黃小龍，蔡 艷，屈遲文+

(1.百色學(xué)院 信息工程學(xué)院，廣西 百色 533000；2.澳門(mén)科技大學(xué) 信息學(xué)院，澳門(mén) 999078)

0 引 言

由于移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)[1]中的各個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)都可以隨時(shí)進(jìn)出網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化很大。在數(shù)據(jù)通信過(guò)程中，路由需要根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化而變化。在通信過(guò)程中，由于各個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在接收和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的過(guò)程中一直在消耗能量，如果某一移動(dòng)節(jié)點(diǎn)經(jīng)常被用作中繼節(jié)點(diǎn)，那么該節(jié)點(diǎn)的能量消耗很快，當(dāng)該節(jié)點(diǎn)的能量低于一定值之后，該節(jié)點(diǎn)就不具備數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的能力，此時(shí)該節(jié)點(diǎn)就成了異常節(jié)點(diǎn)。另外，移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)中還可能存在入侵的惡意節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)不僅可以監(jiān)聽(tīng)移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)中的通信內(nèi)容，給傳輸數(shù)據(jù)的安全性帶來(lái)嚴(yán)重威脅；而且惡意節(jié)點(diǎn)經(jīng)常丟棄需要轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包，給數(shù)據(jù)的可靠傳輸也帶來(lái)了很大破壞[2-5]。因此，對(duì)于移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)中的這兩類(lèi)異常節(jié)點(diǎn)，需要在構(gòu)建通信路由時(shí)將其隔離，避免其對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信的破壞。

現(xiàn)有移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議主要分為兩類(lèi)：一類(lèi)是表驅(qū)動(dòng)路由協(xié)議[6,7]，如DSR路由協(xié)議。另一類(lèi)是按需路由協(xié)議[8-11]，如AODV(ad hoc on-demand distance vector routing)路由協(xié)議。目前流行的許多路由協(xié)議都是在這些路由協(xié)議的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)而成的。為了在構(gòu)建路由時(shí)檢測(cè)和隔離異常節(jié)點(diǎn)，目前也出現(xiàn)了許多改進(jìn)的路由協(xié)議。如文獻(xiàn)[8]針對(duì)經(jīng)典的AODV路由協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)，增加了用數(shù)字簽名技術(shù)，通過(guò)對(duì)節(jié)點(diǎn)的報(bào)文進(jìn)行簽名和鑒別來(lái)驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)是否異常，這樣可以大幅提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩裕A(yù)防惡意節(jié)點(diǎn)的攻擊；文獻(xiàn)[9]也是針對(duì)經(jīng)典的AODV路由協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)，策略是引入公共密鑰加密體系，對(duì)IP地址進(jìn)行鑒別，保護(hù)路由的安全性，抵御惡意節(jié)點(diǎn)的攻擊。此類(lèi)策略盡管對(duì)于預(yù)防惡意節(jié)點(diǎn)攻擊具有一定效果，但對(duì)于自身出現(xiàn)故障問(wèn)題的異常節(jié)點(diǎn)沒(méi)有防范措施，因此這類(lèi)異常節(jié)點(diǎn)仍會(huì)對(duì)移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸性能造成很大影響。

為了進(jìn)一步解決異常節(jié)點(diǎn)引起的移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)路由性能下降問(wèn)題，本文提出了一種基于馬爾科夫模型的異常節(jié)點(diǎn)檢測(cè)策略。設(shè)計(jì)思想是將移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程看作一個(gè)馬爾科夫過(guò)程，采用馬爾科夫模型預(yù)測(cè)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)，檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的異常狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上，采用該策略改進(jìn)AODV路由協(xié)議，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并隔離路由中的異常節(jié)點(diǎn)，可以有效提高移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)路由性能，增強(qiáng)數(shù)據(jù)通信的穩(wěn)定性。

1 本文策略

本文提出一種基于馬爾科夫預(yù)測(cè)模型的異常節(jié)點(diǎn)檢測(cè)策略，將移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換看作一個(gè)馬爾科夫過(guò)程，采用馬爾科夫模型為每一個(gè)節(jié)點(diǎn)計(jì)算一個(gè)馬爾科夫預(yù)測(cè)因子，依據(jù)馬爾科夫預(yù)測(cè)因子來(lái)判斷節(jié)點(diǎn)是否異常。在經(jīng)典的AODV路由協(xié)議中，應(yīng)用本文的異常節(jié)點(diǎn)檢測(cè)策略，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常節(jié)點(diǎn)，并對(duì)異常節(jié)點(diǎn)進(jìn)行隔離，增強(qiáng)路由的穩(wěn)定性。

本文策略主要包括4個(gè)階段：節(jié)點(diǎn)參數(shù)提取、行為概率估計(jì)、馬爾科夫預(yù)測(cè)因子計(jì)算和異常節(jié)點(diǎn)檢測(cè)。詳細(xì)實(shí)現(xiàn)方法描述如下。

1.1 節(jié)點(diǎn)參數(shù)提取

本文依據(jù)無(wú)線設(shè)備傳輸?shù)膬?nèi)在廣播機(jī)制，通過(guò)監(jiān)聽(tīng)各節(jié)點(diǎn)及其鄰居節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)情況以及節(jié)點(diǎn)自身的傳感器信息來(lái)抽取與某一個(gè)節(jié)點(diǎn)行為相關(guān)的參數(shù)，包括：

(1)該節(jié)點(diǎn)的通信半徑，記為R；

(2)該節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)速度，記為V；

(3)該節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的數(shù)量，記為Mf；

(4)該節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)包的數(shù)量，記為Mr；

(5)該節(jié)點(diǎn)的剩余能量，記為Er；

(6)該節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)能力，記為F。

其中，節(jié)點(diǎn)的通信半徑R、移動(dòng)速度V、接收數(shù)據(jù)包數(shù)量Mr和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包數(shù)量Mf這4個(gè)參數(shù)都可以直接獲取。節(jié)點(diǎn)的剩余能量Er和轉(zhuǎn)發(fā)能力F兩個(gè)參數(shù)需要依據(jù)獲取的信息自行計(jì)算。計(jì)算方法描述如下。

(1)節(jié)點(diǎn)剩余能量計(jì)算

移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)時(shí)刻都在消耗能量，但能量的消耗過(guò)程是一個(gè)非線性過(guò)程，靜默時(shí)消耗能量很少，接收和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包時(shí)消耗能量很大。因此，節(jié)點(diǎn)接收和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的次數(shù)越多，消耗的能量越多。當(dāng)能量低于一定閾值之后，節(jié)點(diǎn)就不具備數(shù)據(jù)包收發(fā)的能力，此時(shí)的節(jié)點(diǎn)也是一種異常節(jié)點(diǎn)。因此，在檢測(cè)異常節(jié)點(diǎn)之前需要計(jì)算節(jié)點(diǎn)的剩余能量。為了便于計(jì)算，假設(shè)節(jié)點(diǎn)在一小很短的時(shí)間段內(nèi)的能量消耗是線性的，這樣，可以估算能量的平均消耗為

(1)

記節(jié)點(diǎn)的初始能量為E，則當(dāng)前時(shí)刻節(jié)點(diǎn)的剩余能量可以表示為

(2)

在本文中，時(shí)間段Δt取經(jīng)驗(yàn)值，為Δt=1s。

(2)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)能力計(jì)算

移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)包通常需要多跳傳輸，對(duì)于每一個(gè)節(jié)點(diǎn)，通過(guò)接收上一跳節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)發(fā)給下一跳節(jié)點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包的多跳傳輸。節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)能力也就可以通過(guò)其轉(zhuǎn)發(fā)和接收數(shù)據(jù)包的比例來(lái)衡量，節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的數(shù)量越多，說(shuō)明節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)能力越強(qiáng)。本文定義的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)能力表示為

(3)

后續(xù)將依據(jù)上述參數(shù)來(lái)描述一個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在多播通信過(guò)程中可能出現(xiàn)的所有行為。

1.2 行為概率估計(jì)

首先，本文將移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)分為3類(lèi)：

(1)正常節(jié)點(diǎn)：記為N，指可以正常接收、轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的節(jié)點(diǎn)；

(2)可疑節(jié)點(diǎn)：記為S，指可以接收、轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的節(jié)點(diǎn)，但丟包率較高；

(3)異常節(jié)點(diǎn)：記為A，指不能接收、轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的節(jié)點(diǎn)。

本文結(jié)合異常節(jié)點(diǎn)檢測(cè)的應(yīng)用需求和節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移過(guò)程，定義了6種行為概率，具體為：

(1)受損概率

表示一個(gè)正常節(jié)點(diǎn)N轉(zhuǎn)換成一個(gè)可疑節(jié)點(diǎn)S的概率，記為pNS。

(2)直接失效概率

表示一個(gè)正常節(jié)點(diǎn)N轉(zhuǎn)換成一個(gè)異常節(jié)點(diǎn)A的概率，記為pNA。

(3)間接失效概率

2.3 兩組治療前后血清CA125和D-二聚體變化比較 動(dòng)態(tài)檢測(cè)患者胸水中的CA125和血中的D-二聚體變化情況，結(jié)果顯示在治療之前，實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組胸水中的CA125和血中的D-二聚體的差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05），但在治療后實(shí)驗(yàn)組胸水中CA125和血中D-二聚體均明顯低于對(duì)照組，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），見(jiàn)表4。

表示一個(gè)可疑節(jié)點(diǎn)S轉(zhuǎn)換成一個(gè)異常節(jié)點(diǎn)A的概率，記為pSA。

(4)受損復(fù)原概率

表示一個(gè)可疑節(jié)點(diǎn)S復(fù)原成一個(gè)正常節(jié)點(diǎn)N的概率，記為pSN。

(5)失效直接復(fù)原概率

表示一個(gè)異常節(jié)點(diǎn)A轉(zhuǎn)換成一個(gè)正常節(jié)點(diǎn)N的概率，記為pAN。

(6)失效間接復(fù)原概率

表示一個(gè)異常節(jié)點(diǎn)A轉(zhuǎn)換成一個(gè)可疑節(jié)點(diǎn)S的概率，記為pAS。

行為概率依據(jù)前一小節(jié)獲取的節(jié)點(diǎn)參數(shù)計(jì)算。具體地，受損概率與節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包數(shù)量有關(guān)，節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包越多，接收的數(shù)據(jù)包越少，說(shuō)明該節(jié)點(diǎn)受損的概率越大，因此，受損概率可以表示為

(4)

直接失效概率和間接失效概率都與數(shù)據(jù)包的丟包有關(guān)，節(jié)點(diǎn)丟棄的數(shù)據(jù)包越多，失效概率越大。兩者的區(qū)別在于，節(jié)點(diǎn)的剩余能量不同，直接失效的節(jié)點(diǎn)本身的節(jié)點(diǎn)剩余能量還能滿足通信需求，而間接失效的節(jié)點(diǎn)自身的剩余能量無(wú)法滿足通信需求。因此，直接失效概率可以表示為

(5)

間接失效概率可以表示為

(6)

式中：TE為能量閾值，取經(jīng)驗(yàn)值20 J。

受損復(fù)原概率與節(jié)點(diǎn)剩余能量、節(jié)點(diǎn)通信半徑和節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度有關(guān)。節(jié)點(diǎn)剩余能量越大、通信半徑越小、移動(dòng)速度越慢，復(fù)原的概率越大。因此，受損復(fù)原概率可以表示為

(7)

失效直接復(fù)原概率和失效間接復(fù)原概率不僅與節(jié)點(diǎn)的剩余能量、通信半徑和移動(dòng)速度有關(guān)，而且與節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)能力有關(guān)，節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)能力越強(qiáng)，其復(fù)原的概率越大。因此，失效直接復(fù)原概率可以表示為

(8)

失效間接復(fù)原概率可以表示為

(9)

1.3 馬爾科夫預(yù)測(cè)因子計(jì)算

本文將移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換看作一個(gè)馬爾科夫過(guò)程，采用馬爾科夫模型來(lái)描述網(wǎng)絡(luò)中每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移過(guò)程。如圖1所示，在通信過(guò)程中，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在正常節(jié)點(diǎn)(N)、可疑節(jié)點(diǎn)(S)和異常節(jié)點(diǎn)(A)這3種狀態(tài)下轉(zhuǎn)換。

圖1 節(jié)點(diǎn)狀態(tài)轉(zhuǎn)移過(guò)程

在節(jié)點(diǎn)狀態(tài)轉(zhuǎn)移過(guò)程中，依據(jù)馬爾科夫模型，可以構(gòu)建5個(gè)穩(wěn)態(tài)方程，表示為

(10)

其中

pNSψNN=pSNψSA

(11)

于是，可以得到

(12)

其中

px=(pSA+pNA)

(13)

(14)

據(jù)此，本文構(gòu)建馬爾科夫預(yù)測(cè)因子f，表示為

(15)

1.4 異常節(jié)點(diǎn)檢測(cè)

本文依據(jù)馬爾科夫預(yù)測(cè)因子f來(lái)檢測(cè)異常節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)的馬爾科夫預(yù)測(cè)因子的值越小，越有可能是異常節(jié)點(diǎn)。

給定一個(gè)閾值Tf，異常節(jié)點(diǎn)的判決規(guī)則為

(16)

也即，當(dāng)f

將本文的異常節(jié)點(diǎn)檢測(cè)策略應(yīng)用到經(jīng)典的AODV路由協(xié)議中，對(duì)于路由中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)，如果檢測(cè)到某節(jié)點(diǎn)為異常節(jié)點(diǎn)，則將其從現(xiàn)有的有效路由中剔除，并通知路由上的其它節(jié)點(diǎn)對(duì)該異常節(jié)點(diǎn)進(jìn)行隔離，避免該節(jié)點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)通信造成破壞。

2 仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

為了驗(yàn)證本文方法的性能，本文采用Network Simulator軟件進(jìn)行仿真，測(cè)試本文方法及對(duì)比方法的性能指標(biāo)。下面首先介紹仿真環(huán)境及參數(shù)，然后對(duì)比和分析不同方法的仿真結(jié)果。

2.1 仿真環(huán)境及參數(shù)

本文采用Network Simulator軟件模擬一個(gè)移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)，仿真參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 仿真參數(shù)

2.2 不同方法的性能對(duì)比

下面將本文的異常節(jié)點(diǎn)檢測(cè)方法與文獻(xiàn)[8]和文獻(xiàn)[9]所述方法進(jìn)行對(duì)比，測(cè)試異常節(jié)點(diǎn)比例不同時(shí)不同方法的異常節(jié)點(diǎn)檢出率、報(bào)文送達(dá)率、端到端平均延時(shí)以及網(wǎng)絡(luò)吞吐量4個(gè)指標(biāo)。

(1)異常節(jié)點(diǎn)檢出率對(duì)比

圖2展示了不同方法的異常節(jié)點(diǎn)檢出率與異常節(jié)點(diǎn)比例的關(guān)系曲線。從中可以看出，在相同的異常節(jié)點(diǎn)比例條件下，本文方法的異常節(jié)點(diǎn)檢出率都是最高的，這說(shuō)明本文方法可以有效檢測(cè)異常節(jié)點(diǎn)。

圖2 異常節(jié)點(diǎn)檢出率與異常節(jié)點(diǎn)比例的關(guān)系曲線

圖3 報(bào)文送達(dá)率與異常節(jié)點(diǎn)比例的關(guān)系曲線

(2)報(bào)文送達(dá)率對(duì)比

圖3展示了不同方法的報(bào)文送達(dá)率與異常節(jié)點(diǎn)比例的關(guān)系曲線。由圖3可見(jiàn)，異常節(jié)點(diǎn)比例越高，3種方法的報(bào)文送達(dá)率指標(biāo)越低。這是因此異常節(jié)點(diǎn)會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)通信的穩(wěn)定性。但是，與文獻(xiàn)[8]和文獻(xiàn)[9]所述方法相比，本文方法的報(bào)文送達(dá)率指標(biāo)隨異常節(jié)點(diǎn)比例下降的速率非常緩慢，當(dāng)異常節(jié)點(diǎn)比例超過(guò)10%時(shí)，本文方法的報(bào)文送達(dá)率指標(biāo)明顯高于其它兩種方法。原因是本文方法的異常節(jié)點(diǎn)檢出率明顯高于其它兩種方法。

(3)端到端平均延時(shí)對(duì)比

圖4展示了不同方法的端到端平均延時(shí)與異常節(jié)點(diǎn)比例的關(guān)系曲線。同樣地，由于本文方法的異常節(jié)點(diǎn)檢出率高，因此網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)丟包率低，從而端到端平均延時(shí)也低于所對(duì)比的兩種方法。

圖4 端到端平均延時(shí)與異常節(jié)點(diǎn)比例的關(guān)系曲線

(4)網(wǎng)絡(luò)吞吐量對(duì)比

圖5展示了不同方法的網(wǎng)絡(luò)吞吐量與異常節(jié)點(diǎn)比例的關(guān)系曲線。由圖5可見(jiàn)，在相同的異常節(jié)點(diǎn)比例下，本文方法的網(wǎng)絡(luò)吞吐量明顯大于其它兩種方法，這是因?yàn)楸疚姆椒ㄓ行z測(cè)出了異常節(jié)點(diǎn)，保證了網(wǎng)絡(luò)通信的穩(wěn)定性，數(shù)據(jù)包丟失現(xiàn)象相對(duì)較少。

圖5 網(wǎng)絡(luò)吞吐量與異常節(jié)點(diǎn)比例的關(guān)系曲線

綜上所述，本文方法可以有效檢測(cè)移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)中的異常節(jié)點(diǎn)，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)某晒β屎托剩M(jìn)而提高了網(wǎng)絡(luò)通信的穩(wěn)定性。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種基于馬爾科夫預(yù)測(cè)模型的異常節(jié)點(diǎn)檢測(cè)策略，目標(biāo)是提高移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)在異常節(jié)點(diǎn)干擾下的路由性能指標(biāo)。本文的核心思想是借助馬爾科夫模型描述節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移過(guò)程。主要工作包括4個(gè)部分：①依據(jù)無(wú)線設(shè)備傳輸?shù)膬?nèi)在廣播機(jī)制和各移動(dòng)節(jié)點(diǎn)自身的傳感器信息，提取與節(jié)點(diǎn)狀態(tài)相關(guān)的參數(shù)；②針對(duì)節(jié)點(diǎn)的正常、可疑和異常3種狀態(tài)，定義了受損概率、直接失效概率、間接失效概率、受損復(fù)原概率、失效直接復(fù)原概率和失效間接復(fù)原概率共6種行為概率；③采用馬爾科夫模型來(lái)描述各個(gè)節(jié)點(diǎn)在正常狀態(tài)、可疑狀態(tài)和異常狀態(tài)3種狀態(tài)下的轉(zhuǎn)移過(guò)程，構(gòu)建了5個(gè)穩(wěn)態(tài)方程，進(jìn)而為每一個(gè)節(jié)點(diǎn)提取一個(gè)馬爾科夫預(yù)測(cè)因子;④對(duì)每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的馬爾科夫預(yù)測(cè)因子進(jìn)行閾值判斷，檢測(cè)異常節(jié)點(diǎn)。仿真結(jié)果表明，本文策略的異常節(jié)點(diǎn)檢出率高。在經(jīng)典的AODV路由協(xié)議中應(yīng)用本文的異常節(jié)點(diǎn)檢測(cè)策略，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)和隔離異常節(jié)點(diǎn)，提高路由的報(bào)文送達(dá)率和網(wǎng)絡(luò)吞吐量，降低路由的端到端平均延時(shí)，有效降低異常節(jié)點(diǎn)對(duì)移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信的影響，提高移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)的路由性能。

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