基于自我推荐信誉评测的无线传感器网络路由方法

摘要

本发明公开了基于自我推荐信誉评测的无线传感器网络路由方法，包括如下步骤：当前节点接收多个邻居节点的自我推荐值；根据所述邻居节点的自我推荐值，从多个邻居节点中确定待跳转节点；根据所述待跳转节点进行路由跳转。其有益效果是，增加节点自身发言权，用自我推荐值来表明节点自身参与通信行为的意愿，从而为数据传输选择待跳转节点提供度量，在网络各节点间均衡通信负载，实现同步消耗各节点能量，延长网络生命周期。

说明书

技术领域

本发明涉及网络信息安全技术和无线传感器网络路由技术领域，尤其 涉及一种基于自我推荐信誉评测的无线传感器网络路由方法。

背景技术

无线传感器网络是由大量的具有感知、处理和无线通信能力的传感器 节点通过自组织方式形成的网络。无线传感器网络的应用非常广泛，可以 被大量应用于军事、环境监测、城市交通、仓储管理、健康监护、大型工 业园区安全监控、灾难拯救等多种不同场合。随着传感器技术、物联网技 术的发展和广域无线通信基础网络建设的日益完善与成熟，无线传感器网 络将逐步深入到人类生产生活的各个领域。

在无线传感器网络中，无线传感器节点根据具体应用规定采集环境数 据，并通过无线及有线网络将数据汇聚给最终用户。无线网络部分的数据 传输采用多跳传输的方法，即多个节点以接力转发方式，将数据从普通终 端感知节点逐跳传输到Sink节点（汇聚节点），再由Sink节点以有线或无 线方式将数据传输给最终用户。无论采用何种路由协议，在数据传输过程 中，节点的可靠性至为重要，如果传输路径中的中间节点拒绝参与通信甚 至发生恶意通信行为，将给整个网络带来负面影响，严重时甚至影响到网 络正常工作。为了保证无线传感器网络数据通信的安全与可靠，从而引入 了无线传感器网络的信誉评测。

但是，传统的无线传感器网络的信誉评测方法存在如下缺点：

一、节点必需参与通信活动以维护自身信誉的状态，防止自身被排除 在网络之外，当某节点因承担过多通信任务而导致其剩余能量明显低于周 围节点能量时，也仍然无法拒绝通信任务，从而会使得当前节点会因为能 量的加速消耗，导致节点死亡现象的恶性循环发生。

二、节点的信誉会自动下降。节点为了维护自身信誉，不得不主动参 与通信任务，在低活跃度网络中，节点会被迫传输无意义数据，导致节点 能量的浪费。

发明内容

本发明的目的是在对无线传感器网络中的节点进行信誉评测时，增加 节点自身发言权，用自我推荐值来表明节点自身参与通信行为的意愿，当 节点因低意愿而出现不良通信行为时，可以免遭重度惩罚而被排除在网络 通信之外，同时解决了信誉评测时相对低能量节点不易生存的问题，从而 为数据传输选择下一跳节点提供度量，在网络各节点间均衡通信负载，最 终实现同步消耗各节点能量，延长整个网络生命周期的目的。

根据本申请的一个方面提供的基于自我推荐信誉评测的无线传感器网 络路由方法，包括如下步骤：

当前节点接收多个邻居节点的自我推荐值；

根据所述邻居节点的自我推荐值，从多个邻居节点中确定待跳转节点；

根据所述待跳转节点进行路由跳转。

本发明中，如果两个节点能够直接进行数据发送和接收而无需经过第 三方节点进行转发，则称这两个节点互为邻居节点。

其有益效果是：

1.本方法改变了在现有信誉评测方法中，节点必需参与通信活动以维 护自身信誉的状态。通过使用本方法，节点可以通过自我推荐值向邻居节 点表达自己参与通信的意愿。这赋予了节点更多的节约自身剩余能量值的 灵活性。

2.本方法可以使得某一区域内节点能够均衡地承担通信任务，从而达 到能量同步消耗、最终达到延长网络整体工作寿命的目的。当某节点因承 担过多通信任务而导致其剩余能量明显低于周围节点能量时，即可以通过 自我推荐值来表达不愿承担通信任务的意愿而将通信任务转交给其他节 点。在宏观上表现为区域内各节点能量同步下降，基本同时死亡。避免了 因为一些节点先死而迫使其他节点需要提高发射功率以加大通信距离，从 而加速能量消耗促使节点死亡的恶性循环现象的发生。

在一些实施方式中，在当前节点接收多个邻居节点的自我推荐值的步 骤前还包括：

多个邻居节点通过接听相邻节点的广播，接收相邻节点的自我推荐值；

所述自我推荐值通过相邻节点的剩余能量值，及与相邻节点邻近的节 点剩余能量值获取。其有益效果是，可以通过无线网线广播的形式来实现 自我推荐值的传递。

在一些实施方式中，多个邻居节点通过接听相邻节点的广播，接收相 邻节点的自我推荐值的步骤包括：

相邻节点向邻居节点广播本地的链接通告信息，该链接通告信息中包 括节点ID、剩余能量值和自我推荐值。其有益效果是，在链接通告信息当 中加入节点ID的信息，可以通过节点ID方便识别不同的邻居节点。

在一些实施方式中，在多个邻居节点通过接听相邻节点的广播，接收 相邻节点的自我推荐值的步骤后还包括：

根据所述相邻节点的链接通告信息对当前节点记录进行更新。其有益 效果是，在无线网络当中新增加节点的时候，就可以对节点的记录进行更 新。

在一些实施方式中，自我推荐值根据相邻节点的剩余能量值，及与相 邻节点邻近的节点剩余能量值获取的步骤包括：

相邻节点获得自身剩余能量值E_left;

相邻节点获得其所有邻居节点剩余能量值，并计算其所有邻节点剩余 能量值的算术平均值E_neighbors;

相邻节点计算自己成为关键节点的概率值P_k-node;

相邻节点根据自身剩余能量值E_left、所有邻节点剩余能量值的算术平均 值E_neighbors、成为关键节点的概率值P_k-node计算自身的自我推荐值。

在一些实施方式中，设定自我推荐值的取值为第一设定值或第二设定 值，第一设定值表示该节点无参与通信的意愿，第二设定值表示该节点有 参与通信的意愿，

根据所述邻居节点的自我推荐值，从多个邻居节点中确定待跳转节点 的步骤包括：

当前节点在自我推荐值为第二设定值的邻居节点中选择待跳转节点；

若所有邻居节点自我推荐值均为第一设定值，再根据网络所使用的路 由协议，选择待跳转节点。其有益效果，通过两个设定值来区分该节点有 无参与通信的意愿，通常这两个设置值可以采用0和1，从而方便实现二进 制的计算。

在一些实施方式中，在根据所述待跳转节点进行路由跳转后还包括步 骤：

当前节点对所述待跳转节点的通信行为进行监测；

每监测到该待跳转节点发生一次通信行为，重新获取该待跳转节点的 自我推荐值。其有益效果，每发生一次通信行为，该待跳转节点的剩余能 量值就会减少，此时，重新进行获取其自我推荐值，可以及时的获取节点 的最新自我推荐值。

在一些实施方式，在重新计算该待跳转节点的自我推荐值后还包括步 骤：

若自我推荐值的数值改变，则向其所有邻居节点广播其新的自我推荐 值。其有益效果，可以及时的将更新后的自我推荐值广播给邻居节点。

附图说明

图1为本发明一实施方式的基于自我推荐信誉评测的无线传感器网络 路由方法流程示意图。

图2为本发明一实施方式的各个节点的自我推荐值的计算方法流程示 意图。

图3为本发明一实施方式的对当前节点的记录进行更新采用的方法流 程示意图。

图4为本发明一实施方式的根据所述邻居节点的自我推荐值，从多个 邻居节点中确定待跳转节点的具体方法流程示意图。

图5为一种平面无线传感器网络体系结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。

图1至图5示意性的显示了根据本发明的一种实施方式的基于自我推 荐信誉评测的无线传感器网络路由方法。

在详细说明之前首先定义如下名词:

信誉值是基于对当前节点过去的行为进行评价来预测当前节点未来行 为的一个值，信誉值是由另一节点赋予当前节点的。节点的信誉值包括： 直接信誉值、间接信誉值、综合信誉值。其各自的定义如下：

直接信誉值：节点A按照某种规则观察其邻居节点B的通信行为，并 根据节点B既往通信历史，赋以节点B的信誉。

间接信誉值：节点A从其邻居节点处得到的邻居节点赋以节点B的信 誉。

综合信誉值：节点A按照某种规则给其邻居节点B赋以某个值，该值 反应了节点A对于节点B在短时间内发生良好通信行为的预期判断。

节点信用值：节点A判断出的其邻居节点给出的间接信誉的可靠程度。

如图1所示，基于自我推荐信誉评测的无线传感器网络路由方法其包 括如下步骤：

步骤S11：相邻节点通过向邻居节点广播本地的链接通告信息来传递自 我推荐值。自我推荐值可以通过相邻节点的剩余能量值，及与相邻节点邻 近的节点剩余能量值获取。链接通告信息中包括节点ID、剩余能量值和自 我推荐值。

如果，某个当前节点收到的相邻节点的链接通告信息中，有一个相邻 节点是在当前节点没有相应记录的，则根据所述相邻节点的链接通告信息 对当前节点的记录进行更新，增加这个新的节点。

其中，在无线传感器网络，特别是平面拓扑结构中的节点，通常是所 有节点同时承担数据采集和数据转发的功能，也即是一般的普通节点也都 会有一定的路由功能，邻居节点是指可以直接通信，无需借助第三方节点 进行数据转发而完成通信的两个节点互为邻居节点。

步骤S12：当前节点接收多个邻居节点的自我推荐值；

步骤S13：根据所述邻居节点的自我推荐值，从多个邻居节点中确定待 跳转节点；设定自我推荐值的取值为“第一设定值”或“第二设定值”，“第 一设定值”表示该节点无参与通信的意愿，“第二设定值”表示该节点有参 与通信的意愿，当前节点在自我推荐值为“第二设定值”的邻居节点中选 择待跳转节点；若所有邻居节点自我推荐值均为“第一设定值”，再根据网 络所使用的路由协议，选择待跳转节点。其有益效果，通过两个设定值来 区分该节点有无参与通信的意愿，本实施例中，“第一设定值”为0，“第二 设定值”为1，从而方便实现二进制的计算，即自我推荐值为0表示该节点 无参与通信的意愿，自我推荐值为1表示该节点有参与通信的意愿。

步骤S14：根据所述待跳转节点进行路由跳转。从而完成一次路由转发 的过程。

步骤S15：每监测到该待跳转节点发生一次通信行为，重新获取该待跳 转节点的自我推荐值。因为随着通信次数的增加，待跳转节点参与通信的 意愿就会降低，自我推荐值会产生变动，所以需要重新获取自我推荐值。 监测的过程，主要是监测所选下一跳节点是否完成本节点交付给它的数据 通信任务，只有监测才能知道发生了一次成功的通信行为还是一次失败的 通信行为。成功和失败的通信行为次数的统计是节点直接信誉值计算的基 础。

步骤S16：若该待跳转节点的自我推荐值的数值改变，则向其所有邻居 节点广播其新的自我推荐值。保证所有邻居节点可以及时的获取该节点的 最新自我推荐值，知晓该节点参考通信的意愿。

如图2所示，各个节点的自我推荐值的计算方法具体为：

步骤S21、节点获得自身剩余能量值，自身剩余能量值可以通过下述估 算公式给予估算：

E_left=E_init-aE_sent-bE_received-timeE_work    ①

公式①中，E_init为节点初始能量，a为到当前时间为止节点共发送多少 比特位数据，E_sent为发送1比特位数据所需平均能量，b为到当前时间为止 节点共接收多少比特位数据，E_received为到当前时间为止节点共接收多少比 特位数据，time为网络自启动起到当前为止共工作多少时间，E_work为节点采 集数据和待机状态下单位时间平均能耗，E_init、E_received和E_work根据网络所使 用的能量模型进行确定。

为了减轻整个估算过程的计算量，E_init从第二次计算的时候起，可以变 更为上一次计算得到的节点自身剩余能量值，此时a、b和time的值均自上一 次计算完毕后清零并重新开始统计。

其中，初始能量值即初始状态下，节点可以用于工作的能量大小值， 初始能量值的设定是可以通过对当前节点的供电电源（如干电池）进行测 量和计算得到。不同的电源初始能量值不同。剩余能量值是指当前节点剩 余的可以用于工作的能量大小，剩余能量值是估算得到的，估算公式为： 原始能量值-已消耗能量值。估算中，消耗能量主要考虑已发送数据量和已 接收数据量，节点本地对数据处理的能耗不考虑。

步骤S22、节点获得其所有邻居节点剩余能量值，并计算其所有邻节点 剩余能量值的算术平均值；该值由邻居节点的链路通告消息携带或者是由 正常通信数据报文携带，该值在获取后存储在本地信誉列表相应字段中， 节点在此基础上计算其所有邻居节点剩余能量值的算术平均值，计算公式 为：

${\bar{E}}_{\mathrm{neighbors}}=\left({\Sigma }_{i=1}^n{E}_{i-\mathrm{left}}\right)/n$    ②

公式②中，E_i-left为该节点第i个邻居节点所通告的它自己的剩余能量，n 为该节点总的邻居节点的数量。

步骤S23、节点计算自己在短时间内成为关键节点的概率值；概率值计 算公式为：

P_k-node=1/n    ③

公式③中，n为根据相关选举协议，该节点在最后被排除成为关键节点 之前，所有可能成为该关键节点的候选节点总数。

其中，关键节点，在不同运行协议簇中，会有不同的概念。例如，对 于簇头选举协议，指的就是候选中的簇头节点，对于数据汇聚协议，指的 就是数据汇聚节点。这些节点，都是即将要在网络中发挥较一般节点更为 重要任务的节点，也即他们即将要更多的消耗能量来完成网络数据传输任 务。

步骤S24、节点根据自身剩余能量值、所有邻节点剩余能量值的算术平 均值、成为关键节点的概率值计算自己的自我推荐值，计算公式为：

$E=\max (E_{\mathrm{left}}/E_{\mathrm{init}},\min (1,E_{\mathrm{left}}/{\bar{E}}_{\mathrm{neighbors}}))$    ④

S=αE+β(1-P_k-node)    ⑤

在公式④中，max表示在括号内用逗号分隔的两个表达式的值中选取 较大的那个值最为结果，min表示两个表达式中取较小值为结果，

在公式⑤中，α、β为权重系数，其取值范围均为[0,1]，并且它们的 和为1；如果网络为平面未分簇网络或是网络工作时无关键节点，则α值设 置为1，β值设置为0；其它情况，α、β的值可各取为0.5；

在公式⑥中，P为取值范围在(0,1)之间的变量，P在网络运行过程中需 要不断调整，其计算函数需满足网络工作时间越长，值越低的条件，例如P 的计算函数可以选择P=1/time,time为网络自启动起到当前为止共工作多少 时间。R是最终计算得到的节点自我推荐值，其取值非“0”即“1”，“0” 表示该节点目前无参与通信的意愿，即参与通信的意愿较低。“1”表示该 节点目前有参与通信的意愿，即参与通信的意愿较高。

现以无线传感器网络中一种较为典型的定向扩散路由（DD，Directed  Diffusion）协议为例进行说明。在DD协议有一个工作阶段为“路径加强阶段”， 即当前节点已成功发送数据到目标节点（Sink节点）后，目标节点会启动 建立到当前节点的加强路径，即对路径反向进行一次确认和优化选择，当 前节点后续发送给目标节点的数据将沿着这个路径以较高速率发送。如图5 所示，在路径加强阶段，假设以数据传输速率作为路径加强标准，A的邻居 节点B的数据传输发送速率为Rate_B，邻居节点C的数据传输发送速率为 Rate_C，而加强路径数据传输速率要求为Rate，如果有假设 Rate_B>Rate_C>Rate，按照DD协议规定，节点B将成为节点A的待跳转节点。 但是，在本发明当中的方法中，还需要与当前节点的综合信誉值进行综合 判断选择，本发明中待跳转节点选择策略修改为：

Metric_B=Comp(Rate_B,Rep_AB)

式中Comp表示将Rate_B和综合信誉值Rep_AB按某种规则进行融合，具体 融合规则可以在实现时根据需要进行确定。

根据网络所使用的信誉评测方法的规定，使用更新后的关于节点B的直 接信誉值和间接信誉值重新计算得到其综合信誉值Rep_AB：一般的，对于直 接信誉和间接信誉使用不同权重系数加以综合。例如节点A观察得到的关于 节点B的直接信誉为Rep_B-Direc，从其他邻居节点处得到关于节点B的间接信 誉为Rep_B-Indirec，则A给予B的综合信誉为：

Rep_AB=αRep_B-Direc+βRep_B-Indirec

式中α与β之和为1，它们的具体取值由实际应用确定。

节点A对多个符合路径数据速率要求的邻居节点按此规则分别计算 Metric值，选择值最大的节点作为待跳转节点。此时邻居节点中数据传输 速率最大者未必会被选中。

本发明中，邻居节点对于自我推荐值低的当前节点可以采取相应的信 誉保护措施，从而避免低自我推荐值的当前节点因未能完成正常通信任务 而被误判为恶意节点，从而被排除在整个网络之外，导致其无法再参与今 后的网络通信。

如果，某个当前节点收到的相邻节点的链接通告信息中，有一个相邻 节点是在当前节点没有相应记录的，则根据所述相邻节点的链接通告信息 对当前节点的记录进行更新，如图3所示，当前节点的记录进行更新的处 理方法是：

步骤S31、每个节点在接收到其邻居节点广播来的链接通告消息后，该 节点即在本地信誉列表为该邻居节点新增或修改一条表项；本地信誉列表 中存储的字段有：节点ID、剩余能量值、直接信誉值、间接信誉值、综合 信誉值、节点信用值、自我推荐值；

步骤S32、当信誉列表中无该邻居节点记录时，即新增一条表项时，节 点ID、剩余能量值和自我推荐值字段按照链接通告消息中对应字段填写， 直接信誉值、间接信誉值、综合信誉值、节点信用值按照网络中所使用信 誉评测方法规定的初始化值填写；

步骤S33、当信誉列表中已存在该邻居节点记录时，即修改相应表项， 根据链接通告消息中的剩余能量值和自我推荐值修改相应表项中的对应字 段。

在这个过程中，如果节点A接收到它的某个邻居节点B发送来的自我 推荐值，如果该邻居节点B在节点A本地信誉列表中已有对应记录，则将 该自我推荐值不作修改的放入对应记录相应字段中；如果没有对应记录， 则忽视该自我推荐值。

如果节点A监测到其某个邻居节点B发生通信行为，根据网络所使用 的信誉评测方法，计算邻居节点B直接信誉值并更新本地信誉列表中的对 应记录相应字段；

如果节点接收到来自邻居节点C的关于对另一个节点B的间接信誉 值，根据网络所使用的信誉评测方法，计算节点B的间接信誉值，计算节 点C的节点信用值，并将计算结果存储入本地信誉列表的对应记录相应字 段。

如果计算结果的综合信誉值Rep_AB低于信誉评测方法规定的最低阈值， 并且节点B的自我推荐值为“1”，判定节点B为恶意节点，将计算结果存储 入本地信誉列表的对应记录相应字段，锁定该字段，并依据信誉评测方法 规定进行排除处理。

如果计算结果的综合信誉值Rep_AB低于信誉评测方法规定的最低阈值， 并且节点B的自我推荐值为“0”，判定节点B为低意向通信节点，忽视计算 结果，将本地信誉列表的对应记录相应字段修改为最低阈值的1.1倍。

如果计算结果的综合信誉值Rep_AB高于信誉评测方法规定的最低阈值， 忽视节点B的自我推荐值，将计算结果置入本地信誉列表的对应记录相应字 段。

自我推荐值为“0”的节点，在收到其邻居节点发送过来要求其转发的 数据时，按照协议规定转发数据，然后触发计算自我推荐值，若自我推荐 值的计算结果与原值相比发生改变，则向所有邻居节点通报新的自我推荐 值。

如图4所示，对于步骤S13：根据所述邻居节点的自我推荐值，从多个 邻居节点中确定待跳转节点的具体方法为：

步骤S41、在自我推荐值为“1”的邻居节点中根据其综合信誉值和网 络所使用的路由协议，选择待跳转节点，选择完成后，进入对所选中的待 跳转节点的通信行为进行监测的过程；。

步骤S42、若所有邻居节点自我推荐值均为“0”，则忽视自我推荐值， 根据节点综合信誉值和网络所使用的路由协议，选择待跳转节点，选择完 成后，进入对所选中的待跳转节点的通信行为进行监测的过程。

待跳转节点选择依赖于路由Metric值，其中，Metric值是路由协议算 法完成计算后得到的一个变量值。Metric值的计算不同的路由协议有不同 的方法，有的将距离目标节点跳数作为Metric值，有的将数据传输速率作 为Metric值，有的将时延作为Metric值，也有的是几者的综合。在本实 施例的方案中，首先将计算得到的候选节点综合信誉和网络所用路由协议 计算得到的候选节点Metric值进行一次综合，综合的方法不作规定，因为 不同种类Metric值本身单位不一，取值范围也不一，另外还需要视不同的 具体应用在信誉和Metric值之间做一个权重分配。一般情况下，对信誉和 Metric值分别做归一化处理，即分别计算候选节点综合信誉值/信誉评测方 法的最大信誉取值，候选节点Metric值/路由协议中Metric值的最大取值， 然后将计算结果分别乘以一个系数求和得到综合信誉值与Metric值综合后 的综合Metric，两个系数之和为1。所以，在步骤S41和S42中首先在所 有邻居节点自我推荐值为1的节点中，选择综合Metric值最大的节点做待 跳转节点，如果所有邻居节点中自我推荐值均为0，则不再考虑自荐值，直 接在所有邻居节点中选择综合Metric值最大的节点做待跳转节点。

以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员 来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进， 这些都属于本发明的保护范围。