[发明专利]一种基于改进GA的无线传感器网络分簇安全路由方法

说明书

本发明涉及一种无线传感器网络安全路由方法，特别是一种基于改进GA的无线传感器网络分簇安全路由方法SCRGA(a trust‑aware Secure Clustering Routing protocol for wireless sensor networks using an enhanced Genetic Algorithm)。该方法将簇头选举和路由搜索用同一个染色体编码，并基于簇头综合信任值最大、全网能量消耗最小以及负载均衡为目的构建适应度函数，遗传操作时定义约束条件避免非合理个体产生，提高收敛速度，提高能量效率和负载均衡性，在保障网路安全的基础上有效延长了生命周期。

技术领域

本发明涉及一种无线传感器网络安全路由方法，特别是一种基于改进GA 的无线传感器网络分簇安全路由方法SCRGA(a trust-aware Secure Clustering Routingprotocol for wireless sensor networks using an enhanced Genetic Algorithm)。该方法将簇头选举和路由搜索用同一个染色体编码，并基于簇头综合信任值最大、全网能量消耗最小以及负载均衡为目的构建适应度函数，遗传操作时定义约束条件避免非合理个体产生，提高收敛速度，提高能量效率和负载均衡性，在保障网路安全的基础上有效延长了生命周期。

背景技术

随着物联网和智能制造地快速发展，无线传感器网络被广泛应用于军事、环境监测、太空探索等领域。为了有效延长无线传感器网络生命周期，通过分簇路由来组织节点并传输数据至基站，已经被大量研究证明是一种十分有效的方法。然而，由于无线传感器网络的大规模和动态特性，路由容易遭受来自网外和网内恶意节点的攻击。因此，安全分簇路由协议设计成为无线传感器网络的研究热点。

加密和身份认证是一种有效提高分簇路由安全性的方法，但此类算法计算复杂、能耗高且通常只能抵御外部攻击。而基于信任感知的安全分簇路由能够识别恶意节点，抵抗内部攻击，提高网络安全性。不同于非分簇安全路由算法中所有的节点都参与路由计算，分簇安全路由仅选取网络中信任度高的节点参与最优路径搜索，保证安全的同时提高了网络能量效率。但现有路由安全算法都通过本地决策选择簇头和选择簇头下一跳，无法找到最优簇头和路径。此外，现有算法在信任值计算、簇头选举和路由时通常不考虑节点负载，导致网络负载不均衡，从而降低网络生命周期。而遗传算法具有良好的全局搜索能力，常用来寻找最优簇头或路由。但基本遗传算法存在收敛速度较慢，容易陷入局部最优等缺点。

发明内容

针对现有信任感知无线传感器网络安全路由协议局部决策导致整体安全性不足以及能耗和负载不均衡问题，提出了一种基于改进遗传算法的无线传感器网络信任感知安全路由协议SCRGA。本发明共分为两个部分，即信任评估和改进遗传算法寻路。信任评估是根据各个节点的邻居节点的行为来评价邻居的安全性。节点根据直接信任值、间接信任值、挥发因子和剩余能量计算得到新的综合信任值。以综合信任值评价节点的安全性，综合信任值越高就代表节点越安全。改进遗传算法寻路是为了保证节点能够寻找到安全可靠的路由，同时路由的能量消耗低。以综合信任值最大、网络能耗最小以及负载均衡为目标，构建了相应的适应度函数，并将簇头选择和路由搜索用单个染色体编码，通过改进的遗传操作形成优化的下一代，从而找到最优的簇头集和每个簇头的最佳路由路径。

所述的信任评估包括计算直接信任值、计算间接信任值和计算综合信任值。与传统的安全路由算法一样，节点的综合信任值是参与簇头选举和路径搜索的基础，综合信任值大的节点安全性更高，其更有可能被选为簇头和中继节点。节点根据邻居节点的接收和发送数据包个数，计算其对每个邻居节点的直接信任值，同时为了保证直接信任值的准确性，还定义了挥发因子，目的是快速降低从具有高信任度值的普通节点被捕获成为恶意节点的信任值。节点i对节点j的间接信任值是由它们的公共可信邻居节点提供的直接信任值综合计算而来，以避免某个节点的恶意评价。节点的综合信任值则根据计算的直接信任值和间接信任值整合得到，作为最终节点的安全评价标准。