專利名稱：一種基于能量場的傳感網(wǎng)惡意節(jié)點檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通信領(lǐng)域，具體涉及ー種基于能量場的傳感網(wǎng)惡意節(jié)點檢測方法。
背景技術(shù)：
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是ー種資源有限且以數(shù)據(jù)為中心的無線通信網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點是用電池或其它易耗盡的電源作為供電設(shè)備來使傳感器節(jié)點正常工作，整個網(wǎng)絡(luò)通常是處于惡劣環(huán)境且完全暴露在敵方視野中的。因此，如何最大程度的使節(jié)點間能耗均衡，節(jié)約節(jié)點能耗，避免能耗攻擊(如DOS攻擊、Sinkhole攻擊)等安全威脅，延長網(wǎng)絡(luò)壽命是研究無線傳感網(wǎng)安全應(yīng)用的關(guān)鍵性問題。專利《基于能量預(yù)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)入侵檢測方法》中包括以下步驟(I)匯聚節(jié)點匯總所有的當(dāng)前能量剰余信息，根據(jù)能量剰余信息預(yù)測出下ー階段所有節(jié)點的能量預(yù)計消耗值；能量消耗預(yù)測方法為節(jié)點能量預(yù)測消耗值為匯聚節(jié)點根據(jù)節(jié)點工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)·移歷史統(tǒng)計，對節(jié)點工作狀態(tài)建立成為馬爾科夫鏈，對下一階段節(jié)點的工作狀態(tài)進(jìn)行在參與到一次成簇和路由轉(zhuǎn)發(fā)工作所消耗的能量值。(2)計算節(jié)點的能量檢測因子；匯聚節(jié)點預(yù)測出下ー階段所有節(jié)點的能量預(yù)計消耗值，并在下一輪收集到節(jié)點能量實際消耗值，迸行對比得出檢測因子。根據(jù)AE= |Ε；-Ε；計算所述能量檢測因子，其中Ed為t個時間長度后節(jié)點上報至匯聚節(jié)點的節(jié)點能量實際消耗值，E;為節(jié)點在t個時間長度內(nèi)能量預(yù)計消耗值。(3)將得到的能量檢測因子ΛE與閾值ThreshoIdE比較，如果ΔΕ > ThresholdE，則認(rèn)為該節(jié)點在本周期內(nèi)沒有正常的工作，認(rèn)定為受到了外界的惡意入侵從而導(dǎo)致節(jié)點沒有按照規(guī)律工作，從而消耗的能量顯著的増加或減少。其中，閾值公式為ThresholdE =ETX*k+ ε Jbdtl2,其中，k為發(fā)送數(shù)據(jù)的比特數(shù)，Etx為發(fā)送每比特所要消耗的能量，ε amp為無線傳輸衰減因子，d0為正常節(jié)點的無線通信距離。其存在的不足包括(I)沒有考慮到怎樣使得網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的能量消耗更加均衡。(2)定義的閾值公式為節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)的能量消耗值，若惡意節(jié)點不斷發(fā)送數(shù)據(jù)那么相應(yīng)的使得其閾值變大，從而使得檢測精度下降，因此這種定義閾值的方法有待改進(jìn)。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種基于能量場的傳感網(wǎng)惡意節(jié)點檢測方法，檢測出威脅，為傳感器網(wǎng)絡(luò)的正常工作和延長網(wǎng)絡(luò)生命周期奠定了基礎(chǔ)。本發(fā)明提供一種基于能量場的傳感網(wǎng)惡意節(jié)點檢測方法，其改進(jìn)之處在于，所述方法包括如下步驟(I)構(gòu)建基于能量場的無線傳感網(wǎng)；(2)在所述傳感網(wǎng)中運(yùn)用ARMA預(yù)測模型來預(yù)測節(jié)點的剰余能量值；(3)基于能量的惡意節(jié)點檢測。其中，步驟(I)包括如下步驟(1-1)假定所有節(jié)點能量同構(gòu)，每個節(jié)點確認(rèn)自身的剰余能量，且節(jié)點在成為簇頭期間不會受到惡意攻擊；采用分布式自組織協(xié)議Leach協(xié)議進(jìn)行分簇和選定簇頭節(jié)點，使所有節(jié)點以輪為工作周期，周期性地輪流作為簇頭節(jié)點；(1-2)每輪簇頭節(jié)點被確定時，通過ー個單值能量勢能函數(shù)計算出自身的勢能值，并將自己的勢能值通過與其周圍鄰居簇頭節(jié)點數(shù)據(jù)通信時發(fā)送給鄰居簇頭節(jié)點；簇頭節(jié)點獲取周圍鄰居簇頭的勢能值的同時，通過接收無線信號的強(qiáng)弱或衰減程度算出與另ー個簇頭節(jié)點之間的通信開銷Cuv，并計算出驅(qū)動數(shù)據(jù)分組流向各個鄰居簇頭節(jié)點力的大??；(1-3)簇內(nèi)節(jié)點將傳感數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到自己所在簇的簇頭節(jié)點，簇頭節(jié)點進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時，轉(zhuǎn)發(fā)給與它相鄰的鄰居簇頭節(jié)點力FUi值最大的簇頭節(jié)點，第二跳節(jié)點收到該數(shù)據(jù)分組，搜尋鄰居簇頭節(jié)點力FUi值最大的簇頭節(jié)點，并轉(zhuǎn)發(fā)該數(shù)據(jù)分組，直至數(shù)據(jù)分組到達(dá)唯一終點Sink節(jié)點；(1-4)在姆輪選舉出的簇頭節(jié)點中通過簇頭節(jié)點之間的多跳路由與Sink節(jié)點形成ー個“多對一”的且具有向心性的網(wǎng)絡(luò)通信模型。
其中，步驟(1-2)所述單值能量勢能函數(shù)為V(y)ay+b,其中a>0,函數(shù)單調(diào)遞增；y為節(jié)點本身的剰余能量。其中，步驟(1-2)所述簇頭節(jié)點カ的計算公式為
,.PV(U)-V(V)Fll^v =----其中，Cuv為兩個簇頭節(jié)點間的通信開銷；V(u)為u節(jié)點根據(jù)單值能量勢能函數(shù)計算出自身的勢能值；V(v)為V節(jié)點根據(jù)單值能量勢能函數(shù)計算出自身的勢能值。其中，步驟(2)包括如下步驟(2-1)通過無線通信模型，計算節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)的能量消耗Etx和接收數(shù)據(jù)的能量消耗Em ；(2-2)簇頭節(jié)點確認(rèn)每輪簇內(nèi)節(jié)點的剰余能量值和能量消耗值；(2-3)簇頭節(jié)點獲取到的簇內(nèi)節(jié)點消耗能量為Xtl, X1,…，Xi,…，Xn，并以此順序為序列，對該序列建立ARMA (I, I)模型預(yù)測下ー輪簇內(nèi)節(jié)點能量消耗值之,X1,-,Xil-J,,''(2-4)將第j輪能量消耗預(yù)測值代入式得節(jié)點第j輪的剩余能量預(yù)測值ο其中，步驟(2-1)計算節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)的能量消耗Etx的表達(dá)式為Etx = kETelec+kd2Eamp計算節(jié)點接收數(shù)據(jù)的能量消耗Em的表達(dá)式為Erx = kERelec其中，Elelec為發(fā)送每個比特需要消耗的能量；EKele。為接收每個比特需要消耗的能量出_為信號放大器能耗；(1為指網(wǎng)絡(luò)中單個節(jié)點的最大通信距離；k為要發(fā)送或接收的數(shù)據(jù)比特位數(shù)。其中，步驟(2-2)中設(shè)滑動時間窗的大小為n，簇頭節(jié)點獲取每輪節(jié)點消耗能量為X0, X1,…，Xi,…，Xn，其中Xi = Etx；i (h, d)+Erx；i(h)Xi表示節(jié)點第i輪能量消耗d)為第i輪節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)的能量消耗；En,i(h)為第i輪節(jié)點接收數(shù)據(jù)的能量消耗；節(jié)點第i輪的剩余能量實際值為第i_l輪的剩余能量實際值減去第i輪能量消耗實際值。(能量初始值Etl給定)其中，步驟(2-4)所述剩余能量預(yù)測值毛的表達(dá)式為
權(quán)利要求
1.一種基于能量場的傳感網(wǎng)惡意節(jié)點檢測方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟 (1)構(gòu)建基于能量場的無線傳感網(wǎng)； (2)在所述傳感網(wǎng)中運(yùn)用ARMA預(yù)測模型來預(yù)測節(jié)點的剰余能量值； (3)基于能量的惡意節(jié)點檢測。
2.如權(quán)利要求I所述的傳感網(wǎng)惡意節(jié)點檢測方法，其特征在于，步驟(I)包括如下步驟 (1-1)假定所有節(jié)點能量同構(gòu)，每個節(jié)點確認(rèn)自身的剰余能量，且節(jié)點在成為簇頭期間不會受到惡意攻擊；采用分布式自組織協(xié)議Leach協(xié)議進(jìn)行分簇和選定簇頭節(jié)點，使所有節(jié)點以輪為工作周期，周期性地輪流作為簇頭節(jié)點； (1-2)每輪簇頭節(jié)點被確定時，通過ー個單值能量勢能函數(shù)計算出自身的勢能值，并將自己的勢能值通過與其周圍鄰居簇頭節(jié)點數(shù)據(jù)通信時發(fā)送給鄰居簇頭節(jié)點；簇頭節(jié)點獲取周圍鄰居簇頭的勢能值的同時，通過接收無線信號的強(qiáng)弱或衰減程度算出與另ー個簇頭節(jié)點之間的通信開銷Cuv，并計算出驅(qū)動數(shù)據(jù)分組流向各個鄰居簇頭節(jié)點力的大?。? (1-3)簇內(nèi)節(jié)點將傳感數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到自己所在簇的簇頭節(jié)點，簇頭節(jié)點進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)吋，轉(zhuǎn)發(fā)給與它相鄰的鄰居簇頭節(jié)點力FUi值最大的簇頭節(jié)點，第二跳節(jié)點收到該數(shù)據(jù)分組，搜尋鄰居簇頭節(jié)點力FUi值最大的簇頭節(jié)點，并轉(zhuǎn)發(fā)該數(shù)據(jù)分組，直至數(shù)據(jù)分組到達(dá)唯一終點Sink節(jié)點； (1-4)在姆輪選舉出的簇頭節(jié)點中通過簇頭節(jié)點之間的多跳路由與Sink節(jié)點形成一個“多對一”的且具有向心性的網(wǎng)絡(luò)通信模型。
3.如權(quán)利要求2所述的傳感網(wǎng)惡意節(jié)點檢測方法，其特征在干，步驟(1-2)所述單值能量勢能函數(shù)為V(y)=ay+b,其中a>0,函數(shù)單調(diào)遞增；y為節(jié)點本身的剩余能量。
4.如權(quán)利要求2所述的傳感網(wǎng)惡意節(jié)點檢測方法，其特征在干，步驟(1-2)所述簇頭節(jié)點力的計算公式為 其中，Cuv為兩個簇頭節(jié)點間的通信開銷；V(u)為U節(jié)點根據(jù)單值能量勢能函數(shù)計算出自身的勢能值；V(v)為V節(jié)點根據(jù)單值能量勢能函數(shù)計算出自身的勢能值。
5.如權(quán)利要求I所述的傳感網(wǎng)惡意節(jié)點檢測方法，其特征在于，步驟(2)包括如下步驟 (2-1)計算節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)的能量消耗Etx和接收數(shù)據(jù)的能量消耗En ； (2-2)簇頭節(jié)點確認(rèn)每輪簇內(nèi)節(jié)點的剰余能量值和能量消耗值； (2-3)簇頭節(jié)點獲取到的簇內(nèi)節(jié)點消耗能量為Xtl, X1,…，Xi,…，Xn，并以此順序為序列，對該序列建立ARMA(1，I)模型預(yù)測下一輪簇內(nèi)節(jié)點能量消耗值尤》之， (2-4)將第j輪能量消耗預(yù)測值代入式得節(jié)點第j輪的剩余能量預(yù)測值
6.如權(quán)利要求5所述的傳感網(wǎng)惡意節(jié)點檢測方法，其特征在干， 步驟(2-1)計算節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)的能量消耗Etx的表達(dá)式為Etx = kEwec+kefE—計算節(jié)點接收數(shù)據(jù)的能量消耗En的表達(dá)式為
7.如權(quán)利要求5所述的傳感網(wǎng)惡意節(jié)點檢測方法，其特征在于，步驟(2-2)中設(shè)滑動時間窗的大小為n，簇頭節(jié)點獲取每輪節(jié)點消耗能量為Xtl, X1, -,Xi,…，Xn，其中
8.如權(quán)利要求5所述的傳感網(wǎng)惡意節(jié)點檢測方法，其特征在于，步驟(2-4)所述剩余能量預(yù)測值毛.的表達(dá)式為
9.如權(quán)利要求I所述的傳感網(wǎng)惡意節(jié)點檢測方法，其特征在于，步驟(3)包括如下步驟 (3-1)選取報警閾值； (3-2)根據(jù)得到的閾值T’，計算第Ri輪剩余能量實際值EKi與剰余能量預(yù)測值的差值； (3-3)在M輪通信過程中，若簇頭節(jié)點有連續(xù)ω輪預(yù)測與實際剩余之差的絕對值δ超過閾值Τ’，所述簇頭節(jié)點將產(chǎn)生報警消息，報告此節(jié)點發(fā)生能量異常。
10.如權(quán)利要求9所述的傳感網(wǎng)惡意節(jié)點檢測方法，其特征在于，步驟(3-1)報警閾值的計算方法為 簇頭節(jié)點按簇內(nèi)某節(jié)點當(dāng)選簇頭節(jié)點的次數(shù)，分別計算簇內(nèi)節(jié)點能量的平均值，并得到針對于當(dāng)選簇頭節(jié)點次數(shù)不同的各個簇內(nèi)節(jié)點的當(dāng)前的閾值Τ’，公式如下r C ClusterCnt ) = (1 + a%) \ Em - Emmean | 其中，ClusterCnt是節(jié)點當(dāng)選簇頭節(jié)點的次數(shù)是第Ri輪簇頭節(jié)點對簇內(nèi)節(jié)點的剩余能量預(yù)測值；EKimeani第Ri輪且當(dāng)選簇頭ClusterCnt次簇內(nèi)節(jié)點的實際剩余能量平均值毋是閾值選取的參量，根據(jù)準(zhǔn)確度的需求設(shè)定。
11.如權(quán)利要求9所述的傳感網(wǎng)惡意節(jié)點檢測方法，其特征在于，步驟(3-2)中所述第Ri輪剩余能量實際值EKi與剰余能量預(yù)測值左的差值的表達(dá)式為 和 14-41。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于能量場的傳感網(wǎng)惡意節(jié)點檢測方法，包括步驟有(1)構(gòu)建基于能量場的無線傳感網(wǎng)；(2)在所述傳感網(wǎng)中運(yùn)用ARMA預(yù)測模型來預(yù)測節(jié)點的剩余能量值；(3)基于能量的惡意節(jié)點檢測。本發(fā)明構(gòu)造了基于能量場的傳感器網(wǎng)絡(luò)使得能量消耗更加均衡有效延長網(wǎng)絡(luò)的壽命，并且運(yùn)用實時性較強(qiáng)的ARMA預(yù)測模型對節(jié)點能量進(jìn)行預(yù)測，提高安全報警的準(zhǔn)確度。更重要的是，現(xiàn)有技術(shù)中閾值的定義根據(jù)節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)的能量消耗來計算的，若節(jié)點遭受攻擊不斷發(fā)送數(shù)據(jù)那么使得其閾值變大，而本發(fā)明采用動態(tài)閾值選取，并考慮了簇內(nèi)節(jié)點成為簇頭消耗能量較大的因素，進(jìn)一步提高了檢測的準(zhǔn)確度。
文檔編號H04W12/00GK102843672SQ20121027999
公開日2012年12月26日 申請日期2012年8月8日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月8日
發(fā)明者徐興坤, 高昆侖, 趙婷, 鄭曉崑, 徐志博 申請人:中國電力科學(xué)研究院, 國家電網(wǎng)公司