CN110932969A - 一种智能电网高级量测系统ami网络抗干扰攻击路由算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能电网高级量测系统AMI网络抗干扰攻击路由算法，是对RPL路由算法的一种改进，能够优化地选择一条性能指标最优的默认RPL路径，同时选择多条备用路径，备用路径与默认路径之间能够实现在存在干扰攻击的情况下同时失效的概率最小。本发明中节点在选择默认母节点之后，根据可用性历史向量为每一个潜在母节点的Rank值加一个惩罚项，然后选取Rank值依然小于自己的节点作为备用母节点。当发生Jamming攻击导致默认母节点不可用时，节点可迅速切换到备用母节点。在构成下行路由路径时，节点的DAO信息发给所有的母节点，使得Root节点可以尽可能多的收集到下行的潜在路由路径，然后根据所提路径可用性历史向量选择到达某个下行节点的默认路径和备选路径。

Description

一种智能电网高级量测系统AMI网络抗干扰攻击路由算法

技术领域

本发明属于智能电网高级量测系统AMI路由算法领域，涉及一种抗干扰攻击的智能电网无线网络路由算法，尤其涉及一种智能电网高级量测系统AMI 网络抗干扰攻击路由算法。

背景技术

智能电网高级量测系统AMI采用无线通信建立起智能电表的通信网络，如何为智能电表设计合理的路由算法成为了一个研究的热点。IETF(国际互联网工程任务组)成立了ROLL(Routing Over Low-power and Lossy networks 工作组并设计了适用于低功耗和有损网络的标准协议RPL(IPv6 Routing Protocol for Low-power and Lossy networks)。该协议被广泛认为适用于智能电网AMI通信网络，并且有大量相关研究工作正在进行。然而，RPL协议存在一系列尚未解决的问题，比如RPL中路由路径由一条默认路径起主要作用，当出现故障时重新发现新路由的过程十分耗时，并且当AMI网络中存在干扰攻击时，RPL路由协议的效率将极大的降低。

传统的RPL路由算法中路由路径由一条默认路径起主要作用，当出现故障时重新发现新路由的过程十分耗时，并且当AMI网络中存在干扰攻击时， RPL路由协议的效率将极大的降低。

发明内容

本发明提供一种智能电网高级量测系统AMI网络抗干扰攻击路由算法，是一种抗干扰攻击的多路径改进RPL路由算法，该算法能够优化地选择一条性能指标最优的默认RPL路径，同时选择多条备用路径，备用路径与默认路径之间能够实现在存在干扰攻击的情况下同时失效的概率最小。该算法能在存在干扰攻击的情况下提升智能电网通信网络的稳定性。

本发明的一种智能电网高级量测系统AMI网络抗干扰攻击路由算法，是通过如下方法实现的：

本发明结合RPL路由算法，在RPL路由算法DODAG构成的过程中，采用可用性历史向量(AHV,Availability History Vector)优化节点的选取，为每个节点选取多个备选母节点，当默认母节点遭到干扰攻击时自动切换到备选母节点集中的节点。

在下行数据路由构成时，采用AHV提出了多备选路径构成的算法，选取的多条备用路径与默认路径之间能够实现在存在干扰攻击的情况下同时失效的概率最小。

可用性历史向量AHV用于上行路径构建与下行路径构建的过程中，采用k 比特二进制序列表示，AHV分为链路可用性历史向量L_i与路径可用性历史向量P_k。

链路可用性历史向量L_i定义为

式中：

表示链路i在时刻t的可用性，

的计算方法为

式中：PDR表示分组传送率(Packet delivery ratio，PDR)，θ为人为设定的传输阈值。当PDR低于该阈值时，认为链路t时刻的状态为不可用。

路径可用性历史向量P_k定义为

式中：p^t表示路径k在t时刻的可用性。假设路径P_k由i条链路[L₁,L₂,…,L_i] 构成，其中

则p^t定义为

考虑一个由多条路径构成的集合M＝{P₁,P₂,…,P_k}，其中

则集合M的可用性历史向量定义为

式中

在上述定义的可用性历史向量的基础上，对RPL路由协议进行改进。RPL 协议将整个网络看作一个有向无环图(Directed Acyclic Graph)，并采用一种DODAG(DestinationOriented Directed Acyclic Graph)结构来构成上行数据链路。具体来讲RPL采用一个目标函数(Objective Function，OF) 来计算节点的Rank值，Rank值代表了节点距离根节点(Root)的相对距离。 Rank值的计算方法有很多，一种最常见的方法是采用ETX(ExpectedTransmission Time)指标，节点Rank计算方法为

Rank(n)＝Rank(p)+ETX(n,p)

式中：n为当前节点，p为n节点的母节点，ETX(n,p)为n、p节点之间链接的预计传输次数，其计算方法为

式中：D_n是由n节点发送数据包给p节点的成功率，D_p是由p节点发送数据包给n节点的成功率，可以包传输率越低，ETX值越大。

本发明采用设定阈值的方法将链路ETX映射为链路可用性历史向量，假如链路i在t个时刻的ETX为

对应的链路可用性历史向量为

则两者之间的映射关系为

式中：γ为人为设置的ETX阈值，阈值设定得越高表示对包传输率的成功率要求越低。

在DODAG的构成过程中，首先由Root节点广播DIO(DODAG Information Object)信息，收到DIO信息的节点计算自身的Rank。对于从不同邻居节点收到的DIO信息，节点可以计算出不同的自身Rank值，从中选取最低的Rank 值作为自己的Rank，并将相应的节点选取为默认母节点。同时，节点根据本专利所提可用性历史向量选取备用母节点。

DODAG构成以后，各节点向所有母节点发送DAO(Destination AdvertisementObject)信息，直到DAO信息传输到Root节点，Root节点根据收集到的DAO信息中包含的路径信息，利用本专利所提可用性历史向量选取下行数据的路由路径。

本发明中节点在选择默认母节点之后，不是将所有Rank值小于自己的节点设为母节点，而是根据可用性历史向量的基础上为每一个潜在母节点的 Rank值加一个惩罚项，然后选取Rank值依然小于自己的节点作为备用母节点。当发生Jamming攻击导致默认母节点不可用时，节点可迅速切换到备用母节点。

本发明中在构成下行路由路径时，节点的DAO信息不是只发送给默认母节点，而是发给所有的母节点，使得Root节点可以尽可能多的收集到下行的潜在路由路径，然后根据所提路径可用性历史向量选择到达某个下行节点的默认路径和备选路径。

附图说明

图1改进的RPL算法的DODAG构成过程示意图；

图2改进的RPL算法的DODAG构成流程图；

图3改进的RPL算法的下行路由路径选取流程。

具体实施方式

为使本发明的上述目的，特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参照图1与图2，新算法中，RPL节点在接收到DIO信息以后，在选取默认母节点以后，采用改进的DODAG构成算法选取备用母节点，具体过程如下：

步骤1：Root节点广播DIO信息，DIO信息中包含了Root节点自身的Rank 值以及相应的Rank值计算方法。

步骤2：接收到Root节点DIO信息的RPL节点，根据信息中的Rank值以及Rank值计算方法，计算自身Rank值并计算路径可用性历史向量。具体过程如下：

1)根据当前节点n与Root节点r之间链路的ETX值，节点n计算自身 Rank值为

Rank(n)＝Rank(r)+ETX(n,r)

2)ETX(n,r)为n、r节点之间链接的预计传输次数，其计算方法为

式中：D_n是由n节点发送数据包给p节点的成功率，D_r是由r节点发送数据包给n节点的成功率

3)将链路ETX映射为链路可用性历史向量，假如n、r节点之间的链路i在t个时刻的ETX为

对应的链路可用性历史向量为

则两者之间的映射关系为

式中：γ为人为设置的ETX阈值，阈值设定得越高表示对包传输率的成功率要求越低。

4)由于节点n与Root节点之间只存在单跳，因此节点n将n、r节点之间的链路i的可用性历史向量L_i作为Root节点到自身位置的路径可用性历史向量P_k，即P_k＝L_i。

5)节点n生成新的DIO信息并广播，DIO信息中包含自身Rank值，Rank 计算方法，以及Root节点到自身位置的路径可用性历史向量P_k。

步骤3：接收到非Root节点DIO信息的RPL节点，根据信息中的Rank 值以及Rank值计算方法，计算自身Rank值并计算路径可用性历史向量。具体过程如下：

1)假设节点n为当前节点，节点n从节点p接收到了DIO信息，DIO信息中包含了节点p的Rank值，以及到节点p的当前路径的可用性历史向量P_k

2)根据当前节点n与节点p之间链路的ETX值，节点n计算自身Rank值为

Rank(n)＝Rank(p)+ETX(n,p)

3)ETX(n,p)为n、p节点之间链接的预计传输次数，其计算方法为

式中：D_n是由n节点发送数据包给p节点的成功率，D_p是由p节点发送数据包给n节点的成功率

4)将链路ETX映射为链路可用性历史向量，假如链路i在t个时刻的 ETX为

对应的链路可用性历史向量为

则两者之间的映射关系为

节点n将n、r节点之间的链路i的可用性历史向量L_i作为Root节点到自身位置的路径可用性历史向量P_n，假设节点n接收到的DIO信息中的路径可用性历史向量为

链路n-p的链路可用性历史向量为

则节点n计算Root节点到自身位置的路径可用性历史向量P_n为 P_n＝P_k∩L_i

式中：∩表示按位与操作。

步骤4：节点n继续监听DIO信息，从不同的DIO信息中重复步骤3更新自身的Rank值，直到找到自身最小的Rank值作为自身的Rank，并选取对应母节点作为默认母节点。

步骤5：节点n在确认默认母节点后，选取h个节点作为备用母节点，具体方式如下：

1)假定节点n在选取默认母节点时计算到的路径可用性历史向量为

2)对于向节点n发送DIO信息的母节点，节点n可以计算出Root节点到自身位置的路径可用性历史向量，由此得到一个集合 I＝{P₁,P₂,…,P_n}，其中

3)节点n依次选取h个潜在母节点组成集合M，使得集合M的可用性历史向量

的可用性

最大。

表示

的一范数，其中

结合图3，下行路由路径的选取过程为：

步骤1：DODAG中的RPL节点发送DAO信息给所有母节点。

步骤2:接收到DAO信息的节点将自身地址信息加入到DAO信息中并发送给自身母节点。

步骤3：重复步骤1至步骤2，直到Root节点收到其所有子节点的DAO 信息。

步骤4：对于任意一个目标节点，Root节点收集到的所有路径信息组成集合H，Root节点从集合H中选取m条路径构成备用路径集，并从中选取可用性最大的路径作为默认路径，具体过程如下：

1)Root节点n依次选取m条路径构成备用路径集H＝{P₁,P₂,…,P_h}，使得集合H的可用性历史向量

的可用性

最大。

表示

的一范数，其中

2)从集合H中选取默认路径P^*，使得路径P^*的可用性|P^*|最大。其中P^*＝[p¹,p¹,…,p^t],|P^*|表示P^*的一范数，即

Claims (2)

1.一种智能电网高级量测系统AMI网络抗干扰攻击路由算法，其特征在于，该路由算法是对RPL路由算法的一种改进，在RPL路由算法DODAG构成的过程中，采用可用性历史向量AHV优化节点的选取，为每个节点选取多个备选母节点，当默认母节点遭到干扰攻击时自动切换到备选母节点集中的节点；在下行数据路由构成时，采用可用性历史向量AHV构成多备选路径，选取的多条备用路径与默认路径之间能够实现在存在干扰攻击的情况下同时失效的概率最小。

2.根据权利要求1所述的智能电网高级量测系统AMI网络抗干扰攻击路由算法，其特征在于，可用性历史向量AHV用于上行路径构建与下行路径构建的过程中，采用k比特二进制序列表示，AHV分为链路可用性历史向量L_i与路径可用性历史向量P_k；

链路可用性历史向量L_i定义为

式中：

表示链路i在时刻t的可用性，

的计算方法为

式中：PDR表示分组传送率，θ为人为设定的传输阈值，当PDR低于该阈值时，认为链路t时刻的状态为不可用；

路径可用性历史向量P_k定义为

式中：p^t表示路径k在t时刻的可用性，假设路径P_k由i条链路[L₁，L₂，...，L_i]构成，其中

则p^t定义为

考虑一个由多条路径构成的集合M＝{P₁，P₂，...，P_k}，其中

则集合M的可用性历史向量定义为

式中

在上述定义的可用性历史向量的基础上，对RPL路由协议进行改进，RPL采用一个目标函数来计算节点的Rank值，Rank值代表了节点距离根节点(Root)的相对距离，采用ETX指标计算节点Rank值：

Rank(n)＝Rank(p)+ETX(n，p)

式中：n为当前节点，p为n节点的母节点，ETX(n，p)为n、p节点之间链接的预计传输次数，其计算方法为：

式中：D_n是由n节点发送数据包给p节点的成功率，D_p是由p节点发送数据包给n节点的成功率，可以包传输率越低，ETX值越大；

采用设定阈值的方法将链路ETX映射为链路可用性历史向量，假如链路i在t个时刻的ETX为

对应的链路可用性历史向量为

则两者之间的映射关系为

式中：γ为人为设置的ETX阈值，阈值设定得越高表示对包传输率的成功率要求越低；

在DODAG的构成过程中，首先由Root节点广播DIO信息，收到DIO信息的节点计算自身的Rank，对于从不同邻居节点收到的DIO信息，节点可以计算出不同的自身Rank值，从中选取最低的Rank值作为自己的Rank，并将相应的节点选取为默认母节点，同时，节点根据可用性历史向量选取备用母节点；

DODAG构成以后，各节点向所有母节点发送DAO信息，直到DAO信息传输到Root节点，Root节点根据收集到的DAO信息中包含的路径信息，利用可用性历史向量选取下行数据的路由路径。

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