CN109618385B - 一种可靠高效的机会网络自私节点检测方法 - Google Patents

一种可靠高效的机会网络自私节点检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种可靠高效的机会网络自私节点检测方法。该方法包含“借助到目的节点的概率值判定节点自私性”、“用概率值捎带节点自私信息”两种新机制。通过采用“借助到目的节点的概率值判定节点自私性”新机制，使节点能够判断出更多的自私节点，在传输数据包时减少将消息交付给自私节点的情况，进而提高数据包到达目的节点的成功率；采用“用概率值捎带节点自私信息”机制能够使节点在不增加字段或消息的前提下，将其它节点的自私性信息用SV‑DP列表中的概率值捎带着传播给相遇节点，从而降低网络控制开销。

Description

一种可靠高效的机会网络自私节点检测方法
技术领域
本发明属于机会网络(Opportunistic Networks)技术领域，尤其涉及含有自私节点的、基于相遇概率确定路由的、采用了自私节点检测方法的机会网络场合。
背景技术
机会网络是一种源节点与目的节点之间不存在完整的传输路径，利用节点移动性带来的相遇机会实现源节点与目的节点通信的移动自组织网络。相比于传统无线网络协议只适用于节点间存在固定路由的场景，机会网络可以适用于节点间非连通的网络环境，因此机会网络能应用于恶劣的网络环境。目前，我国乃至全世界仍然有很多地区以及很多应用场景难以建立持续的连通性的网络，导致现有的很多无线自组织网络协议不能在这些领域发挥作用，而机会网络可在不需要先建立路由的场景下实现数据传输，因此能在这些特殊领域发挥重要作用。最近几年，对机会网络深入研究使其得到了较为广泛的应用，普林斯顿大学的野生动物追踪项目ZebraNet 是机会网络的一项重要应用，该项目以在野生动物身上安置数据传感器，对野生动物的习性进行数据收集，另外，麻省理工学院主导的DakNet项目通过对印度偏远地区部署机会网络节点实现了地区的网络连接；新加坡通信研究院推出了一个类似于车联网的海上船通信项目，该项目通过在船只上安装无线智能通信设备，船只相遇后进行数据消息的传递，最后在靠岸后将数据消息传递岸上的设备。
由于机会网络中节点自身的资源(能量、缓存容量等)限制，节点会表现出拒绝向其它节点提供消息转发服务的自私行为，导致整个网络的性能下降甚至无法正常工作。因此设计一种自私节点检测方法，使得网络中的自私节点能被较准确地检测出来，节点在进行路由选择时，避开自私节点，不向其发送消息，从而避免宝贵的通信资源因为节点的自私行为而浪费，成为当前研究工作亟待解决的主要问题。
基于概率路由的ProPHET方法(参见文献:Lindgren A,Doria A,etal.Probabilistic routing in intermittently connected networks[J].AcmSigmobile Mobile Computing& Communications Review,2004,7(3):239-254.)是较早利用概率预测进行消息转发的机会路由方法，其通信交互过程如说明书附图1所示。通过交换概要向量和预测概率矢量SV-DP列表，(SV(Summary Vector)列表记录当前节点存储的消息对应的摘要信息与DP(Delivery Predictability)列表记录当前节点到其它节点的相遇概率，其格式如说明书附图2所示)判断对方节点与目的节点的相遇概率，携带消息的节点将消息转发给与目的节点相遇概率更高的相遇节点。
较早对无线网络中的节点自私行为进行检测的是watchdog&pathrater方法(参见文献： Sergio Marti,T J Giuli,Kiven Lai,Mary Baker.Mitigating routingmisbehavior in mobile ad hoc networks[C].The 6th Annual InternationalConference on Mobile Computing And Networking(MobiCom 2000),2000:255-265)，该检测方法主要采用监听的方式对数据包的下一跳节点进行行为检测。若在监听期间监听到数据包的下一跳节点转发了此数据包，则判定该下一跳节点为非自私节点；否则，判定该下一跳节点为自私节点。然后根据最终的检测结果，对于判定为自私的节点，在以后的数据转发过程中避开此类节点。由于机会网络中节点的随机移动性以及复杂场景中的链路状态不稳定性，对下一跳节点的行为常常难以监听到，因此单一的监听判定容易造成判定失准。
在watchdog的基础上，唐作用等人提出了一种基于信誉值维护的自私节点检测方法—— 2-ACK(参见文献：唐作用,袁艺嘉,董永强,吴国新.基于信誉值维护的机会网络自私节点检测机制[J].通信学报,2012,33(z2):217-221)。该方法改变了节点的直接检测判定下一跳节点自私性的方式，而是通过两跳ACK消息来监测节点行为。当前节点的下一跳节点向当前节点的上一跳节点发送ACK消息，用以对当前节点完成消息转发的确认，再结合与其它节点交换信誉表得到的节点间接信誉值，形成了度量其它节点的综合信誉值，并将综合信誉值作为判断节点是否自私的依据。该机制增加了额外的ACK信令，进而会提高系统的开销，同时上一跳节点与下一跳节点的能否相遇会影响对当前节点自私性判定的准确性。
针对监听过程中存在的链路不稳导致接收到错帧以及下一跳节点脱离通信范围导致判定不准的问题，我们曾在2-ACK方法的基础上提出了一种高效的自私节点检测方法——RSND (Reliable Selfish Node Detection)(参见文献：任智,谭永银,李季碧,等.可靠的机会网络自私节点检测算法[J].通信学报,2016,37(3):1-6.)。该方法由错帧解析、脱离判断、概率定性和拓展旁听4个部分组成，对监听到的错帧进行头部或尾部解析，减少因链路或碰撞引起的判定失误；在监听下一跳节点的转发行为时，利用RSSI信息判断其是否脱离本节点的通信范围；当无法对节点的自私性做出肯定判断时，利用网络中自私节点的比例对其进行判定；拓展旁听是通过对接收到的消息提取其消息的源节点id与转发节点id进行比较，通过是否相同判断其是否在为其他节点转发消息。RSND算法提高了自私节点检测的准确率和网络吞吐量，降低了控制开销和消息传输时延。但是根据概率定性判断节点是否自私同样会导致判断失误。
综上所述，目前对于基于概率路由的机会网络中自私节点的检测方法虽然已进行了一段时间的深入研究，并且也提出了很多可行的理论检测方法，但通过深入研究我们发现，现有基于概率路由的机会网络自私节点的检测方法存在以下问题：
1.现有机制在当前节点将数据消息交付到对方节点后，监听对方节点是否将数据消息交付到第三方节点转发，若是，则表明对方节点是非自私节点，若否，则判定对方节点是否已经脱离本节点的通信范围，则脱离本节点的通信范围，则将其归为难以判断的节点类型，现有机制对此类难以判断的节点类型采用网络中自私节点比例来概率判定节点的自私性，而缺少考虑到目的节点的概率值，造成了对节点自私性判断不准确。
2.当前节点在检测出其它节点为自私节点时，在散播自私节点信息时，需要单独的控制信息或增加消息的长度，导致系统的开销增大。
上述存在的问题使得网络中的自私节点无法被准确检测出来，导致节点在进行下一跳节点选择时无法成功避开这些自私节点，而如果当数据包传输到自私节点后，那么数据包则无法继续被转发，导致数据包传送的成功率下降同时传输时延则会上升。为了解决上述问题，提高网络中的自私节点检测准确性，有必要提出新的检测方法。本发明将针对这些问题提出切实可行的解决方案。
发明内容
为了解决上文所述的因缺少考虑到目的节点的概率而造成节点自私性判断不够准确、散播自私节点信息时带来额外控制开销两个问题，本发明提出一种可靠高效的机会网络自私节点检测方法；该方法采用了“借助到目的节点的概率来判定节点自私性”、“用概率值捎带节点自私信息”两种新机制，通过使用到目的节点概率判定节点的自私性判断相遇节点自私性；同时采用概率值捎带节点自私信息方式将自私节点信息告知其它节点，减少系统的开销。新检测方法能有效提高网络中的吞吐量及消息送达率，并减少系统的能耗及时延。
(一)本发明提出的新机制的基本思路和主要操作
以下具体介绍本发明提出的“借助到目的节点的概率来判定节点自私性”、“用概率值捎带节点自私信息”两种新机制的基本思路和主要操作。
1.借助到目的节点的概率来判定节点自私性
“借助到目的节点的概率来判定节点自私性”新机制解决的是如下问题：
现有机制在当前节点将数据消息交付到对方节点后，监听对方节点是否将数据消息交付到第三方节点转发，若是，则表明对方节点是非自私节点，若否，则判定对方节点是否已经脱离本节点的通信范围，则脱离本节点的通信范围，则将其归为难以判断的节点类型，对此类难以判断的节点类型采用网络中自私节点比例来概率判定节点的自私性，而缺少考虑到目的节点的概率值，造成了对节点自私性判断不准确。
“借助到目的节点的概率来判定节点自私性”新机制的基本思路如下：
当当前节点(称之为“A”，下同)与相遇节点(称之为“B”，下同)完成数据消息交互之后，A继续监听B的消息转发行为；若监听到B与另一节点(称之为“C”，下同)进行了数据传输，则记录C的ID或地址信息；接下来，在一段时间之内(推荐该段时间长度
Figure GDA0003559812150000041
其中r为节点的通信范围，
Figure GDA0003559812150000042
表示节点的平均移动速度)，如果A遇到C，则A比较C和B到数据包目的节点(称之为“D”，下同)的概率；如果C到D的概率更大，但C上没有A发给 B的数据包，则A判断B为自私节点；否则，将B设为难以判断的节点类型。
2.用概率值捎带节点自私信息
“用概率值捎带节点自私信息”新机制解决的是如下问题：
现有的自私性判定方法中当前节点在检测出其它节点为自私节点时，在散播自私节点信息时，需要单独的控制信息或增加消息的长度，导致系统的开销增大。
“用概率值捎带节点自私信息”新机制的基本思路如下：
在不增加额外控制开销的情况下，节点将其它节点的自私性信息用SV-DP列表中的概率值捎带着传输；即将SV-DP列表中到自私节点的概率值设置为负的当前值，将SV-DP列表中到难以判断的节点类型的概率值设置为当前值+1，用1和2之间的值表示；将到非自私节点的概率值用正常的、0和1之间的值表示。当收到了相遇节点发来的SV-DP列表后，一个节点便能够根据其中的概率值判断对应的节点的自私性。该机制能够在不增加额外控制开销的情况下有效地散播节点的自私性信息。
(二)本发明提出的一种可靠高效的机会网络自私节点检测方法的主要操作
本发明提出的一种可靠高效的自私节点检测方法由节点通信过程中存在时间先后顺序的借助到目的节点的概率值判定节点自私性、用概率值捎带节点自私信息两个阶段的操作组成，包含邻居发现阶段的“用概率值捎带节点自私信息”、监听对方节点是否转发数据消息阶段的“借助到目的节点的概率值判定节点自私性”两种新机制，具体如说明书附图5所示。
本发明提出的一种可靠高效的机会网络自私节点检测方法做有如下预设：
(1)网络中节点的分为自私节点与合作节点，合作节点会积极的参与网路中消息的转发，自私节点则只发送本节点产生的消息和接收本节点为目的节点的消息。
(2)网络中的节点配置相同，即每个节点都有相同的数据处理能力、收发功率、通信范围等。
(3)网络中节点采用概率路由的转发方式，即只有当前节点与目的节点的相遇概率更高时才会对消息进行转发。
下面分阶段介绍本发明提出的新路由方法的主要操作。
1.借助到目的节点的概率值来判断节点自私性
“借助到目的节点的概率值来判断节点自私性”新机制的基本操作流程如说明书附图4所示，主要操作步骤如下：
P1-S1：节点A将数据消息交付到节点B后，判断B是否脱离通信范围。若判断出对方已经脱离出了彼此的通信范围，则维持原有对节点的判定，若未脱离彼此的通信范围，则执行步骤P1-S2。
P1-S2：若节点A侦听到节点B与节点C进行数据传输，执行P1-S3。
P1-S3：A记录C的ID或地址信息，接下来的一段时间之内(推荐该段时间长度
Figure GDA0003559812150000051
其中r为节点的通信范围，
Figure GDA0003559812150000052
表示节点的平均移动速度)，如果A和C相遇，则A比较C和B 到数据包目的节点D的概率值；如果C到D的概率值更大，但C上没有A之前发给B的数据包，则A判定B为自私节点；否则，将B设为难以判断的节点类型。
2.用概率值捎带的节点自私信息
“用概率值捎带的节点自私信息”的基本操作流程如说明书附图3所示，主要操作步骤如下：
P2-S1:机会网络中的节点通过周期性的广播hello消息与其它节点进行邻居发现，节点双方发现彼此互为邻居后，交互SV-DP列表。
P2-S2:节点在发送SV-DP消息之前，根据自己掌握的其他节点自私性信息，将其他节点在SV-DP列表中对应的概率值置为负、0～1之间的值或者1～2之间的值：自私节点的概率值在原值上取反成为负值，非自私节点的概率值在原来的0～1之间保持不变，难以判断的节点的概率值在原值上加1，因此位于1～2之间。
P2-S3:若一个节点收到相遇节点的SV-DP列表后，将该SV-DP列表中概率值为负的节点在本节点的SV-DP列表中对应的概率值置为负；若收到的SV-DP列表中节点对应的概率值在0～ 1之间，执行P2-S4；若收到的SV-DP列表中节点对应的概率值在1～2之间，不作处理。
P2-S4:当收到的SV-DP列表中节点的概率值在0～1之间时，表明对方是非自私节点，此时若本节点SV-DP列表中对应的该节点概率值在1～2的范围时，将该值减1；若概率值在其他范围时，不做处理。
本发明的有益效果主要是：提高了对自私节点判定的准确性、降低了消息转发给自私节点的概率、减少了广播自私性节点信息引起的额外开销，从而能够提高消息送达率、降低控制开销和数据包平均端到端时延。
本发明的有益效果具体来自以下两个方面：
(1)通过采用“借助到目的节点的概率值来判定节点自私性”新机制，当原有机制中在交互过程中仍未确定对方节点是否自私时，该机制能增强判断，同时该机制考虑第三方节点在监听过程中的作用，使得判定结果更准确。
(2)通过采用“用概率值捎带的节点自私信息”新机制，当前节点在检测出其它节点为自私节点时，在散播自私节点信息时，通过将对应节点在SV-DP列表中的概率值设置为负的当前值；在散播难以判断的节点类型时，通过将对应节点在SV-DP列表中的概率值设置为当前值 +1；在散播非自私节点类型时，通过将对应节点在SV-DP列表中的概率值表示为0～1之间的正常值。通过这种方式在与其它节点交互SV-DP列表时，可以通过SV-DP列表查询到节点类型信息，降低了系统散播自私节点信息的开销。
附图说明
附图1为概率路由方法的消息交互和数据包传送过程。
附图2为SV-DP消息的结构，其中标红部分为“用概率值捎带的节点自私信息”需要修改的字段。
附图3为“用概率值捎带的节点自私信息”新机制的基本流程。
附图4为“借助到目的节点的概率值来判定节点自私性”新机制的基本流程新机制的基本流程。
附图5为本发明提出的一种可靠高效的机会网络自私节点检测方法组成示意图，本发明由“借助到目的节点的概率值来判定节点自私性”、“用概率值捎带的节点自私信息”两种新机制组成。
具体实施方式
(一)预设
本发明提出的一种可靠高效的机会网络自私节点检测方法做了如下假设：
(1)网络中节点的分为自私节点与合作节点，合作节点会积极的参与网路中消息的转发，自私节点则只发送本节点产生的消息和接收本节点为目的节点的消息。
(2)网络中节点采用概率路由的转发方式，节点相遇概率的初始值Pinit＝0.5，只有当前节点与目的节点的相遇概率更高时才会对消息进行转发。
(二)实施方式
本发明提出的一种可靠高效的机会网络自私节点检测方法的组成示意图，新路由方法包含监听对方节点是否转发数据消息阶段的“借助到目的节点的概率值来判定节点自私性”、邻居发现的“用概率值捎带的节点自私信息”两种新机制。
1.借助到目的节点的概率值来判定节点自私性
“借助到目的节点的概率值来判定节点自私性”的主要操作步骤如下：
P1-S1：节点A节点将数据包交付到节点B后，判断B是否已经脱离通信范围。若判断出对方已经脱离了彼此的通信范围，则维持原有对节点的判定，若未脱离彼此通信范围，则执行步骤P1-S2。
P1-S2：若节点A侦听到节点B和节点C进行数据传输，转向P1-S3。
P1-S3：A记录节点C的ID或地址信息，接下来的一段时间之内(推荐该段时间长度
Figure GDA0003559812150000081
其中r表示节点的通信范围，
Figure GDA0003559812150000082
表示节点的平均移动速度)，如果A与C相遇，则A 比较C和B到数据包目的节点D的概率值；如果C到D概率值更大，但C上没有A之前发给B 的数据包，则A判定B为自私节点；否则，将B设为难以判断的节点类型。
2.用概率值捎带的节点自私信息
“用概率值捎带的节点自私信息”的主要操作步骤如下：
P2-S1:机会网络中的节点通过周期性的广播hello消息与其它节点进行邻居发现，节点双方发现彼此互为邻居后，交互SV-DP列表。
P2-S2:节点在发送SV-DP消息之前，根据自己掌握的其他节点自私性信息，将其他节点在SV-DP列表中对应的节点的概率值设置为负值、0～1之间的值或者1～2之间的值：自私节点的概率值在原值上取反成为负值，非自私节点的概率值在原来的0～1之间保持不变，难以判断的节点的概率值在原值上加1，因此位于1～2之间。
P2-S3:若一个节点收到相遇节点的SV-DP列表后，将对方SV-DP列表中概率值为负的节点在本节点的SV-DP列表中对应的概率值置为负；若收到的SV-DP列表中节点对应的概率值在 0～1之间，执行P2-S4；若收到的SV-DP列表中节点的概率值在1～2之间，不作处理。
P2-S4:当收到SV-DP列表中节点对应的概率值在0～1之间时，表明该节点是非自私节点，此时若本节点SV-DP列表中对应的该节点概率值在1～2的范围时，将该值减1；若概率值在其他范围时，不做处理。

Claims (1)

1.一种可靠高效的机会网络自私节点检测方法，其特征是：该方法由“借助到目的节点的概率来判定节点自私性”、“用概率值捎带节点自私信息”两种新机制组成，具体如下：
S1：所述的“借助到目的节点的概率来判定节点自私性”新机制针对难以判断的节点类型能够更进一步确定对方节点的自私性，该机制具体实现过程如下：
S11：节点A将数据消息交付到节点B后，判断B是否脱离通信范围；若判断出对方已经脱离出了彼此的通信范围，则维持原有对节点的判定，若未脱离彼此的通信范围，则执行步骤S12；
S12：若节点A侦听到节点B与节点C进行数据传输，执行S13；
S13：A记录C的ID或地址信息，在接下来的一段时间之内，推荐该段时间长度
Figure FDA0003559812140000011
其中r表示节点通信范围，
Figure FDA0003559812140000012
表示节点平均移动速度；如果A和C相遇，则A比较C和B到数据包目的节点D的概率值；如果C到D的概率值更大，但C上没有A之前发给B的数据包，则A判断B为自私节点；否则，将B设为难以判断的节点类型；
S2：所述的“用概率值捎带节点自私信息”新机制在不增加网络开销的前提下，使节点将其它节点的自私性信息用DP列表中的概率值捎带着传输，具体实现过程如下：
S21：机会网络中的节点通过周期性的广播hello消息与其它节点进行邻居发现，节点双方发现彼此互为邻居后，交互SV-DP列表；
S22：节点在发送SV-DP消息之前，根据自己掌握的其它节点自私性信息，将其它节点在DP列表中对应的节点的概率值设置为负值、0～1之间的值或者1～2之间的值：自私节点的概率值在原值上取反成为负值，非自私节点的概率值在原来的0～1之间保持不变，难以判断的节点的概率值在原值上加1，因此位于1～2之间；
S23：若一个节点收到相遇节点的SV-DP列表后，将该SV-DP列表中概率值为负的节点在本节点的DP-SV列表中对应的概率值置为负；若收到的SV-DP列表中节点对应的概率值在0～1之间，执行步骤S24；若收到的SV-DP列表中节点对应的概率值在1～2之间，不做处理；
S24：当收到的SV-DP中节点对应的概率值在0～1之间时，表明该节点是非自私节点，此时若本节点SV-DP列表中对应的该节点概率值在1～2的范围时，将该值减1；若概率值在其他范围时，不做处理。
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