一种基于信誉机制的延迟容忍网络数据传输方法

摘要

本发明是一种基于信誉机制的延迟容忍网络数据传输方法，为了更好地激励节点对邻居节点转发来的信息进行路由，提高数据传输的成功率，本发明提出在延迟容忍网络中设置一个移动的全局信誉管理中心，所有节点对于转发节点的信誉评价值将由全局信誉管理中心统一管理，并通过广播的形式实时更新给网络中的所有节点。网络中的所有节点通过对于邻居节点的转发行为进行信誉评价，可以实时监控自私节点的行为；同时由于信誉值越高的节点越容易获得邻居节点的转发帮助，可以激励节点主动为邻居节点进行数据包的转发，提高网络中数据传输的成功率。

说明书

技术领域

本发明针对延迟容忍网络（Delay Tolerant Networks, DTN）提出了一种基于信誉机制的数据传输方法，主要用来解决延迟容忍网络中存在自私节点和恶意节点时，数据传输成功率不高的问题，属于计算机无线通信安全技术领域。

 

背景技术

现有的很多网络应用环境无法保证Internet关于端到端链接的假设，为解决此类环境中的网络连通问题，出现了延迟容忍网络(Delay Tolerant Network,简称DTN)的概念。延迟容忍网络是一种基于存储—转发机制的无线自组织网络，主要被应用于没有通信基础设施、节点密度较为稀疏或节点移动速度较快，无法维护稳定的端到端连接的环境下，由于其路由往往没有固定的传输路径，而采取遇到即传输的方式，因此也称为机会路由。在这种网络环境下，通常的路由设计也采取了积极转发的方式，即尽可能地把所有符合条件的数据包全部转发，以尽量增加路由的端到端投递成功率。

此类方案都建立在网络节点共享资源、维护网络连接的假设之上。然而，在现实生活中，DTN技术常应用于大众信息的采集，如校园移动网络、口袋网络。在这样的网络中，节点通常是被人们随身携带的，如：手机等便携式移动通信设备。这些设备的特点是：电源和存储空间受到较大的限制。作为节点的控制者，人是具有自私性的，即一个节点往往并不愿意为一些与自身无关的数据转发而消耗有限的能量和内存空间，仅提供积极转发策略的路由不能为实际应用提供足够的人性化支持。

为了更好地激励节点对邻居节点转发来的信息进行路由，提高数据传输的成功率，目前普遍的方法是：节点对提供转发的邻居节点的转发行为做出信誉评价，信誉值越高的节点越有可能获得邻居节点的转发帮助。但是，由于缺乏可靠的评判标准以及可信的监管机制，节点间的信誉评价值往往不能准确的反映各节点真正的信誉值。为了解决此类问题，提出了该技术发明内容。

 

发明内容

    技术问题：本发明的目的是提供一种基于信誉机制的延迟容忍网络数据传输方法，以解决网络存在自私节点的情况下提高数据传输效率的问题。通过使用本发明提供的方法，普通节点对转发节点信誉的评判将不再作为该节点信誉高低的唯一标准，信誉管理中心将对自私节点的行为进行有力的监管，同时对拥有良好信誉记录的节点采取适当的激励措施。本方法致力于在不增加普通节点能耗的同时对网络中

节点的信誉进行高效的管理。

技术方案： 本发明提出在延迟容忍网络中建立一个移动的全局信誉管理中心，所有节点对于转发节点的信誉评价值将由全局信誉管理中心统一管理，并通过广播的形式实时更新给网络中的所有节点。节点的存储空间将单独划出一块区域存放网络中其他节点的信誉值，该区域称为本地信誉管理中心。节点对于进入其通信范围的邻居节点发出转发请求，邻居节点在收到请求信息后，仅对全局信誉值较高的节点的数据包进行转发。

首先给出几个定义：

邻居节点：进入任意节点i通信范围之内的节点称之为其邻居节点，节点i可与其邻居节点直接通信。

信誉值：对节点转发行为的评价标准，转发效率越高的节点信誉值越高。

本地信誉管理中心(LRM)：任意节点i存储空间中单独划出的一块区域，该区域分为两个部分，一部分存储网络中其他节点的全局信誉值，另一部分存贮节点i对于其邻居节点的局部信誉评价值。

全局信誉管理中心(GRM)：具有无限能量的移动节点，在DTN网络中负责收集各节点的局部信誉评价值，并对各节点做出全局信誉评价。

一、       体系结构 本发明的技术方案具体由3个部分组成：（一）定义数据包转发协议；（二）建立本地信誉评价标准；（三）统筹全局信誉，做出去噪评判。其中，（二）和（三）是（一）中步骤执行的标准补充。

二、方法流程

本发明的一种基于信誉机制的延迟容忍网络数据传输方法在于借助于节点对邻居节点的局部信誉评价以及全局信誉管理中心对节点全局信誉的管理，有效避免了自私节点的自私行为，提高延迟容忍网络中的数据传输成功率，该方法主要包括三个部分：一.定义数据包转发协议；二.建立本地信誉评价标准；三.统筹全局信誉，做出去噪评判；该方法具体如下：

一：定义数据包转发协议

对网络中节点的行为进行观测是评判一个节点转发信誉值的重要依据，本协议在节点成功转发数据包后，将节点的ID号自动加入数据包的基本信息中：

步骤1)节点i在移动的过程中，探测到节点j进入其通信范围，于是节点i

向节点j发送数据包DP的转发请求，表示为： i→j: RQ_i, RQ_i = {I_i || DPI}；DPI = {K|| RID||FID||DID ||TS}

其中，RQ_i 表示第i次转发请求，I_i 表示请求节点i的ID号；DPI表示数据包的基本信息，其中K为全局统一会话号，RID为数据包源节点ID号，FID为数据包中间转发节点的ID号集合，DID为数据包目的节点的ID号，TS为请求消息的时间戳；

步骤2) 节点j 在接收到该请求之后，首先验证请求消息的时间戳，若该消息未超时，则检查本地信誉管理中心关于节点i的全局信誉值RV_i；

情形一：节点i的信誉值RV_i低于节点j预设的信誉门限，节点j拒绝节点i的转发请求，并通知节点i以避免节点i 的持续等待，交互结束，可表示为： 

j →i: DENY_j , DENY_j = {I_i || DPI||DR}

其中，DENY_j 表示节点j发送给节点i的拒绝转发消息；DR表示拒绝转发请求的原因；节点i在接收到该响应后，分析自己被拒绝转发帮助的原因，同时对于节点j做出信誉评价，并将该信誉值保存到节点i的本地信誉保管中心，不再执行步骤一中的步骤3）和步骤4）；

情形二：节点i的信誉值不低于节点j预设的信誉门限，节点j回应节点i的转发请求，表示为：

j → i: FR_j , FR_j = {RPI|| I_j || DPI} 

其中，FR_j表示节点j发送给节点i的转发请求响应，RPI表示响应数据包的基本信息；

步骤3）节点i在接收到该响应后，对消息的时间戳TS进行验证，通过后则节点i确定节点j为其下一跳转发节点，将数据包DP发送给该节点，表示为：

i → j:{DP, DPI}；

    步骤4）节点j成功接收数据包DP后，回复确认信息CR给节点i；此时，节点i的ID号将自动添加到数据包DPI的FID中，表明节点i成功转发了数据包DP；节点i收到确认信息后对节点j进行信誉评价，并在本地信誉管理中心中进行更新；若节点j即为数据包DP的目标节点，则节点j在收到该数据包并进行处理后，保存该数据包的基本信息DPI，当全局信息管理中心进入其通信范围时进行提交；

二：建立本地信誉评价标准

在延迟容忍网络中，由于网络无法维护节点之间的稳定联通，故而使节点之间的实时交互产生困难，节点对邻居节点的局部信誉评价值，主要取决于节点发出转发请求时邻居节点的响应行为，

所有节点的信誉评价值采用积分制，节点i对邻居节点j的局部信誉评价值                                               的计算标准分为以下四种情况：

a.邻居节点j在接收到本地节点i的转发请求时不予回复或拒绝，则节点i将节点j的信誉评价值记为“-1”；

b. 邻居节点j接收到本地节点i的请求后，检查节点i的全局信誉值，如果其全局信誉值低于其预设信誉值，拒绝转发请求，则节点i将节点j的信誉评价值记为“0”；

c.邻居节点j接收到本地节点i的请求后，如果在节点i全局信誉值不低于其预设信誉值的情况下，拒绝转发请求，则节点i将节点j的信誉评价值记为“-1”；

d.邻居节点j接收到本地节点i的请求后，接收节点i转发的数据包，并返回确认信号，则节点i将节点j的信誉评价值记为“0”；

节点的局部信誉评价值仅作为全局信誉评价管理中心的评价参考；当本地信誉管理中心收到全局信誉管理中心广播的全局信誉值时，本地信誉管理中心将对节点的全局信誉值实时更新，过时的信誉值将被覆盖；

三：统筹全局信誉，做出去噪评判

为了提高网络中节点全局信誉值的可靠性，将全局信誉管理中心引入到延迟容忍网络中，该全局信誉管理中心由一个移动的节点承担，该节点可以为一个拥有无限大能量的移动基站或是车载系统，因而可以假设其广播范围遍布延迟容忍网络所遍及的社区中；

全局信誉管理中心在初始化时被放置到延迟容忍网络中，它是实时移动的；当全局信誉管理中心进入普通节点的通信范围，将会对该节点的本地信誉管理中心进行访问，具体步骤如下：

    步骤1）全局信誉管理中心向普通节点i广播信号，节点i获取该信号后根据信号的强弱来判断全局信誉管理中心是否进入其通信范围；

    步骤2）若全局信誉管理中心进入节点i的通信范围，则向全局信誉管理中心发送确认信息CF_i；

    步骤3）全局信誉管理中心接收到节点i的确认信号后，将获取节点i本地信誉管理中心已收到数据包的DPI；

    步骤4）全局信誉管理中心对DPI进行解析，获取参与该数据包转发的中间节点k的ID号，同时将这些节点的全局信誉值加1；

    步骤5）全局信誉管理中心查询节点i的全局信誉评价值，如果节点i的全局信誉评价值低于其预设门限，则通知节点i删除其对邻居节点的局部信誉评价；

步骤6）如果节点i的全局信誉评价值不低于其预设门限，则全局信誉管理中心获取节点i对邻居节点的局部信誉评价值；假设节点i对节点k做出的局部信誉评价值为，则节点k的最新全局信誉值为：=+；

步骤7）全局信誉管理中心将最新的信誉值广播发送给网络中所有的节点。

有益效果：本发明提出了一种适用于延迟容忍网络的新型的信誉评价机制，主要解决延迟容忍网络应用于社交网、大众网络时，网络中存在自私节点的情况下进行安全可信路由的问题。该方法与现有技术相比有如下优点：

（1）传统网络中关于信誉值的计算大多依托于全局节点的相互配合，计算方法复杂，消耗的内存资源大；本方法考虑到延迟容忍网络的能源资源有限同时网络间断联通，所提出的信誉计算方法简单、高效，无需节点间相互配合即能快速计算出各节点的信誉值；

（2）本方法提出一种可溯源的、高效的数据包转发协议，将节点的转发行为进行可靠地跟踪；

（3）本方法通过节点对转发节点的局部信誉评价，激励节点对转发请求进行快速的响应，提高了数据包的转发投递效率；

（4）本方法在延迟容忍网络应用于社交网络时，提出一种可信的全局信誉管理中心来对节点的转发行为进行评价，并实时统计更新节点的全局信誉值，增加了节点信誉评价的可信度；

附图说明

图1网络组成结构图，

图2方法总流程概要图，

图3局部信誉评判流程图，

图4全局信誉评判流程图。

 

具体实施方式

本发明是一种基于信誉机制的延迟容忍网络数据传输方法，借助于节点对邻居节点的局部信誉评价以及全局信誉管理中心对节点全局信誉的管理，有效避免了自私节点的自私行为，提高了延迟容忍网络中的数据传输成功率。

首先部署基于社交关系的延迟容忍网络的网络环境，如图1所示。该网络主要包括：具有通信功能的移动节点（如智能手机、PDA等），具有通信功能、内存大、能量充足的移动基站节点。在移动节点的内存空间单独划出一块区域，用于存放网络中其他节点的信誉值。移动基站节点负责收集各节点的局部信誉评价值，并对各节点做出全局信誉评价。

该方法主要包括：（一）定义数据包转发协议；（二）建立本地信誉评价标准；（三）统筹全局信誉，做出去噪评判等3个主要步骤，如图2所示。下面就这三个部分进行详细阐述：

    （一）定义数据包转发协议

对网络中节点的行为进行观测是评判一个节点转发信誉值的重要依据，本协议在节点成功转发数据包后，将节点的ID号自动加入数据包的基本信息中。具体的协议内容以节点i转发数据包的过程为例说明，其中，（一）中步骤所涉及到的本地信誉评价标准请参看（二），所涉及到的全局信誉评价请参看（三）：

步骤1)节点i在移动的过程中，探测到节点j进入其通信范围，于是节点i向节点j发送数据包DP的转发请求，可表示为： i→j: RQ_i, RQ_i = {I_i || DPI}；DPI = {K|| RID||FID||DID ||TS}

其中，I_i 表示请求节点i的ID号；DPI表示数据包的基本信息，其中K为全局统一会话号，RID为数据包源节点ID号，FID为数据包中间转发节点的ID号集合，DID为数据包目的节点的ID号，TS为请求消息的时间戳。

步骤2)节点j 在接收到该请求之后，首先验证请求消息的时间戳，若该消息未超时，则检查本地信誉管理中心关于节点i的全局信誉值RV_i。

情形一：节点i的信誉值RV_i低于节点j预设的信誉门限，节点j拒绝节点i的转发请求，并通知节点i以避免节点i 的持续等待，交互结束，可表示为： 

j →i: DENY_j , DENY_j = {I_i || DPI||DR}

其中，DR表示拒绝转发请求的原因。节点i在接收到该响应后，分析自己被拒绝转发帮助的原因，同时对于节点j做出信誉评价，并将该信誉值保存到节点i的本地信誉保管中心，不再执行（一）中的步骤3）和步骤4）。

情形二：节点i的信誉值不低于节点j预设的信誉门限，节点j回应节点i的转发请求，可表示为：

j → i: FR_j , FR_j = {RPI|| I_j || DPI} 

其中，RPI表示响应数据包的基本信息。

步骤3）节点i在接收到该响应后，对消息的时间戳TS进行验证，通过后则节点i确定节点j为其下一跳转发节点，将数据包DP发送给该节点，可表示为：

i → j:{DP, DPI};

    步骤4）节点j成功接收数据包DP后，回复确认信息CR给节点i；此时，节点i的ID号将自动添加到数据包DPI的FID中，表明节点i成功转发了数据包DP。节点i收到确认信息后对节点j进行信誉评价，并在本地信誉管理中心中进行更新。若节点j即为数据包DP的目标节点，则节点j在收到该数据包并进行处理后，保存该数据包的基本信息DPI，当全局信息管理中心进入其通信范围时进行提交。

（二）建立本地信誉评价标准

在延迟容忍网络中，由于网络无法维护节点之间的稳定联通，故而使节点之间的实时交互产生困难。因而本发明中，节点对邻居节点的局部信誉评价值，主要取决于节点发出转发请求时邻居节点的响应行为。

本发明中所有节点的评价值采用积分制，例如，节点i对邻居节点j的局部信誉评价值的计算标准分为以下四种情况：

（1）    邻居节点j在接收到本地节点i的转发请求时不予回复或拒绝，则节点i将节点j的信誉评价值记为“-1”；

（2）    邻居节点j接收到本地节点i的请求后，检查节点i的全局信誉值，如果其全局信誉值低于其预设信誉值，拒绝转发请求，则节点i将节点j的信誉评价值记为“0”；

（3）    邻居节点j接收到本地节点i的请求后，如果在节点i全局信誉值不低于其预设信誉值的情况下，拒绝转发请求，则节点i将节点j的信誉评价值记为“-1”；

（4）    邻居节点j接收到本地节点i的请求后，接收节点i转发的数据包，并返回确认信号，则节点i将节点j的信誉评价值记为“0”；

（三）统筹全局信誉，做出去噪评判。

全局信誉管理中心在初始化时被放置到延迟容忍网络中，它是实时移动的。当全局信誉管理中心进入普通节点的通信范围，将会对该节点的本地信誉管理中心进行访问，具体步骤如下：

    步骤1）全局信誉管理中心向普通节点i广播信号，节点i获取该信号后根据信号的强弱来判断全局信誉管理中心是否进入其通信范围；

    步骤2）若全局信誉管理中心进入节点i的通信范围，则向全局信誉管理中心发送确认信息CF_i；

    步骤3）全局信誉管理中心接收到节点i的确认信号后，将获取节点i本地信誉管理中心已收到数据包的DPI；

    步骤4）全局信誉管理中心对DPI进行解析，获取参与该数据包转发的中间节点（不妨标记为k）的ID号，同时将这些节点的全局信誉值加1；

    步骤5）全局信誉管理中心查询节点i的全局信誉评价值，如果节点i的全局信誉评价值低于其预设门限，则通知节点i删除其对邻居节点的局部信誉评价；

    步骤6）如果节点i的全局信誉评价值不低于其预设门限，则全局信誉管理中心获取节点i对邻居节点的局部信誉评价值。假设节点i对节点k做出的局部信誉评价值为，则节点k的最新全局信誉值为：=+；

步骤7）全局信誉管理中心将最新的信誉值广播发送给网络中所有的节点。