[發(fā)明專利]一種基于滲流理論的無線多跳網(wǎng)絡(luò)自私節(jié)點(diǎn)檢測(cè)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210355088.X
• 申請(qǐng)日: 2012-09-21
• 公開（公告）號(hào): CN102857922A
• 公開（公告）日: 2013-01-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 尚濤;樊勇;黃福華;張雨霏;宋姍姍;劉建偉
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號(hào): H04W12/12
• 分類號(hào): H04W12/12;H04W24/00
• 代理公司: 北京慧泉知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11232
• 代理人: 王順榮;唐愛華

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于滲流理論的無線多跳網(wǎng)絡(luò)自私節(jié)點(diǎn)檢測(cè)方法，屬于無線網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

隨著世界各國(guó)對(duì)無線多跳網(wǎng)絡(luò)研究的日益重視，無線多跳網(wǎng)絡(luò)的理論研究和技術(shù)應(yīng)用取得了顯著的進(jìn)步，廣泛應(yīng)用到工業(yè)控制、環(huán)境觀測(cè)、生態(tài)安全、數(shù)字生活、交通監(jiān)控等眾多領(lǐng)域。作為一種典型的無線多跳網(wǎng)絡(luò)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是新興蓬勃發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)，勢(shì)將在國(guó)民生活和軍事應(yīng)用中發(fā)揮更加重要的作用。

無線多跳網(wǎng)絡(luò)不依賴于固定的基礎(chǔ)設(shè)施，而是通過中繼節(jié)點(diǎn)間相互協(xié)作保持網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，將數(shù)據(jù)信息傳送給目的節(jié)點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)無線多跳網(wǎng)絡(luò)的可靠數(shù)據(jù)傳輸，必須保證網(wǎng)絡(luò)的全連通性，即保證所有的工作節(jié)點(diǎn)之間能夠互相通信。由于無線多跳網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的無線通信范圍是有限的，節(jié)點(diǎn)只有通過互相協(xié)作才能把數(shù)據(jù)包傳送到目的地，而且部分節(jié)點(diǎn)的能量是有限的，這樣導(dǎo)致并不是所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都愿意參與協(xié)作來幫助其它節(jié)點(diǎn)來傳送數(shù)據(jù)，所以網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)就會(huì)出現(xiàn)拒絕缺乏協(xié)作的節(jié)點(diǎn)，稱為自私節(jié)點(diǎn)。大量研究表明，如果在網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)很小一部分自私節(jié)點(diǎn)，那么整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的吞吐性能嚴(yán)重下降，甚至可能導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)癱瘓，從而網(wǎng)絡(luò)通信中斷。所以如何及時(shí)檢測(cè)出自私節(jié)點(diǎn)，保護(hù)無線多跳網(wǎng)絡(luò)的安全，提高網(wǎng)絡(luò)的安全防御性能，成為無線多跳網(wǎng)絡(luò)研究中的一個(gè)非常重要的方向。

針對(duì)無線多跳網(wǎng)絡(luò)中自私節(jié)點(diǎn)檢測(cè)問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。傳統(tǒng)的檢測(cè)技術(shù)基于數(shù)據(jù)挖掘、機(jī)器學(xué)習(xí)、移動(dòng)代理以及模糊評(píng)判等。雖然這些方法檢測(cè)性能較好，但存在占用系統(tǒng)資源多、系統(tǒng)能量消耗大的缺點(diǎn)。考慮到部分網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)需由能量有限的電池供電，所以這些方法很難直接適用于無線多跳網(wǎng)絡(luò)自私節(jié)點(diǎn)檢測(cè)。Afran于2007年提出了一種基于入侵檢測(cè)系統(tǒng)的自私節(jié)點(diǎn)檢測(cè)模型，通過入侵檢測(cè)系統(tǒng)來監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)的行為，從而預(yù)防無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的自私行為出現(xiàn)，但是該系統(tǒng)只考慮自私節(jié)點(diǎn)單方面不協(xié)作行為，從而檢測(cè)效果不理想。利用博弈論原理建立數(shù)學(xué)模型，可以檢測(cè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的自私節(jié)點(diǎn)，但這類方法只針對(duì)自私節(jié)點(diǎn)，沒有考慮節(jié)點(diǎn)之間還有協(xié)作行為，與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)際行為不相符，因此，有時(shí)會(huì)漏報(bào)和誤報(bào)自私節(jié)點(diǎn)，從而導(dǎo)致檢測(cè)的正確率比較低。由于網(wǎng)絡(luò)中的自私節(jié)點(diǎn)可能會(huì)丟棄分組，那么網(wǎng)絡(luò)流量會(huì)受到影響。流量檢測(cè)方法是通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)模型的研究，推導(dǎo)出在節(jié)點(diǎn)自私程度不同的條件下節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的流量以及節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)流量的數(shù)學(xué)表達(dá)式，分析節(jié)點(diǎn)自私性對(duì)網(wǎng)絡(luò)流量的影響。同時(shí)，現(xiàn)有自私節(jié)點(diǎn)檢測(cè)機(jī)制無法對(duì)自私節(jié)點(diǎn)和失效節(jié)點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確區(qū)分，且自私節(jié)點(diǎn)誤檢率高，因此有必要提出一種高精確度自私節(jié)點(diǎn)檢測(cè)機(jī)制，基于無線多跳網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)分布密集的特點(diǎn)，選擇可疑的鄰近節(jié)點(diǎn)作為檢測(cè)對(duì)象進(jìn)行檢測(cè)，在提高檢測(cè)精度的同時(shí)對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的失效節(jié)點(diǎn)和自私節(jié)點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確區(qū)分。

由于無線多跳網(wǎng)絡(luò)的開放性，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)和節(jié)點(diǎn)之間的信任關(guān)系是不斷變化的，因此如何動(dòng)態(tài)的確定網(wǎng)絡(luò)中的自私節(jié)點(diǎn)對(duì)于提升網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測(cè)能力具有很重要的意義。研究表明，滲流理論（Percolation?theory）是揭示狀態(tài)突變和臨界現(xiàn)象的一種簡(jiǎn)單的概率模型，它揭示了概率論與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的內(nèi)在關(guān)系。狀態(tài)突變是一種系統(tǒng)狀態(tài)突然發(fā)生變化的現(xiàn)象，即由于系統(tǒng)中某個(gè)特定的參數(shù)發(fā)生了小的變化，而導(dǎo)致系統(tǒng)的全局狀態(tài)發(fā)生巨大的變化。當(dāng)這種狀態(tài)突變發(fā)生時(shí)，即稱為發(fā)生了滲流。這種狀態(tài)突變的現(xiàn)象在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量增加的時(shí)候更加明顯。對(duì)這種現(xiàn)象的研究有助于我們更好的設(shè)計(jì)無線多跳網(wǎng)絡(luò)。從數(shù)學(xué)的角度來看，滲流理論通常關(guān)注的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼礊榫W(wǎng)格模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，同時(shí)它揭示了概率論和圖論拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的內(nèi)在關(guān)系。其考慮的隨機(jī)幾何結(jié)構(gòu)和無線多跳網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)非常相似，是研究無線多跳網(wǎng)絡(luò)連通問題的有力工具。

滲流理論屬于新興領(lǐng)域，而國(guó)內(nèi)的相關(guān)研究較少。滲流理論最早被應(yīng)用在數(shù)學(xué)領(lǐng)域，后來因其模型與Ad?Hoc網(wǎng)絡(luò)模型相吻合，滲流理論主要用于分析Ad?Hoc網(wǎng)絡(luò)的連通性，在改進(jìn)Ad?Hoc網(wǎng)絡(luò)的基于概率的廣播算法中有突出作用，但是滲流理論還沒有被應(yīng)用在自私節(jié)點(diǎn)檢測(cè)當(dāng)中。如果能夠得到滲流現(xiàn)象發(fā)生的精確臨界閾值，則可以通過網(wǎng)絡(luò)連通性進(jìn)行準(zhǔn)確的自私節(jié)點(diǎn)檢測(cè)，從根本上降低網(wǎng)絡(luò)干擾，提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，節(jié)約節(jié)點(diǎn)資源，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期，全面提高網(wǎng)絡(luò)性能。

通常，無線多跳網(wǎng)絡(luò)中為了檢測(cè)自私節(jié)點(diǎn)會(huì)在每個(gè)節(jié)點(diǎn)處安裝特定的安全模塊或者算法，這對(duì)于能量有限的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)來說是極大的消耗。考慮到滲流理論可以解決無線多跳網(wǎng)絡(luò)的連通性問題，利用滲流理論確定網(wǎng)絡(luò)中的自私節(jié)點(diǎn)，避免網(wǎng)絡(luò)的自私性攻擊，并且將檢測(cè)集中在少數(shù)節(jié)點(diǎn)，這對(duì)于大規(guī)模的無線多跳網(wǎng)絡(luò)是十分必要的，目前尚且沒有利用滲流理論確定無線多跳網(wǎng)絡(luò)自私節(jié)點(diǎn)的方法。

發(fā)明內(nèi)容