CN115242702B - 一种物联网节点最优路径规划方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种物联网节点最优路径规划方法及系统，包括以下内容：（一）对全网的全局参数进行初始化：节点序号、公钥私钥对C、距离矩阵D；（二）发送节点读取其与目标节点间的矩阵参数；（三）判断矩阵参数是否为无穷大，若是，则执行步骤（四），否则执行步骤（五）；（四）发送节点初始化消息数组，并发给所有邻近节点；所有邻近节点验证消息数组的正确性，并更新距离矩阵，并将更新后的消息数组发给其邻近节点；当目标节点收到消息数组，校验其正确性，更新矩阵距离；并将更新后的消息数组发给全网节点，本次路由结束；（五）计算发送节点和目标节点间的最短路由路径，若最短路由路径为直接发送，则直接发送，否则执行步骤（四）。

Description

一种物联网节点最优路径规划方法及系统
技术领域
本发明涉及物联网技术领域，更具体地，涉及一种物联网节点最优路径规划方法及系统。
背景技术
物联网技术的发展使人类社会的调度与管理朝着智能化、无人化的方向发展，人们可以从繁杂的重复劳动中解脱开来，从事更高级的思维与创造活动。由于大部分物联网设备功能较为单一，其硬件处理性能相对较差，因此最大化利用物联网内部的带宽资源，将对物联网的高效运转起到重要的促进作用。
物联网设备的低功耗特性要求设备间的数据交换需要一种高效的路由策略，使数据由起点尽快送达其目的地。目前的路由算法常常在核心节点设置本地的路由表，记录下数据转发过程中的下一节点，一旦记录下来，转发关系就很少改变。这种方式对骨干网等网络拓扑比较稳定的网络尤其适合，能使数据包沿着接近最优的路径转发。但对于物联网等分布式网络，尤其是当网络内节点间的拓扑关系频繁改变的场景，这种方法的不足就凸显出来。比如，节点的供电不足可能会导致原有的路由关系中断，节点的移动又会导致原来的最优路径变成了耗时的路径。
发明内容
本发明的发明目的在于提供一种物联网节点最优路径规划方法，该方法设计动态调整节点间通信距离的路由算法，适配分布式网络拓扑结构多变的场景。
为实现以上发明目的，采用的技术方案是：
一种物联网节点最优路径规划方法，包括：
S1.对物联网内的所有节点赋予序号，令节点的数量为N，其序号分别为1、2、…、N；节点内保存有公钥私钥对，公钥对外开放，私钥节点自行保存；节点内维护矩阵数据结构D，矩阵数据结构D为实数域R上的N行N列矩阵，矩阵数据结构D中的元素表示为D i,j =（d i,j , p i,j , n i,j ,e i,j ），d i,j 表示节点i到节点j的单向统计通信时长，p i,j 、n i,j 、e i,j 表示为节点i到节点j间新测算的通信时长与历史的统计时长之间差值的统计数量；若新测算的通信时长的值大于历史值，则p i,j 加1；若新测算的通信时长的值小于历史值，则n i,j 加1；若相等，则e i,j 加1；各个参数的初始值为：d i,j =∞，p i,j =0，n i,j =0，e i,j =0；
S2.当节点v 1 需要发送消息m给节点v * 时，节点v 1 读取矩阵数据结构D中的
Figure DEST_PATH_IMAGE001
；
S2.1.若
Figure DEST_PATH_IMAGE002
=∞；则执行步骤S2.1.1~S2.1.4.2；
S2.1.1.节点v 1 初始化动态消息数组M，并发送给节点v 1 的所有邻近节点的集合R 1 ，同时初始化数组M中的第一个元素M 1 =（v 1 ，v * ，t 1 ，R 1 ，s 1 ）,其中，t 1 为节点v 1 发送数组M时的时刻，s 1 为节点v 1 使用私钥对数组M内除了字段s 1 外的其他所有字段进行签名得到的数字签名；
S2.1.2.当节点v k+1 接收到数组M时，判断其自身是否属于集合R k 内的节点，若否则将数组M丢掉，若是则对数组M内的各个元素执行验签操作；
S2.1.3.记录节点v k+1 接收到数组M的时刻t k+1 ，读取M k 内的t k ，计算Δt k = t k+1 - t k ，基于Δt k 更新
Figure DEST_PATH_IMAGE003
的值；
S2.1.4.生成数组M k+1 ：
S2.1.4.1.若v k+1 ≠v * ，则M k+1 =（v k+1 ，t k+1 ，R k+1 ，s k+1 ）,将数组M发送给节点v k+1 的邻近节点集合R k+1 ；
S2.1.4.2.若v k+1 =v * ，则M k+1 =（v k+1 ，t k+1 ，s k+1 ），此时消息m送达目标节点v * ；
S2.2.若
Figure 472210DEST_PATH_IMAGE002
≠∞，则求取节点v 1 到节点v * 的通信路径：
Figure DEST_PATH_IMAGE004
；
Figure DEST_PATH_IMAGE005
，
Figure DEST_PATH_IMAGE006
；若
Figure DEST_PATH_IMAGE007
，则节点v 1 直接将消息发送给节点v * ；否则执行步骤S2.1.1~ S2.1.4.2；
M k 表示数组M中的第k个元素；t k+1 表示节点v k+1 发送数组M时的时刻；R k+1 表示节点v k+1 的所有邻近节点的集合；s k+1 表示节点v k+1 使用私钥对数组M内除了字段s k+1 外的其他所有字段进行签名得到的数字签名。
优选地，所述d i,j >0，p i,j 、n i,j 、e i,j 为0或正整数。
优选地，所述矩阵数据结构D表示为：
Figure DEST_PATH_IMAGE008
。
优选地，所述步骤S2.1.1中，若节点v 1 的所有邻近节点的集合R 1 包括节点v * ，则将节点v * 从集合R 1 中去掉。
优选地，所述物联网内的节点维护有映射节点序号和节点公钥的映射表C；所述步骤S2.1.2对数组M内的各个元素执行验签操作，包括：
从映射表C中找到节点v u 的公钥，并使用该公钥对数组M内的元素M u 进行验签操作，若元素M u 验签不通过则丢弃数组M，直至数组M内的所有元素通过验签操作；
Figure DEST_PATH_IMAGE009
。
优选地，所述步骤S2.1.3基于Δt k 更新
Figure 162561DEST_PATH_IMAGE003
的值，具体包括：
若Δt k =
Figure DEST_PATH_IMAGE010
，则e k,k+1 加1，更新
Figure DEST_PATH_IMAGE011
，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE012
为
Figure 288911DEST_PATH_IMAGE003
更新后的值，
Figure DEST_PATH_IMAGE013
，α、β为默认常数，α>0，0<β<1；
若Δt k <
Figure DEST_PATH_IMAGE014
，则n k,k+1 加1，更新
Figure DEST_PATH_IMAGE015
，γ、δ为默认常数，γ>0，0<δ<1；
若Δt k >
Figure 365320DEST_PATH_IMAGE014
，则p k,k+1 加1，更新
Figure DEST_PATH_IMAGE016
，ε、
Figure DEST_PATH_IMAGE017
为默认常数，ε>0，0<
Figure 189620DEST_PATH_IMAGE017
<1。
优选地，所述步骤S2.1.4.2中，消息m送达目标节点v * 后，节点v * 将数组M全网广播，作为节点v 1 到节点v k 对矩阵数据结构D修改的可信凭证。
同时，本发明还提供了一种物联网节点最优路径规划系统，其具体的方案如下：包括物联网内的所有节点，所述物联网内的所有节点进行消息传递时，执行以上所述的物联网节点最优路径规划方法的方法步骤。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
（1）本发明提供的方法设计动态调整节点间通信距离的路由算法，适配分布式网络拓扑结构多变的场景。
（2）本发明提供的方法基于数字签名的防篡改路由策略，增强系统参数的可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为实施例1物联网节点最优路径规划方法的流程示意图。
图2为实施例2物联网节点最优路径规划系统的结构示意图。
具体实施方式
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
图1为本发明提供的物联网节点最优路径规划方法的流程示意图。如图1所示，本发明提供的物联网节点最优路径规划方法包括有以下步骤：
（一）对全网的全局参数进行初始化：节点序号、公钥私钥对C、距离矩阵D；
（二）发送节点读取其与目标节点间的矩阵参数；
（三）判断矩阵参数是否为无穷大，若是，则执行步骤（四），否则执行步骤（五）；
（四）发送节点初始化消息数组，并发给所有邻近节点；所有邻近节点验证消息数组的正确性，并更新距离矩阵，并将更新后的消息数组发给其邻近节点；当目标节点收到消息数组，校验其正确性，更新矩阵距离；并将更新后的消息数组发给全网节点，本次路由结束；
（五）计算发送节点和目标节点间的最短路由路径，若最短路由路径为直接发送，则直接发送，否则执行步骤（四）。
上述步骤（一）中，物联网内的所有节点赋予序号，令节点的数量为N，其序号分别为1、2、…、N；节点内保存有公钥私钥对，公钥对外开放，私钥节点自行保存；节点内维护矩阵数据结构D，矩阵数据结构D为实数域R上的N行N列矩阵，矩阵数据结构D中的元素表示为D i,j =（d i,j , p i,j , n i,j ,e i,j ），d i,j 表示节点i到节点j的单向统计通信时长，p i,j 、n i,j 、e i,j 表示为节点i到节点j间新测算的通信时长与历史的统计时长之间差值的统计数量；若新测算的通信时长的值大于历史值，则p i,j 加1；若新测算的通信时长的值小于历史值，则n i,j 加1；若相等，则e i,j 加1；各个参数的初始值为：d i,j =∞，p i,j =0，n i,j =0，e i,j =0。
其中，所述d i,j >0，p i,j 、n i,j 、e i,j 为0或正整数。
所述矩阵数据结构D表示为：
Figure 99807DEST_PATH_IMAGE008
。
上述步骤（二）中，当节点v 1 需要发送消息m给节点v * 时，节点v 1 读取矩阵数据结构D中的
Figure 556196DEST_PATH_IMAGE001
。
上述步骤（三）中，判断
Figure 577242DEST_PATH_IMAGE002
是否无穷大，若是，执行步骤（四），否则执行步骤（五）。
上述步骤（四）中，其具体的操作步骤为：
S2.1.1.节点v 1 初始化动态消息数组M，并发送给节点v 1 的所有邻近节点的集合R 1 ，同时初始化数组M中的第一个元素M 1 =（v 1 ，v * ，t 1 ，R 1 ，s 1 ）,其中，t 1 为节点v 1 发送数组M时的时刻，s 1 为节点v 1 使用私钥对数组M内除了字段s 1 外的其他所有字段进行签名得到的数字签名；
S2.1.2.当节点v k+1 接收到数组M时，判断其自身是否属于集合R k 内的节点，若否则将数组M丢掉，若是则对数组M内的各个元素执行验签操作；
S2.1.3.记录节点v k+1 接收到数组M的时刻t k+1 ，读取M k 内的t k ，计算Δt k = t k+1 - t k ，基于Δt k 更新
Figure 671362DEST_PATH_IMAGE003
的值；
S2.1.4.生成数组M k+1 ：
S2.1.4.1.若v k+1 ≠v * ，则M k+1 =（v k+1 ，t k+1 ，R k+1 ，s k+1 ）,将数组M发送给节点v k+1 的邻近节点集合R k+1 ；
S2.1.4.2.若v k+1 =v * ，则M k+1 =（v k+1 ，t k+1 ，s k+1 ），此时消息m送达目标节点v * 。
其中，步骤S2.1.1中，若节点v 1 的所有邻近节点的集合R 1 包括节点v * ，则将节点v * 从集合R 1 中去掉。
其中，所述物联网内的节点维护有映射节点序号和节点公钥的映射表C；所述步骤S2.1.2对数组M内的各个元素执行验签操作，包括：
从映射表C中找到节点v u 的公钥，并使用该公钥对数组M内的元素M u 进行验签操作，若元素M u 验签不通过则丢弃数组M，直至数组M内的所有元素通过验签操作；
Figure 486871DEST_PATH_IMAGE009
。
其中，所述步骤S2.1.3基于Δt k 更新
Figure 696136DEST_PATH_IMAGE003
的值，具体包括：
若Δt k =
Figure 255293DEST_PATH_IMAGE010
，则e k,k+1 加1，更新
Figure 968034DEST_PATH_IMAGE011
，其中
Figure 688866DEST_PATH_IMAGE012
为
Figure 119847DEST_PATH_IMAGE003
更新后的值，
Figure 981230DEST_PATH_IMAGE013
，α、β为默认常数，α>0，0<β<1；
若Δt k <
Figure DEST_PATH_IMAGE018
，则n k,k+1 加1，更新
Figure 610795DEST_PATH_IMAGE015
，γ、δ为默认常数，γ>0，0<δ<1；
若Δt k >
Figure 502527DEST_PATH_IMAGE010
，则p k,k+1 加1，更新
Figure 420805DEST_PATH_IMAGE016
，ε、
Figure 587344DEST_PATH_IMAGE017
为默认常数，ε>0，0<
Figure 9098DEST_PATH_IMAGE017
<1。
其中，所述步骤S2.1.4.2中，消息m送达目标节点v * 后，节点v * 将数组M全网广播，作为节点v 1 到节点v k 对矩阵数据结构D修改的可信凭证。
上述步骤（五）中，其具体的操作步骤为：
求取节点v 1 到节点v * 的通信路径：
Figure 838776DEST_PATH_IMAGE004
；
Figure 978770DEST_PATH_IMAGE005
，
Figure DEST_PATH_IMAGE019
；若
Figure 480159DEST_PATH_IMAGE007
，则节点v 1 直接将消息发送给节点v * ；否则执行步骤S2.1.1~ S2.1.4.2。
实施例2
本实施例提供了一种物联网节点最优路径规划系统，如图2所示，其具体的方案如下：包括物联网内的所有节点，所述物联网内的所有节点进行消息传递时，执行实施例1所述的物联网节点最优路径规划方法的方法步骤。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器（ROM，Read-OnlyMemory）、随机存取存储器（RAM，RandomAccessMemory）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种物联网节点最优路径规划方法，其特征在于：包括：
S1.对物联网内的所有节点赋予序号，令节点的数量为N，其序号分别为1、2、…、N；节点内保存有公钥私钥对，公钥对外开放，私钥节点自行保存；节点内维护矩阵数据结构D，矩阵数据结构D为实数域R上的N行N列矩阵，矩阵数据结构D中的元素表示为D i,j =（d i,j , p i,j , n i,j ,e i,j ），d i,j 表示节点i到节点j的单向统计通信时长，p i,j 、n i,j 、e i,j 表示为节点i到节点j间新测算的通信时长与历史的统计时长之间差值的统计数量；若新测算的通信时长的值大于历史值，则p i,j 加1；若新测算的通信时长的值小于历史值，则n i,j 加1；若相等，则e i,j 加1；各个参数的初始值为：d i,j =∞，p i,j =0，n i,j =0，e i,j =0；
S2.当节点v 1 需要发送消息m给节点v * 时，节点v 1 读取矩阵数据结构D中的
Figure 580184DEST_PATH_IMAGE001
；
S2.1.若
Figure 106980DEST_PATH_IMAGE002
=∞；则执行步骤S2.1.1~S2.1.4.2；
S2.1.1.节点v 1 初始化动态消息数组M，并发送给节点v 1 的所有邻近节点的集合R 1 ，同时初始化数组M中的第一个元素M 1 =（v 1 ，v * ，t 1 ，R 1 ，s 1 ）,其中，t 1 为节点v 1 发送数组M时的时刻，s 1 为节点v 1 使用私钥对数组M内除了字段s 1 外的其他所有字段进行签名得到的数字签名；
S2.1.2.当节点v k+1 接收到数组M时，判断其自身是否属于集合R k 内的节点，若否则将数组M丢掉，若是则对数组M内的各个元素执行验签操作；
S2.1.3.记录节点v k+1 接收到数组M的时刻t k+1 ，读取M k 内的t k ，计算Δt k = t k+1 - t k ，基于Δt k 更新
Figure 277323DEST_PATH_IMAGE003
的值；
S2.1.4.生成数组M k+1 ：
S2.1.4.1.若v k+1 ≠v * ，则M k+1 =（v k+1 ，t k+1 ，R k+1 ，s k+1 ）,将数组M发送给节点v k+1 的邻近节点集合R k+1 ；
S2.1.4.2.若v k+1 =v * ，则M k+1 =（v k+1 ，t k+1 ，s k+1 ），此时消息m送达目标节点v * ；
S2.2.若
Figure 67425DEST_PATH_IMAGE002
≠∞，则求取节点v 1 到节点v * 的通信路径：
Figure 149650DEST_PATH_IMAGE004
；
Figure 417821DEST_PATH_IMAGE005
，
Figure 206785DEST_PATH_IMAGE006
；若
Figure 964526DEST_PATH_IMAGE007
，则节点v 1 直接将消息发送给节点v * ；否则执行步骤S2.1.1~ S2.1.4.2；
M k 表示数组M中的第k个元素；t k+1 表示节点v k+1 发送数组M时的时刻；R k+1 表示节点v k+1 的所有邻近节点的集合；s k+1 表示节点v k+1 使用私钥对数组M内除了字段s k+1 外的其他所有字段进行签名得到的数字签名。
2.根据权利要求1所述的物联网节点最优路径规划方法，其特征在于：所述d i,j >0，p i,j 、n i,j 、e i,j 为0或正整数。
3.根据权利要求1所述的物联网节点最优路径规划方法，其特征在于：所述矩阵数据结构D表示为：
Figure 704686DEST_PATH_IMAGE008
。
4.根据权利要求1所述的物联网节点最优路径规划方法，其特征在于：所述步骤S2.1.1中，若节点v 1 的所有邻近节点的集合R 1 包括节点v * ，则将节点v * 从集合R 1 中去掉。
5.根据权利要求1所述的物联网节点最优路径规划方法，其特征在于：所述物联网内的节点维护有映射节点序号和节点公钥的映射表C；所述步骤S2.1.2对数组M内的各个元素执行验签操作，包括：
从映射表C中找到节点v u 的公钥，并使用该公钥对数组M内的元素M u 进行验签操作，若元 素M u 验签不通过则丢弃数组M，直至数组M内的所有元素通过验签操作；
Figure 776547DEST_PATH_IMAGE009
。
6.根据权利要求1所述的物联网节点最优路径规划方法，其特征在于：所述步骤S2.1.3 基于Δt k 更新
Figure 951177DEST_PATH_IMAGE010
的值，具体包括：
若Δt k =
Figure 614239DEST_PATH_IMAGE012
，则e k,k+1 加1，更新
Figure 874319DEST_PATH_IMAGE014
，其中
Figure 484292DEST_PATH_IMAGE016
为
Figure 247849DEST_PATH_IMAGE017
更新后的值，
Figure 786540DEST_PATH_IMAGE019
，α、β为默认常数，α>0，0<β<1；
若Δt k <
Figure 330654DEST_PATH_IMAGE012
，则n k,k+1 加1，更新
Figure DEST_PATH_IMAGE021
，γ、δ为默认常数，γ>0，0<δ<1；
若Δt k >
Figure 275476DEST_PATH_IMAGE012
，则p k,k+1 加1，更新
Figure DEST_PATH_IMAGE023
，ε、
Figure DEST_PATH_IMAGE025
为默认常数，ε>0，0<
Figure 955856DEST_PATH_IMAGE025
<1。
7.根据权利要求1所述的物联网节点最优路径规划方法，其特征在于：所述步骤S2.1.4.2中，消息m送达目标节点v * 后，节点v * 将数组M全网广播，作为节点v 1 到节点v k 对矩阵数据结构D修改的可信凭证。
8.一种物联网节点最优路径规划系统，其特征在于：包括物联网内的所有节点，所述物联网内的所有节点进行消息传递时，执行权利要求1-7任一项所述的物联网节点最优路径规划方法的方法步骤。
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