專利名稱：基于量子蟻群算法的無線傳感器網(wǎng)絡可信安全路由的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于量子蟻群算法的無線傳感器網(wǎng)絡可信安全路由，它可提高無線傳感器網(wǎng)絡的收斂速度以及全局尋優(yōu)能力，并可有效抵抗能量黑洞攻擊，屬于網(wǎng)絡安全領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
無線傳感器網(wǎng)絡采用多跳無線通信技術(shù)，每個節(jié)點都是潛在的路由節(jié)點，且節(jié)點受到資源限制，各節(jié)點將采集到的數(shù)據(jù)利用多跳接力的方式發(fā)至匯聚節(jié)點，這必將導致內(nèi)層節(jié)點承擔的數(shù)據(jù)發(fā)送量較重，能量消耗過快，最終導致網(wǎng)絡有效覆蓋面積降低。因此，無線傳感器網(wǎng)絡路由的選擇要結(jié)合節(jié)點的能量信息，使得網(wǎng)絡中節(jié)點的能量消耗能夠得到全局均衡，延長網(wǎng)絡連通正常工作的時間。蟻群算法屬于一類模擬自然界生物系統(tǒng)行為或過程的最優(yōu)化群體智能算法，算法本身具備分布式計算、自組織性和反饋性等特點，與無線傳感器網(wǎng)絡的自組織網(wǎng)絡特點極其相似。將蟻群算法應用于無線傳感器網(wǎng)絡上，可以在很大程度的提高傳感器網(wǎng)絡性能，但該算法仍存在問題一是由于缺乏初始信息素，算法初期搜索過程進行緩慢，影響全局的收斂速度。二是在大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡中，蟻群算法在尋找路徑時易陷入局部最優(yōu)解，使算法過早收斂。當前網(wǎng)絡的安全性已經(jīng)成為制約無線傳感器網(wǎng)絡發(fā)展的瓶頸，無線傳感器網(wǎng)絡的節(jié)點和組網(wǎng)特點，其能耗的限制，導致無線傳感網(wǎng)的安全威脅很多不同于傳統(tǒng)計算機網(wǎng)絡。我們認為無線傳感器網(wǎng)絡的路由算法應該滿足下面原則
I)保持全網(wǎng)全局能量負載平衡通過路由策略，讓各個節(jié)點分擔數(shù)據(jù)傳輸，平衡節(jié)點的剩余能量，提高整個網(wǎng)絡的生存時間。2)具有一定的容錯性和網(wǎng)絡自愈功能無線傳感網(wǎng)絡容易發(fā)生故障，因此應盡量利用節(jié)點易獲得的網(wǎng)絡信息計算路由，以確保出現(xiàn)故障時能夠盡快地修復。3)以數(shù)據(jù)為中心，路由協(xié)議將繼續(xù)向基于數(shù)據(jù)、基于位置的方向發(fā)展。4)應具有可信安全性無線傳感網(wǎng)絡的固有特性，節(jié)點是開放的，且節(jié)點間缺乏信任機制，假定都是友好的節(jié)點，路由協(xié)議極易受到安全威脅，因此必須考慮設(shè)計具有可信安全機制的路由協(xié)議。無線傳感器網(wǎng)絡的一類主要安全攻擊是旨在惡意消耗節(jié)點能量，使得無線傳感器網(wǎng)絡不能有效地完成數(shù)據(jù)收集任務，目前所知道的有虛假路由信息、選擇性轉(zhuǎn)發(fā)、污水池(sinkhole)攻擊、女巫(sybil)攻擊、蟲洞(wormhole)攻擊等眾多安全隱患。針對無線傳感器網(wǎng)絡的安全威脅中，虛假路由信息、選擇性轉(zhuǎn)發(fā)、Sybil攻擊都可以依靠密碼技術(shù)，通過數(shù)據(jù)加密防止傳送內(nèi)容被敵手破解，同時依靠公鑰體制，實施雙向身份認證安全保障，防止非法節(jié)點接入無線傳感器網(wǎng)絡以及惡意節(jié)點改變身份，從而提高路由協(xié)議的安全性。但是對Sinkhole,特別是Wormhole此類的路由能量黑洞安全攻擊,一般的無線傳感網(wǎng)路由協(xié)議缺乏相應的對策，可信安全路由就是基于這類攻擊而提出的。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題和不足，本發(fā)明的目的在于提供一種基于量子蟻群算法的無線傳感器網(wǎng)絡可信安全路由，提高無線傳感器網(wǎng)絡的收斂速度以及全局尋優(yōu)能力，并可有效抵抗能量黑洞攻擊，增強網(wǎng)絡的安全性。
為了達到上述目的，本發(fā)明的構(gòu)思如下
(I)由于傳統(tǒng)蟻群算法存在易陷入局部最優(yōu)解和收斂速度慢等問題，量子計算的全局尋優(yōu)和快速收斂特點可以很好的解決此問題，因此考慮將量子理論引入路由設(shè)計中，量子蟻群算法就是將量子算法與蟻群算法相結(jié)合形成的一種量子進化算法。(2)在量子蟻群算法中，螞蟻釋放的信息素不是撒在經(jīng)過的全部路徑上，而是撒在螞蟻當前駐留的位置上，通常由一組量子比特(qubit)的概率幅來表示螞蟻的當前位置。量子蟻群算法應用于無線傳感器網(wǎng)絡路由，可以用量子比特直接表示當前信息素，用量子旋轉(zhuǎn)門來更新信息素，用量子非門實現(xiàn)信息素的變異，降低系統(tǒng)設(shè)計復雜性，從而降低節(jié)點的能量消耗。(3)從網(wǎng)絡安全的角度出發(fā)，考慮到無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點間缺乏信任機制，采用可信網(wǎng)絡思想，以節(jié)點可信度作為信息素分配策略，綜合能量消耗預測進行路徑選擇，實現(xiàn)基于全局能量均衡的無線傳感器網(wǎng)絡可信安全路由算法。(4)引入相鄰節(jié)點可信度辦令為，螞蟻由節(jié)盧d選擇下一條節(jié)點時，首先計算鄰居節(jié)點的可信度值，然后選取可信度與自身差值小于一定門限的可信節(jié)點作為下一跳節(jié)點。此時時延可用節(jié)點間距離表示，距離越大可信度越??；節(jié)點的剩余能量與當前節(jié)點的信息素濃度有關(guān)，剩余能量越大表示經(jīng)過的螞蟻越少，信息素濃度也就越小，此時可信度值越大，這樣可以保證傳感器網(wǎng)絡的全局能量的均衡。根據(jù)上述發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明專利采用的技術(shù)方案如下
一種基于量子蟻群算法的無線傳感器網(wǎng)絡可信安全路由，其特征在于路由算法的具體步驟為
1)設(shè)定螞蟻個數(shù)為>傳感器網(wǎng)絡空間大小為，匯聚節(jié)點為,。初始化信息素巧，初
始迭代次數(shù) = O, 為設(shè)定的最大迭代次數(shù)。初始最短路徑爲_ = 。根據(jù)螞蟻個數(shù)及空間大小確定區(qū)域大小，將各螞蟻置于各搜索區(qū)域中；
2)計算到達匯聚節(jié)點的路徑&的距離七、可見度函數(shù)、信息素水平以及轉(zhuǎn)移概率；
3)第i只螞蟻根據(jù)可信度的大小來選擇到達匯聚節(jié)點r的路徑并記錄，同時釋放信息素。路徑越短則認為該路徑屬于最優(yōu)路徑的可能性越大；
4)記錄此次迭代過程的最優(yōu)路徑解并通過比較更新最優(yōu)解爲@；
5)應用量子門旋轉(zhuǎn)規(guī)則更新每條路徑上的信息素；
6) + 1(/< ·)，跳轉(zhuǎn)到步驟3);若滿足結(jié)束條件，即如果循環(huán)次數(shù)〗，則循環(huán)結(jié)束，終止迭代；
7)輸出最優(yōu)解Steft=
6
上述步驟I)中初始化信息素的方法是設(shè)蟻群中共有》只螞蟻，每只螞蟻攜帶《個量子比特，在無線傳感器網(wǎng)絡中從源節(jié)點到目的節(jié)點的所有可能方法定義為量子蟻群算
法中的路徑；存在屹種到達目的節(jié)點,的路徑，記為路徑
權(quán)利要求
1.一種基于量子蟻群算法的無線傳感器網(wǎng)絡可信安全路由，其特征在于確定路由的具體操作步驟如下 1)設(shè)定初始信息素設(shè)定螞蟻個數(shù)為《,傳感器網(wǎng)絡空間大小為Mf ,匯聚節(jié)點為,；初始化信息素％，初始迭代次數(shù)i= G , ■為設(shè)定的最大迭代次數(shù)；初始最短路徑= ;根據(jù)螞蟻個數(shù)及空間大小確定區(qū)域大小，將各螞蟻至于各搜索區(qū)域中； 2)確定可見度函數(shù)計算到達匯聚節(jié)點,的路徑七的距離4、可見度函數(shù)、信息素水平以及轉(zhuǎn)移概率； 3)路徑選擇 .第k只螞蟻根據(jù)可信度的大小來選擇到達匯聚節(jié)點i的路徑并記錄，同時釋放信息素，路徑越短則認為該路徑屬于最優(yōu)路徑的可能性越大； 4)記錄此次迭代過程的最優(yōu)路徑解I,并通過比較更新最優(yōu)解各㈣； 5)信息素更新應用量子門旋轉(zhuǎn)規(guī)則更新每條路徑上的信息素； 6) = + 1( <4·)，跳轉(zhuǎn)到步驟3);若滿足結(jié)束條件，即如果循環(huán)次數(shù)則循環(huán)結(jié)束，終止迭代； 7)輸出最優(yōu)解Stei。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述基于量子蟻群算法的無線傳感器網(wǎng)絡可信安全路由，其特征在于所述步驟I)中初始化信息素的方法是設(shè)蟻群中共有《只螞蟻，每只螞蟻攜帶w個量子比特，在無線傳感器網(wǎng)絡中從源節(jié)點到目的節(jié)點的所有可能方法定義為量子蟻群算法中的路徑；存在種到達目的節(jié)Ai的路徑，記為路徑七Cj= U…M,);設(shè)蟻群第中包含,個個體的種群為坨)=付，4，…，<),其中第』個個體的初始信息素「力 [1/^2,1/^2 1/^1(I) tJ ~ t Ii I I * — I 廠 I 廣 I I 廠 y β\. β2 ·■■ flm _ [_1/ "V2 I/I/v2 式中初始迭代次數(shù) = O, 為量子比特數(shù)#為量子比特的兩個概率幅，開始時;爲(;= i，2,---，m)均取 。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述基于量子蟻群算法的無線傳感器網(wǎng)絡可信安全路由，其特征在于所述步驟2)中計算可見度函數(shù)方法如下 可見度函數(shù)主要根據(jù)節(jié)點可信度確定，根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡的可信性三大基本指標時延、丟包率和剩余能量，得出無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點α和相鄰的節(jié)盧的可信度W _ Credibility (a,b)為 W _ Credibility (a,b) = — + — + ΛΕ(2) "D L 其中Γ代表延時，L代表丟包率，E代表節(jié)點b的剩余能量，a、P、a的選擇使得延時、丟包、剩余能量三項值分別在O之間；由上式可看出，可信度與時延近似成反比，與節(jié)點剩余能量近似成正比；在蟻群算法搜索建立無線傳感網(wǎng)路由時，根據(jù)式(2)計算得到W_Cmdibihiy{aM),代表相鄰的節(jié)點i具有多少可信度，決定下一跳是否選擇節(jié)點。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述基于量子蟻群算法的無線傳感器網(wǎng)絡可信安全路由，其特征在于所述步驟3)中路徑選擇時，第.t只螞蟻根據(jù)可信度的大小來選擇到達匯聚節(jié)點I的路徑并記錄，同時釋放信息素，路徑越短則認為該路徑屬于最優(yōu)路徑的可能性越大，具體操作方法如下螞蟻在節(jié)點選擇下一跳節(jié)點時，首先計算鄰居節(jié)點的可信度,并與自身相比較，若可信度W — —Μ,(a,b)與自身差值小于一定門限，則認為此鄰居節(jié)點為可信節(jié)點可以跳轉(zhuǎn)；否則重新計算其他鄰居節(jié)點，直到找到可信節(jié)點為止；此時時延可用節(jié)點間距離表示，距離越大可信度越??；節(jié)點的剩余能量與當前節(jié)點的信息素濃度有關(guān)，剩余能量越大表示經(jīng)過的螞蟻越少，信息素濃度也就越小，此時可信度值越大，這樣可以保證傳感器網(wǎng)絡的全局能量的均衡；螞蟻每經(jīng)過一條路徑，釋放的信息素為
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述基于量子蟻群算法的無線傳感器網(wǎng)絡可信安全路由，其特征在于所述步驟5)中應用量子門旋轉(zhuǎn)規(guī)則更新每條路徑上的信息素的方法是在QACA中，《只螞蟻完成一次搜索后，利用量子旋轉(zhuǎn)門實現(xiàn)每條路徑信息素的更新
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于量子蟻群算法的無線傳感器網(wǎng)絡可信安全路由。其確定路由的具體步驟為1)設(shè)定初始信息素，2)確定可信度函數(shù)，3)路徑選擇，4)記錄和更新最優(yōu)解，5)信息素更新，6)跳轉(zhuǎn)到步驟3)循環(huán)至終止迭代，7)輸出最優(yōu)。分析表明，本路由確定方法的收斂速度以及全局尋優(yōu)方面均優(yōu)于傳統(tǒng)蟻群算法，能夠全局的平衡網(wǎng)絡節(jié)點的能量消耗，避免一些關(guān)鍵節(jié)點的過早死亡導致網(wǎng)絡分隔成很多孤島；可有效抵抗Wormholes攻擊等無線傳感器網(wǎng)絡特有的能量黑洞攻擊，并有助于構(gòu)造可信網(wǎng)絡環(huán)境。
文檔編號H04W40/10GK102917430SQ20121039300
公開日2013年2月6日 申請日期2012年10月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月17日
發(fā)明者王潮, 姜麗瑩, 賈徽徽, 劉瑞 申請人:上海大學