CN108712758B - 一种应用于车载自组网络中安全的动态稳定分簇方法 - Google Patents

Abstract

本方法涉及一种应用于车载自组网络中安全的动态稳定分簇方法，包括：基于移动性度量的分簇方法和以车辆节点为中心的恶意节点检测方法。将分簇过程分为三个阶段：簇初始化、簇头选举、簇维护，在整个分簇过程中将车辆的移动方向、相对速度、相对距离作为分簇的实时指标；在形成稳定的簇后，以车辆节点为中心选择满足要求的节点作为检测者，由检测者动态地检测节点并将恶意节点报告给簇头，最终簇头将恶意节点在集群内广播。本方法旨在提供一种构建动态、稳定、安全的车载自组织网络通信系统的方法，提高了车载自组网络中通信的质量。

Description

一种应用于车载自组网络中安全的动态稳定分簇方法

技术领域

本发明涉及车载自组织网络领域与网络安全领域，特别涉及一种应用于车载自组网络中安全的动态稳定分簇方法。

背景技术

车辆自组织网络(VANET)是英特尔交通运输系统(ITS)的重要组成部分，旨在提高道路上的车辆通信安全和信息传输效率。随着汽车制造，智能车辆和无线通信技术的发展，配备无线接口的车辆可以通过V2V(车辆到车辆)通信模式直接与附近的车辆通信，也可以通过V2I(车辆到基础设施)或I2V(基础设施到车辆)与固定设备路侧单元(RSUs)通信，但是，VANET中的节点具有高度移动性，导致网络分区的可能性变高，尤其是在高速公路的场景下，车辆的通信范围有限，导致节点之间的弱连接，使得端到端的通信得不到保证，并且间接性链接可能导致严重的丢包问题，进一步影响通信安全。

基于分簇的网络拓扑结构可以很好地维护网络中车辆节点的通信，集群方案是根据一些规则将车辆聚类为虚拟群组，每个集群选择至少一个称为簇头的领导者，担任本地中心的管理者，执行集群内通信安排、本地信息聚合和本地信息传播等任务。簇头后跟一个或多个簇成员。作为分层网络，网络的第一层称为集群内通信，集群成员可以直接与集群的簇头或附近簇成员进行通信；网络的第二层是群集间通信，簇头与附近的簇头或路边基础设施进行通信。

VANET中的信息传播是通过车辆节点相互合作发生的。在车载自组网络中传输的消息携带重要的信息，如交通堵塞，紧急制动事件，道路状况，事故通知，恶劣天气状况等。在这种情况下，如果车辆间任何一个信息被恶意篡改或丢弃，可能导致严重的后果。因此，VANET的安全性已被确定为主要挑战之一。

发明内容

本发明为克服上述现有技术的至少一种缺陷(不足)，提出了一种应用于车载自组网络中安全的动态稳定分簇方法。此方法将车辆节点的移动性度量指标考虑在内，提出了一种安全性较高的动态稳定分簇方法，减少了簇形成过程中涉及的开销，提供足够的时间来进行数据通信，并在车辆节点通信的过程中，以车辆节点为中心选择其周围适当数量的节点来作为节点的检测者，检测作为中继节点而没有转发数据包或是发送多个数据包副本的恶意节点，相比于利用网络中所有车辆节点相互检测的方法，这在提高了数据通信安全性的同时也缓解了节点间的通信压力。

为达到上述目的，本发明的技术方案具体为：

一种应用于车载自组网络中安全的动态稳定分簇方法，包括以下步骤：

第一步，簇初始化过程：选择一个离集群地理位置中心最近的车辆作为簇头，记为CH_j；定义集群的安全传输阈值D_th，簇头的传输范围半径TR，集群长度L_C，其中D_th、TR、L_C满足式(1)：

L_C≤2D_th≤2TR (1)

初始化该集群内每个车辆节点的状态，状态为以下三种之一：1，簇头；2，普通簇成员；3，未入簇节点；每个车辆节点都维护一个相关表Beacon，簇头还需维护一个Ack表。在指定时间

内，簇头CH_j在集群j内广播Beacon和Ack信息，接收到信息的未入簇节点VN_i核对是否存在于CML_j中，若存在则:

其中CM_ji表示在集群j内的普通簇成员i.，否则判断两车辆节点的运动方向是否满足：

Dir_i＝Dir_j (3)

其中Dir_i与Dir_j分别表示未人簇节点VN_i和簇头CH_j的运动方向，若满足则VN_i向CH_j发送请求加入集群ReqJoin消息，请求加入簇，若直到时间

结束，VN_i都未改变状态，则其自身成为簇头CH_i，新建集群，并修改相关表状态。

第二步，簇头选择过程：在形成一个集群j后，实时环境下，与簇头CH_j运动方向相同的未入簇节点VN_i周期性地向簇头CH_j发送请求加入集群ReqJoin信号，收到请求加入集群ReqJoin信号的簇头CH_j检查是否满足下式(4)：

ΔD_ij≤D_th (4)

其中D_th为集群的安全传输阈值，ΔD_ij表示未入簇节点VN_i与簇头CH_j之间的距离，将满足(4)式且运动方向与簇头CH_j相同的未入簇节点VN_i加入到该集群中，并将未入簇节点VN_i的状态变为普通簇成员CM_i，否则将与簇头CH_j运动方向相同的未入簇节点VN_i和集群j重新合并为一个新集群并重新选择簇头，更新各节点相关表状态。

第三步，簇维护过程：包括簇合并与普通簇成员离群两个过程。实时环境下，当两个集群a与b在地理位置上有大面积重合时，若集群a与集群b构成的新集群的长度满足L_merge≤2D_th，则两个集群合并，重新选择簇头并且更新Ack表；

在一定时间

内，普通簇成员CM_i周期性地在集群内广播Beacon消息，簇头CH_j收到Beacon消息后，检查其Ack表当检测到簇成员i与簇头j的距离满足ΔD_ij>D_th时，从CML_j中移除CM_i，CM_i离开集群j，CM_i改变状态为VN_i，并更新相关表。

第四步：集群形成后，在车辆节点间的通信过程中，每个车辆节点都被其周围满足要求的车辆节点实时监测，当车辆节点被发现其作为中继节点而没有传送数据包或是传送多份数据包的备份时，将车辆节点的检测状态位增加一个单位即DST++，当车辆节点k的检测状态位达到阈值时，车辆节点k被报告给集群内的簇头，簇头将其加入黑名单，并由证书颁发机构CA修改车辆节点k的不可信任值，节点k重新变为VN_k，最终簇头在集群内广播该消息。

相对于其他技术，本发明具有如下优点和有益效果：

本发明将车辆节点的移动方向、相对速度、相对距离这些移动指标考虑在内，针对车载自组织网络的高动态拓扑结构，提出了一种安全性较高的动态稳定分簇算法。通过将分簇算法分为：簇初始化、簇头选举、簇维护这三个过程，有条理地动态维护车载自组网络中车辆节点间的通信质量。动态稳定的分簇方法减少了簇形成过程中涉及的开销，提供足够的时间来进行数据通信。本方法同时考虑到车载自组网络中中继节点的不可靠性度，通过考虑检测节点本身的负载程度、不可信任程度、相对速度和相对距离这四个信息，选出被测节点周围合适的检测节点来共同决策作为中继节点的可信程度，相比于利用网络中所有车辆节点相互检测的方法，本方法有利于缓解通信节点的压力，减少节点通信的开销。本方法通过发明一种应用于车载自组网络中安全的动态稳定分簇方法，解决了由于车载自组网络中车辆节点的高速移动性和节点之间的弱连接所带来的通信开销大，严重丢包等问题，提高了车载自组网络中通信的质量。

附图说明

图1为安全性较高的动态稳定分簇方法流程图。

图2为簇初始化流程图。

图3为簇头选举流程图。

图4为簇合并流程图。

图5为普通簇成员离群流程图。

具体实现方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，为了更好说明本实施例，附图某些分会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；

对于本领域的技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。下面结合附图和实例对本发明的技术方案做进一步说明。

第一步，簇初始化过程：选择一个离集群地理位置中心最近的车辆作为簇头，记为CH_j；定义集群的安全输阈值D_th，簇头的传输范围半径TR，集群长度L_C，其中D_th、TR、L_C满足式(1)：

L_C≤2D_th≤2TR (1)

本方法假设车辆以预定义的交通流量逐个进入路段，并且每辆车都配备了一个车载单元(OBU)无线收发器和一个GPS接收器，可以更新车辆在道路上的位置。同时，每辆车都可计算相对于其一跳邻居的相对速度，并检测与其邻近地区节点的相对距离。

初始化该集群内每个车辆节点的状态，状态为以下三种之一：1，簇头；2，普通簇成员；3，未入簇节点。每个节点都维护一个相关表Beacon，Beacon表中记录了车辆节点的状态信息：表结构如下所示：

Beacon表中记录了车辆节点的状态信息，其中包括：

●节点标号ID：每一个车辆节点加入车载自组织网络参与通信时，都会被分配一个唯一的标志ID；

●簇标号CID：当车辆节点在某一个集群内通信时，无论是作为普通群成员还是簇头，都会将簇标志更新为该集群簇头的ID值；

●节点状态NST：在车载自组网络中，参与通信的车辆节点将会是以下三种状态之一：1，簇头CH，2，普通簇成员CM，3，未入簇节点VN；

●坐标(x，y)：记录了车辆节点在水平面上的位置信息。

●运动方向Dir：记录了车辆节点的运动方向；

●速度V：记录了车辆节点的运动速度；

●负载Load：在车辆节点通信过程中，记录了由该节点参与检测的目标节点个数；

●不可信任值DV：记录了车辆节点的不可信任度，由证书颁发机构CA控制调整；

●检测状态位DST：记录车辆节点发生非法行为的次数。

除此之外，簇头节点CH还需另外维护一张表Ack，即该集群内普通簇成员列表CML，列表内数据记录了在集群j内与其通信的普通簇成员的节点标号，簇头CH_j的Ack表如下所示，记为CML_j：

	CM1	CM2	CM3	……
					节点标号ID	ID1	ID2	ID3	……
簇标号CID	j	j	j	……

在指定时间

内，由簇头CH_j在集群j内广播Beacon和Ack信息，接收到信息的未入簇节点VN_i核对是否存在于CML_j中，若存在则:

其中CM_ji表示在集群j内的普通簇成员i.，否则判断两节点的运动方向是否满足：

Dir_i＝Dir_j (3)

其中Dir_i与Dir_j分别表示未人簇节点VN_i和簇头CH_j的运动方向，若满足则VN_i向CH_j发送请求加入集群ReqJoin消息，请求加入簇，若直到时间

结束，VN_i都未改变状态，则其自身成为簇头CH_i，新建集群，并修改相关表状态。整个过程如图2所示，在实际仿真过程中可以将

设置为2s。

第二步，簇头选择过程：在形成一个集群j后，实时环境下，与簇头CH_j运动方向相同的未入簇节点VN_i周期性地向簇头CH_j发送请求加入集群ReqJoin信号，收到请求加入集群ReqJoin信号的簇头CH_j检查是否满足下式(4)：

ΔD_ij≤D_th(4)

其中ΔD_ij表示未入簇节点VN_i与簇头CH_j之间的距离，D_th为集群的安全传输阈值，仿真中将其设置成为

若满足(4)式且未入簇节点VN_i的运动方向与簇头CH_j相同，则修改节点VN_i的状态如下：

否则，当CH_j的CML_j≠φ时，选择CML_j中在CH_j与VN_i之间最远的CM_k作为新的簇头，并修改以下状态信息：

其中CML_j表示由簇头CH_j维护的状态表Ack，CML_k表示由簇头CH_k维护的状态表Ack，CID_i→k表示将VN_i添加到集群k后并修改其簇标号为k，CID_all表示为原来集群内所有节点的簇标号，相应的修改各个节点的Beacon表和簇头的Ack表，并由CH_k在集群内广播其Beacon和Ack信息。此时簇头更新完成。整个过程如图3所示。

第三步，簇维护过程：包括簇合并与普通簇成员离群两个过程；实时环境下，当两个集群a与b在地理位置上有大面积重合时，若集群a与集群b构成的新集群的长度满足L_merge≤2D_th，则两个集群合并，选择距离两个集群地理位置中心最近的车辆节点最为新集群的簇头CH_m，并修改以下状态信息：

其中CH_m为新选择的簇头，CML_a为簇头CH_a维护的Ack表，CML_b为簇头CH_b维护的Ack表，CID_{all_a}、CID_{all_b}分别表示原集群a与原集群b中所有的簇成员的簇标号，更新完新集群内所有相关表信息后，最终由CH_m在新集群内广播Beacon和Ack消息。若新集群的长度不满足L_merge≤2D_th，则两个集群不合并。该过程如图4所示。

在一定时间

内，普通簇成员CM_i周期性地在集群内广播Beacon消息，簇头CH_j收到Beacon消息后，检查其Ack表，若满足下式(8)：

则更新中CML_j的CM_i状态，且更新CM_i的Beacon表状态，否则在时间

结束后，将CM_i从CH_j的CML_j中移除，CM_i改变状态为VN_i，更新相关表状态,整个过程如图5所示，在仿真过程中可以将

设置为1s。

第四步：集群形成后，在集群j内车辆节点的通信过程中，每个车辆节点都被其周围满足要求的车辆节点实时监测，CM_k周围的检测节点用集合A表示，A中车辆节点的选择如下：

计算车辆节点k所在集群内所有能与其通信车辆节点的select值，车辆节点i的select_i值中包括了车辆节点i的负载、车辆节点i的不可信任值、与车辆节点k的相对距离、与车辆节点k的相对速度，w1、w2、w3、w4表示权重，select_i值由这四个值加权得到。select_th表示选择检测节点的阈值，选择select值小于select_th值的车辆节点作为车辆节点k的检测节点，构成检测节点集合A。同理集群j内的簇头CH_j也会被其周围满足要求的车辆节点监测，方法类似于上述过程。

集群内的车辆节点相互通信时，当检测节点检测到车辆节点k作为中继节点，未将接收到的数据包完整地转发出去，或者制作了数据备份并将其发送给其他车辆节点时，车辆节点k的检测状态位增加一个单位，即DST++，并判断是否达到状态位的阈值，如下：

DST≥DST_th (10)

DST_th表示检测状态位的阈值，当车辆节点k的检测状态位达到阈值时，车辆节点k被报告给集群内的簇头，簇头将其加入黑名单，并由CA修改车辆节点k的不可信任值，车辆节点k重新变为VN_k，最终簇头在集群内广播该消息。仿真过程中可以根据数据包的传输率(packets/s)来选择DST_th，一般情况下可以设置为数据包传输率的一半，但当数据包的传输率过大时，由于网络通信系统在高负荷的情况下更容易丢包或遭受恶意车辆节点的攻击，所以可以考虑选择数据包传输率的

作为DST_th的值。

本发明通过提出了一种应用于车载自组网络中安全的动态稳定分簇方法，解决了由于车载自组网络中车辆节点的高速移动性和节点之间的弱连接所带来的通信开销大，严重丢包等问题，提高了车载自组网络中通信的质量。整个过程的流程图如图1所示。显然，本发明的上述实例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内.。

Claims (6)

1.一种应用于车载自组网络中安全的动态稳定分簇方法，其特征在于，主要包括以下几个步骤：

步骤1，簇初始化过程：选择一个离集群地理位置中心最近的车辆作为簇头，记为CH_j；定义集群的安全传输阈值D_th，簇头的传输范围半径TR，集群长度L_C，其中D_th、TR、L_C满足式(1)：

L_C≤2D_th≤2TR (1)

初始化该集群内每个车辆节点的状态，状态为以下三种之一：1，簇头；2，普通簇成员；3，未入簇节点；令CH、CM、VN分别表示由簇头、普通簇成员、未入簇节点构成的集合，即CH、CM、VN分别是由簇头CH_j、普通簇成员CM_i、未入簇节点VN_i构成的集合；每个节点都维护一个相关表Beacon，簇头还需维护一个Ack表；即该集群内普通簇成员列表CML，列表内数据记录了在集群j内与其通信的普通簇成员的节点标号，记为CML_j；

步骤2，簇头选择过程：在形成一个集群j后，实时环境下，与簇头CH_j运动方向相同的未入簇节点VN_i周期性地向簇头CH_j发送请求加入集群ReqJoin信号，收到请求加入集群ReqJoin信号的簇头CH_j检查是否满足下式(2)：

ΔD_ij≤D_th (2)

其中ΔD_ij表示未入簇节点VN_i与簇头CH_j之间的距离；将满足(2)式且运动方向与簇头CH_j相同的未入簇节点VN_i加入到该集群中，并将未入簇节点VN_i的状态变为普通簇成员CM_i，否则将与簇头CH_j运动方向相同的未入簇节点VN_i和集群j重新合并为一个新集群并重新选择簇头，更新各节点相关表状态；

步骤3，簇维护过程：包括簇合并与普通簇成员离群两个过程：实时环境下，当两个集群a与b在地理位置上有大面积重合时，若集群a与集群b构成的新集群的长度满足L_merge≤2D_th，则两个集群合并，重新选择簇头并且更新Ack表；

在一定时间

内，集群内普通簇成员周期性地广播Beacon消息，簇头收到Beacon消息后，检查其维护的Ack表，核对普通簇成员的状态，检查普通簇成员是否离群，并更新相关表；

步骤4，集群形成后，在车辆节点间的通信过程中，每个车辆节点都被其周围满足要求的车辆节点实时监测，当车辆节点被发现其作为中继节点而没有传送数据包或是传送多份数据包的备份时，将车辆节点的检测状态位增加一个单位，当检测状态位达到阈值时，车辆节点被报告给簇头，并被证书颁发机构CA修改其不可信任值，最终由簇头在集群内广播；

步骤4中，在集群j内车辆节点的通信过程中，CM_k周围的检测节点用集合A表示，A中车辆节点的选择如下：

计算车辆节点k所在集群内所有能与其通信的车辆节点的select值，车辆节点i的select_i值中包括了车辆节点i的负载、车辆节点i的不可信任值、与车辆节点k的相对距离、与车辆节点k的相对速度；w1、w2、w3、w4表示权重，select_i值由这四个值加权得到；select_th表示选择检测节点的阈值，选择select值小于select_th值的车辆节点作为车辆节点k的检测节点，构成检测节点集合A；同理集群j内的簇头CH_j也会被其周围满足要求的车辆节点监测，方法类似于上述过程；

步骤4中，集群内的车辆节点相互通信时，当检测节点检测到车辆节点k作为中继节点时，未将接收到的数据包完整地转发出去，或者制作了数据备份并将其发送给其他车辆节点时，车辆节点k的检测状态位增加一个单位，即DST++，并判断是否达到状态位的阈值，如下：

DST≥DST_th (11)

DST_th表示检测状态位的阈值，当车辆节点k的检测状态位达到阈值时，车辆节点k被报告给集群内的簇头，簇头将其加入黑名单，并由CA修改车辆节点k的不可信任值，车辆节点k重新变为未入簇节点VN_k，最终簇头在集群内广播该消息。

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤1集群中，各个状态的车辆节点都要维护一个Beacon表，表结构如下：

Beacon表中记录了车辆节点的状态信息，其中包括：

·节点标号ID：每一个车辆节点加入车载自组织网络参与通信时，都会被分配一个唯一的标志ID；

·簇标号CID：当车辆节点在某一个集群内通信时，无论是作为普通群成员还是簇头，都会将簇标号更新为该集群簇头的ID值；

·节点状态NST：在车载自组网络中，参与通信的车辆节点将会是以下三种状态之一：1，簇头，2，普通簇成员，3，未入簇节点；

·坐标(x，y)：记录了车辆节点在水平面上的位置信息；

·运动方向Dir：记录了车辆节点的运动方向；

·速度V：记录了车辆节点的运动速度；

·负载Load：在车辆节点通信的过程中，记录了由该车辆节点参与检测的目标节点个数；

·不可信任值DV：记录了车辆节点的不可信任度，由证书颁发机构CA控制调整；

·检测状态位DST：记录车辆节点发生非法行为的次数。

3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤1中，初始化每个车辆节点的状态，其具体过程为：在指定时间

内，由簇头CH_j在集群j内广播Beacon和Ack信息，接收到信息的未入簇节点VN_i核对是否存在于CML_j中，若存在则:

其中CM_ji表示在集群j内的普通簇成员i，否则判断两节点的运动方向是否满足：

Dir_i＝Dir_j (4)

其中Dir_i与Dir_j分别表示未人簇节点VN_i和簇头CH_j的运动方向，若满足则VN_i向CH_j发送请求加入集群ReqJoin消息，请求加入簇；若直到时间

结束，VN_i都未改变状态，则其自身成为簇头CH_i，新建集群，并修改相关表状态。

4.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤2中，簇头CH_j收到来自VN_i的请求加入集群ReqJoin消息后，判断节点间的距离是否满足：

ΔD_ij≤D_th (5)

其中D_th为集群的安全传输阈值，ΔD_ij表示未入簇节点VN_i与簇头CH_j之间的距离，若满足则修改节点VN_i的状态如下：

否则，当CH_j的CML_j≠φ时，选择CML_j中在CH_j与VN_i之间离簇头最远的CM_k作为新的簇头，并修改以下状态信息：

其中CML_j表示由簇头CH_j护的状态表Ack，CML_k表示由簇头CH_k护的状态表Ack，CID_i→k表示将VN_i添加到集群k后并修改其簇标号为k，CID_all表示为原来集群j内所有节点的簇标号，相应的修改各个节点的Beacon表和簇头的Ack表，并由CH_k在集群内广播其Beacon和Ack信息；此时簇头更新完成。

5.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤3的集群合并过程，选择距离两个集群地理位置中心最近的车辆节点作为新集群的簇头CH_m，并修改以下状态信息：

其中CH_m为新选择的簇头，CML_a为簇头CH_a维护的Ack表，CML_b为簇头CH_b维护的Ack表，CID_{all_a}、CID_{all_b}分别表示原集群a与原集群b中所有的簇成员的簇标号，更新完新集群内所有相关表信息后，最终由CH_m在新集群内广播Beacon与Ack消息。

6.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤3中，普通簇成员离群过程，在一定时间

内，CM_i周期性地在集群内广播Beacon消息，簇头CH_j收到Beacon消息后，检查其Ack表，若满足(9)式：

则更新CML_j的CM_i状态，且更新CM_i的Beacon表状态，否则在时间

结束后，将CM_i从CH_j的CML_j中移除，CM_i改变状态为VN_i，更新相关表状态。

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