[发明专利]一种基于能量场的传感网恶意节点检测方法

摘要

本发明公开了一种基于能量场的传感网恶意节点检测方法，包括步骤有：（1）构建基于能量场的无线传感网；（2）在所述传感网中运用ARMA预测模型来预测节点的剩余能量值；（3）基于能量的恶意节点检测。本发明构造了基于能量场的传感器网络使得能量消耗更加均衡有效延长网络的寿命，并且运用实时性较强的ARMA预测模型对节点能量进行预测，提高安全报警的准确度。更重要的是，现有技术中阈值的定义根据节点发送数据的能量消耗来计算的，若节点遭受攻击不断发送数据那么使得其阈值变大，而本发明采用动态阈值选取，并考虑了簇内节点成为簇头消耗能量较大的因素，进一步提高了检测的准确度。

主权项

1.一种基于能量场的传感网恶意节点检测方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：(1)构建基于能量场的无线传感网；(2)在所述传感网中运用ARMA预测模型来预测节点的剩余能量值；(3)基于能量的恶意节点检测；步骤(1)包括如下步骤：(1‑1)假定所有节点能量同构，每个节点确认自身的剩余能量，且节点在成为簇头期间不会受到恶意攻击；采用分布式自组织协议Leach协议进行分簇和选定簇头节点，使所有节点以轮为工作周期，周期性地轮流作为簇头节点；(1‑2)每轮簇头节点被确定时，通过一个单值能量势能函数计算出自身的势能值，并将自己的势能值通过与其周围邻居簇头节点数据通信时发送给邻居簇头节点；簇头节点获取周围邻居簇头的势能值的同时，通过接收无线信号的强弱或衰减程度算出与另一个簇头节点之间的通信开销Cuv，并计算出驱动数据分组流向各个邻居簇头节点力的大小；(1‑3)簇内节点将传感数据转发到自己所在簇的簇头节点，簇头节点进行数据转发时，转发给与它相邻的邻居簇头节点力Fu→v值最大的簇头节点，第二跳节点收到该数据分组，搜寻邻居簇头节点力Fu→v值最大的簇头节点，并转发该数据分组，直至数据分组到达唯一终点Sink节点；(1‑4)在每轮选举出的簇头节点中通过簇头节点之间的多跳路由与Sink节点形成一个“多对一”的且具有向心性的网络通信模型；步骤(2)包括如下步骤：(2‑1)计算节点发送数据的能量消耗Etx和接收数据的能量消耗Erx；(2‑2)簇头节点确认每轮簇内节点的剩余能量值和能量消耗值；(2‑3)簇头节点获取到的簇内节点消耗能量为X₀,X₁,…,X_i,…,X_n，并以此顺序为序列，对该序列建立ARMA(1,1)模型预测下一轮簇内节点能量消耗值(2‑4)将第j轮能量消耗预测值代入式得节点第j轮的剩余能量预测值步骤(3)包括如下步骤：(3‑1)选取报警阈值；(3‑2)根据得到的阈值T’，计算第Ri轮剩余能量实际值E_Ri与剩余能量预测值的差值；(3‑3)在M轮通信过程中，若簇头节点有连续ω轮预测与实际剩余之差的绝对值δ超过阈值T’，所述簇头节点将产生报警消息，报告此节点发生能量异常；步骤(3‑1)报警阈值的计算方法为：簇头节点按簇内某节点当选簇头节点的次数，分别计算簇内节点能量的平均值，并得到针对于当选簇头节点次数不同的各个簇内节点的当前的阈值T'，公式如下：其中，ClusterCnt是节点当选簇头节点的次数；是第Ri轮簇头节点对簇内节点的剩余能量预测值；E_Rimean是第Ri轮且当选簇头ClusterCnt次簇内节点的实际剩余能量平均值；a是阈值选取的参量，根据准确度的需求设定；步骤(3‑2)中所述第Ri轮剩余能量实际值E_Ri与剩余能量预测值的差值的表达式为：步骤(1‑2)所述单值能量势能函数为V(y)＝ay+b，其中a>0,函数单调递增；y为节点本身的剩余能量；步骤(1‑2)所述簇头节点力的计算公式为：其中，Cuv为两个簇头节点间的通信开销；V(u)为u节点根据单值能量势能函数计算出自身的势能值；V(v)为v节点根据单值能量势能函数计算出自身的势能值；步骤(2‑1)计算节点发送数据的能量消耗Etx的表达式为：Etx＝kETelec+kd2Eamp计算节点接收数据的能量消耗Erx的表达式为：Erx＝kERelec其中，ETelec为发送每个比特需要消耗的能量；ERelec为接收每个比特需要消耗的能量；Eamp为信号放大器能耗；d为指网络中单个节点的最大通信距离；k为要发送或接收的数据比特位数；步骤(2‑2)中设滑动时间窗的大小为n，簇头节点获取每轮节点消耗能量为X0,X1,…,Xi,…,Xn，其中Xi＝Etx,i(h,d)+Erx,i(h)Xi表示节点第i轮能量消耗；Etx,i(h,d)为第i轮节点发送数据的能量消耗；Erx,i(h)为第i轮节点接收数据的能量消耗；剩余能量为第i‑1个节点的剩余能量减去第i个能量消耗；步骤(2‑4)所述剩余能量预测值的表达式为：其中，为第j轮剩余能量预测值，E_j‑1为第j‑1轮节点的剩余能量实际值，为节点能量消耗预测值。