CN108632784A - 一种分簇车载网可信路由计算方法 - Google Patents

一种分簇车载网可信路由计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种分簇车载网可信路由计算方法,其特征在于:将节点通信过程中在一定时间内收发数据包的好坏程度作为其信誉值,在选择簇头过程中将节点的信誉值作为重要的权重因子。由于通信过程中信誉值实时更新,可将低于信誉阀值的节点剔除,从而达到安全目的,实现了在车载自组网中的可信路由。本发明结合“信任”这一概念,将节点的转发数据包情况作为依据,基于分簇算法,建立一种了可信路由算法。

Description

一种分簇车载网可信路由计算方法
技术领域
本发明涉及一种一种基于分簇的可信路由计算方法,用于应对车载自组网(Vehicle Ad hoc Network,以下简称为VANET)路由安全问题。
背景技术
VANET在智能交通(以下简称为ITS)上有着重要的意义。通过VANET的研究,将会改善拥挤的路况,对车辆安全、交通事故侦查等都有很大帮助。在城市发展智能交通研讨会中指出车联网技术可使交通堵塞减少约60%;短途运输效率提高近70%;现有道路网的通行能力提高2~3倍。
VANET通信主要表现在车与车(vehicle-to-vehicle,以下简称为V2V)之间的通信以及车与路边基础设施(vehicle-to-infrastructure,以下简称为V2I)之间通信。V2I的通信一般通过RFID或Wi-Fi来实现。对于V2I不在一跳通信范围内的,则需要通过V2V进行转发。V2V的通信则较为复杂。由于V2V通信中的节点是高速移动的汽车,其移动方向、速度和地理位置都不断发生变化。加之VANET的运动场景复杂,节点分布不均匀,这些特性使路由存在以下问题:1)路由表有效期短:在拓扑结构频繁变化的VANET中,中继节点在通信范围内的时间很短,使链路断裂频繁,路由表有效期极短;2)路由发现开销大:由于路由表的有效期短,使路由发现变得频繁,增加了路由发现开销;3)链路质量不稳定:由于车辆快速频繁移动导致通信中的多普勒效应严重,在复杂的城市场景中,信号多径衰落现象也将增加,这些使链路质量变得很不稳定;4)数据分组存储携带时间长。
针对VANET路由安全问题,国内外已经有很多的研究成果。文献[Virendra M,Jadliwala M,Chandrasekaran M,et al.Quantifying trust in mobile ad-hocnetworks[C]//Pro-ceedings of International Conference on Integration ofKnowledge Intensive Multi-Agent Systems.Piscataway:IEEE Computer Society,2005:65-70]的新颖之处在于运用行为和建议为基础的信任关系,在节点之间建立成对的或者一组密钥。但在密钥建立之前,无法识别和排除恶意节点。文献[Buchegger S,LeBoudec J Y.Performance analysis of the CONFIDANT protocol[C]//Proceedings ofthe International Symposium on Mobile Ad Hoc Networking and Computing.NewYork:Association for Computing Ma-chinery,2002:226-236.]提出了CONFIDANT模型,通过收集节点以往的行为和建议对其进行行为分析,达到排除恶意节点的目的。但由于行为分析过程复杂,导致网络中的数据过大。文献[朱成刚。基于主观逻辑的MANET安全可信路由协议研究[D]。成都:电子科技大学,2007。]基于主观逻辑的MANET安全可信路由协议研究,提出基于AODV路由协议的安全可信路由STRP_AODV协议,通过节点的相互认证和行为信息,得出正面信息和负面信息,使用传递组合和一致组合的方式计算出节点的信任度评价,但是该算法不能检测入侵和其他不良行为。文献[Choi J,Jung S。A security frameworkwith strong non-repudiation and privacy in VANETs[C]//Proceedings of the 6thIEEE Consumer Communications and Networking Conference。Piscataway:IEEE,2009:835-839。]提出一种具有不可抵赖性和隐私保护的安全框架,可消除公钥基础结PKI中证书管理的负载。但当交通密度大时,基于密钥方式的通信负载较大。
发明内容
本发明的目的是:针对较适用于车载自组网的分簇式路由协议的安全问题,提出一种基于分簇的可信路由算法。
为了达到上述目的,本发明的技术方案是提供了一种分簇车载网可信路由计算方法,其特征在于,包括以下步骤:
第一步、计算车载自组网网络中当前节点的单位时间Δt、与所有邻节点的总距离Dv、平均速度Mv、簇头的历史时间总量Pv、节点信誉值Ti,节点信誉值Ti的更新公式为:Ti=Ti(t-Δt)+Ti(t-Δt)α,Ti的取值范围为[-1,1],式中,α为信誉值变化率,Ns、Nf分别为当前节点在单位时间Δt内与其通信范围内簇头交互数据的成功和失败次数,N为当前节点单位时间Δt内与其他节点交互的次数;
第二步、计算当前节点的权重
式中,nv表示邻节点的数量,w1、w2、w3、w4、w5为权重系数,且
第三步、重复第一步及第二步,计算每个节点的权重,权重最小的节点为簇头,簇头的邻居节点为该簇头的子节点;
第四步、重复第一步至第三步,从除簇头及簇头的子节点外的所有节点中再挑选节点作为簇头,直至不再有节点可参加簇头筛选,各簇头与其连通性最强的节点合成一个簇,分簇过程结束;
第五步、在簇结构稳定的一段时间内,对信誉值变化率α和节点信誉值Ti进行更新,更新时,簇头对其子节点的信誉值进行计算和更新,同时,簇头还负责更新与其直接通信的其他簇头的信誉值,但簇头无权更新自身的信誉值;
第六步、若某个节点的节点信誉值Ti低于阀值η时,如果该节点是子节点,则其对应的簇头在它的成员列表和路由表中删除该节点,将其与通信网络孤立,直至簇结构发生变化;如果该节点是簇头,与其通信的其他簇头将其从通信路由表中删除,利用WCA的维护机制,分簇算法被激活,重新选取统治集。
本发明将节点通信过程中在一定时间内收发数据包的好坏程度作为其信誉值,在选择簇头过程中将节点的信誉值作为重要的权重因子。由于通信过程中信誉值实时更新,可将低于信誉阀值的节点剔除,从而达到安全目的,实现了在车载自组网中的可信路由。
本发明针对车载自组网中存在恶意节点的问题,在结合已有的移动Ad Hoc网络WCA算法的基础上,借鉴固定网络环境中信任关系的建立,针对恶意节点的丢包问题和自私节点的拒绝合作问题,提出本发明的技术方案。基于分簇的可信程度,在簇头选择过程根据权重因子进行筛选。本发明提供的算法将节点通信过程中在一定时间内收发数据包的好坏程度作为其信誉值,在选择簇头过程中将节点的信誉值作为重要的权重因子,由于通信过程中信誉值实时更新,可将低于信誉阀值的节点剔除,从而达到安全目的,实现了在车载自组网中的可信路由。
本发明结合“信任”这一概念,将节点的转发数据包情况作为依据,基于分簇算法,建立一种了可信路由算法。本发明提供的算法在选择簇头过程中对于自私节点的排除更具针对性,在通信过程中存在自私节点的情况下更为安全和稳定;将节点通信过程中在一定时间内收发数据包的好坏程度作为其信誉值,在选择簇头过程中将节点的信誉值作为重要的权重因子,由于通信过程中信誉值实时更新,可将低于信誉阀值的节点剔除,从而达到安全目的,实现了在车载自组网中的可信路由。实验结果表明本发明提供的算法较当前一些经典安全路由算法具有更高的抵抗自私节点的能力。
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。
本发明提供的一种分簇车载网可信路由计算方法基于如下知识:
1)考虑权重的分簇算法
WCA算法是一种考虑权重的分簇算法,适用于分布式大规模车载网络。以车载网络中节点的交通相关信息(邻节点的数量nv,与所有邻节点的总距离Dv,平均速度Mv,簇头的历史时间总量Pv)作为加权因子。算法的权重计算公式为:
Wv=w1nv+w2Dv+w3Mv+w4Pv
式中:wi的大小与权重因子的重要性成正比,经过实验得出:4个权值在城市道路模型中的最佳值分别为0.7、0.2、0.05和0.05。
根据公式计算权重Wv,该值越小表明节点越适合作簇头。实验表明WCA算法因结合了通信,显著提高了分簇算法性能,具有良好的负载均衡。而且,由于算法限制了每个簇的子节点数量δ,让运动相关性最高的节点在同一簇中,使得即使在簇内成员的位置变化频繁的场景下,簇的稳定性也不受影响,从而降低了维护成本。由于以上优点,该算法在城市道路中有很好的应用前景。但是WCA算法缺乏对安全性的考虑,而且该算法的簇头数量较大,簇头承担的通信任务重,在恶意节点和自私节点成为簇头时,簇头的丢包行为或不转发数据包的情况出现时,WCA算法没有提供解决方法,导致网络断路或瘫痪,分组的接收率降低。因此需要借助有效的可信路由协议来解决。
2)可信路由模型及算法(BCTR)
在Ad Hoc体系中,“信任”是指一个移动节点对其他移动节点是否能够正确地、非破坏性地进行某项协作活动的主观可能性的预期.节点在路由的过程中不仅要与其他节点通信,还要进行可信计算和更新。文献[何俊婷,刘衍珩,王健。一种高生存性的车载自组网可信路由协议[J]。武汉大学学报,2010,56(2):189-193。]提出了“经验信任”,即由生存时间、节点成功交互的比率和上一跳节点的信誉值3个因素决定节点的信誉值,信誉值高的节点成为下一跳节点。在此基础上,本发明提出一种考虑权重的分簇算法WCA的可信路由模型.通过节点挑选簇头、信誉值计算、阀值判断、节点筛选,在最终建立稳定安全的簇结构之后,进行安全、有效的数据通信。
3)信任模型
信任关系反映的是主体和客体之间的一种关系,它通常具有相对性、可度量性、可传递性和动态性等性质。节点的可信度由当前行为和历史行为相结合来度量,如果一个节点总是维持在低水平的可信度,连续表现恶意行为,它最终将被从网络中孤立出去,从而保证移动Ad Hoc网络的通信安全。
在WCA算法中,选择的簇头与簇节点有相似的移动性,从而能保证相互之间的稳定通信。此信任模型中,由于簇头的通信任务大:不仅要在通信中起到承上启下的作用,且簇头承担着对其直接通信的簇头、簇成员节点的信誉值计算和更新,以及维护簇成员列表的任务,所以在簇头挑选过程中关于簇头的剩余电量,即簇头历史时间总量Pv显得更为重要。子节点的信誉值只能隶属簇的簇头更新,簇头无法修改自己的信誉值,而是由与其直接通信的簇头更新,这样也就排除了在成簇阶段和簇维护阶段节点信誉值被恶意篡改的情况。对于节点信誉值更新的特殊情况有以下说明:被排除出网络通信的节点,其信誉值不再更新;某簇头与多个簇头通信时,即其信誉值由多个簇头更新,在该时间周期内取其最小值。
4)信誉值的计算和更新
按照定义,节点的信誉值可表示为Ti=(节点编号,信誉值),Ti的初始值为1,最小值为0。例如节点2的信誉值为0.7,可表示为Ti=(2,0.7)。每个节点的信誉值都由节点本身的存储介质保存。
节点i的信誉值变化率为:
式中:α的初始值为1,发包速率为1~n包/s,则α的取值范围为[-1,1];N为节点i单位时间Δt内与其他节点交互的次数;Ns、Nf分别为当前节点在单位时间Δt内与其通信范围内簇头交互数据的成功和失败次数。
节点信誉值的更新公式为:
Ti=Ti(t-Δt)+Ti(t-Δt)α
式中,Ti的取值范围为[-1,1]。
由于在簇头筛选阶段不交换数据,所以在簇头筛选阶段内α和Ti的值不变。由于节点的信誉值由自己储存,为防止节点的信誉值被恶意篡改,可采取措施加以防护,例如使用TPM(trusted platform module)可信芯片,并且只有与节点直接通信的簇头才能修改被TPM保护的信誉值。
新的权重公式为:
Ti越大则越小,这就与权重公式中的各个权重因子数值越小越好的权重性质达成一致。
基于上述知识,本发明提供的一种分簇车载网可信路由计算方法包括以下步骤:
第一步、计算车载自组网网络中当前节点的单位时间Δt、与所有邻节点的总距离Dv、平均速度Mv、簇头的历史时间总量Pv、节点信誉值Ti,节点信誉值Ti的更新公式为:Ti=Ti(t-Δt)+Ti(t-Δt)α,Ti的取值范围为[-1,1],式中,α为信誉值变化率,Ns、Nf分别为当前节点在单位时间Δt内与其通信范围内簇头交互数据的成功和失败次数,N为当前节点单位时间Δt内与其他节点交互的次数;
第二步、计算当前节点的权重
式中,nv表示邻节点的数量,w1、w2、w3、w4、w5为权重系数,且
第三步、重复第一步及第二步,计算每个节点的权重,权重最小的节点为簇头,簇头的邻居节点为该簇头的子节点;
第四步、重复第一步至第三步,从除簇头及簇头的子节点外的所有节点中再挑选节点作为簇头,直至不再有节点可参加簇头筛选,各簇头与其连通性最强的节点合成一个簇,分簇过程结束;
第五步、在簇结构稳定的一段时间内,对信誉值变化率α和节点信誉值Ti进行更新,更新时,簇头对其子节点的信誉值进行计算和更新,同时,簇头还负责更新与其直接通信的其他簇头的信誉值,但簇头无权更新自身的信誉值;
第六步、若某个节点的节点信誉值Ti低于阀值η时,如果该节点是子节点,则其对应的簇头在它的成员列表和路由表中删除该节点,将其与通信网络孤立,直至簇结构发生变化;如果该节点是簇头,与其通信的其他簇头将其从通信路由表中删除,利用WCA的维护机制,分簇算法被激活,重新选取统治集。
本发明在选择簇头时不仅考虑了节点的运动状态,还加入了对节点安全性的考虑,这将提高分簇网络的安全性和稳定性。数值越小,越适合作为簇头。

Claims (1)

1.一种分簇车载网可信路由计算方法,其特征在于,包括以下步骤:
第一步、计算车载自组网网络中当前节点的单位时间Δt、与所有邻节点的总距离Dv、平均速度Mv、簇头的历史时间总量Pv、节点信誉值Ti,节点信誉值Ti的更新公式为:Ti=Ti(t-Δt)+Ti(t-Δt)α,Ti的取值范围为[-1,1],式中,α为信誉值变化率,Ns、Nf分别为当前节点在单位时间Δt内与其通信范围内簇头交互数据的成功和失败次数,N为当前节点单位时间Δt内与其他节点交互的次数;
第二步、计算当前节点的权重
式中,nv表示邻节点的数量,w1、w2、w3、w4、w5为权重系数,且
第三步、重复第一步及第二步,计算每个节点的权重,权重最小的节点为簇头,簇头的邻居节点为该簇头的子节点;
第四步、重复第一步至第三步,从除簇头及簇头的子节点外的所有节点中再挑选节点作为簇头,直至不再有节点可参加簇头筛选,各簇头与其连通性最强的节点合成一个簇,分簇过程结束;
第五步、在簇结构稳定的一段时间内,对信誉值变化率α和节点信誉值Ti进行更新,更新时,簇头对其子节点的信誉值进行计算和更新,同时,簇头还负责更新与其直接通信的其他簇头的信誉值,但簇头无权更新自身的信誉值;
第六步、若某个节点的节点信誉值Ti低于阀值η时,如果该节点是子节点,则其对应的簇头在它的成员列表和路由表中删除该节点,将其与通信网络孤立,直至簇结构发生变化;如果该节点是簇头,与其通信的其他簇头将其从通信路由表中删除,利用WCA的维护机制,分簇算法被激活,重新选取统治集。
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