一种无线传感器网络的信任值计算方法
【专利摘要】本发明公开了一种无线传感器网络的信任值计算方法，属于无线传感器网络技术领域；该方法包括，步骤一：无线传感器网络中节点交互概率矩阵的建立，根据PageRank算法将无线传感器网络中节点的交互关系转换为各节点交互概率矩阵；步骤二：确定无线传感器网络中节点的概率分布向量收敛值；步骤三：无线传感器网络中节点的信任值计算，引入报文转发率和权重系数与概率分布向量收敛值综合计算节点的信任值；本发明方法计算代价低，功耗小；可以有效地增强网络的安全性，提高网络的服务质量，降低网络通信代价。
【专利说明】
-种无线传感器网络的信任值计算方法
技术领域
[0001] 本发明设及无线传感器网络技术领域，具体设及一种无线传感器网络的信任值计 算方法。
【背景技术】
[0002] 目前针对无线网络安全的措施主要有基于密码学的安全措施和基于信任模型的 安全保障机制。密码学技术能较好地防御各种外部攻击，却无法有效地抵御网络内部恶意 节点的攻击;基于信任值构建的信任模型研究如何在异构不确定的网络环境下，根据网络 节点交互过程所呈现的各种主客观证据，动态评估其它节点的可信程度，并据此作出有利 于上层应用的决策。信任模型参与节点的路由选择及数据转发，能及时发现网络中其他节 点的异常行为，有效地增强网络的安全性和鲁棒性。
[0003] 目前，对于无线传感器网络学术界已经提出了一些信任值的计算方法，但是存在 信任值无法客观准确地描述节点的可信度、计算复杂及通信代价高等不足，而无法适用于 无线传感器网络。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的：提供一种基于化geRank算法的无线传感器网络信任值计算方法， 可W解决目前无线传感器网络中存在信任值无法客观准确地描述节点的可信度、计算复杂 度及通信代价高等问题。
[0005] 为实现上述目的本发明采用的技术方案是： 一种无线传感器网络的信任值计算方法，包括如下步骤： 步骤一:无线传感器网络中节点交互概率矩阵的建立，根据化geRank算法将无线传感 器网络中节点的交互关系转换为各节点交互概率矩阵； 步骤二:确定无线传感器网络中节点的概率分布向量收敛值，初始状态下，某个节点与 网络中的每个节点交互的概率除其本身为零值外都是相等的，可建立初始状态下节点交互 概率的列向量，该列向量去右乘交互概率矩阵，就得到了第一次交互后的概率分布向量，再 用第一次交互后的概率分布向量继续去右乘交互概率矩阵，就得到了第二次交互后的概率 分布向量，多次迭代后的概率分布向量会收敛，可获得节点的概率分布向量收敛值； 步骤无线传感器网络中节点的信任值计算，引入报文转发率和权重系数与概率分 布向量收敛值综合计算节点的信任值； 所述步骤=中节点的信任值通过如下公式计算：
其中，衣:表示节点j的信任值； 巧:表示节点j的概率分布向量收敛值； /Af後:表示节点j的报文转发率； 徐：表示权重系数，取值在0~1之间； 利用信任值进行无线传感器网络最优路径选择： 步骤一:确认单跳信任值的最大值，在无线传感器网络中，某一时刻如果某个节点经过 多跳与目的节点进行交互，需从网络中寻找和遍历可信度最高的节点来组成一条路径，进 行数据传输;运条路径就被称作信任路径;其值被定义为单跳信任值的最大值，其计算公式 为：
其中，搞別：表示单位时间内路径P上的单跳信任值的最大值； 11?:表示节点的单跳信任值； 义';.友>:表示路径P上的两个相邻节点； 心咬:表示&是&的下一跳节点； 步骤二:最优路径的选择，引入了源节点到目的节点路径中的跳数笃&4巧，来捜索无线 传感器网络中的最优路径，其计算公式为：
其中，.转W :表示源节点到目的节点路径中跳数的最小值； 巧?；，飼I:表示源节点到目的节点路径中的跳数。
[0006] 报文转发率巧據是指无线传感器网络中节点对单位时间内接收到的数据包进行 成功转发的数量(NfDrward)与单位时间内接收到数据包总量(NtDtal)的比值;即：
[0007] 本发明的有益效果是： 本发明提出一种无线传感器网络的信任值计算方法，该方法该方法是W化geRank算法 为依托，引入了报文转发率作为参数阔值来确保信任值的客观有效性；本发明能够利用 化geRank算法计算得到无线传感器中各个节点的信任值;可W确定无线传感器网络中节点 间通信的信任路径;本发明方法计算代价低，功耗小;可W有效地增强网络的安全性，提高 网络的服务质量，降低网络通信代价。
【附图说明】
[000引图1为本发明实施例计算方法的流程图； 图2为本发明实施例网络节点拓扑示意图。
【具体实施方式】
[0009] W下结合附图对本发明优选实施例做进一步说明： 如图1所示，一种无线传感器网络的信任值计算方法，包括如下步骤： 步骤SlOl:无线传感器网络中节点交互概率矩阵的建立，根据化geRank算法将无线传 感器网络中节点的交互关系转换为各节点交互概率矩阵； 步骤S102:确定无线传感器网络中节点的概率分布向量收敛值，初始状态下，某个节点 与网络中的每个节点交互的概率除其本身为零值外都是相等的，可建立初始状态下节点交 互概率的列向量，该列向量去右乘交互概率矩阵，就得到了第一次交互后的概率分布向量， 再用第一次交互后的概率分布向量继续去右乘交互概率矩阵，就得到了第二次交互后的概 率分布向量，多次迭代后的概率分布向量会收敛，可获得节点的概率分布向量收敛值； 步骤S103:无线传感器网络中节点的信任值计算，引入报文转发率和权重系数与概率 分布向量收敛值综合计算节点的信任值； 所述步骤=中节点的信任值通过如下公式计算：
其中，巧：表示节点j的信任值； 巧:表示节点j的概率分布向量收敛值； 表示节点j的报文转发率； 傑：表示权重系数，取值在O~1之间； 利用信任值进行无线传感器网络最优路径选择： 步骤一:确认单跳信任值的最大值，在无线传感器网络中，某一时刻如果某个节点经过 多跳与目的节点进行交互，需从网络中寻找和遍历可信度最高的节点来组成一条路径，进 行数据传输;运条路径就被称作信任路径;其值被定义为单跳信任值的最大值，其计算公式 为：
其中，彩姆：表示单位时间内路径P上的单跳信任值的最大值； :表示节点的单跳信任值； A；、、也、：表示路径P上的两个相邻节点； 哀表示蓝是嚴/的下一跳节点； 步骤二:最优路径的选择，引入了源节点到目的节点路径中的跳数巧y:。狩!，来捜索无线 传感器网络中的最优路径，其计算公式为：
其中，.巧W :表示源节点到目的节点路径中跳数的最小值； 巧?雄)!：表示源节点到目的节点路径中的跳数。
[0010]如图2所示，可W将网络中节点A、B、C、D、E、F交互关系看做有向图，如果当前节点 是B，由于节点B存在2条出链，分别指向节点A和节点C，所WB节点和A、C、D、E、F五个节点进 行交互的概率依次为1/2、1/2、0、0、0;即如果网络中某节点有a条出链，那么该节点和 网络中通过出链相连节点间进行交互的概率是1/a，和其他节点交互的概率均为0;据此，将 网络的有向图转化为节点的交互概率矩阵M，如果用n表示网络中节点的总数，则节点的交 互概率矩阵M就是一个n*n的方阵;如果节点j有a条出链，那么对每条出链指向的节点i，有M
[i][j]=l/a，其他值均为0; 可将图2的无线触感器网络图转化为节点B的交互概率矩阵M:
初始状态下，对于有n个节点的无线传感器网络而言，某个节点与网络中的每个节点交 互的概率都是相等的，即交互概率为l/(n-l )，于是交互概率分布就是除自身值为O，其他所 有值都为l/(n-l)的n维列向量V0,用VO去右乘交互概率矩阵M，就得到了第一次交互后的概 率分布向量VI:
得到Vl后，再用Vl去右乘M得到V2,多次迭代后的概率分布向量会收敛，记作V;V表示网 络中各节点的交互概率;上式的迭代计算结果为:V=[ 10/43，2/43，17/86，11/43，19/86，2/ 43]。
[0011] 考虑到网络中信息传输的安全性W及节点行为的不确定性，引入了报文转发率来 综合计算节点的信任值； 报文转发率(Packet化rwarding Ratio，PFR)是指无线传感器网络中节点对单位时间 内接收到的数据包进行成功转发的数量Nfnrward与单位时间内接收到数据包总量NtDtal的比 值;即： 仕t i町刻，BT巧j
稱甄巧，A、UU、E、F五个节点的报文转发率分别为：789/815，5551 / 5915,717/785,1893/2361,6696/7115。
[0012] 根据信任值计算公式，在网络稳定的状态下，最终计算得到A、C、D、E、F各节点的信 任值分别为：467/693(0.6739) ,323/503(0.6421) ,3242/4985(0.6504) ,1595/2801 (0.5694),781/1339 (0.5833)。
[0013] 在无线传感器网络中，某一时刻如果某个节点经过多跳与目的节点进行交互，需 从网络中寻找和遍历可信度最高的节点来组成一条路径，进行数据传输;运条路径就被称 作信任路径;其值被定义为单跳信任值的最大值； 为了节省资源，降低网络开销，考虑到信息传输的稳定性和完整性，引入了源节点到目 的节点路径中的跳数L[化(t)]，来捜索无线传感器网络中的最优路径。
[0014] 从节点B到节点E有四条路径，结合信任路径的计算公式可得:路径(B^A^E)是一 条最可信且最优的路径，而路径(B^C^D^E)相对来说是比较可信的路径，可W作为备用 路径；由于节点A的下一跳中有直接与节点E交互的路径，所W路径(B^A^F^E)和(B^A^ D^E)无疑增加了无线传感器网络的开销，所W可W舍弃。
[0015] 针对无线传感器网络的安全问题，本发明提出一种无线传感器网络的信任值计算 方法，该方法设及了节点信任值的计算方法，并可根据信任值确定节点间通信的信任路径。
[0016] 最后应说明的是：W上所述仅为发明的优选实施例而已，并不用于限制发明，尽管 参照前述实施例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可W对前 述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发 明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在发明的保护范围之 内。
【主权项】
1. 一种无线传感器网络的信任值计算方法，其特征在于，包括如下步骤： 步骤一:无线传感器网络中节点交互概率矩阵的建立，根据化geRank算法将无线传感 器网络中节点的交互关系转换为各节点交互概率矩阵； 步骤二:确定无线传感器网络中节点的概率分布向量收敛值，初始状态下，某个节点与 网络中的每个节点交互的概率除其本身为零值外都是相等的，可建立初始状态下节点交互 概率的列向量，该列向量去右乘交互概率矩阵，就得到了第一次交互后的概率分布向量，再 用第一次交互后的概率分布向量继续去右乘交互概率矩阵，就得到了第二次交互后的概率 分布向量，多次迭代后的概率分布向量会收敛，可获得节点的概率分布向量收敛值； 步骤Ξ:无线传感器网络中节点的信任值计算，引入报文转发率和权重系数与概率分 布向量收敛值综合计算节点的信任值。2. 如权利要求1所述的一种无线传感器网络的信任值计算方法，其特征在于，所述步骤 Ξ中节点的信任值通过如下公式计算：其中，巧：表示节点j的信任值； 巧:表示节点j的概率分布向量收敛值； 擾:表示节点j的报文转发率； 煤：表示权重系数，取值在0~1之间。3. 如权利要求1所述的一种无线传感器网络的信任值计算方法，其特征在于，利用信任 值进行无线传感器网络最优路径选择： 步骤一:确认单跳信任值的最大值，在无线传感器网络中，某一时刻如果某个节点经过 多跳与目的节点进行交互，需从网络中寻找和遍历可信度最高的节点来组成一条路径，进 行数据传输;运条路径就被称作信任路径;其值被定义为单跳信任值的最大值，其计算公式 为·其中，村'rt :表示单位时间内路径P上的单跳信任值的最大值； 1私/:表示节点的单跳信任值； :表示路径P上的两个相邻节点； A：，取':表示Α·\是&的下一跳节点； 步骤二:最优路径的选择，引入了源节点到目的节点路径中的跳数η心气来捜索无线 传感器网络中的最优路径，其计算公式为：其中，巧：表示源节点到目的节点路径中跳数的最小值； /47>軒)]:表示源节点到目的节点路径中的固段义。
【文档编号】H04W12/00GK105979507SQ201610297561
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年5月6日
【发明人】宋晓宇, 邱泽阳, 陈沾衡, 孙向阳, 张琪, 杨婧
【申请人】兰州交通大学, 宋晓宇, 邱泽阳