述传感网中运用ARMA预测模型来预测节点的剰余能量值； (3)基于能量的恶意节点检测。
2.如权利要求I所述的传感网恶意节点检测方法，其特征在于，步骤(I)包括如下步骤 (1-1)假定所有节点能量同构，每个节点确认自身的剰余能量，且节点在成为簇头期间不会受到恶意攻击；采用分布式自组织协议Leach协议进行分簇和选定簇头节点，使所有节点以轮为工作周期，周期性地轮流作为簇头节点； (1-2)每轮簇头节点被确定时，通过ー个单值能量势能函数计算出自身的势能值，并将自己的势能值通过与其周围邻居簇头节点数据通信时发送给邻居簇头节点；簇头节点获取周围邻居簇头的势能值的同时，通过接收无线信号的強弱或衰减程度算出与另ー个簇头节点之间的通信开销Cuv，并计算出驱动数据分组流向各个邻居簇头节点力的大小； (1-3)簇内节点将传感数据转发到自己所在簇的簇头节点，簇头节点进行数据转发吋，转发给与它相邻的邻居簇头节点力FUi值最大的簇头节点，第二跳节点收到该数据分组，搜寻邻居簇头节点力FUi值最大的簇头节点，并转发该数据分组，直至数据分组到达唯一终点Sink节点； (1-4)在姆轮选举出的簇头节点中通过簇头节点之间的多跳路由与Sink节点形成一个“多对一”的且具有向心性的网络通信模型。
3.如权利要求2所述的传感网恶意节点检测方法，其特征在干，步骤(1-2)所述单值能量势能函数为V(y)=ay+b,其中a>0,函数单调递增；y为节点本身的剩余能量。
4.如权利要求2所述的传感网恶意节点检测方法，其特征在干，步骤(1-2)所述簇头节点力的计算公式为 其中，Cuv为两个簇头节点间的通信开销；V(u)为U节点根据单值能量势能函数计算出自身的势能值；V(v)为V节点根据单值能量势能函数计算出自身的势能值。
5.如权利要求I所述的传感网恶意节点检测方法，其特征在于，步骤(2)包括如下步骤 (2-1)计算节点发送数据的能量消耗Etx和接收数据的能量消耗En ； (2-2)簇头节点确认每轮簇内节点的剰余能量值和能量消耗值； (2-3)簇头节点获取到的簇内节点消耗能量为Xtl, X1,…，Xi,…，Xn，并以此顺序为序列，对该序列建立ARMA(1，I)模型预测下一轮簇内节点能量消耗值尤》之， (2-4)将第j轮能量消耗预测值代入式得节点第j轮的剩余能量预测值
6.如权利要求5所述的传感网恶意节点检测方法，其特征在干， 步骤(2-1)计算节点发送数据的能量消耗Etx的表达式为Etx = kEwec+kefE—计算节点接收数据的能量消耗En的表达式为
7.如权利要求5所述的传感网恶意节点检测方法，其特征在于，步骤(2-2)中设滑动时间窗的大小为n，簇头节点获取每轮节点消耗能量为Xtl, X1, -,Xi,…，Xn，其中
8.如权利要求5所述的传感网恶意节点检测方法，其特征在于，步骤(2-4)所述剩余能量预测值毛.的表达式为
9.如权利要求I所述的传感网恶意节点检测方法，其特征在于，步骤(3)包括如下步骤 (3-1)选取报警阈值； (3-2)根据得到的阈值T’，计算第Ri轮剩余能量实际值EKi与剰余能量预测值的差值； (3-3)在M轮通信过程中，若簇头节点有连续ω轮预测与实际剩余之差的绝对值δ超过阈值Τ’，所述簇头节点将产生报警消息，报告此节点发生能量异常。
10.如权利要求9所述的传感网恶意节点检测方法，其特征在于，步骤(3-1)报警阈值的计算方法为 簇头节点按簇内某节点当选簇头节点的次数，分别计算簇内节点能量的平均值，并得到针对于当选簇头节点次数不同的各个簇内节点的当前的阈值Τ’，公式如下r C ClusterCnt ) = (1 + a%) \ Em - Emmean | 其中，ClusterCnt是节点当选簇头节点的次数是第Ri轮簇头节点对簇内节点的剩余能量预测值；EKimeani第Ri轮且当选簇头ClusterCnt次簇内节点的实际剩余能量平均值毋是阈值选取的參量，根据准确度的需求设定。
11.如权利要求9所述的传感网恶意节点检测方法，其特征在于，步骤(3-2)中所述第Ri轮剩余能量实际值EKi与剰余能量预测值左的差值的表达式为 和 14-41。
全文摘要
本发明公开了一种基于能量场的传感网恶意节点检测方法，包括步骤有(1)构建基于能量场的无线传感网；(2)在所述传感网中运用ARMA预测模型来预测节点的剩余能量值；(3)基于能量的恶意节点检测。本发明构造了基于能量场的传感器网络使得能量消耗更加均衡有效延长网络的寿命，并且运用实时性较强的ARMA预测模型对节点能量进行预测，提高安全报警的准确度。更重要的是，现有技术中阈值的定义根据节点发送数据的能量消耗来计算的，若节点遭受攻击不断发送数据那么使得其阈值变大，而本发明采用动态阈值选取，并考虑了簇内节点成为簇头消耗能量较大的因素，进一步提高了检测的准确度。
文档编号H04W12/00GK102843672SQ20121027999
公开日2012年12月26日 申请日期2012年8月8日 优先权日2012年8月8日
发明者徐兴坤, 高昆仑, 赵婷, 郑晓崑, 徐志博 申请人:中国电力科学研究院, 国家电网公司