初研網絡信任指數的構想與算法

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1基于信任管理的模型

1.1網格點信任模型

網格點是虛擬網格剖分目標區域形成的，即劃分網格時的橫縱坐標的交叉點。通過以網格點為圓心，以節點通信半徑為半徑內的活躍節點（信任度超過節點信任閾值的節點）對網格點進行并行覆蓋，經過量化，最終得到網格點的信任度。本模型基于以下假設:通過某種定位算法可以得到無線傳感器節點和和網格點的位置，即這些點的坐標值。虛擬網格的尺寸限制于min(2/4Rc，2/2Rs)，即每個網格的邊長。節點的信任度是基于某個信任管理模型量化出來的，相關過程具體內容本文中不再討論。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:節點信任度閾值，信任度低于該閾值的節點被判定為惡意節點。（該閾值是由所選信任管理模型，節點數量等因素決定）Tmax:網格點聯合信任閾值，若網格點信任度量化后低于該閾值則不能保證覆蓋區域的質量和安全性。（該閾值由周圍工作節點的數量以及他們的信任度等因素決定）Na：表示為惡意節點，節點的信任度低于Tmin。Nb：表示為休眠節點，節點的信任度雖然高于Tmin，但是經過輪換調度算法最終被判定為冗余的節點。Nc：表示為工作節點，節點的信任度高于Tmin，并且經過輪換調度算法活躍的節點。Rc：節點通信半徑。Rs：節點感知半徑。具體的選擇工作節點的過程，將在接下來基于網格信任度的節點自適應輪換調度算法的描述中講到。以網格點為圓心，Rs為半徑范圍內的活躍的工作節點對網格點進行量化處理，得到該網格點的聯合信任度。如果所有網格點的信任度都高于信任度閾值Tmax，說明該覆蓋區域已經達到了高覆蓋度和安全度的要求。如果有網格點的信任度低于閾值Tmax，說明達不到安全的高覆蓋度要求，則需要重新對達不到要求的網格點進行調度。

1.2網格點信任度數學模型

為了使網格點的感知半徑內能夠具有更好的安全性，要求感知半徑內一半以上的工作節點正常工作的概率大于網格點信任度閾值Tmax，這樣才能保證網絡的正常運作。假設網格點Wij的感知半徑內有n個比較可信任的節點（超過節點信任閾值Tmin的節點），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點信任度組成的集合，其中m表示感知錯誤節點數量，k表示其中一種可能性。例如，S21={T1,T2}代表感知錯誤節點有兩個，{T1,T2}是錯誤節點的其中一種可能性。則網格點的信任度數學模型為：12()111(1)mkmkknnnijTSTSSmkCTwTTT(1)其中，T表示感知錯誤節點的信任度，T表示正常工作節點的信任度，)T(SSmkT為所有感知正確節點的信任度的乘積，S-Smk為該網格點感知半徑內正常工作節點的信任度組成的集合。只有所有覆蓋目標區域網格點的信任度都達到閾值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點信任度閾值Tmin的大小對信任模型有很大影響，下面對可能出現的幾種情況進行討論：

（1）節點信任度閾值Tmin過低。信任度過低的節點加入到模型中，會導致需要加入更多的高信任度節點以保證網絡的安全性。這樣不僅要額外的增加大量的節點，還造成了能量浪費。閾值過低還可能導致永遠無法達到模型要求的Tmax的標準。

（2）節點信任度閾值Tmin過高。閾值Tmin過高，可能導致可以選擇的工作節點過少，或者在網格點的感知半徑甚至沒有一個達到Tmin標準的節點。由此可見，節點信任度閾值在選擇上要經過多方考慮，過高或過低都會帶來對整個網絡不利的結果。

2基于網格信任度的節點

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

3算法

基于網格信任度的可靠覆蓋機制，要求虛擬網格中存在著若干個處于正常狀態的活動節點監控著目標區域，而讓其余節點進入休眠狀態，達到既保持覆蓋質量又能延長網絡生存時間的效果。網絡的生存時間被劃分為多個不同的時間段，每一個時間段內又分為節點調度階段和工作兩個階段，調度階段也是通過與鄰居節點交換信息，根據信任度和節點位置來選擇節點。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域的的覆蓋拆分成對覆蓋區域內每一個網格點的覆蓋，最終達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合的問題，還要考慮活動節點的信任度變化對覆蓋區域的影響，以及基于信任度的退避機制設計問題。在對網絡覆蓋過程中，每經過一個周期，相關工作節點的信任度都可能出現變化。如果有節點的信任度變小，會導致對網格點的信任覆蓋達不到Tmax的標準。需要在新的周期開始直接增加工作節點，以保證網絡可靠性。

作者：小龍 林亞平 易葉青 單位：廣州無線電臺有限公司