初研網(wǎng)絡(luò)信任指數(shù)的構(gòu)想與算法

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1基于信任管理的模型

1.1網(wǎng)格點(diǎn)信任模型

網(wǎng)格點(diǎn)是虛擬網(wǎng)格剖分目標(biāo)區(qū)域形成的，即劃分網(wǎng)格時的橫縱坐標(biāo)的交叉點(diǎn)。通過以網(wǎng)格點(diǎn)為圓心，以節(jié)點(diǎn)通信半徑為半徑內(nèi)的活躍節(jié)點(diǎn)（信任度超過節(jié)點(diǎn)信任閾值的節(jié)點(diǎn)）對網(wǎng)格點(diǎn)進(jìn)行并行覆蓋，經(jīng)過量化，最終得到網(wǎng)格點(diǎn)的信任度。本模型基于以下假設(shè):通過某種定位算法可以得到無線傳感器節(jié)點(diǎn)和和網(wǎng)格點(diǎn)的位置，即這些點(diǎn)的坐標(biāo)值。虛擬網(wǎng)格的尺寸限制于min(2/4Rc，2/2Rs)，即每個網(wǎng)格的邊長。節(jié)點(diǎn)的信任度是基于某個信任管理模型量化出來的，相關(guān)過程具體內(nèi)容本文中不再討論。為了接下來對模型的描述更加方便，我們定義了一些符號：Tmin:節(jié)點(diǎn)信任度閾值，信任度低于該閾值的節(jié)點(diǎn)被判定為惡意節(jié)點(diǎn)。（該閾值是由所選信任管理模型，節(jié)點(diǎn)數(shù)量等因素決定）Tmax:網(wǎng)格點(diǎn)聯(lián)合信任閾值，若網(wǎng)格點(diǎn)信任度量化后低于該閾值則不能保證覆蓋區(qū)域的質(zhì)量和安全性。（該閾值由周圍工作節(jié)點(diǎn)的數(shù)量以及他們的信任度等因素決定）Na：表示為惡意節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)的信任度低于Tmin。Nb：表示為休眠節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)的信任度雖然高于Tmin，但是經(jīng)過輪換調(diào)度算法最終被判定為冗余的節(jié)點(diǎn)。Nc：表示為工作節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)的信任度高于Tmin，并且經(jīng)過輪換調(diào)度算法活躍的節(jié)點(diǎn)。Rc：節(jié)點(diǎn)通信半徑。Rs：節(jié)點(diǎn)感知半徑。具體的選擇工作節(jié)點(diǎn)的過程，將在接下來基于網(wǎng)格信任度的節(jié)點(diǎn)自適應(yīng)輪換調(diào)度算法的描述中講到。以網(wǎng)格點(diǎn)為圓心，Rs為半徑范圍內(nèi)的活躍的工作節(jié)點(diǎn)對網(wǎng)格點(diǎn)進(jìn)行量化處理，得到該網(wǎng)格點(diǎn)的聯(lián)合信任度。如果所有網(wǎng)格點(diǎn)的信任度都高于信任度閾值Tmax，說明該覆蓋區(qū)域已經(jīng)達(dá)到了高覆蓋度和安全度的要求。如果有網(wǎng)格點(diǎn)的信任度低于閾值Tmax，說明達(dá)不到安全的高覆蓋度要求，則需要重新對達(dá)不到要求的網(wǎng)格點(diǎn)進(jìn)行調(diào)度。

1.2網(wǎng)格點(diǎn)信任度數(shù)學(xué)模型

為了使網(wǎng)格點(diǎn)的感知半徑內(nèi)能夠具有更好的安全性，要求感知半徑內(nèi)一半以上的工作節(jié)點(diǎn)正常工作的概率大于網(wǎng)格點(diǎn)信任度閾值Tmax，這樣才能保證網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)作。假設(shè)網(wǎng)格點(diǎn)Wij的感知半徑內(nèi)有n個比較可信任的節(jié)點(diǎn)（超過節(jié)點(diǎn)信任閾值Tmin的節(jié)點(diǎn)），信任度分別為T1,T2,T3….Tn，即信任度集合S={T1,T2,T3….Tn}。Smk表示所有感知錯誤節(jié)點(diǎn)信任度組成的集合，其中m表示感知錯誤節(jié)點(diǎn)數(shù)量，k表示其中一種可能性。例如，S21={T1,T2}代表感知錯誤節(jié)點(diǎn)有兩個，{T1,T2}是錯誤節(jié)點(diǎn)的其中一種可能性。則網(wǎng)格點(diǎn)的信任度數(shù)學(xué)模型為：12()111(1)mkmkknnnijTSTSSmkCTwTTT(1)其中，T表示感知錯誤節(jié)點(diǎn)的信任度，T表示正常工作節(jié)點(diǎn)的信任度，)T(SSmkT為所有感知正確節(jié)點(diǎn)的信任度的乘積，S-Smk為該網(wǎng)格點(diǎn)感知半徑內(nèi)正常工作節(jié)點(diǎn)的信任度組成的集合。只有所有覆蓋目標(biāo)區(qū)域網(wǎng)格點(diǎn)的信任度都達(dá)到閾值Tmax，才能表明這是一個安全的覆蓋，即：maxmax,,ijijsuccessTwTfailTwT(2)1.3信任閾值的分析與討論節(jié)點(diǎn)信任度閾值Tmin的大小對信任模型有很大影響，下面對可能出現(xiàn)的幾種情況進(jìn)行討論：

（1）節(jié)點(diǎn)信任度閾值Tmin過低。信任度過低的節(jié)點(diǎn)加入到模型中，會導(dǎo)致需要加入更多的高信任度節(jié)點(diǎn)以保證網(wǎng)絡(luò)的安全性。這樣不僅要額外的增加大量的節(jié)點(diǎn)，還造成了能量浪費(fèi)。閾值過低還可能導(dǎo)致永遠(yuǎn)無法達(dá)到模型要求的Tmax的標(biāo)準(zhǔn)。

（2）節(jié)點(diǎn)信任度閾值Tmin過高。閾值Tmin過高，可能導(dǎo)致可以選擇的工作節(jié)點(diǎn)過少，或者在網(wǎng)格點(diǎn)的感知半徑甚至沒有一個達(dá)到Tmin標(biāo)準(zhǔn)的節(jié)點(diǎn)。由此可見，節(jié)點(diǎn)信任度閾值在選擇上要經(jīng)過多方考慮，過高或過低都會帶來對整個網(wǎng)絡(luò)不利的結(jié)果。

2基于網(wǎng)格信任度的節(jié)點(diǎn)

當(dāng)(a)中的其中一個節(jié)點(diǎn)的信任度由0.8下降到0.7時，在新的運(yùn)行周期(b)內(nèi)，經(jīng)過調(diào)度算法，網(wǎng)格點(diǎn)的感知區(qū)域內(nèi)增加了一個新的信任度為0.9的節(jié)點(diǎn)，以達(dá)到要求的標(biāo)準(zhǔn)。在圖(a)中，節(jié)點(diǎn)n5和節(jié)點(diǎn)n6的整個傳感區(qū)域都可以被相鄰的鄰居節(jié)點(diǎn)所代替覆蓋。如果二者分別都感知到自身滿足休眠條件后，進(jìn)入休眠狀態(tài)，會導(dǎo)致覆蓋區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)盲點(diǎn)。為了避免出現(xiàn)覆蓋盲點(diǎn)的狀況，本文提出了基于信任度的退避算法。以上圖為例，經(jīng)過一段隨機(jī)的時間后（算法設(shè)計中介紹隨機(jī)時間選擇方法），如果該隨機(jī)時間相同，說明二者信任度相同，選擇編號高的節(jié)點(diǎn)；如果隨機(jī)時間不同，直接選擇時間短的，既為信任值高的節(jié)點(diǎn)。自適應(yīng)輪換調(diào)度算法描述本節(jié)我們首先了分析算法需要滿足的條件，然后設(shè)計了一種基于網(wǎng)格信任度的覆蓋算法來調(diào)度傳感節(jié)點(diǎn),使得監(jiān)控區(qū)域能夠達(dá)到安全的高覆蓋率。盡可能選取最少的工作節(jié)點(diǎn)來保證網(wǎng)絡(luò)的高覆蓋度，延長整個網(wǎng)絡(luò)的壽命。算法應(yīng)該是完全分布式，在信任管理的基礎(chǔ)上，基于鄰居節(jié)點(diǎn)的信息進(jìn)行決策。選取工作節(jié)點(diǎn)的過程應(yīng)該考慮到節(jié)點(diǎn)的信任度，盡量調(diào)度信任度高的節(jié)點(diǎn)，有利于提高整個網(wǎng)絡(luò)覆蓋的的安全度。所選取的工作節(jié)點(diǎn)應(yīng)該在覆蓋區(qū)域內(nèi)均勻分布。

3算法

基于網(wǎng)格信任度的可靠覆蓋機(jī)制，要求虛擬網(wǎng)格中存在著若干個處于正常狀態(tài)的活動節(jié)點(diǎn)監(jiān)控著目標(biāo)區(qū)域，而讓其余節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠狀態(tài)，達(dá)到既保持覆蓋質(zhì)量又能延長網(wǎng)絡(luò)生存時間的效果。網(wǎng)絡(luò)的生存時間被劃分為多個不同的時間段，每一個時間段內(nèi)又分為節(jié)點(diǎn)調(diào)度階段和工作兩個階段，調(diào)度階段也是通過與鄰居節(jié)點(diǎn)交換信息，根據(jù)信任度和節(jié)點(diǎn)位置來選擇節(jié)點(diǎn)。本文所提出的覆蓋算法是一種完全分布式算法，要求把對整個覆蓋區(qū)域的的覆蓋拆分成對覆蓋區(qū)域內(nèi)每一個網(wǎng)格點(diǎn)的覆蓋，最終達(dá)到相同的或者更高的覆蓋效果。該覆蓋算法不僅要解決信任管理和覆蓋相結(jié)合的問題，還要考慮活動節(jié)點(diǎn)的信任度變化對覆蓋區(qū)域的影響，以及基于信任度的退避機(jī)制設(shè)計問題。在對網(wǎng)絡(luò)覆蓋過程中，每經(jīng)過一個周期，相關(guān)工作節(jié)點(diǎn)的信任度都可能出現(xiàn)變化。如果有節(jié)點(diǎn)的信任度變小，會導(dǎo)致對網(wǎng)格點(diǎn)的信任覆蓋達(dá)不到Tmax的標(biāo)準(zhǔn)。需要在新的周期開始直接增加工作節(jié)點(diǎn)，以保證網(wǎng)絡(luò)可靠性。

作者：小龍 林亞平 易葉青 單位：廣州無線電臺有限公司