CN106612523B - 一种基于信息论的分布式无线网络可信路由建立方法 - Google Patents

一种基于信息论的分布式无线网络可信路由建立方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于信息论的分布式无线网络可信路由建立方法，分布式无线网络中的每个节点周期的统计一跳范围邻居节点的成功转发概率，并计算其信任度量。在源节点发起路由请求，目的节点进行路由回复的过程中，路径上的节点将自己统计的邻居节点信任度量值汇集至源节点，源节点采用基于容量域的方法对路径上公共节点的信任度量进行修正，最后选择具有最优可信度量的路径建立路由。本发明能够使得网络中不同拓扑位置上的节点在获取路径上中继节点的信任度量后进一步精确修正，使其能够差异化选择最优可信路径，避免业务分组集中到某一中继节点造成拥塞。本发明在考虑路由的信任度量的同时兼顾网络的负载均衡，提升了网络端到端性能。

Description

一种基于信息论的分布式无线网络可信路由建立方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，涉及分布式无线网络可信路由建立方法。
背景技术
可信网络是下一代网络研究的热点，旨在通过“主动防御”的方式来应对安全和服务质量保证等重大挑战。Ad Hoc网络因为其去中心化，不依赖基础设施，自组织的特点，在军事、救灾等领域有广泛应用，然而在安全性和可靠性上Ad Hoc网络还存在着诸多问题，针对Ad Hoc网络的可信技术研究具有实际应用价值，信任度量模型研究是其基础和关键。
目前的信任度量模型主要包括①基于交互上下文的信任度量计算模型、②基于风险评估的信任度量模型。这些度量模型有自身的缺点，首先缺少灵活性，并且在建模过程中以各种假设为前提，使得模型在具体网络中的适应性不高。其次，主要针对集中式网络设计，对于分布式Ad Hoc网络多跳通信，拓扑结构复杂的情况缺乏良好的适应性，影响模型的可用性。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于信息论的分布式无线网络可信路由建立方法，综合考虑在分布式无线网络环境下的可信策略适用性与负载均衡，在建立可信路由的过程中能够通过邻居节点信任度量熵值的计算以及多路径条件下采用容量域理论对信任度量进行修正，使得不同拓扑位置的节点对信任度量获取后进一步精确修正，更加符合节点当前发送业务的需求，避免了不同拓扑位置的节点都向原始信任度量值最优的节点发送业务分组导致该节点严重拥塞的情况，从而在节点选择当前时刻最为可信的路径发送消息的同时兼顾了网络的负载均衡，提高了网络的吞吐量。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：
(1)在设定的时间周期内，分布式无线网络中的节点i统计一跳范围邻居节点j的成功转发的分组数Numretran，计算成功转发概率
Figure GDA0002211536860000011
更新邻居节点j的信任度
Figure GDA0002211536860000012
其中，Numsend为时间周期内节点i发给节点j的分组数，action＝0表示邻居节点转发失败，1代表转发成功，H(pij)为熵，H(pij)＝-pijlog2pij-(1-pij)log2(1-pij)；
(2)分布式无线网络中的源节点发送路由请求消息来试图建立路由，节点i收到路由请求消息时，如果自己是该路由请求消息的目的节点，回复路由回复消息，报告自己所有邻居节点的pij和Tij；如果自己不是目的节点，则广播此路由请求消息；
(3)节点i收到路由回复消息，如果自己不是发起路由请求消息的源节点，则将自己所有邻居节点的信任度量添加至路由回复消息中，并发送此路由回复消息至自己所在路径的上一跳节点；如果自己是发起路由请求消息的源节点，则：
a.查询路径中的所有信任度量，若信任度量值全为正则执行b；全为负则执行c；同时存在正负信任度量值，则首先排除含有负信任度量值的路径，再执行b；
b.遍历所有路径上的节点，将具有相同下一跳节点j的度量形成集合
Figure GDA0002211536860000021
如果集合为空或者只有一个元素则执行e；集合有两个及两个以上元素则取其中具有最高值及次高值的两个度量
Figure GDA0002211536860000022
更新
Figure GDA0002211536860000023
其中，doublepat表示两条路径的总信任度量，
Figure GDA0002211536860000024
更新
Figure GDA0002211536860000025
Figure GDA0002211536860000026
c.形成具有相同邻居节点j的度量集合{|Tij|(pij)|,i≠j}，集合为空或者只有一个元素则执行d；集合不为空则取具有最小值及次小值的两个度量
Figure GDA0002211536860000027
更新
Figure GDA0002211536860000028
其中，pi1j＜0.5，pi2j＜0.5，更新
Figure GDA0002211536860000029
Figure GDA00022115368600000210
d.将路径上各点的度量的积形成路径度量
Figure GDA00022115368600000211
选择具有最小Tpath值的路径，结束。
e.将路径上各点的度量的积形成路径度量
Figure GDA00022115368600000212
选择具有最大Tpath值的路径，结束。
本发明的有益效果是：
(1)本发明中每个无线网络中的节点只周期的更新自己一跳范围内的邻居节点成功转发次数，并通过计算熵的形式度量其可信程度，只有在路由建立的过程中源节点才需要获知全路径上节点的信任度量信息。该方法是较为简单实用的分布式策略，且对节点自身计算能力要求不高，也没有引入额外的开销。
(2)本发明在路由建立的过程中，采用多址接入容量域理论对多路径上多个节点接入到同一个下一跳中继节点的情况进行了信任度量修正，使得距离该中继节点位置(跳数)不同的节点能获知到对本节点而言更为精确的信任度量值，从而在一定情况下能够计算出不同的最优路径，避免了路径上所有节点都选择未修正前原始信任度量最优的中继节点进行业务转发，从而在能量受限的情况下，延长中继节点的生存周期，避免网络出现黑洞。
(3)本发明能够提高资源利用率，提升网络性能。通过最优可信路径选取策略，使得不同拓扑位置的节点在修正原始信任度量信息后，能够差异化选择最优路径，达到一定程度的负载均衡，从而在中继节点存储队列及转发能力受限的情况下，减少平均排队及处理时延，减轻由于超过节点转发队列存储能力而引发的丢包情况，从而提升端到端的网络性能。
附图说明
图1是本发明的实施例示意图。
图2是本发明的邻居节点信任度量更新流程图。
图3是本发明的中继节点信任度量修正流程图。
图4是本发明的实施例中网络吞吐量提升的仿真结果图。
具体实施方式
本发明所设计的可信路由建立方法能够在分布式无线网络中合理判断节点成功转发分组的可信度，从而确定合理的分组转发路由。本发明提供了能够能路由建立过程中兼顾中继节点的信任度量与网络的负载均衡方法，包括以下步骤：
该方法通过节点周期的更新一跳邻居节点的转发成功概率，并以熵的形式表征该邻居节点的可信度。当收到源节点的路由请求消息后，路径上的所有节点通过路由回复消息将本地的邻居节点信任度量值送达至源节点。源节点经过预处理后，选取较优路径，并通过多址接入容量域方法对路径上中继节点的信任度量进行修正，最终根据修正后的各路径上所有节点的信任度量，选取最优路径建立路由。
本发明具体包括以下步骤：
(1).在一定的时间周期内，分布式无线网络中的节点i统计一跳范围邻居节点j的成功转发次数Numretran，由式(1)计算成功转发概率pij，由式(2)、式(3)更新出此邻居节点的信任度Tij＝T{i:j,action＝0,1}。(action＝0表示邻居节点转发失败，1代表转发成功。)
Figure GDA0002211536860000041
(1)
其中Numretran为时间周期内节点j转发成功的分组数，Numsend为时间周期内节点i发给节点j的分组数。
Figure GDA0002211536860000042
其中，H(pij)为熵，计算公式为
H(pij)＝-pij log2 pij-(1-pij)log2(1-pij) (3)
(2).分布式无线网络中源节点发送路由请求(ROUTE REQUEST)消息来试图建立路由。节点i收到路由请求(ROUTE REQUEST)消息时，如果自己是该路由请求(ROUTE REQUEST)消息的目的节点，回复路由回复(ROUTE REPLY)消息，报告自己所有邻居节点的pij和Tij。如果自己不是目的节点，则广播此路由请求(ROUTE REQUEST)消息。
(3).节点i收到路由回复(ROUTE REPLY)消息，如果自己不是发起路由请求(ROUTEREQUEST)消息的源节点，则将自己所有邻居节点的信任度量添加至路由回复(ROUTEREPLY)消息中并发送此路由回复(ROUTE REPLY)消息至自己所在路径的上一跳节点；如果自己是发起路由请求(ROUTE REQUEST)消息的源节点，则：
a.查询路径中的所有度量，若度量值全为正则执行b；全为负则执行c；同时存在正负度量值，则首先排除含有负度量值的路径，再执行b。
b.遍历所有路径上的节点，将具有相同下一跳节点j的度量形成集合
Figure GDA0002211536860000051
如果集合为空或者只有一个元素则执行e。集合有两个及两个以上元素则取其中具有最高值及次高值的两个度量
Figure GDA0002211536860000052
(不妨设
Figure GDA0002211536860000053
)，由式(4)更新T{i1,i2:j,doublepath}(doublepath表示两条路径的总信任度量)，再由式(5)、(6)更新
Figure GDA0002211536860000054
执行c。
Figure GDA0002211536860000055
其中
Figure GDA0002211536860000056
Figure GDA0002211536860000057
Figure GDA0002211536860000058
c.形成具有相同邻居节点j的度量集合{|Tij|(pij)|,i≠j}，集合为空或者只有一个元素则执行d。集合不为空则取具有最小值及次小值的两个度量
Figure GDA0002211536860000059
(不妨设
Figure GDA00022115368600000510
由式(7)更新|T|{i1,i2:j,doublepat}h(doublepath表示两条路径的总信任度量)，再由式(8)、(9)更新
Figure GDA00022115368600000511
执行d。
Figure GDA00022115368600000512
其中，
Figure GDA00022115368600000513
Figure GDA00022115368600000514
Figure GDA00022115368600000515
d.将路径上各点的度量的积形成路径度量
Figure GDA00022115368600000516
选择具有最小Tpath值的路径，结束。
e.将路径上各点的度量的积形成路径度量
Figure GDA00022115368600000517
选择具有最大Tpath值的路径，结束。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
本发明的实施例如图1所示，在7个节点组成的分布式无线网络中，进行可信的路由选择，其步骤如下：
步骤1，统计邻居节点的成功转发概率。
如图2所示，在一定的时间周期内，分布式无线网络中的节点A、B、C、D、E、F、S分别统计自己一跳范围邻居节点的成功转发次数Numretran，由式(1)计算成功转发概率pij，由式(2)、式(3)更新出此邻居节点的信任度量Tij＝T{i:j,action＝0,1}。(action＝0表示邻居节点转发失败，1代表转发成功。)
Figure GDA0002211536860000061
其中Numretran为时间周期内节点j转发成功的分组数，Numsend为时间周期内节点i发给节点j的分组数。
Figure GDA0002211536860000062
其中，H(pij)为熵，计算公式为
H(pij)＝-pij log2 pij-(1-pij)log2(1-pij) (3)
步骤2，源节点S发送路由请求(ROUTE REQUEST)消息试图建立路由，收到路由请求消息后中继节点进行转发，目的节点进行回复，并在路由回复消息中添加本地的邻居节点信任度量。
节点F之外的节点，不是目的节点，则作为中继节点广播此路由请求(ROUTEREQUEST)消息。节点F收到路由请求(ROUTE REQUEST)消息时，因为自己是该路由请求(ROUTE REQUEST)消息的目的节点，所以回复路由回复(ROUTE REPLY)消息分别至自己所在路径的上一跳节点C、E，同时在路由回复(ROUTE REPLY)消息填入自己所有邻居节点C、E的pFC、TFC和pFE、TFE。
步骤3，收到路由回复消息后，中继节点在路由回复消息中添加本地邻居节点信任度量。源节点则先预处理，再采用容量域方法进行修正，最后通过修正后的信任度量建立路由，如图3所示。
节点A、B、C、D、E收到路由回复(ROUTE REPLY)消息，因为自己不是发起路由请求(ROUTE REQUEST)消息的源节点，则将自己所有邻居节点的信任度量添加至路由回复(ROUTE REPLY)消息中并发送该路由回复(ROUTE REPLY)消息至自己所在路径的上一跳节点；节点S收到路由回复消息时，因为自己是发起路由请求(ROUTE REQUEST)消息的源节点，则先进行预处理：
假设从源节点S到目的节点F三条路径都没有信任度量为负的节点，则三条路径都潜在可用，直接进行信任度量值修正。
源节点S遍历三条路径上的节点，将具有相同下一跳节点C的信任度量形成集合{TAC(pAC),TBC(pBC)}，采用下式进行容量域计算。
Figure GDA0002211536860000071
然后通过TA′C＝TC{A,B:C,doublepath}-TBC，TB′C＝TC{A,B:C,doublepath}-TAC对AC，BC两对节点的信任度量进行修正。
在修正前，通过对三条路径的信任度量积
Figure GDA0002211536860000072
的计算，最优路径为S-B-C-F路径，其次为S-D-E-F，之后为S-A-C-F，但对于节点B而言，节点C的可信程度较好，所以节点B同样会选择对于它而言较优的路径B-C-F进行业务分组发送，同理，节点A也会选择对于它而言较优的路径A-C-F进行业务分组发送。则中继节点C由于要转发多个节点的业务分组，对其转发队列和自身能量都有较大的负担，并且在业务分组较多的情况下会由于转发队列满而产生丢包。而通过容量域修正后，源节点S即能综合考虑了节点A、B可能同样选择含有节点C的路径这一情况，在此情况下，S节点修正了路径S-A-C-F的信任度量值，将修正后的值与之前次优的S-D-E-F进行信任度量比较，发现此时S-D-E-F路径较优，则源节点S优选S-D-E-F路径进行发送，而节点B依然选择对于它而言较优的路径B-C-F进行业务分组发送，而节点A同样选择对于它而言较优的路径A-C-F进行业务分组发送。此时对于该网络，在能够保证可信程度的情况下，多条可信路径同时进行了业务分组的转发，实现了一定程度的负载均衡。在网络吞吐量方面，相比传统的基于距离(跳数)的路由选择策略，以及不采用容量域修正，直接根据原始信任度量的路由选择策略，都有一定程度的提升。对于该实施例中所述的网络场景，如图4所示，圆形图例为采用传统的基于跳数的路由选择策略时的网络吞吐量仿真图，方形图例为采用不进行容量域修正，依据原始信任度量值的路由选择策略时的网络吞吐量仿真图，星形图例为采用本发明所述的方法，依据修正后的信任度量值进行路由选择策略时的网络吞吐量仿真图。可以看出本发明对于网络性能的提升。

Claims (1)

1.一种基于信息论的分布式无线网络可信路由建立方法，其特征在于包括下述步骤：
(1)在设定的时间周期内，分布式无线网络中的节点i统计一跳范围邻居节点j的成功转发的分组数Numretran，计算成功转发概率
Figure FDA0002211536850000011
更新邻居节点j的信任度量
Figure FDA0002211536850000012
其中，Numsend为时间周期内节点i发给节点j的分组数，action＝0表示邻居节点转发失败，1代表转发成功，H(pij)为熵，H(pij)＝-pijlog2pij-(1-pij)log2(1-pij)；
(2)分布式无线网络中的源节点发送路由请求消息来试图建立路由，节点i收到路由请求消息时，如果自己是该路由请求消息的目的节点，回复路由回复消息，报告自己所有邻居节点的pij和Tij；如果自己不是目的节点，则广播此路由请求消息；
(3)节点i收到路由回复消息，如果自己不是发起路由请求消息的源节点，则将自己所有邻居节点的信任度量添加至路由回复消息中，并发送此路由回复消息至自己所在路径的上一跳节点；如果自己是发起路由请求消息的源节点，则：
a.查询路径中的所有信任度量，若信任度量全为正则执行b；全为负则执行c；同时存在正负信任度量，则首先排除含有负信任度量的路径，再执行b；
b.遍历所有路径上的节点，将具有相同下一跳节点j的信任度量形成集合
Figure FDA0002211536850000013
如果集合为空或者只有一个元素则执行e；集合有两个以上元素则取其中具有最高值及次高值的两个信任度量
Figure FDA0002211536850000014
Figure FDA0002211536850000015
更新
Figure FDA0002211536850000016
其中，doublepath表示两条路径的总信任度量，
Figure FDA0002211536850000017
更新
Figure FDA0002211536850000018
Figure FDA0002211536850000019
c.形成具有相同邻居节点j的信任度量集合{|Tij|(pij)|,i≠j}，集合为空或者只有一个元素则执行d；集合不为空则取具有最小值及次小值的两个信任度量
Figure FDA00022115368500000110
Figure FDA00022115368500000111
更新
Figure FDA0002211536850000021
其中，
Figure FDA0002211536850000022
更新
Figure FDA0002211536850000023
Figure FDA0002211536850000024
Figure FDA0002211536850000025
d.将路径上各点的信任度量的积形成路径度量
Figure FDA0002211536850000026
选择具有最小Tpath值的路径，结束；
e.将路径上各点的信任度量的积形成路径度量
Figure FDA0002211536850000027
选择具有最大Tpath值的路径，结束。
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