CN109729521A - 一种信任感知的安全机会数据传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种信任感知的安全机会数据传输方法。所述方法主要包括以下步骤：S1、构建网络系统模型；S2、计算数据传输过程中消耗的能量，节点之间社会属性刻画及信任值的计算；从信任角度遍历候选集节点的所有可能参与通信节点；S3、采用基于能耗，节点社会属性及信任的候选集选择标准，并采用最优停等理论来进行候选集选择。本发明以信任与最优停等理论为基础，能够实现节点恶意攻击环境下最优的候选集选择，在无线数据传输方面有着极为广阔的应用前景。

Description

一种信任感知的安全机会数据传输方法

技术领域

本发明涉及一种信任感知的安全机会数据传输方法，属于无线数据传输领域。

背景技术

随着物联网设备的剧增，越来越多的数据传输采用无线网络传输。候选集的选择在无线网络的数据传输中扮演着重要的角色，而现实环境中，无线网络的数据传输会受到节点恶意攻击的影响，在此类环境下如何选择最优候选节点进行数据传输更是受到学术界产与业界的广泛关注。

对于机会数据传输问题，目前对该类问题相对成熟，但大多数是假设无恶意攻击的环境中进行建模及求解，而且没有考虑频谱资源的紧张程度，无法实现受攻击的网络资源利用率最大化。因此，设计一种信任感知的安全机会数据传输方法，是无线网络数据传输领域的必然需求。

发明内容

本发明的目的是以信任和最优停等理论为基础，提出一种安全的信任感知的机会数据传输算法。

为达到上述目的，本发明的所述方法主要包括以下步骤：S1、构建网络系统模型；S2、计算数据传输过程中消耗的能量，节点之间社会属性刻画及信任值的计算；从信任角度遍历候选集节点的所有可能参与通信节点；S3、采用基于能耗，节点社会属性及信任的候选集选择标准，并采用最优停等理论来进行候选集选择。

在本发明的一些实施例中，还包括如下技术特征：

本发明以信任与最优停等理论为基础，能够实现节点恶意攻击环境下最优的候选集选择，在无线数据传输方面有着极为广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明实施例网络体系结构图。

图2是本发明实施例主流程图。

具体实施方式

1.网络系统建模

在发明中，我们考虑的网络拓扑结构如附图1所示，它由主用户系统(PrimarySystem)和次用户系统(Secondary System)组成。其中，在次用户系统中，次用户之间的通信受它们之间的社会关系和主用户(primaryuser,PU)的影响。次用户(secondaryuser,SU)使用当前PU未使用的信道。在数据从次用户2(SU2)传输至次用户8(SU8)，用(SU2->SU8)表示，因为信任值及社会属性，在同等条件下它会选择次用户7(SU7)为中继节点进行数据传输，而不考虑次用户6(SU6)。

在所提方法中，网络中的信道采用的是时分复用技术，固定的时隙长为T，包括数据传输时长T_t和感知时长T_s。网络中有C个信道，num_s个SU和num_p个PU。每个节点都配置相同的射频数R，并工作于半双工模式。信道的使用模型为独立ON/OFF模型，并满足指数分布，忙时的(ON)，闲时的(OFF)速率参数分别为λ_busy和λ_idle。

2.基于能耗，社会属性及信任值的候选集选择标准

在现实生活中，携带智能设备的人(即本文中的SU)通常拥有一定的社会关系，如拥有相同的兴趣，家庭关系等。因此，可以通过历史信息来刻画节点间的社会关系，比如相遇频繁率，社会相似度等。本方法采用以下社会关系(social ties，ST)来描述节点间的社会属性，进而用以加快数据传输进程。

ST_i,j(T)＝χSPM_i,j(T)+(1-χ)socsim_i,j(T) (1)

其中SPM_i,j(T)为节点i和j之间在时间段T内的社会关系度量标准，χ(∈[0,1])为权重因子。

其中f(t)为下一次节点i和节点j相遇停留时间。socsim_i,j(T)为节点i和j之间在时间段T内社会相似度，它可以通过以下公式计算：

socsim_i,j(T)＝com_i,j(T)/(n_i(T)+n_j(T)) (3)

其中com_i,j(T)为节点i和j之间在时间段T内相同的邻居节点数目,n_i(T)和n_j(T)分别为节点i和j在时间段T内的一跳邻居节点数目。

在数据传输过程中必须消耗一定的能量，故假设E_iC(T)为节点i在时间段T内成功传输一个数据包至其下游节点消耗的能量，主要包括三部分：转发数据包能耗E_iF(T),收到/监听一个数据包的能耗E_iR(T)发送一个ACK包的能耗E_iACK(T)(这三部分是假设设定的)。因此我们有：

E_iC(T)＝E_iF(T)+n_i(T)×E_iR(T)+E_iACK(T) (4)

其中n_i(T)节点i在时间段T内的一跳邻居节点数目。同时，因为某个节点的能量消耗要么是消耗完，要不是没有消耗，要不是消耗了初始能量的一部分，故可以假设节点的能量消耗满足(0,S1、均匀分布。

因此，节点i的剩余能量E_ir(T)可以表示为

其中E_iT(T)为节点i的初始能量，fn为节点i中总流数目，m为节点i中对应类型流的数目，为节点i中第j类业务流k处于等待的所有字节数，pktsize为包大小。

所提发明中涉及到信任的计算，接下来给出了计算信任的公式。综合信任包括直接信任和间接信任。

直接信任计算方法：主要包括包成功转发率，流成功转发率和PU的中断率。

可信节点间的包成功转发率：

其中fn_i,j(T)为节点j转发节点i的包数目，分母为所有候选节点转发节点i的总包数目。

相似的，可以求得流成功转发率fl_r_i,j(T)和PU的中断率pu_r_i,j(T)。

其中fl_i,j(T)为节点j转发节点i的流数目，pu_r_i,j(T)为节点j中断节点i的次，分母为所有候选节点转发节点i的总流数目和总中断数。

因此，直接信任可以表示为：

其中α,β,χ∈(0,1]权重因子，并且有α+β+χ＝1。

考虑到信任值的衰减问题，在时间间隔[T,T+Δt]内直接信任可以表示为：

其中e^-λΔt为指数衰减因子

因而，间接信任可以表示为：

其中I为i的一跳候选集。

故综合信任可以表示为：

其中和为权重因子，并且有

获得节点的信任值后，对节点进行分类，分类标准为：

其中 为均值。

故候选集的选择标准为：

3.基于最优停等理论的候选集选择算法

给定候选集选择标准后，所提发明的目标是选择最优的候选节点用以更快地安全机会传输数据：最大化传输可靠性。

把候选节点选择建模成最优停等过程，假设在第n时刻选择一个候选节点，此时，可以计算TOT值，即TR_n,故有随机变量

Y_n＝a_n×M_n (14)

其中M_n＝max{TR₀,TR₁,...,TR_n-1}和a_n贴现因子(是一个假设值，取值区间为(0，S1、)。我们希望最大化TRn值，即可最大化Mn，进而问题转化为最大化随机变量Yn的期望值，E[Y_n]。

接下来，求解最优停等时间与最优停等原则。

假设在某个时刻n，Yn的值为Y_n′，则此时的TOT值为，w_n＝Y_n′/a_n,故此时TOT的期望值Wn可以表示为

令故可得

故最优停等时间与最优停等规则为：停止候选集选择当且仅当在第n时刻有TR_n≥B_n，否则继续选择。

综上所述，通过上述的信任感知的候选集选择算法，可以实现高效安全机会数据传输。

Claims (10)

1.一种信任感知的安全机会数据传输方法，其特征在于包括以下步骤：S1、构建网络系统模型；S2、计算数据传输过程中消耗的能量，节点之间社会属性刻画及信任值的计算；从信任角度遍历候选集节点的所有可能参与通信节点；S3、采用基于能耗，节点社会属性及信任的候选集选择标准，并采用最优停等理论来进行候选集选择。

2.如权利要求1所述的信任感知的安全机会数据传输方法，其特征在于，步骤S1中，所述网络模型由主用户系统和次用户系统组成；其中，在次用户系统中，次用户SU之间的通信受它们之间的社会关系和主用户PU的影响；次用户SU使用当前主用户PU未使用的信道。

3.如权利要求2所述的信任感知的安全机会数据传输方法，其特征在于，网络中的信道采用的是时分复用技术，固定的时隙长T包括数据传输时长T_t和感知时长T_s；每个节点都配置相同的射频数R，并工作于半双工模式；信道的使用模型为独立ON/OFF模型，并满足指数分布。

4.如权利要求3所述的信任感知的安全机会数据传输方法，其特征在于，步骤S2中，采用以下社会关系来描述节点间的社会属性，进而用以加快数据传输进程：

ST_i,j(T)＝χSPM_i,j(T)+(1-χ)socsim_i,j(T)

其中SPM_i,j(T)为节点i和j之间在时间段T内的社会关系度量标准，χ(∈[0,1])为权重因子；

其中f(t)为下一次节点i和节点j相遇停留时间。socsim_i,j(T)为节点i和j之间在时间段T内社会相似度，它可以通过以下公式计算：

socsim_i,j(T)＝com_i,j(T)/(n_i(T)+n_j(T))

其中com_i,j(T)为节点i和j之间在时间段T内相同的邻居节点数目,n_i(T)和n_j(T)分别为节点i和j在时间段T内的一跳邻居节点数目。

5.如权利要求4所述的信任感知的安全机会数据传输方法，其特征在于，设E_iC(T)为节点i在时间段T内成功传输一个数据包至其下游节点消耗的能量，包括三部分：转发数据包能耗E_iF(T),收到/监听一个数据包的能耗E_iR(T)发送一个ACK包的能耗E_iACK(T)，有：

E_iC(T)＝E_iF(T)+n_i(T)×E_iR(T)+E_iACK(T)

其中n_i(T)节点i在时间段T内的一跳邻居节点数目；节点的能量消耗满足(0,1)均匀分布。

6.如权利要求5所述的信任感知的安全机会数据传输方法，其特征在于，节点i的剩余能量E_ir(T)可以表示为

其中E_iT(T)为节点i的初始能量，fn为节点i中总流数目，m为节点i中对应类型流的数目，为节点i中第j类业务流k处于等待的所有字节数，pktsize为包大小。

7.如权利要求6所述的信任感知的安全机会数据传输方法，其特征在于，步骤S2中，信任值的计算包括直接信任和间接信任的计算；直接信任计算方法包括包成功转发率、流成功转发率和PU的中断率的计算。

8.如权利要求7所述的信任感知的安全机会数据传输方法，其特征在于，包成功转发率用下式计算：

其中fn_i,j(T)为节点j转发节点i的包数目，分母为所有候选节点转发节点i的总包数目；

流成功转发率fl_r_i,j(T)按下式计算：

PU的中断率pu_r_i,j(T)按下式计算：

其中fl_i,j(T)为节点j转发节点i的流数目，pu_r_i,j(T)为节点j中断节点i的次，分母为所有候选节点转发节点i的总流数目和总中断数；

直接信任表示为：

其中α,β,χ∈(0,1]权重因子，并且有α+β+χ＝1。

9.如权利要求8所述的信任感知的安全机会数据传输方法，其特征在于，时间间隔[T,T+Δt]内直接信任可以表示为：

其中e^-λΔt为指数衰减因子；因而，间接信任可以表示为：

其中I为i的一跳候选集；

综合信任表示为：

其中和为权重因子，并且有

获得节点的信任值后，对节点进行分类，分类标准为：

其中 为均值；

候选集的选择标准为：

10.如权利要求9所述的信任感知的安全机会数据传输方法，其特征在于，步骤S3中，最优停等时间与最优停等规则为：停止候选集选择当且仅当在第n时刻有TR_n≥B_n，否则继续选择。