文摘
在网络中,路由算法需要处理动态变化的网络拓扑结构,额外的开销、节能等要求。因此,在网络路由是一个非常有趣和富有挑战性的问题。在本文中,我们提出一种新颖的仿生可信路由方案(B-iTRS)基于蚁群优化(ACO)和绒泡菌自主优化(PAO)。信任评估,B-iTRS监控邻居的行为实时接收反馈,然后评估邻居的信任的基础上获得的信息。每个节点的路由方案,发现到水槽基于配电网和PAO的路线。路径的过程中发现,B-iTRS感觉每个节点的负载和信任值,然后计算负载的链接和链接发现路线的信任支持路线选择。此外,B-iTRS也评估基于PAO的路由维护路由表。仿真结果表明B-iTRS如何实现有效的性能比现有最先进的算法。
1。介绍
移动无线传感器网络(网络)自治无线通信网络和应用程序的理想候选人报告检测到感兴趣的事件,如军事侦察和森林大火(1,2]。因为传感器节点的移动性和失败、有限的带宽和电力能源,路由算法需要处理动态变化的网络拓扑结构,额外的开销,节能、和其他要求。因此,在网络路由是一个非常有趣和富有挑战性的问题。
传统的网络路由协议假定所有传感器节点在仁慈的方式工作,这可能会使网络容易受到恶意攻击的自私和恶意节点的存在。路由协议、数据、电池能量和带宽是常见的这些攻击的目标。科学研究证明,自私的行为将严重影响网络性能3]。由于多次反射的安全通信的可靠性取决于节点主要目的地的路由上,是很重要的路由协议知道节点的可靠性形成的路线。此外,如何保证多次反射路线的效率很重要,延长了网络寿命。因此,安全性和效率是网络路由的显著特征。
最近,许多研究成果提出了信任和路由的效率。为了解决的安全路由协议,一些技术(例如,信任值,检测,密码学,和数据隐藏),提出了基于不同的应用程序(1- - - - - -5]。包等。4)提出一个高度可伸缩的以信任为基础的地理路由协议(TGRP)轮为有效应对自私或恶意节点。詹et al。1)设计和实现TARF,一个健壮的trust-aware路由网络动态框架。一些方法(例如,位置感知方法,节能意识的方法,能量收集方法,以及它们的组合)(讨论6- - - - - -9]。杨和Heinzelman [7建议睡多路径路由,选择不相交路径的最小数量达到给定可靠性要求和能源效率的权衡。Trajcevski et al。8]目前启发式的方法来缓解一些边界节点的路由负载了网络的能量洞位置感知。陈等人。9)提供一个方法来提高收集传感器数据的效率基于quadrotor-based移动。
仿生方法(10- - - - - -15)便于解决问题不管路由协议的安全性和效率。枪等。10ARA)提供了一个按需路由算法基于蚁群优化(ACO)和AODV [16]。迪卡罗et al。11)提出了混合路由算法AntHocNet,人工蚂蚁反动地设置多个航线需求和主动测试现有的路径和通信会话过程中探索新的路径。Tero et al。12绒泡菌自主]提出一个数学模型优化(PAO)。李等人。13)提出一个基于PAO的无线传感器网络路由协议。我们研究绒泡菌和现在的觅食法则Physarum-inspired网络路由协议(14,15]。
此外,信任计算或管理是重要的评估节点的可靠性。任等。17]提出一种信任管理方案UWSNs提供高效和健壮的信任数据存储和信任的一代,在地理采用哈希表。陈等人。18)设计并验证安全路由优化的动态信任管理协议DTN环境行为端正的,自私的,恶意节点。要不是et al。19]目前恶意节点检测方案为无线传感器网络,在检测到恶意节点通过计算平均事件的循环次数。Indhu Lekha和Kathiroli20.]提出一种基于矢量的信任机制,指定一个集群头基于更高的信任值计算最早的位向量和增强的证书撤销方案丢弃的授权行为不端的节点。王等人。21)提出了框架ARTSense解决没有身份的“信任”的问题在移动传感、语境因素在哪里使用动态影响传感数据的可信度以及来自不同数据源的数据之间的相互支持和冲突。
在本文中,我们提出一种新颖的仿生可信路由方案(B-iTRS)综合思想的信任和负载。B-iTRF包括信任机制和路由方案。信任机制,B-iTRS评估节点的信任值通过监测节点的实时行为,并接收反馈。路由方案,B-iTRS发现路线基于算法通过引入跨层(22基于PAO)和评估发现的路线。
本文的其余部分组织如下。部分2介绍了用于B-iTRS模型。部分3拟议中的B-iTRS细节。部分4用数学方法分析B-iTRS。部分5评估与广泛的仿真模型和算法。最后,结论部分给出了6。
2。系统框架和模型
2.1。典型的网络场景
本文认为大多次反射了网络的节点随机分布在一个二维空间。我们假设(1)每个节点只有一个频道,(2)干扰范围等于传播范围,和(3)所有通信链接是双向的。
基于假设,网络可以抽象为图,在那里所有节点的集合,所有边的集合。每条边表示两个节点位于彼此的传播范围。
在某些情况下,节点沿着特定的轨道,周期性地广播当前提高收集数据的效率。这样的一个例子了网络的拓扑结构如图1。
2.2。B-iTRS框架
基于上述讨论,图2说明的设计提出B-iTRS框架由信任评估和路由方案。
每个节点信任评估,实时监测其邻居的行为和接收反馈节点。基于邻居的行为和反馈信息,B-iTRS评估信托的邻居;添加相应的邻居的信任,由不同的积极、消极,或根据行为的重量或零值的反馈。在大多数情况下,信任由两个sections-direct信任和间接信任。由于相当大的交通负荷,计算成本,本文只考虑了直接信任。
对于路由方案,感知算法是用于查找和评估路线。每个节点发送感知forward-ants找到路线的,跨层感知(22]介绍了支持路线选择。当一只蚂蚁跳节点到节点的来源,它首先感觉自己的负载和信任对节点。然后,B-iTRS评估的信任,负载和路由的可用性。如果路由的可用性值小于一个特定的阈值,B-iTRS杀死backward-ant和丢弃的路线。否则,路线的适当位置插入节点的路由表根据可用性价值。重复这个过程,直到backward-ant到达源。当线路发生故障时,线路维护触发迅速恢复的路线。
2.3。信任评估模型
B-iTRS,每个节点监控其邻居的行为实时重量然后分析他们得到他们的信任,因为分析节点的行为可以显示该节点是否自私,是像一个黑洞,正在开展一个修改或伪造攻击,是诱发延迟延误推迟的重传包(23),等等。为了减轻计算负担,我们不调整行为的信任重量自动但采用前信托重量是由离线的决定。
如果一个新邻居的节点出现时,节点赋予它与初始信任值,这是由 在哪里节点的信任值吗关于th的邻居,是邻居的数量,和是一个常数。
一旦节点获得关于邻居的特定行为通过监测,节点分析了基于先验知识的行为识别的邻居的行为并获得信任行为的重量,然后更新节点的信任值对邻居通过 在哪里信托行为确认的重量,后的信任值吗th更新和后的信任值吗更新。
一旦节点接收反馈的邻国节点,节点分析反馈信息修改其邻国的信任 在哪里是更新后的信任值,更新之前的信任值,节点的信任重量吗基于反馈的节点,同样是标准化的范围吗。
2.4。感知算法查询模型
我们改善传统蚂蚁根据配电网的蚂蚁获得查询和path-assessment模型通过引入跨层感知(22]。MWSNs表示的图,每条边一个变量人工信息素吗,这是一个迹象表明使用边缘和修改的蚂蚁时,从节点到节点。
一个敏锐的蚂蚁位于节点使用的节点计算节点的概率作为下一跳: 在哪里满足和组单节点的邻居吗。
一旦感知蚂蚁从节点到节点感觉两个指标和测量状态的联系,表示节点的传输等待队列的长度和表示节点的信任值关于。如果它是th时间知觉的蚂蚁经过边缘,存放信息素和蒸发信息素,分别是紧随其后 在哪里,,,,是常数,。表示信息素在边缘后th沉淀或蒸发。方程(4),(5)和(6)用于在B-iTRS找到路线。
当一个向后的蚂蚁从节点到节点在来源、链路质量和链路负载评估的指标,分别 在哪里,,是常数,和表示节点的链路可靠性和链路负载到节点,分别。方程(7)和(8)是用来评估在B-iTRS发现了路线。
2.5。PAO Path-Assessment模型
在本节中,我们改进PAO收购PAO path-assessment模型。从[12- - - - - -15),每个plasmodial通量管 在哪里是管的两端的压差,是一个管的导电率,然后呢管的长度。绒泡菌饲料对分布式食物来源通过适应疟原虫改变每个管的流量,所描述的 在哪里是一个管的衰变率是一个单调递增连续函数满足吗。
自从PAO来自流体动力学和不能直接用于马奈,我们替换与信任的联系,与表示节点的跳到节点,与。因此,我们获得 在哪里通过无线通信的虚拟通量链接吗,信任的速度改变,是一个常数满足。方程(12)用于在B-iTRS选择最优路线。
3所示。B-iTRS协议
B-iTRS由信任评估和路由方案。每个节点的信任评估运行在独立收购其邻居的信任。路线方案基于帕科和PAO工作。模块结构如图3。
3.1。数据结构在B-iTRS
主要有三种数据结构在B-iTRS-perceptive ant结构中,路由表,信息素表。敏锐的蚂蚁seven-tuple的结构。字段存储源节点的地址。每只蚂蚁字段存储序号标记。源和目的节点逐步生成一个每一次前进——或者backward-ants发送出去。这一对可以唯一地标识蚂蚁的一代。指出蚂蚁的类型。有四种类型的蚂蚁:首先是感知forward-ant用于寻找路线;第二个是感知backward-ant源用于返回路线;第三个是通知ant用于发送通知其他节点;最后错误ant用于向其他节点发送错误。forward-ant,啤酒花指出最大的啤酒花,一只蚂蚁可以移动。backward-ant,啤酒花字段存储啤酒花的路线。 字段存储节点的顺序从来源到目的地。和测量链路的可靠性和链路负载的发现路线,分别。
每个节点需要维护路由表的结构是six-tuple。从源到目标字段存储啤酒花。信息素表三的结构表示信息素的链接吗是。
3.2。路由发现
当一个源希望发送数据包首先,它查找路由表。如果找到只有一个路由,路由发现过程已经结束。如果找到多个路线,路线选择是根据执行(12)。
如果没有从源头来在路由表,路由发现将被触发。的节点设置一个超时并发送感知forward-ants寻找新的路线,字段设置为允许的最大值,这意味着每一个感知forward-ant会死才发现,一个节点路由,或移动限制最大的啤酒花。
当forward-ant到达一个中间节点,它检查是否未尽的路线的目的地已经存在于路由表首先。未过期的路线,如果有一个或多个最优路线选择根据(9),并生成相应的感知backward-ant沿着发现路径和发送回源。否则,转移概率、信息素沉积和蒸发计算后(4),(5)和(6),分别。感知forward-ant达到一次,生成一个相应的backward-ant沿着发现和发送回源路径。
当感知backward-ant达到每个中间节点的来源,B-iTRS将执行两个操作。首先,信息素沉积,信息素的蒸发,链接质量,和链接后负荷计算(5),(6),(7)和(8),分别。其次,新路线将被添加到节点的路由表。感知backward-ant后到达源,新路线将被添加到路由表。
如果是时间没有找到路线,路线发现失败。如果找到只有一个路由,路由发现过程已经结束。如果发现多个路线,(9)是用来确定最优路线。
3.3。线路维护
路线维护处理路由故障特别是由于节点移动或在MWSNs分解非常常见。如果发生故障的路线,破碎的上游节点链接将触发一个修复程序找到新的途径,这是类似于路由发现。如果找到的另一条途径,传播情况和通知蚁发送源更新路径上的每个节点的路由表。如果没有找到路线,蚂蚁一个错误将被发送到源以及更新路径上的每个节点的路由表。在收到一个错误蚂蚁,如果源仍然需要传输的数据包,它可以选择备份路由或其他未过期路由在路由表中找到,甚至发起一个新的路由发现过程中区域。
4所示。B-iTRS分析
在本节中,我们分析B-iTRS通过数学理论分析的可行性。我们研究两个节点的情况下连接到同一个节点竞争下一跳,如图4。
有两个节点和。为简单起见,我们以后替换,,,,,通过,,,,,,分别。从(9)和(10沿着每条路径),虚拟通量计算
自和是负的,适应方程(9)成为
设置,,,我们有
经过计算,我们得到
从(10),如果我们假设是常数和使用替换,替换,替换,我们获得
也就是说,如果我们假设是恒定的,有一个平衡点的。如果我们假设是恒定的,有一个平衡点的。如果两个和不是常数,有一个更复杂的平衡点。因此,B-iTRS总是收敛,这是非常重要的一种路由协议。
5。仿真结果和分析
我们分析网络模拟器B-iTRS ns-2(2.34版)和比较其仿真结果与AODV, AntHocNet, TGRP。在基本模拟场景中,节点放置在一个矩形的中心面积600×600,和100节点是均匀放置在该地区,根据随机的方式流动模型(RWP) [24]。的沿着椭圆轨道中心的矩形区域。它周期性地广播目前位置,如图1。在模型中,每个节点走向一个随机方向速度均匀分布(0,10 m / s)。一旦一个节点到达目标位置,它暂停休息2 s发送或传输数据包,然后以同样的方式推进。20所产生的数据流量是恒定比特率(CBR)源发送的单每2 s 64字节。广播传播范围和数据率设置为50米和2 Mbit / s,分别。参数如表所示1。
每次仿真运行的600年代。我们每个仿真场景运行10次获得结果并比较它们的平均值。结果和分析如下所示。
图5显示的端到端延迟和节点数量当恶意节点的比例是8%。AODV是按需协议以来,它的端到端延迟是最严重的四个协议。因为AntHocNet可以主动测试现有的路径和探索新的通信会话过程中,端到端的延迟比AODV的。因为B-iTRS和TGRP可以处理恶意节点,它们的端到端的延迟比AODV和AntHocNet更好。
图6显示的端到端交付率和节点数量当恶意节点的比例是8%。在第一阶段中,每个交货率迅速增加的节点数量的增加。后的节点数量达到一个特定值时,大约交货率将保持一个稳定的值。自B-iTRS TGRP采用的安全机制,他们交付比例是相似的和更大的比AODV和AntHoc。
图7显示开销和节点数量当恶意节点的比例是8%。由于AODV是一个纯粹的反应和AntHocNet混合,控制管理费用最小和第二至少在四个协议,分别。然而,控制管理费用迅速增加的节点数量的增加。由于B-iTRS需要处理邻居的信任反馈,控制开销大于TGRP这只需要处理的信任。
图8显示了恶意节点的端到端延迟和比例。因为AODV和AntHocNet不能处理来自恶意节点的攻击,他们的端到端延迟恶意节点的增加而增加,而且增量越来越大。因为B-iTRS和TGRP可以处理恶意节点,它们的端到端延迟是相似的。
图9显示交货率和恶意节点的比例。每个交货率降低的比例逐渐增加的恶意节点,和衰减是越来越大。在第一阶段中,每个交货率小的比例的增加减少恶意节点。后恶意节点的比例达到一个特定值时,这两个交付比例将迅速减少。因为B-iTRS和TGRP采用的安全机制,交付比率相似,减少缓慢。
6。结论和未来的工作
在本文中,我们目前的B-iTRS,可信路由方案基于仿生的方法。B-iTRS使用感知蚂蚁反动地维护路由表,链接状态的指标是由敏锐的感觉到蚂蚁找到支持路径。然后,B-iTRS使用PAO从多个路由选择最优路线。事实上,B-iTRS致力于结合两种算法的优点和PAO改善的有效性能,验证了仿真结果。该方案可用于网络和马奈的场景。在未来的工作中,我们考虑延长链接状态指标(如干扰、能源)和实际流动模型的节点引入B-iTRS符合真实网络环境。
利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
这部分工作是由中国国家自然科学基金(批准号下的国家自然科学基金委)U1404611,不。U1204614,没有。61370221的关键项目下的河南省教育部批准号14 b520031,部分项目科技创新研究团队在河南大学批准号14 irtsthn021,部分项目的科技创新人才在河南大学的批准号14 hastit045。