電力物聯網中基于用戶信譽度的網路由協議

路永玲，劉 洋，徐江濤，姜海波

(1. 國網江蘇省電力有限公司電力科學研究院，江蘇 南京 211103；2. 國網江蘇省電力有限公司，江蘇 南京 210024)

1 引言

電力物聯網是實現電網設備狀態實時感知、風險告警、趨勢預測、故障精確定位、智能運檢的新一代信息網絡[1-4]，為滿足海量的電力設備傳感器的靈活接入，同時兼顧傳感器功耗限制，需要采用低功耗廣域網絡(low power wide area network，LPWAN)構建自組織網絡，以適應輸變配等不同應用場景下的電力物聯網傳感器組網需求，然而自組織網具有無中心、自組織、可移動等特點，可以通過節點協作來實現網絡互聯和信息交換，而不依賴于固定的基礎設施，因此廣泛應用在軍事通信、災難救援等場合[5]。由于網絡拓撲結構動態變化、節點分布式控制、節點帶寬和能量有限[6-7]，傳統網絡的安全保證機制難以適用于自組織網，如何建立可行的節點信譽度評判機制，在動態環境下保證路由的可靠運行成為自組織網的研究熱點。

IETF的MANET工作組致力于自組織網絡協議的標準化工作，目前自組織網RFC無論是表驅動路由還是按需路由協議，由于沒有任何節點評估機制[8]，可能存在自私節點，自私節點或者接收消息卻拒絕轉發，或者由于鏈路狀態等原因難以正確完成轉發任務，這些消極行為嚴重影響網絡的QoS保證。

針對自組織網網絡路由的可靠運行性和安全保障問題，國內外學者從鑒權認證和節點信譽評估角度提出了諸多解決方案[9-11]，然而鑒權機制依賴中心化的統一控制中心，與自組織網分布式管理協調機制相悖。現有的信譽機制主要通過使用博弈論、貝葉斯等理論對信譽度進行計算，從而評估節點的自私和惡意行為，采取相關的措施逼迫這些節點與其它節點協作。Denko等基于貝葉斯理論對節點的信任關系進行建模[12]，但模型對節點的錯誤推薦缺少辨別能力。Wang在機會路由中引入信任相似性概念，建立基于最小成本的轉發模型，提出一種基于信任模型的機會路由算法[13]。Srivastava分析節點信譽度服從Beta分布，但提出的BRSN模型沒有考慮節點的剩余能量，事實上節點能量對于自組織網的生命周期至關重要[14]。Lopes和Moreira等利用模糊化的鏈路代價和動態選擇標準，提出一種滿足不同服務需求的QoS控制方案[15]。以上評估方法基于單一層次的信息來進行節點信譽度的評估，忽略了其它層上影響節點信譽度評估的因素，并且沒有對推薦節點的可信度進行評估，降低了信譽度評估結果的安全性和有效性。

與單徑路由相比，多徑路由可以減少對節點帶寬的限制，能較好地適應網絡拓撲結構的動態變化。文獻[16，17]提出鏈路相交、鏈路不相交和節點不相交三種多徑方法，其中節點不相交(Node-Disjoint )多徑既無共用鏈路，也無共用節點，可以更充分地利用網絡資源，實現負載均衡，不會因為單個節點的自私行為而引起性能衰減問題。多徑源路由協議MSR[18]在DSR基礎上，以延遲作為路徑參數的度量，將按需、多徑和源路由相結合，文獻[19]提出了基于路徑分段的多徑路由，能夠根據網絡拓撲情況進行一定的自適應調整。

本文結合自組織網路由特點，提出基于模糊理論的節點信譽度評估模型，在此基礎上建立跨層的多參數QoS路由模型，設計一種節點不相交的多徑路由協議RMQR。

2 基于模糊理論的信譽度評估模型

ITU-T推薦的PKI標準X.509中對信譽度定義如下：若實體X認為實體Y將嚴格地按X的期望去進行行動，則X信任Y[20]。信譽度評估具有很強的主觀性和模糊性，在自組織網中，節點分布式結構導致集中式的信譽度評估機制難以適用，網絡拓撲結構變化使得證據空間不一定可靠，因而基于證據理論的評估模型可能出現較大誤差。因此，概率等精確數學模型難以準確地描述信譽度，可以結合模糊理論進行改進和擴充。

移動自組織網模型可以用三元組表示G=(V，E，W)，其中V=(v1，v2，…，vn)表示節點集，E=(e12，e13，…，eij)表示鄰居節點間鏈路的集合，與邊集關聯的權值函數wij表示從節點vi轉發到鄰居節點vj的代價值，包括占用帶寬、消耗能量等。移動自組織網中，綜合信譽度評估主要考慮直接信譽度和間接信譽度兩方面因素，前者可以根據節點參數信息來計算，后者通過其它節點對被評估節點的推薦信譽度來計算，信譽度評估模型如圖1。

圖1 信譽度評估模型

2.1 直接信譽度

直接信譽度根據被評估節點的參數信息來評估。將節點信譽度當作是由多種因素組成的模糊集合，根據評判集求出單一因素的歸屬度，通過對模糊矩陣合成求解評價的定量值，主要有以下步驟：

1)建立信譽度評判對象的因素集A=(a1，a2，…，am)。自組織網節點既接收消息也需要參與轉發，信譽度值與可用帶寬、丟包率、剩余能量、轉發成功率等因素密切相關，這些屬性共同構成評價因素集A。

2)確定因素集A中各元素對應的評判等級集B=(b1，b2…，bn)。假設評估模型中n=5，其中b1，b2，b3，b4，b5分別表示信譽高、信譽較高、信譽一般、信譽較差、信譽很差。

3)根據評判集B中等級指標對A中元素進行模糊評價，得到模糊評判矩陣R。

DR(c，r)=C°R=(dr1，dr2，…，drn)

5)為得到直接信譽度，須對評估結果進行量化，設等級量化向量L=(l1，l2，…，ln)，則直接信譽度值為

(1)

(2)

M×M=4k·(N×N)

(3)

2.2 間接信譽度

間接信譽度是指其它節點對某節點信譽度的推薦值，根據其它節點反饋的直接評估值來計算。

間接信譽度評估模型如圖2，為了減少自組織網通信負載、避免推薦遞歸，間接信譽度的推薦限制在鄰居節點之間進行，即推薦節點只能將自己對被評估節點的直接信譽度發送給評估節點，不能把收到的推薦信息再推薦給其它 節點。

圖2 間接信譽度評估模型

用RRk(c，r)表示節點k對源節點的推薦信譽度向量，RRk(c，r)計算公式如下

RRk(c，r)=DRk(c，r)δ(t-t0)

對間接信譽向量進行量化，可以得到間接信譽度IR

2.3 綜合信譽度

信譽度是指節點的直接信譽度和間接信譽度的綜合水平。根據自組織網實際情況，對直接、推薦信譽度進行加權求和，設直接信譽度權重為?(?值根據網絡實際情況確定)，計算綜合信譽度CR。

CR=?DR+(1-?)IR(0≤?≤1)

3 RMQR路由協議

3.1 多徑路由模型

在一定的參數約束條件下，尋找源節點到目的節點的多條可行路由，然后在多條鏈路上合理分配負載，可以提高網絡的自適應能力，特別是節點不相交多徑，可以充分地利用資源，減少節點帶寬限制，不會因為單個節點的自私行為而導致路由失敗。假設源節點和目的節點間存在N條獨立鏈路，生存時間的概率密度滿足獨立同指數分布

f(t)=λe-λt

時間t(t≥0)內單路徑正常工作的概率Ri(t)為

要保證消息轉發可以正常進行，至少保證有一條可用鏈路，則多徑可靠性RP(t)為

RP(t)=1-P(X1

如果所有鏈路情況都相同，系統失效前平均時間MTTF(Mean Time To Failure)

如果鏈路情況不同，如N=2，則

當端到端可靠性大于業務所需可靠度，即R≥Rreq，能夠為業務提供QoS保證。由圖3仿真結果可知，當單路徑可靠度不低于0.6時，2條路徑則能夠滿足90%的業務要求，因此確定在協議設計時多徑數目為2條。

圖3 可靠性與鏈路數量關系圖

節點收發消息時信譽度值與帶寬、丟包率等因素密切相關，多參數求解最優路由是NP-完全問題[20]，本文主要考慮以下參數，

1)可用帶寬：節點間能夠用于數據傳輸的最大吞吐量

Bi=min{band(vi)}≥Bmin

2)丟包率：丟失數據包數量占所發送數據包的比率

Li=max{loss(vi}≤Lmax

3)剩余能量：節點收發消息耗能量，節點能量過低時可能會導致轉發失敗

Ei=min{engery(vi)}≥Emin

4)轉發成功率：自私節點或拒絕轉發消息，或難以完成轉發任務，剔除自私節點，保證節點工作效率

Si=min{succ(vi)}≥Smin

以上4項參數構成信譽度評判的因素集，根據跨層信譽度評估模型，通過設定評判集，構造模糊矩陣，對矩陣進行合成、量化，可以得到信譽度CR。

3.2 路由發現

當源節點需要發送數據時，首先檢查緩存中有無到目的節點的可行路徑，如果有按照已有路徑發送數據包，若沒有則轉發路由請求RREQ，轉發對象節點要求大于信譽度閾值即CR≥CRreq。中間節點收到第一個RREQ后轉發此路由請求，且轉發節點對象信譽度CR≥CRreq，以后收到的RREQ包將被丟棄；即使有到目的節點的信息，中間節點也不作路由答復。通過路由請求的不斷擴散，目的節點會收到經過不同路徑的RREQ，得到如圖4的網絡拓撲結構．

圖4 多徑選擇模型

源節點鄰居數表示為NS，目的節點鄰居數為ND，則多徑數目N≤min{NS，ND}。目的節點根據路由請求包提取出路由信息，收到第一個RREQ后，為減小路由等待延遲，發送路由回復RREP到源節點，應答包中包括RREQ的路徑信息。設定等待時間T，若接收到N條路徑則等待結束；若接收路徑小于N，T時間后等待也結束。最后，根據多徑選擇算法進行獨立多路徑的選擇。

在路由請求中，可以在RREQ分組聲明請求的最低帶寬、最大丟包率等信息，中間節點接收到該路由請求時，僅當有足夠資源可滿足請求時，才將請求遞交給下一跳節點。當目的節點收到路由請求分組時，可以得到能夠滿足QoS需求的路徑。

在網絡節點疏密相差較大時，可能出現如圖5的路徑重疊情況，可以在RREQ加入ID字段，對路徑進行編號來解決。

圖5 路徑重疊問題

3.3 路由維護

為減少網絡中路由消息泛洪，僅當源節點和目的節點間的所有路由都失效時，源節點才發起新的路由請求，盡可能降低重新發現路由的概率，降低網絡控制開銷。

3.4 算法設計

■ 鄰居發現算法

鄰居節點算法主要功能是發現某個節點的有效鄰居節點并對其進行信譽度評估，MANET中所有節點都要適用該算法，以縮短路由請求節點轉發時間。令節點u的鄰居節點集合表示成N(u)，則u發現鄰居節點的算法描述為：

1)節點u廣播Hello消息，消息中包括u的標識ID和生存時間值TTL；

2)u周邊節點收到Hello消息后，立即發送響應消息replyHello，replyHello消息中包含該節點ID、可用帶寬、丟包率、節點剩余能量和轉發成功率等消息；

3)節點u收到鄰居節點的replyHello消息，對鄰居節點進行信譽度評估，并對信息進行更新。

■ 多徑選擇算法

根據路由發現算法，目的節點收到的RREQ中的路徑具有如下格式

RREQ1{R，…，x1，y1，z1，…，D}

RREQ2{R，…，x2，y2，z2，…D}

令目的節點收到S→D的路徑集為S，目的節點選擇的獨立多徑集為MP0，路徑數為Pathm，則多徑選擇算法如下：

1)初始化S=?，MP0=?，Pathm=2，Num(MPo)=0；

2)源節點發送路由請求RREQ，發送對象節點要求大于信譽度閾值即CR≥CRreq；

3)中間節點收到第一個RREQ后轉發路由請求，且轉發節點信譽度CR≥CRreq，丟棄后續收到的RREQ；

4)判斷路由節點是否是目的節點，若是加入路徑集合S，若不是繼續步驟3)；

5)設定等待時間T，若接收到N條路徑則等待結束；若接收路徑小于N，T時間后等待也結束；

6)從集合S中查找時延最短路徑P，MP0=MP0∪{P}，Num(MP0)=Num(MP0)+1，從S中刪除P；

7)若Num(MP0)=Pathm，則完成多徑的選擇；否則，判斷集合S中是否仍有路徑，若有跳轉到步驟6)，如無，則完成計算。

4 仿真與性能分析

將電力物聯網前端傳感器網抽像成為一個1km*1km范圍的區域，并布置8*8個傳感器節點，利用在Network Simulator 2平臺下對協議進行仿真。假設，用于數據采集的傳感器節點采用隨機路點移動(RWM)模型，節點運動速度為0-30m/s。測試區間場內隨機分布有若干自私節點，自私丟包節點丟包率為60%-80%，主要試驗參數如表1所示，在此環境下對RMQR、AODV和DSR三種協議進行對比分析。

表1 仿真參數設置

如圖6和7所示，當網絡中自私節點數目增加時，三種協議節點端到端平均時延增大且RMQRAODV>DSR。相對AODV和DSR，RMQR協議延時增長較為緩慢，且RMQR分組交換成功率較高。造成上述性能差異的主要原因在自私節點丟包率較大難以完成轉發任務，導致AODV或者DSR中路由發現耗費較長時間，而RMQR中有節點評估機制可以剔除自私節點，同時可提供多條路徑供路由使用，所以性能比較穩定。

圖6 存在自私節點時端到端時延

圖7 存在自私節點時組交換成功率

自組織網節點具有可移動性，如圖8中，當節點處于移動狀態時，AODV、DSR和RMQR端到端延時都有所增加，當節點移動速度低于8m/s時，三者差異較小，當節點移動速度繼續加快時，RMQR延時增加較為平緩，主要原因是節點處于移動狀態時，網絡拓撲結構實時變化，RMQR可以為源節點提供多條獨立路徑，不會因為某單一節點的斷開而影響消息轉發。

圖8 節點移動時端到端時延

在RMQR協議仿真中，信譽度是對直接、間接信譽度取權值修正得到，圖9當權重?取不同值時，節點分組轉發成功率也各有差異，因此，需要根據網絡的實際情況，對RMQR中節點評估權重進行合理調整。

圖9 節點移動時分組交換成功率

若在電力物聯網業務中，每個節點需要采集的數據，每次采集時間間隔為1min。圖10給出了RMQR、AODV和DSR三種協議下，端到端數據傳輸的數據量。

圖10 接入業務后存在自私節點下的吞吐量

當網絡中自私節點數量增加，RMQR可以提供穩定的數據傳輸吞吐量，多條路徑供路由使用，確實提高了網絡的穩定性，保證了電力業務的正常開展。

5 總結

本文針對自組織網路由的可靠運行和QoS保證問題，建立了一種基于模糊理論的節點信任度評估模型，很好地解決了信譽度評估中的不確定性問題。仿真結果驗證了RMQR協議的有效性，在網絡拓撲結構變化和存在自私節點時能較好提高MANET工作效率，證明了該信譽度評估模型的有效性和合理性。在未來的工作中，將更深入地對該算法進行性能測試，希望在保證網絡路由可靠性的同時，協議開銷可以有所降低，為自組織網提供更好的QoS路由保證。