面向配電網故障檢測的WSN可信路由算法*

劉耀先，孫 毅，韋 磊，段泉圣

（1.華北電力大學控制與計算機工程學院，北京102206；2.華北電力大學電氣與電子工程學院，北京102206；3.江蘇省電力公司南京供電公司，南京210019）

面向配電網故障檢測的WSN可信路由算法*

劉耀先1，孫 毅2*，韋 磊3，段泉圣1

（1.華北電力大學控制與計算機工程學院，北京102206；2.華北電力大學電氣與電子工程學院，北京102206；3.江蘇省電力公司南京供電公司，南京210019）

為了提高配電網故障檢測數據傳輸的可信性，提出一種面向配電網故障檢測的WSN可信路由算法。算法提出一種防范針對信任模型攻擊的輕量級信任值計算方法，并在簇頭選舉與簇間多跳路由中引入信任值，避免惡意節點降低網絡安全；簇間多跳階段中，對鄰居節點的位置因子、距離因子、信任值及剩余能量等參數進行融合判決，構建最優數據傳輸路徑。仿真結果表明，提出的算法能夠自適應剔除網絡惡意節點，防范惡意攻擊，最大化網絡生存時間。

配電網故障檢測；無線傳感器網絡；信任值；多跳路由

當今社會，電力用戶對用電可靠性的要求不斷提高，智能電網已經成為電網技術發展的必然趨勢和社會經濟發展的必然選擇，作為智能電網的重要組成部分，智能配電網是推動智能電網發展的源頭和動力，也是智能電網建設的關鍵技術領域。而無線傳感器網絡是集嵌入式技術、傳感器技術、分布式信息傳輸和處理技術于一體的先進網絡，利用無線傳感網絡進行故障檢測與以往的故障檢測技術相比主要有以下優點：①節點高度集成；②采用無線通信模式，不需要復雜的通信線路布線；③自組織性和大規模性；④適用于惡劣的環境；⑤針對不同的應用場景，配置不同的傳感器節點，快速搭建平臺；⑦更易于采集微弱信號，而采用故障暫態量的測距法當中，對于微弱信號的采集是當下的難點，在這種要求下，無線傳感器可以發揮重要的作用［1-4］。作為其他組網方式的有效補充，WSN在配電網故障檢測中獲得了廣泛的應用［5-7］。

由于無線傳感器節點能量有限，所以國內外現在的研究方面主要在于如何延長無線傳感器網絡的生命周期，提高其能效性［8-11］。而未考慮如何防范黑洞攻擊，蟲洞攻擊，污水坑攻擊等惡意攻擊等惡意行為對WSN通信傳輸造成的影響。

文獻［12］以節點的轉發數據包成功率和包重傳率作為直接信任指標，鄰居節點對評價節點的信任作為間接信任指標，提出一種基于可信節點的安全多路徑路由協議。文獻［13］提出節點可信度概念，將節點可信度與群體智能算法相結合，建立可信安全路由，將惡意節點排除在網絡之外，延長了網絡生命周期。文獻［14］設計了一種SRBNT算法，在LEACH算法［15］的基礎上加入了節點信任值的概念，但其在信任值的計算上面沒有考慮節點的間隙性攻擊行為，另外，文章只是把信任值在成簇階段引入，沒有在簇間多跳中引入信任值。

本文提出一種面向配電網故障檢測的無線傳感器網絡可信路由算法（A Reliable WSN routing algorithm for Detecting Distribution network Fault，RDDF），提出一種新的信任值計算方法，可以有效防范惡意節點的間隙性攻擊行為。在成簇階段與簇間多跳都引入信任值判斷節點是否為惡意節點。在保證節點可信的前提下，選擇最優路徑進行數據傳輸。達到綜合提高路由可靠性與能耗性的要求。

1 網絡模型與信任值的定義與計算

1.1 網絡模型

本文中采用典型的無線傳感器網絡模型［16-17］，除匯聚節點之外的所有節點的能量都受限，并且每個節點都可以作為簇頭節點進行通信。所有節點采用統一的發射功率。每個節點有自己唯一的ID，能夠獲取地理位置信息。每個節點負責檢測鄰居節點行為并記錄存儲以備調用。而且所有節點都有被俘獲成為惡意節點的可能。匯聚節點不會被俘獲成為惡意節點。

1.2 信任值的定義與計算

在配電網故障檢測過程中，最重要的包括遙測以及遙控業務，那么如何保證這兩種業務的安全進行是本文在定義信任值時需要考慮的重要因素。分析上述業務特點，數據包的正確性以及完整性是信任值定義時最需要考慮的因素。所以可以對信任值做如下定義：

式中，i是評估節點，而 j是被評估節點。DTi,j表示節點i對節點 j的直接信任值，NFMi,j(s)表示節點i檢測到節點 j轉發的未被篡改的數據包數量，而EFi,j(s)表示節點 j的期望轉發包數量，而AFi,j(s)表示節點j實際所轉發的包數量。

在本文的無線傳感器網絡模型中，由于其自組織特性，每個節點可能成為下一輪的簇頭節點，節點之間互相進行行為監聽并實時記錄。由于無限傳感器節點能量，計算，存儲方面的限制，本文設計一種輕量的信任值計算模型。為了防止節點在特定節點前表現良好，而在其它節點前進行惡意攻擊。最終的信任值取決于評估節點與被評估節點的直接信任值以及兩節點的共同鄰居節點對被評估節點的間接信任值，可以由下式表示：

式中，i是評估節點，而j是被評估節點。α，β是直接信任值與間接信任值的權值參數，α+β=1,α＞0,β＞0。DTi,j表示節點i對節點 j的直接信任值，ITi,j表示節點i，j的共同鄰居節點k對節點j的間接信任值。最后的綜合信任值評價指標為CTi,j，其值的分布范圍在0與1之間。我們認為，被評估節點的綜合信任值越大，其可信任程度越高。

而在基于信任模型的無線傳感網絡中會出現如下惡意攻擊行為［18］：（1）間隙性行為攻擊：即一個節點時而表現好，時而表現惡劣，使其他節點無法正確評估其信任值。（2）惡意誹謗攻擊：惡意節點提供不誠實客觀的的間接評價給鄰居節點，這些評價有可能是正評價給惡意節點，也有可能是負評價給信任節點，從而影響信任評估的準確性。

為了解決上述問題，我們可以引入惡意行為容忍參數與節點誠實度的概念。定義直接信任值DTi,j：

式中，s代表周期序列，DTnow代表本周期其行為表現，即本周期序列的直接信任值與前周期序列相關。從而達到只有節點行為表現一直很好，才可以更高的信任值。根據環境的惡劣程度可以設置惡意行為容忍參數η，如果節點在之前表現良好，其直接信任值大于等于η，那么其本周期序列的直接信任值取決于其本周期的行為表現。如果被評估節點在某一周期序列直接信任值小于η，則其之后的直接信任值如式（3）所示。DTnow表示節點在本周期行為表現評估，為了驗證本文的信任值計算方法是否可以識別惡意節點的間隙性行為攻擊，我們可以引入如下算例來進行證明。惡意節點在第一個周期表現惡劣，本周期表現DTnow（1）=0.4，處于較低水平。而下一個周期表現良好，取DTnow（2）=0.9，但其由于前一周期表現惡劣，其信任值DTi,j(2)= 0.52，處于一個較低水平，第三個周期表現良好，取DTnow（3）=0.9，那么經過兩個周期表現良好，其信任值DTi,j（3）=0.7384，大于惡意行為容忍參數，達到一個較高的信任值。這說明只有在其一直表現良好時，其信任值才會處于一個較高水平，但如果節點一旦表現惡劣，又會獲得一個較低的信任值，回復到較高的信任值則比較困難。

而在間接信任值上面，采取如下的計算模型：

式中，HOi,k(s)為誠實度系數，IAk,j(s)是節點i,j的所有共同鄰居節點k對節點 j信任值的平均標準值，可以設置一個門限值ε，如果則認為該節點k進行了惡意誹謗行為，排除該節點提供的推薦信任值，并降低其誠實度系數。使其之后的評價不具有較高的作用。引入誠實度系數之后，可以有效的抵抗惡意誹謗攻擊行為。

2 算法描述

傳統的WSN路由算法主要在能量上進行優化改進，假設所有節點都不會被俘獲成為惡意節點，但是在配電網故障檢測中，由于傳感器節點暴露在無人看管的地域內。這種假設顯然是不合理的。所以本文設計一種面向配電網故障檢測的可靠路由算法（A Reliable WSN routing algorithm for Detecting Distribution network Fault）RDDF。綜合考慮無線傳感器網絡的能耗以及其可靠性，在簇頭選舉及簇間多跳過程中引入信任值，避免惡意節點對路由可信性造成影響。本文算法主要分為兩個階段，簇頭選擇階段及簇間多跳數據傳輸階段。

2.1 簇頭選擇階段

在層次型路由算法中，簇頭負責融合簇內成員傳送的數據，并將融合后的數據傳送至基站，如何保證簇頭節點可信是需要考慮的一個問題。本文將信任值引入到簇頭的選舉過程中，一方面，使正常節點避免加入完全不可信簇頭。另一方面，使正常簇頭拒絕完全不可信節點的加入。圖1是未引入信任值的分簇，圖2是引入信任值的分簇。具體過程如下：

當網絡初始化之后或當網絡運行一個運轉周期之后，每個節點產生一個0-1的隨機數，并計算一個門限值T(n)，若隨機數小于此門限值，則成為候選簇頭節點，并向其余節點廣播自己為候選簇頭的消息。門限值計算公式如下：

式中，Ecurret(i)為能量因子，其定義在下一節進行介紹，目的是使剩余能量多的節點更容易當選簇頭。普通節點對其信任值進行計算并檢驗，如果其信任值比預定閾值低，則直接進行排除。高于此閾值進入可信簇頭候選集。在可信簇頭候選集中，節點選擇各自通信代價最小的節點進行加入。同時可信簇頭會拒絕信任值低的完全不可信節點加入。這樣可以把完全不可信節點排除在網絡之外，節點與距離自己最近的可信簇頭連接，達到路由可信可靠的目的。由圖1、圖2可以看出，引入信任值之后可以將完全不可信節點排除在網絡之外。

圖1 未引入信任值的分簇結構

圖2 引入信任值的分簇結構

2.2 簇間多跳數據傳輸階段

在數據穩定傳輸階段，為了避開惡意簇頭節點作為下一跳，并綜合下一跳位置，距Sink節點距離與剩余能量是本階段的主要考慮因素，故可以設置轉發節點位置因子。

如圖3所示，圖中θ越小，代表轉發路徑越短，越接近于直線，則可以通過更少的跳數到達Sink節點。則可以求出轉發節點位置因子：

式中，da,i表示a簇頭與其發送半徑內各個簇頭的距離。da,sink表示發送數據簇頭與Sink節點的距離，di,sink表示a節點發送半徑內各個簇頭與Sink節點的距離。其值分布范圍在［0-1］區間。在其小于0.5時，說明θ大于90o。若所有中繼簇頭節點的位置因子都小于0.5，則路由陷入空洞問題，所以可以利用此值來判斷其是否陷入空洞。其值越大，代表θ越小，表示轉發節點位置更好。

圖3 簇間多跳示意圖

節點會選擇其功率半徑范圍內距離Sink節點更近的簇頭，有轉發節點距離因子有如下定義：

式中，di,sink表示轉發簇頭節點與基站的距離，dmax，dmin分別表示網絡中所有節點與Sink節點的最大距離與最小距離。其值分布范圍也在［0-1］區間。當其值越大，表示中繼簇頭距離Sink節點越近。

在簇間多跳的選擇中，節點剩余能量是必須要考慮的因素之一，所以可以定義能量因子：

式中，E(i)代表節點剩余能量，E0代表節點初始能量。其值越大，則代表節點剩余能量越多。

路由的可信度也是本文所考慮的重點之一。中繼節點的綜合信任值CT越高，其當選為中繼節點的可能性也就越大。根據CT值的分布可以將節點分為完全可信節點，不完全可信節點，完全不可信節點。

最后的路由策略是：利用判決函數

利用此判決函數可以排除完全不可信節點參與網絡通信行為。選舉出判決函數值最大的兩個中繼簇頭節點，利用能量因子Ecurret(i)選擇其中更大的一個作為簇頭的中繼節點進行數據的傳輸。其中σ1，σ2的取值取決于網絡運行環境。經過多次仿真驗證，β取為0.2，σ1取為0.2，σ2取為0.8。

3 實驗與仿真

本文的仿真環境為MATLAB，仿真重點為RDDF算法與LEACH算法以及SRBNT三種算法的生命周期以及兩種算法安全性。400個節點隨機分布在200x200的網絡環境內，SINK節點分布在監測區域外，坐標為（250，250），假設節點間已經通過行為交互以及信息檢測交換，網絡中所有節點已經得到其鄰居節點的信任值。在網絡中10%的節點為完全可信節點，10%的節點為完全不可信節點，其余節點為不完全可信節點。在仿真中假設完全不可信節點會發送經過其偽造的虛假的數據包，影響故障檢測的正確性。

3.1 網絡生命周期對比

由圖4中可以看出RDDF算法無論是在首個節點死亡的輪數，還是整體的生命周期都優于LEACH算法與SRBNT算法，這是由于采用了多跳簇間路由，使網絡負載更為均衡，延長了生命周期。尤其是第一個節點死亡的時間，明顯優于LEAHC與SRBNT算法，說明RDDF算法使各個節點均衡負載能量，具有更高的能效。RDDF算法與SRBNT算法最后節點未完全死亡是由于10%節點為完全不可信節點，未參與到網絡通信行為當中。

圖4 死亡節點個數對比

3.2 網絡安全性對比

在網絡安全性驗證對比上面，為了減少仿真實驗的復雜度，可以做如下假設，完全可信節點不會發送虛假數據包并將接收的數據包完全轉發，完全不可信節點一定會發送虛假數據包并將接收的數據包完全丟棄不進行轉發，不完全可信節點發送虛假數據包或接收到數據包丟棄不進行轉發的概率與其信任值的大小成反比。

由圖5可以看出，RDDF由于在分簇階段與簇間多跳階段引入信任值，將完全不可信節點排除在網絡通信行為之外，即惡意節點接收的虛假包比例明顯低于LEACH算法。另外，RDDF算法的基站接收虛假包比例也略小于SRBNT算法，這是由于RDDF算法在多跳路由階段，信任值也作為一個重要指標，提高了算法的可信度，說明RDDF算法在防范惡意節點篡改攻擊行為時略優于SRBNT算法。

圖5 Sink節點收到虛假包比例對比

由圖6可以看出，RDDF由于在分簇階段與簇間多跳階段引入信任值，將完全不可信節點排除在網絡通信行為之外，丟棄數據包比例明顯低于LEACH算法。另外，RDDF算法的基站丟棄數據包比例也略小于SRBNT算法，并且隨著時間推移，差距越來越大。證明RDDF算法在防范惡意節點黑洞攻擊時略優于SRBNT算法。

圖6 節點丟棄數據包比例對比

整體分析來說，RDDF算法由于引入信任體系來抵擋被獲的惡意節點的網絡通信行為攻擊，較LEACH算法在可信性上有很大提升，而與同樣引入信任體系的SRNBT算法來說，雖然在可信性上的對比只有較小的優勢，但是在能量均衡上面要比SRNBT算法出色很多。綜上所述，RDDF算法在經過仿真驗證之后，確實比LEACH以及SRNBT算法有著明顯的優化。

4 結論

本文針對無線傳感器網絡路由可信性問題，結合配電網故障檢測系統的業務需求，對無線傳感器路由節點信任值進行了重定義，并改進了原有的信任值計算方法。采用改進后的信任值作為節點入簇與數據傳輸過程的判斷依據，實現了防止惡意節點對網絡進行篡改、黑洞攻擊等惡意行為的目標，有效提高了網絡的可信性，減少了數據傳輸能量消耗。下一步將開展信任管理與傳統加密機制的集成性方面的研究。

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劉耀先（1990-），男，碩士研究生，主要研究方向為無線傳感器網絡，lpxlyx@ 126.com；

孫 毅（1972-），男，教授，博士，主要研究方向為電力系統通信、無線傳感器網絡與物聯網；

韋 磊（1982-），男，高級工程師，博士，主要研究方向為電力系統通信、電力系統自動化。

A Reliable WSN Routing Algorithm for Detecting Distribution Network Fault*

LIU Yaoxian1，SUN Yi2*，WEI Lei3，DUAN Quansheng1
（1.College of Control and Computer Engineering，North China Electric Power University，Beijing 102206，China；2.College of Electrical and Electronic Engineering，North China Electric Power University，Beijing 102206，China；3.Nanjing Power Supply Company，Nanjing 210019，China）

In order to meet the reliability requirements of wireless sensor network applied to distribution network fault detection，a Reliable WSN routing algorithm for Detecting Distribution network Fault（RDDF）was proposed.The algorithm presented a new lightweight trust value calculation method to prevent attacks on trust model.During the multi-hop between clusters and the election of cluster heads，the trust value was introduced to avoid malicious nodes affecting network reliability.According to the location factor，distance factor，trust value and residual energy of cluster nodes，the algorithm can choose the most appropriate forwarding cluster nodes to optimize the routing in the stage of multiple hops between clusters.The simulation results show that the algorithm could effectively eliminate malicious nodes，prevent malicious attacks and prolong the network life time at the same time.

detecting distribution network fault；wireless sensor network；trust value；multi-hop routing

TP393

A

1004-1699（2015）08-1233-06

??7230

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.08.022

項目來源：國家電網公司科學技術項目（SGIT0000KJJS1500008）

2015-01-11 修改日期：2015-06-03