CN105611600B - 一种面向QoE需求的物联网安全路由方法 - Google Patents

一种面向QoE需求的物联网安全路由方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种面向QoE需求的物联网安全路由方法，包括分簇阶段和数据传输阶段；在所述分簇阶段时，节点随机成为簇头，传感接收到多个簇头信息时，选择信任值最大的加入；在所述数据传输阶段时，数据源节点根据QoE和数据类型的需求查询节点存储的数据类型和需求的候选汇聚节点表，在候选汇聚节点表中选择合适的汇聚节点作为数据传输的目的节点，如果数据传输的源节点为簇成员，将数据传输给簇头，否则数据源节点和中间节点转发结合路由表和计算的信任值选择下一跳路由节点，以减少攻击节点选择。本发明仅需要少量的节点资源就可实现对无线传感器的安全管理，抵抗各种攻击。

Description

一种面向QoE需求的物联网安全路由方法
技术领域
本发明涉及无线传感器节点的数据传输安全技术领域，特别是涉及一种面向QoE需求的物联网安全路由方法。
背景技术
物联网是当前国际上备受关注的、多学科高度交叉的前沿研究领域，被认为是将对二十一世纪产生巨大影响力的技术之一，可广泛应用于智慧城市、公共安全、移动支付、智能物流等诸多领域，受到各国政府、企业和学术界的高度重视，美国、欧盟、日本等甚至将其纳入国家和区域信息化战略，被认为是将对二十一世纪产生巨大影响力的技术之一，给人类生产和生活的各个领域带来深远影响。
随着无线传感器网络规模的不断扩大，实际的无线传感器网络应用中往往采用多Sink(多汇聚节点)模式，传感数据传输目的节点Sink选择以往的专利和文献只考虑节点优化系统应用的服务质量(QoS，Quality of service)，而QoS包括网络的吞吐率、时延、丢包率、抖动、误码率等，反映了应用服务的技术层面的性能，忽略用户主观因素，不能直接反映用户对应用的认可程度，如有的网络应用只需要较低的传输速率，但需要较少传输时延；有的网络应用对时延不敏感，但需要较快的传输速率。不同的QoS参数对用户的主观感觉不同，而用户体验质量(QoE，Quality ofexperience)是根据终端使用者的主观感知对一种应用或业务作出全面接收的程度，与QoS高低和用户所能接受的服务价格等因素有关，林闯等(林闯,胡杰,孔祥震,用户体验质量的模型与评价方法综述,计算机学报,2012,35(1):1-15)研究人员综述用户体验质量的模型与评价方法。不同用户之间的差异性，对同一种类型的应用，同的用户达到相同的用户体验(QoE)，网络所需提供的QoS保障是不同的。一般来讲，网络提供的服务质量越好，用户体验QoE越高。
网络安全是实现物联网大规模应用的必要条件，一直是研究的热点，是物联网健康发展的重要保障。无基础设施、无线链路等因素致使无线传感器网络有窃听、假冒等系统脆弱性，易受到各种攻击，如节点俘获、暴力破解、信号干扰屏蔽、选择性转发、女巫攻击、Sinkhole攻击等，可信安全路由成为无线传感器网络的一个重要研究方向。
无线传感器网络节点布设密度高，节点感知信息具有冗余性等特点，传感节点计算、存储和能量资源的制约使普通的路由安全机制不能很好的应用于无线传感器网络。现有的 无线传感器网络路由协议大致分为能量感知路由协议、基于查询的路由协议和地理位置路由协议等。这类协议主要从能耗方面讨论路由机制，为了保证数据传输的可靠性，通过增加冗余的方式实现，造成网络能量的部分浪费，并且不能有效抵御各种攻击。无线传感器网络安全路由方面的研究，大多针对一般Adhoc网络提出的，最具代表性的协议是SPINS(Securityprotocolsforsensornetworks)，包括SNEP(SecureNetworkEncryptionProtocol)和μTESLA(microTimedEfficientStreamingLoss-tolerantAuthenticationProtocol)两个部分。SNEP用以实现通信的机密性、完整性、新鲜性和点到点的认证；μTESLA用以实现点到多点的广播认证。加州大学伯克利分校在SmartDust项目的实验网络中，使用这种安全协议构建了安全通信平台。SPINS协议并没有定义实施安全机制的实体属于网络中的具体层次，有研究者把SNEP作为网络层的实现协议，而把μTESLA作为应用层组播协议。Ganeriwal等研究人员提出于无线传感器网络的基于信誉的框架RFSN(Reputationbasedframeworkforsensornetworks)，RFSN模型简单易于实现，为信任管理系统的发展奠定了基础。Tajeddine等研究人员提出CENTE(Acentralizedtrust-basedefficientroutingprotocolforwirelesssensornetwork)一种基于信任的无线传感器网络集中式路由协议。CENTER通过定期收集每个节点局部观察信息，且进行几次检查和计算得到网络全局图。同时，基于假定的节点活动来估计每个节点的寿命以及计算节点行为信息(即恶意、合作、兼容)，然后评价每个节点的信任值(即数据信任和转发信任)，最后利用有效地禁止系统来隔离网络中不端行为节点。网络安全依赖于基站，基站的可靠性，如果基站的可靠性得不到保证，网络的安全性几乎为0。
综上可知，无线传感器网络的安全路由协议大都是基于Adhoc安全路由协议的改造。传统的安全方法如秘钥加密、身份认证等，因为需要复杂的软件、硬件、大容量存储器、高处理速度和通信带宽不适合无线传感器网络。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种面向QoE需求的物联网安全路由方法，仅需要少量的节点资源就可实现对无线传感器的安全管理，抵抗各种攻击，从而提升用户体验，提高网络安全性。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种面向QoE需求的物联网安全路由方法，包括分簇阶段和数据传输阶段；在所述分簇阶段时，节点随机成为簇头，传感接收到多个簇头信息时，选择信任值最大的加入；在所述数据传输阶段时，数据源节点根据QoE和数据类型的需求查询节点存储的数据类型和需求的候选汇聚节点表，在候选汇聚节点表中选择合适的汇聚节点作为数据传输的目的节点，如果数据传输的源节点为簇成员，将数据传输给簇头，否则数据源节点和中间节点转发结合路由表和计算的信任值选择下一跳路由节点，以减少攻击节点选择。
在所述数据传输阶段时，在候选汇聚节点表中按照最近邻策略选择合适的汇聚节点作为数据传输的目的节点。
所述最近邻策略是在本节点的邻居节点中，找到比本节点道数据源目的汇聚节点近的节点集，计算这些邻居节点的信任值，选择信任值最大的节点作为数据传输的下一跳。
在所述数据传输阶段时，用户需求发生变化、网络整体状态发生变化不满足用户体验质量时，汇聚节点广播Bc帧，接收到该Bc帧的传感节点，解析该Bc帧并更新路由表。
所述Bc帧处理过程如下：
S3-1传感节点接收到所述Bc帧；
S3-2传感节点判断所述Bc帧中自身到汇聚节点的跳数是否大于节点路由表中自身到汇聚节点的跳数，若否转到S3-3，若是转到S3-4；
S3-3传感节点修改添加或更新到该汇聚节点的路由表，记录到该汇聚节点的跳数和用户业务需求类型；
S3-4传感节点减小Bc帧中的生存半径TTL，增大自身到汇聚节点的跳数/距离，然后判断生存半径TTL是否大于零，若是则转到S3-5，否则转到S3-6；
S3-5转发该Bc帧；
S3-6丢弃该Bc帧。
在所述分簇阶段时，节点信任值为其 中，为节点A和节点B的通信因子信任值，节点通信的信任值服从Beta(a,b)分布，节点A 和节点B间交互次数为a+b次，a表示传输成功的次数，b表示传输不成功的次数；为节 点A和节点B间时延的信任值。
在所述数据传输阶段时，节点信任值为 其中，为节点A和节点B的通信因子信任值，节点通信的信任值服从Beta(a,b)分布，节点 A和节点B间交互 次数为a+b次，a表示传输成功的次数，b表示传输不成功的次数，ρ为时间 衰减因子，且0≤ρ≤1，t1为本轮分簇的起始时间，t2为本轮分簇的终止时间，Δa为节点正常 传输次数a的增量，Δb为节点传输不成功次数的增量；为节点A和节点B间时延的信任 值。有益效果
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明适应用多Sink环境，借助已有的面向QoE网络接入算法，能有效避免个别Sink负载过重，满足用户的需求，提升用户的体验质量(QoE)。其中信任值计算无需特殊软硬件支持且无需占用大量资源。节点路由过程中，通过节点信任值得计算减少攻击节点选择，选择信任值最大的节点担任转发节点，增强网络的抗攻击能力，提高网络的安全。
附图说明
图1是实施例中hello帧的结构图；
图2是实施例中Bc帧的结构图；
图3是Hello帧发送流程示意图；
图4是面向QoE需求目的Sink广播Bc帧发送过程示意图；
图是5Bc帧的处理流程图；
图6面向QoE需求的路由方法流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明的实施方式涉及一种面向QoE需求的物联网安全路由方法，包括分簇阶段和数据传输阶段；在所述分簇阶段时，节点随机成为簇头，传感接收到多个簇头信息时，选择信任值最大的加入；在所述数据传输阶段时，数据源节点根据QoE和数据类型的需求查询节点存储的数据类型和需求的候选汇聚节点表，在候选汇聚节点表中选择合适的汇聚节点作为数据传输的目的节点，如果数据传输的源节点为簇成员，将数据传输给簇头，否则数据源节点和中间节点转发结合路由表和计算的信任值选择下一跳路由节点，以减少攻击节点选择。具体如下：
1、初始化阶段
网络节点开启后，周期性T1广播Hello帧，接收到Hello帧的节点解析并记录邻居节点时延、节点邻居及信任值、序列号等信息。
基站开启后，T1周期广播Hello帧，等待较长时间，以T2为周期执行M次面向QoE需求目的Sink广播，M为常数，默认M＝3。
2、网络分簇阶段
2-1)节点竞争簇头，类似LEACH协议，产生一个[0,1]的随机数，如果随机数小于本轮的门限值Tθ，则节点成为本轮的簇头节点：
p为节点成为簇头节点的概率，r为当前进行的轮数，G为本轮循环中没有充当过簇头节点的集合，Ec节点的剩余能量，E0为节点的初始能量，mod()为取模运算。
2-2)节点成为簇头后，向网络广播自己成为簇头节点的消息
2-3)普通节点接收到簇头广播后决定自己加入哪个簇。普通节点收到多个簇头的信号，计算到簇头的信任值TC＝TCdirect+TCindirect，最大信任值加入某簇，成为簇成员节点，同时关闭周期性T1的Hello广播帧，信任值具体计算方法第4部分。
3、数据传输阶段
3-1)数据源节点根据QoE和数据类型等需求，查询节点存储的数据类型和需求的候选Sink表，按照最近邻等策略选择某Sink作为数据传输的目的节点，如果没有收到相应数据类型和需求的候选Sink表，则采用最近邻方法选择目的Sink。若数据源节点为簇成员节点，簇头作为数据传输的下一跳，数据转发；
3-2)本节点邻居节点中，到数据源目的Sink比本节点近即距离或跳数小的节点集，计算这些邻居节点的信任值TC，选择信任值最大的节点作为数据传输的下一跳，数据转发。信任值具体计算方法第4部分。
3-3)接收到数据的传感节点，首先判断数据的目的节点是否为本节点的，若否，重复3-2)，若是，数据传输结束。
4、信任值计算
4-1)直接信任值TCdirect(A,B)
评价节点A与被评价节点B的直接交互而做出的信任评价值TCdirect(AB)，该信任评价值包含通信因子信任值和时延信任值
评价节点A和评价节点B的通信因子信任值节点通信的信任值服从Beta(a,b)分布，Beta函数体现历史记录值为函数变量的期望值a/(a+b)，评价节点A和评价节点B间交互次数为a+b次，a次传输成功行为，b次为传输不成功的次数。直接将期望值用于通信因子，则网络初始阶段，节点正常行为和b次异常行为次数均为0，节点的初始通信因子不符合实际情况，因此，
M为常数值，暂设为1。
分簇阶段通信信任值计算
数据传输阶段通信信任值计算：设时间衰减因子ρ，且0≤ρ≤1，t1为本轮分簇的起始时间，t2为本轮分簇的终止时间，Δa为节点正常传输次数a的增量，Δb为节点传输不成功次数的增量。
评价节点A和评价节点B间时延的信任值计算无线传感器网络中，由于信号干扰等因素，节点传输数据会产生传输时延，但网络的传输时延必须在用户可容忍的范围内波动。评价节点A向评价节点B转发数据分组，传输时延dt小于临界值θ，评价节点A完全相信评价节点B，传输时延超过阈值越来越大，评价节点B发起恶意攻击的可能性越来越大，其相应的信任值也快速下降，节点在传输时延行为上的直接信任
因此，直接信任值
分簇阶段直接信任值：
数据传输阶段的直接信任值：
4-2)、推荐信任TCindirect(A,B)
多个节点同时对单个节点推荐信任值时，权值正比于各信任值与平均信任值的距离，与期望值越远的权重越小，全部推荐信任的平均信任值E(m)＝(m1+m2+..+mk)/k，k为第三方推荐节点数。判断各个推荐信任值得权重，被评价节点B的第i个推荐信任值mi得权重wi＝k×mi/E(m)。
5、面向QoE需求目的Sink广播
Sink间通过有线或无线方式能够直接通信，借助当前QoE研究成果，Sink根据网络用户的业务类型以及网络为保证该类用户的QoE需求提供的QoS保证，如采用典型的用户平均评价分数(MOS，Mean opinion score)值得大小(数值范围是0～5，5分为最高，不同用户需求类型的MOS计算函数不同，其是数据传输速率、时延等QoS参数的函数)，结合当前网络状态进行筛选，选择合适的目的Sink组，默认全部Sink。该用户需求选择的Sink组的成员各自通过全网广播包含业务需求类型以及Sink地址、到Sink距离/跳数的BC广播命令帧。接收到SinkBC广播命令帧的传感节点，解析并存储面向QoE的需求、某Sink地址、到某一Sink的跳数/距离等信息。
下面通过一个具体的实施例进一步说明本发明。
首先系统满足以下条件的假定：
1、网络中布设有P个传感节点，且N个传感节点具有相同的初始能量；
2、网络中存在Q个汇聚节点(Sink节点)，Sink节点间通过有线或其他无线信道相互通信；
3、网络中的全部Sink和传感节点具有相同的无线覆盖半径，且信道是对称的。
【节点初始化过程】
参照图3，初始化时，传感节点和Sink节点发送Hello帧，其帧格式如图1所示，其中节点地址、传输时间、帧序列号、信任值、邻居及信任值等，初始化时，根据信任值计算，信任值均为为0.5。Hello帧的流程如下：
S1-1节点上电；
S1-2设置定时器，等待其超时；
S1-3定时器超时，节点发送Hello广播包，转S1-2。
【面向QoE需求目的Sink广播Bc帧过程】
参照图4，面向QoE需求目的Sink广播BC帧过程，其帧结构参照图2。
借助当前QoE研究成果，Sink根据网络用户的业务类型以及网络为保证该类用户的QoE需求提供的QoS保证，结合当前网络状态进行筛选，选择合适的目的Sink组，默认全部Sink，Sink组的成员各自通过全网广播包含业务需求类型以及Sink地址、到Sink距离/跳数的BC广播命令帧。BC广播命令帧流程如下：
S2-1用户需求，目的Sink组广播Bc帧，发送次数i＝1；
S2-2设置定时器，等待其超时；
S2-3定时器超时，节点发送Hello广播包，发送次数i＝i+1；
S2-4判断i取M的余数，若非0，转S2-2，否则，结束。
【Bc帧的处理流程】
参照图5，Bc帧的处理流程是：
S3-1传感节点接收到所述Bc帧；
S3-2传感节点判断所述Bc帧中自身到Sink节点的跳数是否大于节点路由表中自身到Sink节点的跳数，若否转到S3-3，若是转到S3-4；
S3-3传感节点修改添加或更新到该Sink的路由表，记录到该Sink的跳数、用户业务需求类型等；
S3-4传感节点减小Bc帧中的生存半径TTL，增大自身到Sink节点的跳数/距离，然后判断TTL是否大于零，若是则转到S3-5，否则转到S3-6；
S3-5转发该Bc帧；
S3-6丢弃该Bc帧。
【面向QoE需求的路由方法流程图】
参照图6，面向QoE需求的路由方法流程是：
S4-1节点初始化竞争竞选簇头，产生一个[0,1]的随机数，如果随机数小于本轮的门限
节点成为簇头
p为节点成为簇头节点的概率，r为当前进行的论述，G为本轮循环中没有充当过簇头节点的集合，Ec节点的剩余能量，E0为节点的初始能量；
S4-2传感节点收到多个簇头信息，计算分簇阶段的信任值，选择信任值最大簇头，加入簇头，分簇阶段结束；
S4-3传感节点有数据发送时，查找节点存储的面向QoE需求的目的Sink表，若为空，按最近邻选择目的Sink，否则，直接选择列表中最近目的Sink；
S4-4传感节点是否为簇成员节点，若是，选择簇头节点为下一跳，转发到簇头.否则，转到S4-5；
S4-5接收到数据的节点，判断本节点是否是数据传输的目的Sink，若是，数据传输结束，否则，转到S4-6；
S4-6选择跳数/距离比本节点到目的Sink节点集，计算节点集内数据传输阶段的信任值，选择最大信任值节点作为数据传输的下一跳节点；
S4-7转发或发送数据。

Claims (6)

1.一种面向QoE需求的物联网安全路由方法，其特征在于，包括分簇阶段和数据传输阶段；在所述分簇阶段时，节点随机成为簇头，传感接收到多个簇头信息时，选择信任值最大的加入；在所述数据传输阶段时，数据源节点根据QoE和数据类型的需求查询节点存储的数据类型和需求的候选汇聚节点表，在候选汇聚节点表中选择合适的汇聚节点作为数据传输的目的节点，如果数据传输的源节点为簇成员，将数据传输给簇头，否则数据源节点和中间节点转发结合路由表和计算的信任值选择下一跳路由节点，以减少攻击节点选择；在所述数据传输阶段时，节点信任值为其中，为节点A和节点B的通信因子信任值，节点通信的信任值服从Beta(a,b)分布，节点A和节点B间交互次数为a+b次，a表示传输成功的次数，b表示传输不成功的次数，ρ为时间衰减因子，且0≤ρ≤1，t1为本轮分簇的起始时间，t2为本轮分簇的终止时间，Δa为节点正常传输次数a的增量，Δb为节点传输不成功次数的增量；为节点A和节点B间时延的信任值。
2.根据权利要求1所述的面向QoE需求的物联网安全路由方法，其特征在于，在所述数据传输阶段时，在候选汇聚节点表中按照最近邻策略选择合适的汇聚节点作为数据传输的目的节点。
3.根据权利要求2所述的面向QoE需求的物联网安全路由方法，其特征在于，所述最近邻策略是在本节点的邻居节点中，找到比本节点到 数据源目的汇聚节点近的节点集，计算这些邻居节点的信任值，选择信任值最大的节点作为数据传输的下一跳。
4.根据权利要求1所述的面向QoE需求的物联网安全路由方法，其特征在于，在所述数据传输阶段时，用户需求发生变化、网络整体状态发生变化不满足用户体验质量时，汇聚节点广播Bc帧，接收到该Bc帧的传感节点，解析该Bc帧并更新路由表。
5.根据权利要求4所述的面向QoE需求的物联网安全路由方法，其特征在于，所述Bc帧处理过程如下：
S3-1传感节点接收到所述Bc帧；
S3-2传感节点判断所述Bc帧中自身到汇聚节点的跳数是否大于节点路由表中自身到汇聚节点的跳数，若否转到S3-3，若是转到S3-4；
S3-3传感节点修改添加或更新到该汇聚节点的路由表，记录到该汇聚节点的跳数和用户业务需求类型；
S3-4传感节点减小Bc帧中的生存半径TTL，增大自身到汇聚节点的跳数/距离，然后判断生存半径TTL是否大于零，若是则转到S3-5，否则转到S3-6；
S3-5转发该Bc帧；
S3-6丢弃该Bc帧。
6.根据权利要求1所述的面向QoE需求的物联网安全路由方法，其特征在于，在所述分簇阶段时，节点信任值为其中，为节点A和节点B的通信因子信任值，节点通信的信任值服从Beta(a,b)分布，节点A和节点B间交互次数为a+b次，a表示传输成功的次数，b表示传输不成功的次数；为节点A和节点B间时延的信任值。
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