專利名稱：一種基于不可靠信道的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信譽值計算方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于面向無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信任管理領(lǐng)域，具體涉及根據(jù)海德理 論、利用公共鄰居的直接觀測值，改進(jìn)直接信譽值的基于不可靠信道的無線 傳感器網(wǎng)絡(luò)信譽值計算方法。
背景技術(shù)：
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)因為其成本低、易部署的特性被廣泛應(yīng)用在戰(zhàn)場目標(biāo)跟 蹤、建筑物安全監(jiān)控、森林火險檢測等領(lǐng)域，成為下一代高性能信息系統(tǒng)信 息提取前端的最佳侯選方案。但是，傳感器節(jié)點常被部署在非受控的復(fù)雜環(huán) 境下，其自身又具有能力脆弱、資源受限的特點，使得攻擊者能夠在不被察 覺的情況下捕獲節(jié)點，對其進(jìn)行修改，以發(fā)送錯誤數(shù)據(jù)或通過惡意行為來誤 導(dǎo)傳感器網(wǎng)絡(luò)的操作。除了內(nèi)部惡意節(jié)點帶來的安全問題以外，傳感器節(jié)點 硬件的低成本致使感知部件和通信部件經(jīng)常發(fā)生故障、能源的極度消耗等情 形均會導(dǎo)致傳感器節(jié)點無法正常工作，從而產(chǎn)生錯誤數(shù)據(jù)。這些問題無法通 過傳統(tǒng)安全方式下的認(rèn)證、加密機(jī)制來完全解決。
為此，近期在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)了一種新的安全機(jī)制來解決上述問 題，它借用密碼學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、統(tǒng)計學(xué)、數(shù)據(jù)分析等相關(guān)領(lǐng)域的工具來建立一
個可信的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。極具代表性的是S. Ganeriwal等人提出的傳感 器網(wǎng)絡(luò)信譽模型(Reputation-based Framework for Sensor Networks, RFSN)，模型中每個傳感器節(jié)點均保存其他節(jié)點的信譽值，以此來計算其他節(jié) 點的可信度，從而在網(wǎng)絡(luò)中建立了一張信任網(wǎng)，并以此來決策網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的行為。同時，引用了貝葉斯公式和Beta分布來表示、更新和整合信譽，提 出了信譽與信任值的計算公式。以RFSN為代表的傳感器網(wǎng)絡(luò)信譽模型以需 求節(jié)點計算資源較少、能夠在路由傳輸、數(shù)據(jù)匯集等方面解決傳統(tǒng)安全方式 下無法面對的內(nèi)部惡意節(jié)點等問題，為信任管理在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用開 辟了新的思路，正逐漸成為人們廣泛關(guān)注的熱點問題。
以RFSN為代表的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信譽架構(gòu)均假設(shè)在可靠信道下進(jìn)行研 究，忽視了信道不可靠問題。但是，作為無線信道，本身的可靠性遠(yuǎn)低于有 線信道，通信質(zhì)量較低，特別是遇到重負(fù)載情況時，丟包率嚴(yán)重。同時，無 線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點由于考慮價格因素，其本身的硬件可靠性較低，會發(fā) 生出錯現(xiàn)象。此外，隱藏節(jié)點問題在無線信道中仍然存在。這些因素往往會 干擾節(jié)點對信道的監(jiān)聽，使其無法正常記錄節(jié)點的行為事件，導(dǎo)致不可靠的 信任值。因此，以RFSN為代表的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信譽架構(gòu)在實際應(yīng)用中存 在極大的偏差。Haiguang Cheng等人就曾在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信任研究中， 引入不確定性概念，分析了信譽計算會因信道的不可靠而造成信任值的不確 定性情況，但是并未提出有效的解決辦法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于根據(jù)指導(dǎo)大眾認(rèn)知的海德平衡理論，針對實際不可靠 信道，對信譽框架RFSN迸行了改進(jìn)，完善節(jié)點行為的觀測方式、以及直接 信譽的計算，以提高信任值計算可靠性的基于不可靠信道的無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 信譽值計算方法。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是利用指導(dǎo)大眾認(rèn)知的海德 平衡理論思想，針對節(jié)點在無線通信中的廣播特性，改變了已知無線傳感器 網(wǎng)絡(luò)的可信管理方案中的直接信任值觀測方式與計算方纟去，使交互雙方的公共鄰居節(jié)點直接參與到對被觀測節(jié)點的觀測活動中，以優(yōu)化在不可靠信道下 直接信譽值的計算，從而增強(qiáng)了信任值的可靠性。其具體步驟如下
步驟一利用無線通信中的廣播特性，在評估節(jié)點記錄被評測節(jié)點行為 事件的同時，雙方的公共鄰居節(jié)點也同時記錄被評測節(jié)點的行為事件，并將 觀測值發(fā)送給評估節(jié)點；
步驟二評估節(jié)點接收所有公共鄰居節(jié)點發(fā)來的觀測值，根據(jù)其記錄的 公共鄰居節(jié)點的信任值，將其按權(quán)求和，并與自身的觀測值合并。
步驟三評估節(jié)點根據(jù)求得的最終觀測值、以及節(jié)點保存的被評測節(jié)點 的直接信譽值，按老化權(quán)重求和，得到被評測節(jié)點的最終直接信譽值。
步驟四評估節(jié)點接受所有鄰居關(guān)于該評測節(jié)點的推薦信譽值，與上步 得到的直接信譽值按權(quán)求和，得到被評測節(jié)點的最終信譽值。
本發(fā)明步驟二，加權(quán)求和，并與自身的觀測值合并，其計算公式為
(R'j)D =——^-
其中，
Ae似
將自身觀測值Di」與公共鄰居節(jié)點地觀測結(jié)果加權(quán)合成最終的觀測值 (R,j)D，其中，Rkij表示公共鄰居節(jié)點K推薦給節(jié)點i的關(guān)于節(jié)點j的觀測信
譽值，它由節(jié)點K觀測到的節(jié)點j轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點i數(shù)據(jù)的行為結(jié)果得到，函數(shù)f (Tik)反映了節(jié)點K推薦的信譽值在整個直接信譽值計算中所占的權(quán)重，其 值越大，對應(yīng)的推薦值可信度越高；K表示節(jié)點i對節(jié)點k的信任值，M表 示節(jié)點i和j的公共鄰居節(jié)點數(shù)。
本發(fā)明步驟三的最終直接信譽值通過下式得到(^/)D=K,(A)z) (^/)fl，其中，W零表示直接信譽值隨時間的老化參 數(shù)，由上式可知直接信譽值是在以舊值為基礎(chǔ)，與新的觀測值加權(quán)所得。 本發(fā)明步驟四中間接信譽值通過下式得到
其中，W^表示間接信譽值隨時間的老化參數(shù)，Rkj表示鄰居節(jié)點K推薦
的觀測節(jié)點j的信譽值，Rik表示節(jié)點i對節(jié)點k的信譽值，N表示節(jié)點i鄰 居節(jié)點數(shù)；
被評測節(jié)點的最終信譽值可通過下式得到 R'j，(R',)d叫(仏
其中，直接信譽值(R,j)。與間接信譽值(R^加權(quán)求和，權(quán)重分別為W。和
Wl， Wo+W^1;
公共鄰居節(jié)點在推薦信譽值的過程中，可將直接信譽值與間接信譽值的 推薦信息匯集到一起傳送。
由于本發(fā)明主要是針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信譽框架在信道不可靠等眾多 因素下造成的觀測缺陷問題，對觀測結(jié)果的獲取方式以及直接信譽值的計算
進(jìn)行了改進(jìn)。因此，與已知信譽架構(gòu)RFSN在不可靠信道環(huán)境下，進(jìn)行了仿 真試驗對比。通過仿真驗證，可看到本發(fā)明彌補(bǔ)了單個節(jié)點觀測的不足，使 得被觀測節(jié)點的直接信譽值更接近于實際情況，計算所得的信譽值更可靠。


圖1是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信譽架構(gòu)圖； 圖2是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通信圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
具體實施例方式
本發(fā)明根據(jù)指導(dǎo)大眾認(rèn)知的海德平衡理論思想，針對實際不可靠信道，
對信譽框架RFSN進(jìn)行了改進(jìn)，完善了節(jié)點行為的觀測方式、以及直接信譽 的計算方法。
海德理論從人際關(guān)系的協(xié)調(diào)性出發(fā)，認(rèn)為在一個簡單的認(rèn)識系統(tǒng)里，如 果個人與大眾對事物態(tài)度不一致時，會產(chǎn)生一種不平衡的狀態(tài)，在這個狀態(tài) 下個人會受到極大的情緒壓力，并且會想回復(fù)到平衡狀態(tài)。平衡狀態(tài)指査知 的事物與觀察者過去的立場不相抵觸的狀態(tài)。
由于實際信道不可靠，丟包、噪聲干擾、外界攻擊、隱藏節(jié)點等問題均 會導(dǎo)致節(jié)點對行為事件檢測的不確定性，影響到單個節(jié)點的直接信譽的獲 取，而從海德平衡理論可知，觀測節(jié)點與被觀測節(jié)點的公共鄰居節(jié)點會對觀 測者的行為判斷產(chǎn)生較大影響，導(dǎo)致其判斷行為的結(jié)果逐漸趨近與眾節(jié)點整 體觀測的水平，達(dá)到觀測平衡，這樣可有效地緩解信道不可靠等眾多因素導(dǎo) 致地單節(jié)點觀測不可信情況。
因此，本發(fā)明在圖1信譽架構(gòu)的基礎(chǔ)上，保留RFSN信譽計算及信任表 示方法，但是對節(jié)點行為的觀測方式及直接信譽值的計算方法進(jìn)行了改進(jìn)。 圖1中，代理通過監(jiān)視被觀測節(jié)點的行為，獲取其直接信譽值；接收鄰居節(jié) 點發(fā)送的被觀測節(jié)點的推薦信譽值(間接信譽值)，然后，將兩個信譽值加 權(quán)求和，得到被觀測節(jié)點的最終信譽值。最后，通過映射函數(shù)，將信譽值轉(zhuǎn) 換為相應(yīng)的信任關(guān)系，為節(jié)點的后續(xù)行為提供決策依據(jù)。由于直接信譽值在 整個信譽值的計算過程中起著決定性的作用。因此，對節(jié)點行為的觀測方式 及直接信譽值計算的改變，能夠從根本上提高信任值的可靠性。
已知的信譽架構(gòu)中直接信譽值的獲取僅是節(jié)點監(jiān)測被觀測節(jié)點的行為值，本發(fā)明的改進(jìn)之處首先是令觀測節(jié)點與被觀測節(jié)點的公共鄰居節(jié)點參與 到節(jié)點行為的監(jiān)測中。對于被觀測節(jié)點的行為，除觀測節(jié)點以外，它們的公 共鄰居節(jié)點也應(yīng)同時進(jìn)行觀測，與觀測節(jié)點一起來判斷被觀測節(jié)點是否正常 進(jìn)行了觀測節(jié)點要求的轉(zhuǎn)發(fā)行為，并將觀測結(jié)果通知觀測節(jié)點，以便其在直 接信譽計算時進(jìn)行參考。利用附圖2的通信示例來進(jìn)一步加以說明圖中節(jié) 點間連線反映它們彼此處于一條通信范圍內(nèi)，節(jié)點A將數(shù)據(jù)包發(fā)送給節(jié)點B
后，希望節(jié)點B將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給節(jié)點C。對于RFSN信任架構(gòu)，節(jié)點A會利用 代理觀察節(jié)點B的后續(xù)行為，如果節(jié)點B成功轉(zhuǎn)發(fā)給節(jié)點C，則認(rèn)為是一次 成功事件，令a+l;否則，認(rèn)為是一次失效事件，令3+1，然后通過公式(l) 獲得直接信譽值(觀測值)。
由于通信信道不可靠等眾多因素導(dǎo)致節(jié)點A的代理觀測時，會產(chǎn)生錯誤
的行為判斷，造成得到的直接信譽值不可信。例如，因為干擾或隱藏節(jié)點問 題致使該代理沒有檢測到B的正常轉(zhuǎn)發(fā)，而誤認(rèn)為是一次失效事件。本發(fā)明 則是在節(jié)點A觀測節(jié)點B行為時，要求它們的公共鄰居節(jié)點也同時與節(jié)點A 一起進(jìn)行行為觀測。即除了 A觀測節(jié)點B是否將數(shù)據(jù)正常轉(zhuǎn)發(fā)給節(jié)點C外， 它們的公共鄰居節(jié)點D、 E也同時觀測節(jié)點B是否將A傳送的數(shù)據(jù)正常轉(zhuǎn)發(fā) 給節(jié)點C，并記錄事f^觀測的結(jié)果，通知節(jié)點A。這樣即使節(jié)點A因干擾因 素沒有成功檢測到B的轉(zhuǎn)發(fā)事件，其公共鄰居們?nèi)詸z測到了該事件，根據(jù)平 衡理論，仍使A最終確認(rèn)了一次成功事件，彌補(bǔ)了不可靠信道造成的觀測誤 差，提高了觀測信譽值。 其具體步驟如下步驟一利用無線通信中的廣播特性，在評估節(jié)點記錄被評測節(jié)點行為 事件的同時，雙方的公共鄰居節(jié)點也同時記錄被評測節(jié)點的行為事件，并將 觀測值發(fā)送給評估節(jié)點；
步驟二評估節(jié)點接收所有公共鄰居節(jié)點發(fā)來的觀測值，根據(jù)其記錄的 公共鄰居節(jié)點的信任值，將其按權(quán)求和，并與自身的觀測值合并。其計算公 式如(2)所示。
<formula>formula see original document page 10</formula>(2)
其中， <formula>formula see original document page 10</formula>(3)
由此，可見本發(fā)明改變了行為檢測的方式，由單節(jié)點觀測改進(jìn)為多節(jié)點觀測 ——與公共鄰居節(jié)點一起觀測；同時，改變了原有直接信譽值的計算方法， 將自身觀測值Dij與公共鄰居節(jié)點地觀測結(jié)果加權(quán)合成最終的觀測值(R,j)D 。
其中，Rkij表示公共鄰居節(jié)點K推薦給節(jié)點i的關(guān)于節(jié)點j的觀測信譽值， 它由節(jié)點K觀測到的節(jié)點j轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點i數(shù)據(jù)的行為結(jié)果得到。函數(shù)f (Tik)反 映了節(jié)點K推薦的信譽值在整個直接信譽值計算中所占的權(quán)重，其值越大， 對應(yīng)的推薦值可信度越高；Tik表示節(jié)點i對節(jié)點k的信任值，N表示節(jié)點i 和j的公共鄰居數(shù)。
步驟三評估節(jié)點根據(jù)求得的最終觀測值、以及節(jié)點保存的被評測節(jié)點 的直接信譽值，按老化權(quán)重求和，得到被評測節(jié)點的最終直接信譽值，如公 式(4)所示。<formula>formula see original document page 10</formula>由公式(4)可匆，直接信譽值是在舊值的基礎(chǔ)上與新得觀測值加權(quán)所
得。這里，w^表示直接信譽值隨時間的老化參數(shù)。
步驟四..評估節(jié)點接受所有鄰居關(guān)于該評測節(jié)點的推薦信譽值，與上步 得到的直接信譽值按權(quán)求和，得到被評測節(jié)點的最終信譽值，如公式(5)、
(6)所示。
(、u = ^.( )/,1:(及".~)(5)
R,j二^)'(R山十^(^/)/z)(6)
公共鄰居節(jié)點在推薦信譽值的過程中，可將直接信譽值與間接信譽值的
推薦信息匯集到一起傳送，這樣由推薦導(dǎo)致的通信負(fù)載不會增加太多。但是， 與已知信譽框架相比，本發(fā)明在直接信譽值計算過程中，增加了計算復(fù)雜度， 占據(jù)了更多的計算資源。因此，在實際應(yīng)用中，必須考慮信譽值計算所需資 源(例如計算資源、通信負(fù)載等)與信譽值可靠性之間的平衡。
權(quán)利要求
1、一種基于不可靠信道的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信譽值計算方法，其特征在于利用海德平衡理論，針對節(jié)點在無線通信中的廣播特性，改變了已知無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的可信管理方案中的直接信任值觀測方式與計算方法，使交互雙方的公共鄰居節(jié)點直接參與到對被觀測節(jié)點的觀測活動中，以優(yōu)化在不可靠信道下直接信譽值的計算，其具體步驟如下步驟一利用無線通信中的廣播特性，在評估節(jié)點記錄被評測節(jié)點行為事件的同時，雙方的公共鄰居節(jié)點也同時記錄被評測節(jié)點的行為事件，并將觀測值發(fā)送給評估節(jié)點；步驟二評估節(jié)點接收所有公共鄰居節(jié)點發(fā)來的觀測值，根據(jù)其記錄的公共鄰居節(jié)點的信任值，將其加權(quán)求和，并與自身的觀測值合并；步驟三評估節(jié)點根據(jù)求得的最終觀測值、以及節(jié)點保存的被評測節(jié)點的直接信譽值，按老化權(quán)重求和，得到被評測節(jié)點的最終直接信譽值；步驟四評估節(jié)點接受所有鄰居關(guān)于該評測節(jié)點推薦的間接信譽值，與上步得到的直接信譽值按權(quán)求和，得到被評測節(jié)點的最終信譽值。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于不可靠信道的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信譽值計 算方法，其特征在于所說的步驟二，加權(quán)求和，并與自身的觀測值合并， 其計算公式為<formula>formula see original document page 2</formula>其中，將自身觀測值Dij與公共鄰居節(jié)點地觀測結(jié)果加權(quán)合成最終的觀測值(R,j)D，其中，Rkij表示公共鄰居節(jié)點K推薦給節(jié)點i的關(guān)于節(jié)點j的觀測信 譽值，它由節(jié)點K觀測到的節(jié)點j轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點i數(shù)據(jù)的行為結(jié)果得到，函數(shù)f (Tik)反映了節(jié)點K推薦的信譽值在整個直接信譽值計算中所占的權(quán)重，其 值越大，對應(yīng)的推薦值可信度越高；L表示節(jié)點i對節(jié)點k的信任值，M表 示節(jié)點i和j的公共鄰居節(jié)點數(shù)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于不可靠信道的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信譽值計 算方法，其特征在于所說的步驟三的最終直接信譽值通過下式得到(A)Z^『一(^/)D十(A)D，其中，W聊表示直接信譽值隨時間的老化參數(shù)，由上式可知直接信譽值是在以舊值為基礎(chǔ)，與新的觀測值加權(quán)所得。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于不可靠信道的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信譽值計算方法，其特征在于所說的步驟四中間接信譽值通過下式得到Z d、)其中，W^表示間接信譽值隨時間的老化參數(shù)，Rk」表示鄰居節(jié)點K推薦 的觀測節(jié)點j的信譽值，L表示節(jié)點i對節(jié)點k的信譽值，N表示節(jié)點i鄰 居節(jié)點數(shù)；被評測節(jié)點的最終信譽值可通過下式得到其中，直接信譽值(Rij)D與間接信譽值(R,j)m加權(quán)求和，權(quán)重分別為W。和公共鄰居節(jié)點在推薦信譽值的過程中，可將直接信譽值與間接信譽值的 推薦信息匯集到一起傳送。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于不可靠信道的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信譽值計算方法，針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的可信管理方案，特別適合于丟包率過大、隱藏節(jié)點問題嚴(yán)重的不可靠信道情況。該方法根據(jù)指導(dǎo)大眾認(rèn)知的海德平衡理論思想，針對實際不可靠信道，提出了基于海德理論的信譽架構(gòu)HRFSN，使交互雙方的公共鄰居節(jié)點直接參與到對被觀測節(jié)點的觀測活動中，以優(yōu)化在不可靠信道下直接信譽值的計算，從而增強(qiáng)了信任值的可靠性。該方法改變了已知無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的可信管理方案中的直接信任值觀測方式與計算方法，能夠得到更精確的直接信譽值，進(jìn)而得到更可靠的信任值。該方法的運用，能夠在傳感器節(jié)點協(xié)作過程中為其提供更準(zhǔn)確的信任依據(jù)，具有較好的科學(xué)性和更高的應(yīng)用價值。
文檔編號H04W84/18GK101442824SQ20081023642
公開日2009年5月27日 申請日期2008年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月23日
發(fā)明者欣 何, 張文東, 徐顯椋, 李小勇, 桂小林 申請人:西安交通大學(xué)