专利名称：基于量子蚁群算法的无线传感器网络可信安全路由的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于量子蚁群算法的无线传感器网络可信安全路由，它可提高无线传感器网络的收敛速度以及全局寻优能力，并可有效抵抗能量黑洞攻击，属于网络安全领域。
背景技术：
无线传感器网络采用多跳无线通信技术，每个节点都是潜在的路由节点，且节点受到资源限制，各节点将采集到的数据利用多跳接力的方式发至汇聚节点，这必将导致内层节点承担的数据发送量较重，能量消耗过快，最终导致网络有效覆盖面积降低。因此，无线传感器网络路由的选择要结合节点的能量信息，使得网络中节点的能量消耗能够得到全局均衡，延长网络连通正常工作的时间。蚁群算法属于一类模拟自然界生物系统行为或过程的最优化群体智能算法，算法本身具备分布式计算、自组织性和反馈性等特点，与无线传感器网络的自组织网络特点极其相似。将蚁群算法应用于无线传感器网络上，可以在很大程度的提高传感器网络性能，但该算法仍存在问题一是由于缺乏初始信息素，算法初期搜索过程进行缓慢，影响全局的收敛速度。二是在大规模传感器网络中，蚁群算法在寻找路径时易陷入局部最优解，使算法过早收敛。当前网络的安全性已经成为制约无线传感器网络发展的瓶颈，无线传感器网络的节点和组网特点，其能耗的限制，导致无线传感网的安全威胁很多不同于传统计算机网络。我们认为无线传感器网络的路由算法应该满足下面原则
I)保持全网全局能量负载平衡通过路由策略，让各个节点分担数据传输，平衡节点的剩余能量，提高整个网络的生存时间。2)具有一定的容错性和网络自愈功能无线传感网络容易发生故障，因此应尽量利用节点易获得的网络信息计算路由，以确保出现故障时能够尽快地修复。3)以数据为中心，路由协议将继续向基于数据、基于位置的方向发展。4)应具有可信安全性无线传感网络的固有特性，节点是开放的，且节点间缺乏信任机制，假定都是友好的节点，路由协议极易受到安全威胁，因此必须考虑设计具有可信安全机制的路由协议。无线传感器网络的一类主要安全攻击是旨在恶意消耗节点能量，使得无线传感器网络不能有效地完成数据收集任务，目前所知道的有虚假路由信息、选择性转发、污水池(sinkhole)攻击、女巫(sybil)攻击、虫洞(wormhole)攻击等众多安全隐患。针对无线传感器网络的安全威胁中，虚假路由信息、选择性转发、Sybil攻击都可以依靠密码技术，通过数据加密防止传送内容被敌手破解，同时依靠公钥体制，实施双向身份认证安全保障，防止非法节点接入无线传感器网络以及恶意节点改变身份，从而提高路由协议的安全性。但是对Sinkhole,特别是Wormhole此类的路由能量黑洞安全攻击,一般的无线传感网路由协议缺乏相应的对策，可信安全路由就是基于这类攻击而提出的。
发明内容
鉴于以上所述现有技术存在的问题和不足，本发明的目的在于提供一种基于量子蚁群算法的无线传感器网络可信安全路由，提高无线传感器网络的收敛速度以及全局寻优能力，并可有效抵抗能量黑洞攻击，增强网络的安全性。
为了达到上述目的，本发明的构思如下
(I)由于传统蚁群算法存在易陷入局部最优解和收敛速度慢等问题，量子计算的全局寻优和快速收敛特点可以很好的解决此问题，因此考虑将量子理论引入路由设计中，量子蚁群算法就是将量子算法与蚁群算法相结合形成的一种量子进化算法。(2)在量子蚁群算法中，蚂蚁释放的信息素不是撒在经过的全部路径上，而是撒在蚂蚁当前驻留的位置上，通常由一组量子比特(qubit)的概率幅来表示蚂蚁的当前位置。量子蚁群算法应用于无线传感器网络路由，可以用量子比特直接表示当前信息素，用量子旋转门来更新信息素，用量子非门实现信息素的变异，降低系统设计复杂性，从而降低节点的能量消耗。(3)从网络安全的角度出发，考虑到无线传感器网络节点间缺乏信任机制，采用可信网络思想，以节点可信度作为信息素分配策略，综合能量消耗预测进行路径选择，实现基于全局能量均衡的无线传感器网络可信安全路由算法。(4)引入相邻节点可信度办令為，蚂蚁由节卢d选择下一条节点时，首先计算邻居节点的可信度值，然后选取可信度与自身差值小于一定门限的可信节点作为下一跳节点。此时时延可用节点间距离表示，距离越大可信度越小；节点的剩余能量与当前节点的信息素浓度有关，剩余能量越大表示经过的蚂蚁越少，信息素浓度也就越小，此时可信度值越大，这样可以保证传感器网络的全局能量的均衡。根据上述发明构思，本发明专利采用的技术方案如下
一种基于量子蚁群算法的无线传感器网络可信安全路由，其特征在于路由算法的具体步骤为
1)设定蚂蚁个数为>传感器网络空间大小为，汇聚节点为,。初始化信息素巧，初
始迭代次数 = O, 为设定的最大迭代次数。初始最短路径爲_ = 。根据蚂蚁个数及空间大小确定区域大小，将各蚂蚁置于各搜索区域中；
2)计算到达汇聚节点的路径&的距离七、可见度函数、信息素水平以及转移概率；
3)第i只蚂蚁根据可信度的大小来选择到达汇聚节点r的路径并记录，同时释放信息素。路径越短则认为该路径属于最优路径的可能性越大；
4)记录此次迭代过程的最优路径解并通过比较更新最优解爲@；
5)应用量子门旋转规则更新每条路径上的信息素；
6) + 1(/< ·)，跳转到步骤3);若满足结束条件，即如果循环次数〗，则循环结束，终止迭代；
7)输出最优解Steft=
6
上述步骤I)中初始化信息素的方法是设蚁群中共有》只蚂蚁，每只蚂蚁携带《个量子比特，在无线传感器网络中从源节点到目的节点的所有可能方法定义为量子蚁群算
法中的路径；存在屹种到达目的节点,的路径，记为路径
权利要求
1.一种基于量子蚁群算法的无线传感器网络可信安全路由，其特征在于确定路由的具体操作步骤如下 1)设定初始信息素设定蚂蚁个数为《,传感器网络空间大小为Mf ,汇聚节点为,；初始化信息素％，初始迭代次数i= G , ■为设定的最大迭代次数；初始最短路径= ;根据蚂蚁个数及空间大小确定区域大小，将各蚂蚁至于各搜索区域中； 2)确定可见度函数计算到达汇聚节点,的路径七的距离4、可见度函数、信息素水平以及转移概率； 3)路径选择 .第k只蚂蚁根据可信度的大小来选择到达汇聚节点i的路径并记录，同时释放信息素，路径越短则认为该路径属于最优路径的可能性越大； 4)记录此次迭代过程的最优路径解I,并通过比较更新最优解各㈣； 5)信息素更新应用量子门旋转规则更新每条路径上的信息素； 6) = + 1( <4·)，跳转到步骤3);若满足结束条件，即如果循环次数则循环结束，终止迭代； 7)输出最优解Stei。
2.根据权利要求I所述基于量子蚁群算法的无线传感器网络可信安全路由，其特征在于所述步骤I)中初始化信息素的方法是设蚁群中共有《只蚂蚁，每只蚂蚁携带w个量子比特，在无线传感器网络中从源节点到目的节点的所有可能方法定义为量子蚁群算法中的路径；存在种到达目的节Ai的路径，记为路径七Cj= U…M,);设蚁群第中包含,个个体的种群为坨)=付，4，…，<),其中第』个个体的初始信息素「力 [1/^2,1/^2 1/^1(I) tJ ~ t Ii I I * — I 厂 I 广 I I 厂 y β\. β2 ·■■ flm _ [_1/ "V2 I/I/v2 式中初始迭代次数 = O, 为量子比特数#为量子比特的两个概率幅，开始时;爲(;= i，2,---，m)均取 。
3.根据权利要求I所述基于量子蚁群算法的无线传感器网络可信安全路由，其特征在于所述步骤2)中计算可见度函数方法如下 可见度函数主要根据节点可信度确定，根据无线传感器网络的可信性三大基本指标时延、丢包率和剩余能量，得出无线传感器网络节点α和相邻的节卢的可信度W _ Credibility (a,b)为 W _ Credibility (a,b) = — + — + ΛΕ(2) "D L 其中Γ代表延时，L代表丢包率，E代表节点b的剩余能量，a、P、a的选择使得延时、丢包、剩余能量三项值分别在O之间；由上式可看出，可信度与时延近似成反比，与节点剩余能量近似成正比；在蚁群算法搜索建立无线传感网路由时，根据式(2)计算得到W_Cmdibihiy{aM),代表相邻的节点i具有多少可信度，决定下一跳是否选择节点。
4.根据权利要求I所述基于量子蚁群算法的无线传感器网络可信安全路由，其特征在于所述步骤3)中路径选择时，第.t只蚂蚁根据可信度的大小来选择到达汇聚节点I的路径并记录，同时释放信息素，路径越短则认为该路径属于最优路径的可能性越大，具体操作方法如下蚂蚁在节点选择下一跳节点时，首先计算邻居节点的可信度,并与自身相比较，若可信度W — —Μ,(a,b)与自身差值小于一定门限，则认为此邻居节点为可信节点可以跳转；否则重新计算其他邻居节点，直到找到可信节点为止；此时时延可用节点间距离表示，距离越大可信度越小；节点的剩余能量与当前节点的信息素浓度有关，剩余能量越大表示经过的蚂蚁越少，信息素浓度也就越小，此时可信度值越大，这样可以保证传感器网络的全局能量的均衡；蚂蚁每经过一条路径，释放的信息素为
5.根据权利要求I所述基于量子蚁群算法的无线传感器网络可信安全路由，其特征在于所述步骤5)中应用量子门旋转规则更新每条路径上的信息素的方法是在QACA中，《只蚂蚁完成一次搜索后，利用量子旋转门实现每条路径信息素的更新
全文摘要
本发明涉及一种基于量子蚁群算法的无线传感器网络可信安全路由。其确定路由的具体步骤为1)设定初始信息素，2)确定可信度函数，3)路径选择，4)记录和更新最优解，5)信息素更新，6)跳转到步骤3)循环至终止迭代，7)输出最优。分析表明，本路由确定方法的收敛速度以及全局寻优方面均优于传统蚁群算法，能够全局的平衡网络节点的能量消耗，避免一些关键节点的过早死亡导致网络分隔成很多孤岛；可有效抵抗Wormholes攻击等无线传感器网络特有的能量黑洞攻击，并有助于构造可信网络环境。
文档编号H04W40/10GK102917430SQ20121039300
公开日2013年2月6日 申请日期2012年10月17日 优先权日2012年10月17日
发明者王潮, 姜丽莹, 贾徽徽, 刘瑞 申请人:上海大学