CN102572991A - 一种基于信任控制的低功耗传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于信任控制的低功耗传输方法，包括：将节点剩余能量大于阈值的无线传感器网络中的所有节点确定为备选簇头节点；按照簇距离L和备选簇头节点的权重，从所述备选簇头节点中选出用来构成无线传感器网络各簇的簇头节点；每个簇头节点根据簇头节点信任值信息和最小通信代价路由信息，将收集的数据发送至目标簇头节点。本发明在簇头节点的选举上，以少量的网络开销换来了较高的网络稳定性和均匀性，在数据传输路由的选取方面建立和使用最小通信代价路由，在分布式信任控制方面实现了对恶意节点攻击的防范。

Description

一种基于信任控制的低功耗传输方法

技术领域

本发明涉及网络通信技术领域，尤其涉及一种基于信任控制的低功耗传输方法。

背景技术

随着信息科技的飞速发展，综合了传感器技术、信息处理技术和网络通信技术的WSN(Wireless Sensor Network，无线传感器网络)应运而生，WSN因其部署快速、使用灵活、监测精准、价格低廉、通信安全等特点，使得在军事领域、工业监控、环境观测与预报、医疗护理、智能家居、交通运输等方面具有非常广阔的应用前景。所述WSN由大量的、具有通信与计算能力的密集布设在监控区域的传感器节点构成，能够自主完成指定任务。图1是无线传感器网络的体系结构图，如图1所示，在监测区域内，无线传感器网络中的传感器节点根据用户管理节点的需要采集数据，并将采集到的数据通过汇聚节点传递至用户管理节点。

我国关于无线传感器网络的研究走在了世界的前列，一些企业、各研究单位和高校纷纷加入了WSN研究的行列，致力于研究无线通信协议栈、同步和定位中间件、网络管理以及网络节点的设计等。但是随着WSN的广泛普及，在某些特殊的应用领域(比如军事领域中，敌控区域的部署态势、战场环境数据的收集等)，保障信息数据安全可靠的传输成为亟待解决的问题。由于WSN的传输协议大多与应用相关，其设计仅仅针对某一类或者几类具体的攻击，不存在一个协议能够应用于所有的领域、抵抗来自所有协议层的攻击。比如：TinyOS信标协议容易受到伪造路由信息、选择性转发、Sinkhole、Sybil、Wormholes、Flood攻击；Flood协议存在着消息的“内爆”(implosion)和“重叠”(overlap)的固有缺陷，在网络规模扩大时，端到端的传输延时偏大；SPIN协议的扩展性差，功耗在所有节点之间分布不均衡；LEACH协议容易受到选择性转发攻击和Flood攻击；定向扩散协议容易受到伪造路由信息、Flood攻击等缺点；GEAR&GPSR是基于位置的路由协议，由于两个协议需要节点间交换能量和位置信息，容易受到选择性转发和Sybil攻击。

传感器节点通常使用容量有限、不可更换的电源，节点的计算、通信、存储能力也非常有限，因此，WSN必须节能以最大限度地延长网络生存时间。LEACH(Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy，低功耗自适应集群分层性路由算法)是常用的分簇路由算法，节点自组织成不同的簇，每个簇只有一个簇头，并且每个节点轮流担任簇头，簇头节点将簇内所有非簇头节点采集的数据进行融合后将数据发送给汇聚节点，避免簇头能量消耗过快，具有更好的节能性。但是LEACH要求所有簇头节点以单跳的形式直接和汇聚节点通信，这仅适用于规模较小的网络，当规模扩大时，簇头与汇聚节点间的通信距离也随之扩大，单跳的通信方式将给簇头节点带来极大的能量消耗，导致其过快死亡。

因此，如何在设计WSN传输协议时，在节省能耗的前提下，实现数据安全、高效、低耗、可信的传输，就成为亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于信任控制的低功耗传输方法，用于解决WSN数据安全、高效、低耗、可信的传输，使数据传输的安全高效，网络使用寿命延长，网络可信性增强。

根据本发明的一个方面，本发明提供的一种基于信任控制的低功耗传输方法，其特征在于，包括：

A)将节点剩余能量大于阈值的无线传感器网络中的所有节点确定为备选簇头节点；

B)按照簇距离L和备选簇头节点的权重，从所述备选簇头节点中选出用来构成无线传感器网络各簇的簇头节点；

C)每个簇头节点根据簇头节点信任值信息和最小通信代价路由信息，将收集的数据发送至目标簇头节点。

其中，位于任一备选簇头节点簇距离L之内的邻居备选簇头节均为紧密节点，所述L通过如下公式确定：

$L=\mathrm{\φ}\sqrt{\frac{1}{{\mathrm{\ΠK}}^M}}$

其中，所述φ是调整因子，所述M是传感器监测区域的边长，所述K是监测整个区域的簇的数目。

其中，所述步骤B)具体为：

B1)每个备选簇头节点生成邻居簇头表，并发送候选声明包和接收邻居备选簇头节点的候选声明包；

B2)每个备选簇头节点通过估算收到的候选声明包的信号强度，确定与邻居备选簇头节点的距离，并将距离小于簇距离L的邻居备选节点确定为紧密节点；

B3)每个备选簇头节点根据紧密节点个数或紧密节点个数和紧密节点的权重，当选为簇头节点或转化为普通节点。

其中，所述步骤B3)具体为：

B31)没有紧密节点的备选簇头节点自动成为簇头节点：

B32)若备选簇头节点具有一个紧密节点，则两者中权重最大的一个成为簇头节点，另一个则通过删除邻居簇头表转化为普通节点；

B33)若备选簇头节点具有两个或多个紧密节点，则所述备选簇头节点及其紧密节点分别将自己的紧密节点中权重最大的节点推举为初选簇头节点，生成并广播关于该初选簇头节点的簇头推举包，自己则通过删除邻居簇头表转化为普通节点；

B34)若收到簇头推举包的备选簇头节点没有紧密节点，则自动升为簇头节点；

B35)若收到簇头推举包的备选簇头节点节点仅有一个紧密节点，则两者中权重最大的一个成为簇头节点，另一个则通过删除邻居簇头表转化为普通节点；

B36)若收到簇头推举包的备选簇头节点具有两个或多个紧密节点时，则重复执行步骤B33)至B35)，直至选出簇头节点。

其中，选出各簇的簇头节点后，各簇头节点广播簇头确立包，普通节点根据收到的簇头确立包的信息强度，加入信息强度最大的簇头所属的簇。

其中，所述步骤C)包括：

C1)簇头节点将普通节点采集的数据进行融合处理，得到去冗余数据；

C2)簇头节点作为源簇头节点通过广播其生成的路由发现包，得到目标簇头节点响应的包含最小通信代价路由信息的路由建立包；

C3)所述源簇头节点根据所述最小通信代价路由信息，建立最小通信代价的路由，以便将去冗余数据经由该路由传递至目标簇头节点。

其中，所述步骤C2)包括：

C21)源簇头节点生成并广播包含目标簇头节点ID信息的路由发现包；

C22)收到所述路由发现包的其他簇头节点根据能耗、本节点寿命、信任值计算通信代价信息，并分别将自己的簇头节点ID信息和通信代价信息添加到所述路由发现包后广播，由此形成分别经由若干个簇头节点广播到目标簇头节点的多个到达路由发现包，其每个含有由所述若干个簇头节点ID构成的路由和路由的通信代价；

C23)目标簇头节点通过解析多个所述到达路由发现包，找到通信代价最小的路由，并将包含若干个簇头节点ID的路由添加到所生成的路由建立包中，并进行广播；

C24)源簇头节点接收所述路由建立包，按照路由建立包中的路由传送去冗余数据。

其中，收到路由发现包的簇头节点计算的通信代价C_new由下式表示：

C_new＝C_old+C_mn

其中，C_old为簇头节点收到的路由发现包中的通信代价，

所述e_mn表示数据从前一簇头节点m传输到本节点n的能量消耗；

表示簇头节点n的剩余能量；

表示簇头节点m对簇头节点n的信任值；α，β是调整因子；源簇头节点的通信代价为零。

其中，所述方法还包括簇头节点信任控制步骤D)，包括：

D1)每个簇头节点通过发送信任交互包和接收邻居簇头节点的信任交互包，计算邻居簇头节点的信任值；

D2)簇头节点作为举报簇头节点将所述信任值低于信任阈值的邻居簇头节点确定为被举报簇头节点，并将所述被举报簇头节点ID信息放入其生成的包含举报簇头节点ID信息的信任危机举报包中，并进行广播；

D3)收到信任危机举报包的簇头节点，根据所述被举报簇头节点ID信息和举报簇头节点ID，生成并广播恶意簇头警告包，使接收所述恶意簇头警告包的簇头节点将恶意簇头节点删除。

其中，所述步骤D3)具体为：

D31)簇头节点多次收到同一举报簇头节点举报同一邻居簇头节点的信任危机举报包时，所述簇头节点将所述邻居簇头节点确定为恶意簇头节点；所述邻居簇头节点为被举报簇头节点；

D32)簇头节点收到超过一半的其邻居簇头节点的举报同一被举报簇头节点的信任危机举报包时，所述簇头节点将被举报簇头节点确定为恶意簇头节点；

D33)簇头节点生成恶意簇头警告包，将所述恶意簇头节点ID信息放入所述恶意簇头警告包中，并进行广播。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明考虑了节点剩余能量、担任簇头节点的次数、备选簇头节点信任值以及紧密节点数目，将权重最大的备选簇头节点确定为簇头节点，既保证了簇头数量的稳定性，又实现了地理位置分布的均匀性；

2、本发明中各簇头节点选定最小通信代价路由，并以多跳的方式传输数据，降低了能耗，既有利于延长网络的寿命，又有利于扩大网络的规模；

3、本发明为各簇头节点添加了信任值信息，簇头节点通过动态更新其邻居簇头节点的信任值，判断邻居簇头节点的可信情况，从而将数据转发给“值得信赖”的下一跳簇头节点，增强了网络的安全性和可信性。

附图说明

图1是无线传感器网络的体系结构图；

图2是本发明提供的基于信任控制的低功耗传输方法流程图；

图3是本发明实施例提供的基于信任控制的低功耗传输方法框图；

图4是本发明实施例提供的最优簇头推举算法流程图；

图5是本发明实施例提供的邻居簇头表部分表项；

图6是本发明实施例提供的候选声明包格式；

图7是本发明实施例提供的簇头推举包格式；

图8是本发明实施例提供的簇头确立包格式；

图9是本发明实施例提供的普通节点入簇流程图；

图10是本发明实施例提供的请求加入包格式；

图11是本发明实施例提供的时间调度包格式；

图12是本发明实施例提供的基于最小通信代价的路由选择算法流程图；

图13是本发明实施例提供的路由发现包格式；

图14是本发明实施例提供的邻居簇头表部分表项；

图15是本发明实施例提供的路由建立包格式；

图16是本发明实施例提供的基于分布式信任控制机制的恶意节点检测算法流程图；

图17是本发明实施例提供的信任交互包格式；

图18是本发明实施例提供的信任危机举报包格式；

图19是本发明实施例提供的恶意簇头警告格式。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明，应当理解，以下所说明的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

本发明针对无线传感器网络的数据传输机制，公开一种基于信任控制的低功耗传输方法，实现无线传感器网络中数据高效、可信的传输。

图2显示了本发明提供的基于信任控制的低功耗传输方法流程图，如图2所示，本发明提供的一种基于信任控制的低功耗传输方法包括：

A)将节点剩余能量大于阈值的无线传感器网络中的所有节点确定为备选簇头节点；具体地说，为避免能量过低的节点被选为簇头节点，导致无线传感器网络的寿命终止，需要对节点进行能量值限制；

B)按照簇距离L和备选簇头节点的权重，从所述备选簇头节点中选出用来构成无线传感器网络各簇的簇头节点，保证最终确定的簇头节点在数量和位置分布上呈现稳定性与均匀性；

C)每个簇头节点根据簇头节点信任值信息和最小通信代价路由信息，将收集的数据发送至目标簇头节点，即，源簇头节点经由最小通信代价路由将收集的数据以多跳的方式发送至目标簇头节点，实现数据低耗、可信的传输。

其中，位于任一备选簇头节点簇距离L之内的邻居备选簇头节均为紧密节点，所述L通过如下公式确定：

$L=\mathrm{\φ}\sqrt{\frac{1}{{\mathrm{\ΠK}}^M}}$

其中，所述φ是调整因子，所述M是传感器监测区域的边长，所述K是监测整个区域的簇的数目。

其中，所述步骤B)具体为：

B1)每个备选簇头节点生成邻居簇头表，并发送候选声明包和接收邻居备选簇头节点的候选声明包；

B2)每个备选簇头节点通过估算收到的候选声明包的信号强度，确定与邻居备选簇头节点的距离，并将距离小于簇距离L的邻居备选节点确定为紧密节点；

B3)每个备选簇头节点根据紧密节点个数或紧密节点个数和紧密节点的权重，当选为簇头节点或转化为普通节点。

其中，所述紧密节点的权重通过以下公式计算：

W＝α×E_r/E_o+β×T_node/∑T_node+θN_elt-γN_eld

其中，E_r为紧密节点的剩余能量，E_o为初始能量，T_node为紧密节点信任值，∑T_node为所述备选簇头节点的所有紧密节点的信任值之和，N_elt为紧密节点被推举为簇头节点的次数，N_eld为紧密节点担任簇头节点的次数，α，β，θ，γ为权重因子。

其中，所述步骤B3)具体为：

B31)没有紧密节点的备选簇头节点自动成为簇头节点：

B32)若备选簇头节点具有一个紧密节点，则两者中权重最大的一个成为簇头节点，另一个则通过删除邻居簇头表转化为普通节点；

B33)若备选簇头节点具有两个或多个紧密节点，则所述备选簇头节点及其紧密节点分别将自己的紧密节点中权重最大的节点推举为初选簇头节点，生成并广播关于该初选簇头节点的簇头推举包，自己则通过删除邻居簇头表转化为普通节点；

B34)若收到簇头推举包的备选簇头节点没有紧密节点，则自动升为簇头节点；

B35)若收到簇头推举包的备选簇头节点节点仅有一个紧密节点，则两者中权重最大的一个成为簇头节点，另一个则通过删除邻居簇头表转化为普通节点；

B36)若收到簇头推举包的备选簇头节点具有两个或多个紧密节点时，则重复执行步骤B33)至B35)，直至选出簇头节点。

其中，选出各簇的簇头节点后，各簇头节点广播簇头确立包，普通节点根据收到的簇头确立包的信息强度，加入信息强度最大的簇头所属的簇。

其中，所述步骤C)包括：

C1)簇头节点将普通节点采集的数据进行融合处理，得到去冗余数据；

C2)簇头节点作为源簇头节点通过广播其生成的路由发现包，得到目标簇头节点响应的包含最小通信代价路由信息的路由建立包；

C3)所述源簇头节点根据所述最小通信代价路由信息，建立最小通信代价的路由，以便将去冗余数据经由该路由传递至目标簇头节点。

其中，所述步骤C2)包括：

C21)源簇头节点生成并广播包含目标簇头节点ID信息的路由发现包；

C22)收到所述路由发现包的其他簇头节点根据能耗、本节点寿命、信任值计算通信代价信息，并分别将自己的簇头节点ID信息和通信代价信息添加到所述路由发现包后广播，由此形成分别经由若干个簇头节点广播到目标簇头节点的多个到达路由发现包，其每个含有由所述若干个簇头节点ID构成的路由和路由的通信代价；

C23)目标簇头节点通过解析多个所述到达路由发现包，找到通信代价最小的路由，并将包含若干个簇头节点ID的路由添加到所生成的路由建立包中，并进行广播；

C24)源簇头节点接收所述路由建立包，按照路由建立包中的路由传送去冗余数据。

其中，收到路由发现包的簇头节点计算的通信代价C_new由下式表示：

C_new＝C_old+C_mn

其中，C_old为簇头节点收到的路由发现包中的通信代价，

所述e_mn表示数据从前一簇头节点m传输到本节点n的能量消耗；表示簇头节点n的剩余能量；

表示簇头节点m对簇头节点n的信任值；α，β是调整因子；源簇头节点的通信代价为零。

其中，所述方法还包括簇头节点信任控制步骤D)，包括：

D1)每个簇头节点通过发送信任交互包和接收邻居簇头节点的信任交互包，计算邻居簇头节点的信任值；具体地说，所述信任交互包由簇头节点周期性生成并广播，包含其对邻居簇头节点的信任值；

D2)簇头节点作为举报簇头节点将所述信任值低于信任阈值的邻居簇头节点确定为被举报簇头节点，并将所述被举报簇头节点ID信息放入其生成的包含举报簇头节点ID信息的信任危机举报包中，并进行广播；具体地说，所述信任危机举报包由簇头节点生成并广播，所述簇头节点通过监听其邻居簇头节点的转发情况和来自其它邻居簇头节点的信任交互包，计算其邻居簇头节点的信任值，并将信任值小于信任阈值的邻居簇头节点ID信息放入所述信任危机举报包；

D3)收到信任危机举报包的簇头节点，根据所述被举报簇头节点ID信息和举报簇头节点ID，生成并广播恶意簇头警告包，使接收所述恶意簇头警告包的簇头节点将恶意簇头节点删除。

其中，所述步骤D3)具体为：

D31)簇头节点多次收到同一举报簇头节点举报同一邻居簇头节点的信任危机举报包时，所述簇头节点将所述邻居簇头节点确定为恶意簇头节点；所述邻居簇头节点为被举报簇头节点；

D32)簇头节点收到超过一半的其邻居簇头节点的举报同一被举报簇头节点的信任危机举报包时，所述簇头节点将被举报簇头节点确定为恶意簇头节点；

D33)簇头节点生成恶意簇头警告包，将所述恶意簇头节点ID信息放入所述恶意簇头警告包中，并进行广播。

图3显示了本发明实施例提供的基于信任控制的低功耗传输方法框图，如图3所示：所述方法包括拓扑建立阶段和数据传输阶段。

在拓扑建立阶段，首先采用LEACH分布式算法对网络进行初步的分簇和簇头推举，同时为避免过低能量的节点被选为簇头节点，导致网络寿命终止，对推举的节点进行能量值限制，将剩余能量超过阈值的节点确定为备选簇头节点；然后通过竞争调整机制来优化推举的进程，最终确定簇头节点，即按照簇距离L和备选簇头节点的权重，确定构成无线传感器网络中各个簇的簇头节点，保证确定下来的簇头节点在数量和位置分布上呈现稳定性与均匀性；簇头节点确立后，生成簇头确立包，使普通节点根据接收的簇头确立包的信息强度，加入信息强度最大的簇。

在数据传输阶段，首先确定最小通信代价的路由，基于最小通信代价的路由，实现多跳的数据传输。每个簇头均知道其与邻居簇头进行数据传输时，将要花费的通信代价，簇头节点基于此来确定最小通信代价的路由。所述通信代价通过能耗、本节点寿命、信任值计算。

为提高拓扑建立成功率和数据传输的可信性，本发明采用分布式信任控制机制维护邻居簇头节点信任值和检测恶意簇头节点。簇头节点通过对其邻居簇头节点信任值初始化、监听数据转发情况和邻居簇头节点间的协作维护，维护邻居簇头节点信任值，从而检测恶意簇头节点，并将数据转发给可靠的下一跳簇头节点，增强网络的安全性和可信性。

下面通过图4至图19对本发明做进一步解释和说明：

图4显示了本发明实施例提供的最优簇头推举算法流程图，如图4所示，步骤如下：

首先，采用LEACH分布式簇头选择算法对网络进行初步的分簇和簇头选择，考虑到网络的寿命，为避免过低能量的节点被选为簇头节点，对簇头节点的初选进一步作了能量值约束，将剩余能量大于阈值的节点确定为备选簇头节点。所述阈值通过如下公式计算：

E_th＝E_o×(1-r/n)

其中，r为当前运行轮次，n为无线传感器网络的预期运行轮次；E_o为节点初始能量；E_th为第r轮的簇头节点阈值。无线传感器网络具有多个工作周期，每个工作周期为一轮。通过引入阈值，能量过低的节点无法成为簇头节点，避免了因为簇头节点能量耗尽而造成的簇头节点重选举开销和数据丢失。

然后，每个备选簇头节点自动生成一张邻居簇头表，用来完成接下来的调整工作。所述邻居簇头表的部分表项如图5所示，其中，ID是邻居备选簇头节点身份标识表项，由身份标识服务器在网络通信之前统一标识；E_r是邻居备选簇头节点剩余能量表项；T_node是邻居备选簇头节点信任值表项，用于衡量一个传感器节点对另一个传感器节点的信任情况，取值范围为(0，100)，0代表完全不可信，100代表完全可信，根据节点转发数据行为计算；N_elt是邻居备选簇头节点被推举为簇头节点的次数表项；N_eld是邻居备选簇头节点担任簇头节点的次数表项；N_close是标识邻居备选簇头节点是否为本备选簇头节点的紧密节点的表项。位于任一备选簇头节点簇距离L之内的邻居簇头节点均为紧密节点，所述L通过如下公式确定：

$L=\mathrm{\φ}\sqrt{\frac{1}{{\mathrm{\ΠK}}^M}}$

其中，所述φ是调整因子，所述M是传感器监测区域的边长(假设为正方形)，所述K是监测整个区域的簇的数目，均匀分布的K个簇刚好覆盖整个观测区域。紧密节点越多，说明备选簇头节点的地理位置分布也越不均匀。

备选簇头节点的邻居簇头表构建成功后，无线传感器网络进入簇头调整阶段，确定最终的簇头节点，步骤如下：

步骤11：每个备选簇头节点向其有效通信范围内的节点广播候选声明包。所述候选声明包格式如图6所示，包括包类型字段、节点ID字段、剩余能量字段和序列号字段，其中，所述序列号字段用于标识当前运行轮次，防止网络的重放攻击。所述节点ID字段用于存放发送候选声明包的备选簇头节点ID。

步骤12：接收到候选声明包的备选簇头节点依据所述候选声明包的内容，在邻居簇头表内写入广播所述候选声明包的簇头节点ID、剩余能量、节点信任值(初始化为100)，推举次数(初始化为0)、担任簇头的次数(初始化为0)，是否是紧密节点等6项内容。接收所述候选声明包的备选簇头节点通过估算接收的所述候选声明包的信号强度，计算其与发送所述候选声明包的邻居备选簇头节点的距离，并将距离小于簇距离L的邻居备选簇头节点确定为其紧密节点。

备选簇头节点根据其邻居簇头表统计紧密节点的个数，如果该备选簇头节点没有紧密节点，则直接确定为簇头节点，并执行步骤16；如果仅存在一个紧密节点，则比较两备选簇头节点的剩余能量，剩余能量较高的确定为簇头节点，并执行步骤16，剩余能量较低的转化为普通节点；如果存在多个紧密节点，则计算其紧密节点的权重，所述权重通过以下公式计算：

W＝α×E_r/E_o+β×T_node/∑T_node+θN_elt-γN_eld

其中，E_r为紧密节点的剩余能量，E_o为初始能量，T_node为紧密节点信任值，∑T_node为所述备选簇头节点的所有紧密节点的信任值之和，N_elt为紧密节点被推举为簇头节点的次数，N_eld为紧密节点担任簇头节点的次数，α，β，θ，γ为权重因子。

步骤13：通过计算，得到权重最大的紧密节点。随后，备选簇头节点生成簇头推举包，将权重最大的紧密节点ID号填入所述簇头推举包内作为推举的初选簇头节点，向外广播。自己则转化为普通节点，删除邻居簇头表。所述簇头推举包格式如图7所示，包括包类型字段、本节点ID字段、最大权重节点ID字段和序列号字段。所述本节点ID字段用于存放发送所述簇头推举包的备选簇头节点ID号，所述最大权重节点ID字段用于存放权重最大的紧密节点ID号。

步骤14：如果普通节点收到簇头推举包，则直接丢弃所述簇头推举包；如果其它备选簇头节点收到簇头推举包，提取所述簇头推举包中的发送者ID号，如果发送者不是自己的紧密节点，直接丢弃所述簇头推举包，否则将该节点从邻居簇头表中删除，同时将所述簇头推举包中指定的最大权重节点ID对应的推举次数加1。

步骤15：收到簇头推举包的备选簇头节点查看其当前的紧密节点数，如果自己没有紧密节点，直接确定为簇头节点，并执行步骤16；如果仅有一个紧密节点，剩余能量高的备选簇头节点确定为簇头节点，并执行步骤16，剩余能量低的备选簇头节点通过删除邻居簇头表转换为普通节点；如果存在两个或以上的紧密节点，继续执行步骤13；

步骤16：簇头节点向全网广播簇头确立包，声明自己成为簇头节点。所述簇头确立包格式如图8所示，包括包类型字段、节点ID字段，剩余能量字段和序列号字段。

接收到广播包的普通节点根据信号强度，向信号强度最大的簇头节点发送加入请求，请求加入该簇。其它簇头节点接收到簇头确立包后，根据簇头确立包的内容更新其邻居簇头表，删除未成为簇头节点的所有表项记录、更新簇头节点剩余能量、推举次数归零、担任簇头次数加1。

图9显示了普通节点入簇流程图，如图9所示，步骤包括：

步骤21：簇头节点选定后，普通节点根据接收的簇头确立包的信息强度，向信息强度最大的簇头发送请求加入包。所述请求加入包格式如图10所示，包括包类型字段、节点ID字段、随机数字段和序列号字段。其中，所述随机数字段，用于防止Hello攻击。

步骤22：簇头节点对每一个请求加入包都需要立即回送确认ACK消息，ACK消息中加入同样的随机数字段，如果普通节点在预定的时间内没有收到ACK确认消息，就可以选择其他簇头节点申请入簇。

步骤23：簇头节点接收完所有的请求加入包后，根据请求加入簇的普通节点的数目创建TDMA传输时刻表，并将该表封装为时间调度包广播告知每个簇内的节点。所述时间调度包格式如图11所示，包括包类型字段、簇头节点ID字段、TDMA时刻表字段和序列号字段。

步骤24：簇内普通节点收到时间调度包后，依据TDMA时刻表，在各自的时间片内发送数据。

数据传输阶段是无线传感器网络的业务工作阶段，各个普通节点采集、上传数据给簇头节点，簇头节点将收集到的数据按照预置的规则进行处理，处理完毕后沿最小通信代价路由传输至目标簇头节点。因此，在稳定传输阶段需要考虑三个问题：节点(包括普通节点和簇头节点)发送数据的功率控制、簇头节点对收集到的数据的处理效率、高效低能耗的路由选择算法。如下逐一讨论。

功率控制是为了降低节点发送数据的功耗。数据传输阶段，普通节点仅在簇头分配的时间片内传输数据。在时间片外，一旦节点完成数据的采集工作即可转入休眠状态，待时间片再次到来时节点才会开机并传输数据。时间片的划分依据簇头节点广播的TDMA时刻表。

发送速率控制技术为簇头节点和普通节点规定了最大的发送速率，从而防止网络拥塞的问题发生。如果节点以一个非常高的速率连续发送数据，接收节点就会因负载过大而降低处理效率，最终导致全网堵塞。使用该技术，每个节点的发送速率均有一个阈值的限制，在此限制内进行数据传输，拥塞问题就可以有效的得到改善。

数据融合(data aggregation)，是将多份数据或信息进行处理，组合出更有效、更符合用户需求的去冗余数据的过程。在无线传感器网络中，从监测区域采集的数据存在很高的相似性，如果簇头节点首先对这些数据进行融合处理，降低其冗余度，提高其准确性，然后再发送出去，就可以大大的减少数据的传输量。使用Micadot节点发送一个比特，其能耗可以执行800条指令。因此，使用数据融合技术，减少数据的发送量，有利于节省网络的能耗、提高信息的准确性、提高数据的收集效率。

本发明的簇间路由算法是高效低能耗的实现多跳、最小通信代价的路由选择算法。图12显示了本发明实施例提供的基于最小通信代价的路由选择算法流程图，如图12所示，步骤包括：

步骤31：源簇头节点向全网广播广播路由发现包，启动路由建立过程。所述路由发现包格式如图13所示，包括包类型字段、源节点ID字段、目的节点ID字段、优选路径表字段、通信代价字段和随机数字段。所述优选路径表字段用于记录数据传输至某一簇头节点m之前，所经过的通信代价最小的路径，当数据传输至目标簇头节点时，该路径就是消耗最小的优选路径。优选路径表字段记录着传输至当前节点之前的优选路径上的簇头节点ID，源簇头节点广播路由发现包时优选路径表字段仅有源簇头节点ID信息；随机数字段唯一标识一次路径的建立，用于防止恶意节点的重放攻击；通信代价初始化为0。

步骤32：接收到所述路由发现包的簇头节点首先从所述路由发现包内提取出随机数R填入邻居簇头表，若在同一路由建立过程中再次收到随机数不同的路由发现包，即做丢弃处理，防止重放攻击。用于路由建立的所述的邻居簇头表项部分如图14所示，包括标识簇头节点身份的ID表项、用于标识节点信任值的Tnode表项、用于标识通信代价的C表项、随机数R表项和用于标识下一跳簇头节点的Next表项。

步骤33：簇头节点根据路由发现包，提取优选路由表字段的最后一条记录，即传输至该簇头节点之前的优选路径的最后一跳节点ID，依据此ID，对照邻居簇头表计算出该簇头到本簇头的通信代价C，然后存入缓存区内等待发送，等待时间为簇间一跳的传输时间T，如果在时间T内，簇头节点收到了其他的“路由发现包”，首先依据随机数R验证其真实性，如果是虚假数据包则直接丢弃；如果数据包为真，重复本步骤。收到路由发现包的簇头节点计算的通信代价C_new由下式表示：

C_new＝C_old+C_mn

其中，源簇头节点的通信代价为零；C_old为簇头节点收到的路由发现包中的通信代价，

所述e_mn表示数据从前一簇头节点m传输到本节点n的能量消耗；

表示簇头节点n的剩余能量；

表示簇头节点m对簇头节点n的信任值；α，β是调整因子，随网络环境和应用环境的变化而变化，比如网络更重视使用寿命，则α＞β，由此可见，一个节点剩余的能量越大，越值得其他节点的信任，传输给该节点所需要的代价就越小。

步骤34：时间T后，簇头从缓存区中选取通信代价C最小的路由发现包，将自己的ID号填入所述路由发现包内的优选路径表，填写完毕后向邻居簇头广播。

步骤35：邻居簇头接收到该包后顺序执行步骤32至步骤34，直到目标簇头节点收到路由发现包，所述目标簇头节点执行步骤32和步骤33，计算通信代价最小的路由(该路由即为最小通信代价的优选路径)，并生成路由建立包广播全网。所述路由建立包格式如图15所示，包括包类型字段、源节点ID字段、目的节点ID字段、优选路径表字段和随机数字段。所述优选路径表字段存储通信代价最小的路由。

步骤36：簇头节点首先根据随机数验证路由建立包的真实性，若所述路由建立包真实，根据优选路径表字段判断自己是否在通信代价最小的路由当中。如果不在，则停止一切有关路由建立的活动，进入监听状态；如果在，则根据该路由在邻居簇头表中找到下一跳的簇头节点ID，并对应的表项“是否为下一跳节点”中填写1；

步骤37：所有簇头节点根据路由建立包完成步骤36的操作后，最小通信代价的路由即建立成功。源簇头节点向其邻居簇头表中记录的下一跳簇头节点发送数据，接收到数据的簇头节点照此动作继续发送，直到将数据传送到目标簇头节点。即源簇头节点以多跳的方式经由最小通信代价路由将收集的数据传递至目标簇头节点。

上述步骤36中，若所述路由发现包不真实，则丢弃所述路由发现包。

簇头节点在进行最小通信代价路由选择时，如果能够有选择的将数据转发给一个“值得信赖”的邻居簇头节点，委托该簇头节点进行余下的数据传输，则整个网络的安全性就会进一步增强。本发明引入信任控制机制，实现了该功能。所述信任控制机制包括信任值维护和恶意簇头节点检测。

节点信任值，用来衡量一个簇头节点对另一个簇头节点的信任情况。通过为簇头节点引入信任值参数，对比该参数的大小，簇头节点就可以更为“放心”地将数据转发给高信任值的邻居簇头节点。信任值的区间为[0，100]，0代表完全不可信，100代表完全可信，其值是根据节点是否按照预想正确转发数据包来计算的。为保证网络节点身份的可信，簇头必须时刻维护它邻居节点的信任值，所述信任值通过三个方面进行维护：

1、信任值初始化：信任值的取值范围[0，100]，0代表完全不可信，100代表完全可信，其值根据簇头节点是否按照预想正确转发数据包来计算。无线传感器网络部署之初，簇头节点对其邻居簇头节点的信任值初始化为100，当无线传感器网络运行一段时间后，对于新加入的簇头节点，考虑到入侵者可能通过合法的手段进入网络，其初始信任值可以适当调低。

2、监听维护：簇头节点通过监听其邻居簇头节点的转发行为来维护信任值。数据传输时，簇头节点随机选择监听其下游簇头节点的转发行为，若簇头节点监听到其邻居簇头节点正确转发一个数据包，所述邻居簇头节点的信任值加λ；若监听到在返回“确认包”之后，没有转发数据包或错误转发数据包，所述邻居簇头节点的信任值减去θ(θφλ)。所述随机监听用于避免恶意簇头节点根据监听周期采取有计划的转发，逃避簇头节点的信任值维护。λ和θ根据监听簇头节点的具体行为而取不同的值，使得簇头既能快速排除可疑节点，又不误判非恶意簇头节点为可疑簇头节点。λ和θ的具体应用时可根据不同情况设置，当监测到簇头节点将数据包错误的转发给下一跳时，则可减去较大的θ，在这种情况下，该节点极有可能是恶意节点。

3、协作维护：簇头节点结合其他邻居簇头节点对某簇头节点的信任情况，按照不同邻居的信任权重以加权信任值的方式来维护信任值。数据传输阶段，各个簇头节点需要将其邻居簇头节点的信任值封装成信任交互包周期性广播出去，使簇头节点根据其邻居簇头节点对某簇头节点的信任情况，维护其邻居簇头节点的信任值。所述信任交互包如图17所示，包括包类型字段、簇头节点ID字段和邻居簇头节点信誉状态表。所述邻居簇头信誉状态表包括邻居簇头节点ID和信任值。各簇头节点在接收到信任交互包后，若判定接收的信任交互包的发送者是自己的邻居簇头节点，则根据所述信任交互包更新其邻居簇头节点的信任值，否则丢弃接收的信任交互包。所述信任值的计算步骤如下：

1、本簇头节点根据其邻居簇头表，将邻居簇头节点按照信任值大小排序。

2、根据排序，通过如下公式计算邻居簇头节点的信任权重因子ω_i：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Σ}}_{i=0}^n{\mathrm{\ω}}_i=1\\ 1-\mathrm{\θ\π}\frac{{\mathrm{\ω}}_i-{\mathrm{\ω}}_{i-1}}{{\mathrm{\ω}}_{i+1}-{\mathrm{\ω}}_i}\mathrm{\π}1+\mathrm{\θ}\end{array}\right.\mathrm{\θ}\∈\left(\mathrm{0,0.01}\right)$

其中，ω₀＝0.5，邻居簇头节点的信任值越高，信任权重因子ω_i越大。

3、利用信任权重因子，计算本簇头节点对邻居簇头节点的信任值，信任值计算公式如下：

$T_{\mathrm{new}-\mathrm{node}}={\mathrm{\ω}}_0\×T_{\mathrm{old}-\mathrm{node}}+{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{\mathrm{\ω}}_i\×T_{\mathrm{inode}}{\mathrm{\ω}}_i\∈\left[\mathrm{0,1}\right]$

其中T_old-node簇头节点对其更新邻居簇头节点的原信任值，T_inode是其他第i个邻居簇头节点对更新簇头节点的信任值，T_new-node是本簇头节点对其更新邻居簇头节点的更新信任值。

在多跳、分簇的路由协议中，簇头节点不但要负责簇内的数据收集、融合与上传，同时还要转发其他簇的分组数据，一旦簇头被攻击者成功俘获，造成的损失要比成员节点被俘获大得多。因此，本协议要求簇头节点时刻掌握其邻居簇头节点的信誉情况，一旦出现问题，簇头节点能够及时作出反应，告知全网剔除恶意节点。图16显示了本发明实施例提供的基于分布式信任控制机制的恶意节点检测算法流程图，如图16所示，步骤包括：

步骤41：簇头节点计算邻居簇头节点信任值，若信任值大于信任阈值(信任阈值根据网络状况自行调整，本实施例中信任阈值选取30)，则邻居簇头节点可信，否则，将信任值低于信任阈值的邻居簇头节点ID放入其生成信任危机举报包中并广播；所述信任危机举报包格式如图18所示，包括包类型字段、举报者ID字段和被举报者ID字段。

步骤42：接收信任危机举报包的簇头节点判定所述信任危机举报包的发送者是否是自己的邻居簇头节点，如果不是，则丢弃所述信任危机举报包，如果是，则在其邻居簇头表中记录下出现信任危机的簇头节点ID号、该节点被“举报”的次数以及“举报”该簇头的节点ID号。

步骤43：簇头节点检查邻居簇头表，如果一个簇头节点多次举报另一簇头节点，则可判定被举报簇头节点为恶意簇头节点，且正在针对某特殊节点实施选择性转发；如果是不同的簇头节点举报同一个簇头节点，且“举报者”的数目超过邻居簇头节点的半数，则可判定被举报的簇头为恶意簇头。确定恶意簇头节点，并将恶意簇头节点ID放入其生成的恶意簇头警告包，并广播；

步骤44：当恶意簇头被某簇头节点判定时，该簇头节点就向全网广播恶意簇头警告包，接收到该包的节点就会将恶意节点ID号从自己的数据库中删除，该节点任何声称簇头的消息还是请求加入簇的消息，都做丢弃处理。所述恶意簇头警告包格式如图19所示，包括包类型字段和恶意簇头节点ID字段。

本发明的有益效果在于：在簇头节点的选举上，通过少量的网络开销换来了较高的网络稳定性和均匀性，在数据传输路由的选取方面建立和使用最小通信代价路由，在分布式信任控制方面实现了对恶意节点攻击的防范。

尽管上文对本发明进行了详细说明，但是本发明不限于此，本技术领域技术人员可以根据本发明的原理进行各种修改。因此，凡按照本发明原理所做的修改，都应当理解为落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于信任控制的低功耗传输方法，其特征在于，包括：

A)将节点剩余能量大于阈值的无线传感器网络中的所有节点确定为备选簇头节点；

B)按照簇距离L和备选簇头节点的权重，从所述备选簇头节点中选出用来构成无线传感器网络各簇的簇头节点；

C)每个簇头节点根据簇头节点信任值信息和最小通信代价路由信息，将收集的数据发送至目标簇头节点。

2.根据权利要求1所述的低功耗传输方法，其特征在于，位于任一备选簇头节点簇距离L之内的邻居备选簇头节均为紧密节点，所述L通过如下公式确定：

$L=\mathrm{\φ}\sqrt{\frac{1}{{\mathrm{\ΠK}}^M}}$

其中，所述φ是调整因子，所述M是传感器监测区域的边长，所述K是监测整个区域的簇的数目。

3.根据权利要求2所述的低功耗传输方法，其特征在于，所述步骤B)具体为：

B1)每个备选簇头节点生成邻居簇头表，并发送候选声明包和接收邻居备选簇头节点的候选声明包；

B2)每个备选簇头节点通过估算收到的候选声明包的信号强度，确定与邻居备选簇头节点的距离，并将距离小于簇距离L的邻居备选节点确定为紧密节点；

B3)每个备选簇头节点根据紧密节点个数或紧密节点个数和紧密节点的权重，当选为簇头节点或转化为普通节点。

4.根据权利要求3所述的低功耗传输方法，其特征在于，所述步骤B3)具体为：

B31)没有紧密节点的备选簇头节点自动成为簇头节点：

B32)若备选簇头节点具有一个紧密节点，则两者中权重最大的一个成为簇头节点，另一个则通过删除邻居簇头表转化为普通节点；

B33)若备选簇头节点具有两个或多个紧密节点，则所述备选簇头节点及其紧密节点分别将自己的紧密节点中权重最大的节点推举为初选簇头节点，生成并广播关于该初选簇头节点的簇头推举包，自己则通过删除邻居簇头表转化为普通节点；

B34)若收到簇头推举包的备选簇头节点没有紧密节点，则自动升为簇头节点；

B35)若收到簇头推举包的备选簇头节点节点仅有一个紧密节点，则两者中权重最大的一个成为簇头节点，另一个则通过删除邻居簇头表转化为普通节点；

B36)若收到簇头推举包的备选簇头节点具有两个或多个紧密节点时，则重复执行步骤B33)至B35)，直至选出簇头节点。

5.根据权利要求1所述的低功耗传输方法，其特征在于，选出各簇的簇头节点后，各簇头节点广播簇头确立包，普通节点根据收到的簇头确立包的信息强度，加入信息强度最大的簇头所属的簇。

6.根据权利要求1所述的低功耗传输方法，其特征在于，所述步骤C)包括：

C1)簇头节点将普通节点采集的数据进行融合处理，得到去冗余数据；

C2)簇头节点作为源簇头节点通过广播其生成的路由发现包，得到目标簇头节点响应的包含最小通信代价路由信息的路由建立包；

C3)所述源簇头节点根据所述最小通信代价路由信息，建立最小通信代价的路由，以便将去冗余数据经由该路由传递至目标簇头节点。

7.根据权利要求6所述的低功耗传输方法，其特征在于，所述步骤C2)包括：

C21)源簇头节点生成并广播包含目标簇头节点ID信息的路由发现包；

C22)收到所述路由发现包的其他簇头节点根据能耗、本节点寿命、信任值计算通信代价信息，并分别将自己的簇头节点ID信息和通信代价信息添加到所述路由发现包后广播，由此形成分别经由若干个簇头节点广播到目标簇头节点的多个到达路由发现包，其每个含有由所述若干个簇头节点ID构成的路由和路由的通信代价；

C23)目标簇头节点通过解析多个所述到达路由发现包，找到通信代价最小的路由，并将包含若干个簇头节点ID的路由添加到所生成的路由建立包中，并进行广播；

C24)源簇头节点接收所述路由建立包，按照路由建立包中的路由传送去冗余数据。

8.根据权利要求7所述的低功耗传输方法，其特征在于，收到路由发现包的簇头节点计算的通信代价C_new由下式表示：

C_new＝C_old+C_mn

其中，C_old为簇头节点收到的路由发现包中的通信代价，

所述e_mn表示数据从前一簇头节点m传输到本节点n的能量消耗；

表示簇头节点n的剩余能量；

表示簇头节点m对簇头节点n的信任值；α，β是调整因子；源簇头节点的通信代价为零。

9.根据权利要求1所述的低功耗传输方法，其特征在于，所述方法还包括簇头节点信任控制步骤D)，包括：

D1)每个簇头节点通过发送信任交互包和接收邻居簇头节点的信任交互包，计算邻居簇头节点的信任值；

D2)簇头节点作为举报簇头节点将所述信任值低于信任阈值的邻居簇头节点确定为被举报簇头节点，并将所述被举报簇头节点ID信息放入其生成的包含举报簇头节点ID信息的信任危机举报包中，并进行广播；

D3)收到信任危机举报包的簇头节点，根据所述被举报簇头节点ID信息和举报簇头节点ID，生成并广播恶意簇头警告包，使接收所述恶意簇头警告包的簇头节点将恶意簇头节点删除。

10.根据权利要求9所述的低功耗传输方法，其特征在于，所述步骤D3)具体为：

D31)簇头节点多次收到同一举报簇头节点举报同一邻居簇头节点的信任危机举报包时，所述簇头节点将所述邻居簇头节点确定为恶意簇头节点；

D32)簇头节点收到超过一半的其邻居簇头节点的举报同一被举报簇头节点的信任危机举报包时，所述簇头节点将被举报簇头节点确定为恶意簇头节点；

D33)簇头节点生成恶意簇头警告包，将所述恶意簇头节点ID信息放入所述恶意簇头警告包中，并进行广播。

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