基于Beta分布的无线传感器网络分簇路由信任管理机制研究

尹月琴 张华健 张展图 李世慈

摘   要：信任管理机制为保障无线传感器网络安全提供了一种有效方案，通过对节点的行为进行评价，建立整个网络的信任管理机制，对判断的恶意节点采用相应的限制措施来保障安全。文章以Beta概率密度分布函数的期望值作为信任值，优化网络分簇路由协议，可在保障网络能量高效利用的同时，有效提升整个网络的安全性。

关键词：无线传感器网络;分簇路由;信任管理

无线传感器网络分簇路由能够有效提升整个网络的能量利用率及生存周期。分簇的基本思想是将整个网络划分为很多区域，将这些区域称为簇，也就是具有某种关联关系的节点集合，每个簇由一个簇头和多个簇内成员组成，低一级网络的簇头是高一级网络中的簇内成员，由最高层的簇头与基站进行通信[1-2]。

近年来，信任管理正成为一种有效保障传感器网络安全的方式，通过节点与节点之间的相互评价，建立整个传感器网络的信任系统，从而判断传感器节点是否可信，然后在整个网络生存周期内对不可信节点采取相应的限制措施，提高整个传感器网络的安全性。

1    信任管理机制研究现状

Blaze等[3]首先提出了信任管理的概念，用授权委托的方式解决“陌生人”授权问题，将授权与公钥绑定，互相认识的个体根据相互间的信任关系直接签署授权凭证，以授权委托的方式实现信任传递。Riaz等[4]提出了基于组的信任管理机制（Group Based Trust Management Scheme，GTMS），该算法采用节点之间的直接信任和间接信任综合评估节点的方法，并得出节点的信任值。Li等[5]在GTMS的基础之上更加强调了恶意节点的影响，并取消了簇内成员节点的相互反馈，节省了通信的开销。

本文充分考虑了信任管理的基本思想，结合Beta分布在无线传感器网络分簇路由的基础上建立信任管理系统，采用肯定事件以及否定事件来对节点进行信任评估，让信任计算更加精确，从而保障整个传感器网络的安全。

2    分簇路由信任管理机制的基本原理

（1）网络初始化阶段。本文采用LEACH协议随机选取簇头节点，所有节点产生0到1间的随机数，当随机数小于设定阈值的时候即当选为簇头节点，并向其他节点广播自己成为簇头节点的信息，其他节点根据接收到信息的强弱程度选择要加入的簇。

（2）网络管理阶段。在同一个簇内的节点相互通信，然后监听其他节点是否成功地将自己的数据包正确转发，若成功转发，则记作Sij;否则，记作失败交互Fij，下标表示节点i对节点j进行评价。通过基于成功以及失败的交互次数，结合Beta分布，计算出节点的信任值。

Beta概率密度分布函數为：

（1）

其中0≤p≤1，α，β>0。

节点信任值即为Beta概率分布密度函数的期望值：

（2）

其中，Tij表示节点i对j的信任值，α和β分别表示双方成功交互次数与失败交互次数。

当计算出其他所有节点的信任值后，会将这些信任值发送给簇头节点，簇头节点通过以下矩阵来记录这些信任值消息：

（3）

假设簇内有n个节点，除去簇头节点则有n-1个成员节点，成员节点之间互相评价，构成上面的n-1阶方阵，同时为了避免自己对自己进行评价，将对角线置零。簇头节点获得了每个节点对于其他所有节点的评价，从而计算出节点的综合信任值：

（4）

经过计算当χ≥0.8时，节点判定为可信节点;当0.2≤χ<0.8时，节点判定为可疑节点;当χ<0.2时，节点判定为不可信节点。对于可信的节点，优先选择通信，并在轮换簇头时优先考虑;对于不可信的节点则不与其进行通信，并广播其不可信消息，通过此方式可有效保障整个传感器网络的安全。

（3）网络维护阶段。采用簇内成员节点到簇头节点层次相同的计算方式，簇头节点之间相互合作，转发数据，计算成功和失败交互次数，并通过以上公式得出簇头节点的综合信任值。在此过程中，需要定期监督节点的剩余能量，在发现节点低于正常工作的能量阈值时，则认为该节点已不能正常工作，将其丢弃，并不再与其进行通信。

3    实验分析

本文采用TRMSim-WSN仿真平台对所提方法进行分析，假设网络监测范围为100×100 m的平面矩形区域，节点数量为72个，随机分布在网络监测区域内，其仿真结果如图1—2所示。

可得，本文所提的分簇路由信任管理机制与经典的信任管理机制RFSN相比，在相同的恶意节点比率下，恶意节点检测率及事件数据报告率均有所提升。

4    结语

本文提出了一种基于Beta分布的无线传感器网络分簇路由信任管理机制，分别从网络初始化阶段、网络管理阶段以及网络维护阶段提出相应解决方案，并判断节点综合信任值，进而采取相应措施，以维护整个传感器网络的路由安全。

[参考文献]

[1]沈波，张世永，钟亦平.无线传感器网络分簇路由协议[J].软件学报，2006（7）：1588-1600.

[2]AUDUN J.A logic for uncertain probabilities[J].International Journal of Uncertainty，Fuzziness and Knowledge-Based Systems，2008（3）：279-311.

[3]BLAZE M，FEIGENBAUM J，LACY J.Decentralized trust management[C].Oakland：IEEE Conference on Security and Privacy，1996.

[4]RIAZ A，HASSAN J，SUNGYOUNG L.Trust management problem in distributed wireless sensor networks[C].Sydney：12th IEEE Conference on Embedded and Real-Time Computing Systems and Applications，2006.

[5]LI X Y，ZHOU F，DU J P.LDTS：a lightweight and dependable trust system for clustered wireless sensor networks[J].IEEE Transactions on Information Forensics and Security，2013（6）：924-935.

Study on trust management mechanism of cluster routing in wireless

sensor networks based on Beta distribution

Yin Yueqin1， Zhang Huajian1， Zhang Zhantu2， Li Shici3

（1.State Grid Yanan Electric Power Supply Company， Yanan 716000， China; 2.Xian Shiyou University， Xian 710000， China;

3.School of Electrical Engineering， Northeast Electric Power University， Jilin 132012， China）

Abstract：With the wide application of wireless sensor network， the realization of WSN energy efficiency and the protection of network security are facing great challenges. The trust management mechanism provides an effective scheme for the WSN security. By evaluating the behavior of nodes， the trust management mechanism of the whole network is established， and the corresponding restrictive measures are adopted to ensure the security of malicious nodes. In this paper， the expected value of Beta probability density distribution function is used as the trust value to optimize the network clustering routing protocol， which can ensure the efficient use of network energy and effectively improve the security of the whole network.

Key words：wireless sensor network; clustering routing protocol; trust management mechanism