基於量子蟻群算法的無線傳感器網絡可信安全路由的製作方法
2024-02-17 14:32:15 2
專利名稱：基於量子蟻群算法的無線傳感器網絡可信安全路由的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種基於量子蟻群算法的無線傳感器網絡可信安全路由，它可提高無線傳感器網絡的收斂速度以及全局尋優能力，並可有效抵抗能量黑洞攻擊，屬於網絡安全領域。
背景技術：
無線傳感器網絡採用多跳無線通信技術，每個節點都是潛在的路由節點，且節點受到資源限制，各節點將採集到的數據利用多跳接力的方式發至匯聚節點，這必將導致內層節點承擔的數據發送量較重，能量消耗過快，最終導致網絡有效覆蓋面積降低。因此，無線傳感器網絡路由的選擇要結合節點的能量信息，使得網絡中節點的能量消耗能夠得到全局均衡，延長網絡連通正常工作的時間。蟻群算法屬於一類模擬自然界生物系統行為或過程的最優化群體智能算法，算法本身具備分布式計算、自組織性和反饋性等特點，與無線傳感器網絡的自組織網絡特點極其相似。將蟻群算法應用於無線傳感器網絡上，可以在很大程度的提高傳感器網絡性能，但該算法仍存在問題一是由於缺乏初始信息素，算法初期搜索過程進行緩慢，影響全局的收斂速度。二是在大規模傳感器網絡中，蟻群算法在尋找路徑時易陷入局部最優解，使算法過早收斂。當前網絡的安全性已經成為制約無線傳感器網絡發展的瓶頸，無線傳感器網絡的節點和組網特點，其能耗的限制，導致無線傳感網的安全威脅很多不同於傳統計算機網絡。我們認為無線傳感器網絡的路由算法應該滿足下面原則
I)保持全網全局能量負載平衡通過路由策略，讓各個節點分擔數據傳輸，平衡節點的剩餘能量，提高整個網絡的生存時間。2)具有一定的容錯性和網絡自愈功能無線傳感網絡容易發生故障，因此應儘量利用節點易獲得的網絡信息計算路由，以確保出現故障時能夠儘快地修復。3)以數據為中心，路由協議將繼續向基於數據、基於位置的方向發展。4)應具有可信安全性無線傳感網絡的固有特性，節點是開放的，且節點間缺乏信任機制，假定都是友好的節點，路由協議極易受到安全威脅，因此必須考慮設計具有可信安全機制的路由協議。無線傳感器網絡的一類主要安全攻擊是旨在惡意消耗節點能量，使得無線傳感器網絡不能有效地完成數據收集任務，目前所知道的有虛假路由信息、選擇性轉發、汙水池(sinkhole)攻擊、女巫(sybil)攻擊、蟲洞(wormhole)攻擊等眾多安全隱患。針對無線傳感器網絡的安全威脅中，虛假路由信息、選擇性轉發、Sybil攻擊都可以依靠密碼技術，通過數據加密防止傳送內容被敵手破解，同時依靠公鑰體制，實施雙向身份認證安全保障，防止非法節點接入無線傳感器網絡以及惡意節點改變身份，從而提高路由協議的安全性。但是對Sinkhole,特別是Wormhole此類的路由能量黑洞安全攻擊,一般的無線傳感網路由協議缺乏相應的對策，可信安全路由就是基於這類攻擊而提出的。
發明內容
鑑於以上所述現有技術存在的問題和不足，本發明的目的在於提供一種基於量子蟻群算法的無線傳感器網絡可信安全路由，提高無線傳感器網絡的收斂速度以及全局尋優能力，並可有效抵抗能量黑洞攻擊，增強網絡的安全性。
為了達到上述目的，本發明的構思如下
(I)由於傳統蟻群算法存在易陷入局部最優解和收斂速度慢等問題，量子計算的全局尋優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計中，量子蟻群算法就是將量子算法與蟻群算法相結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。量子蟻群算法應用於無線傳感器網絡路由，可以用量子比特直接表示當前信息素，用量子旋轉門來更新信息素，用量子非門實現信息素的變異，降低系統設計複雜性，從而降低節點的能量消耗。(3)從網絡安全的角度出發，考慮到無線傳感器網絡節點間缺乏信任機制，採用可信網絡思想，以節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，實現基於全局能量均衡的無線傳感器網絡可信安全路由算法。(4)引入相鄰節點可信度辦令為，螞蟻由節盧d選擇下一條節點時，首先計算鄰居節點的可信度值，然後選取可信度與自身差值小於一定門限的可信節點作為下一跳節點。此時時延可用節點間距離表示，距離越大可信度越小；節點的剩餘能量與當前節點的信息素濃度有關，剩餘能量越大表示經過的螞蟻越少，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絡的全局能量的均衡。根據上述發明構思，本發明專利採用的技術方案如下
一種基於量子蟻群算法的無線傳感器網絡可信安全路由，其特徵在於路由算法的具體步驟為
1)設定螞蟻個數為>傳感器網絡空間大小為，匯聚節點為,。初始化信息素巧，初
始迭代次數 = O, 為設定的最大迭代次數。初始最短路徑為_ = 。根據螞蟻個數及空間大小確定區域大小，將各螞蟻置於各搜索區域中；
2)計算到達匯聚節點的路徑&的距離七、可見度函數、信息素水平以及轉移概率；
3)第i只螞蟻根據可信度的大小來選擇到達匯聚節點r的路徑並記錄，同時釋放信息素。路徑越短則認為該路徑屬於最優路徑的可能性越大；
4)記錄此次迭代過程的最優路徑解並通過比較更新最優解為@；
5)應用量子門旋轉規則更新每條路徑上的信息素；
6) + 1(/< ·)，跳轉到步驟3);若滿足結束條件，即如果循環次數〗，則循環結束，終止迭代；
7)輸出最優解Steft=
6
上述步驟I)中初始化信息素的方法是設蟻群中共有》只螞蟻，每隻螞蟻攜帶《個量子比特，在無線傳感器網絡中從源節點到目的節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點,的路徑，記為路徑
權利要求
1.一種基於量子蟻群算法的無線傳感器網絡可信安全路由，其特徵在於確定路由的具體操作步驟如下 1)設定初始信息素設定螞蟻個數為《,傳感器網絡空間大小為Mf ,匯聚節點為,；初始化信息素％，初始迭代次數i= G , ■為設定的最大迭代次數；初始最短路徑= ;根據螞蟻個數及空間大小確定區域大小，將各螞蟻至於各搜索區域中； 2)確定可見度函數計算到達匯聚節點,的路徑七的距離4、可見度函數、信息素水平以及轉移概率； 3)路徑選擇 .第k只螞蟻根據可信度的大小來選擇到達匯聚節點i的路徑並記錄，同時釋放信息素，路徑越短則認為該路徑屬於最優路徑的可能性越大； 4)記錄此次迭代過程的最優路徑解I,並通過比較更新最優解各㈣； 5)信息素更新應用量子門旋轉規則更新每條路徑上的信息素； 6) = + 1( <4·)，跳轉到步驟3);若滿足結束條件，即如果循環次數則循環結束，終止迭代； 7)輸出最優解Stei。
2.根據權利要求I所述基於量子蟻群算法的無線傳感器網絡可信安全路由，其特徵在於所述步驟I)中初始化信息素的方法是設蟻群中共有《只螞蟻，每隻螞蟻攜帶w個量子比特，在無線傳感器網絡中從源節點到目的節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Ai的路徑，記為路徑七Cj= U…M,);設蟻群第中包含,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 = O, 為量子比特數#為量子比特的兩個概率幅，開始時;為(;= i，2,---，m)均取 。
3.根據權利要求I所述基於量子蟻群算法的無線傳感器網絡可信安全路由，其特徵在於所述步驟2)中計算可見度函數方法如下 可見度函數主要根據節點可信度確定，根據無線傳感器網絡的可信性三大基本指標時延、丟包率和剩餘能量，得出無線傳感器網絡節點α和相鄰的節盧的可信度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代表節點b的剩餘能量，a、P、a的選擇使得延時、丟包、剩餘能量三項值分別在O之間；由上式可看出，可信度與時延近似成反比，與節點剩餘能量近似成正比；在蟻群算法搜索建立無線傳感網路由時，根據式(2)計算得到W_Cmdibihiy{aM),代表相鄰的節點i具有多少可信度，決定下一跳是否選擇節點。
4.根據權利要求I所述基於量子蟻群算法的無線傳感器網絡可信安全路由，其特徵在於所述步驟3)中路徑選擇時，第.t只螞蟻根據可信度的大小來選擇到達匯聚節點I的路徑並記錄，同時釋放信息素，路徑越短則認為該路徑屬於最優路徑的可能性越大，具體操作方法如下螞蟻在節點選擇下一跳節點時，首先計算鄰居節點的可信度,並與自身相比較，若可信度W — —Μ,(a,b)與自身差值小於一定門限，則認為此鄰居節點為可信節點可以跳轉；否則重新計算其他鄰居節點，直到找到可信節點為止；此時時延可用節點間距離表示，距離越大可信度越小；節點的剩餘能量與當前節點的信息素濃度有關，剩餘能量越大表示經過的螞蟻越少，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絡的全局能量的均衡；螞蟻每經過一條路徑，釋放的信息素為
5.根據權利要求I所述基於量子蟻群算法的無線傳感器網絡可信安全路由，其特徵在於所述步驟5)中應用量子門旋轉規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後，利用量子旋轉門實現每條路徑信息素的更新
全文摘要
本發明涉及一種基於量子蟻群算法的無線傳感器網絡可信安全路由。其確定路由的具體步驟為1)設定初始信息素，2)確定可信度函數，3)路徑選擇，4)記錄和更新最優解，5)信息素更新，6)跳轉到步驟3)循環至終止迭代，7)輸出最優。分析表明，本路由確定方法的收斂速度以及全局尋優方面均優於傳統蟻群算法，能夠全局的平衡網絡節點的能量消耗，避免一些關鍵節點的過早死亡導致網絡分隔成很多孤島；可有效抵抗Wormholes攻擊等無線傳感器網絡特有的能量黑洞攻擊，並有助於構造可信網絡環境。
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 優先權日2012年10月17日
發明者王潮, 姜麗瑩, 賈徽徽, 劉瑞 申請人:上海大學