阮清強(qiáng)

(遵義師范學(xué)院信息工程學(xué)院，貴州 遵義 563006)

0 引 言

科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，增加了人們獲取信息的途徑，促進(jìn)了社會(huì)的信息化，無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)是物聯(lián)網(wǎng)中較為重要的基本技術(shù)之一[1]。無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)合了通信、傳感器、分布式處理和嵌入式計(jì)算等技術(shù)，具有無(wú)線通信、計(jì)算處理和感知信息的功能，被廣泛的應(yīng)用在商業(yè)、環(huán)境保護(hù)、軍事和醫(yī)療護(hù)理等領(lǐng)域中[2-3]。無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)是通過(guò)無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的，存在傳輸能力有限、硬件資源有限、自組織、電源容量有限等獨(dú)特性，以上特點(diǎn)會(huì)使自組織遠(yuǎn)距離無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)易受到攻擊[4]。自組織遠(yuǎn)距離無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)分為故障和正常兩種狀態(tài)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)容易受到攻擊，對(duì)自組織遠(yuǎn)距離無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中的故障節(jié)點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)是保證自組織遠(yuǎn)距離無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)安全運(yùn)行的必要措施[5]。當(dāng)前無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)檢測(cè)算法存在檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確率低和檢測(cè)效率低的問(wèn)題，需要對(duì)自組織遠(yuǎn)距離無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)故障節(jié)點(diǎn)檢測(cè)算法進(jìn)行研究。

崔坤利等[6]提出了一種基于分簇定位的故障節(jié)點(diǎn)檢測(cè)算法，該算法通過(guò)DV-Hop定位算法重新對(duì)簇頭節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行定位，DV-Hop是一種距離矢量路由的非測(cè)距定位算法，根據(jù)遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)算法計(jì)算簇頭節(jié)點(diǎn)的慣性權(quán)重，在簇頭節(jié)點(diǎn)慣性權(quán)重的基礎(chǔ)上優(yōu)化均值粒子群優(yōu)化(Particle Swarm Optimization, PSO)的搜索能力，搜索到易受攻擊的節(jié)點(diǎn)，完成易受攻擊節(jié)點(diǎn)的檢測(cè)，該算法不能準(zhǔn)確的計(jì)算節(jié)點(diǎn)在無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中的狀態(tài)值，得到的檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確率較低。張穎等[7]提出了一種無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)同步態(tài)的故障節(jié)點(diǎn)檢測(cè)算法，通過(guò)數(shù)學(xué)分析方法對(duì)自組織遠(yuǎn)距離無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)力學(xué)機(jī)制進(jìn)行描述，從全局的角度出發(fā)對(duì)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的健康程度進(jìn)行評(píng)價(jià)，采用耦合矩陣表示網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中存在細(xì)節(jié)信息，通過(guò)分析耦合矩陣檢測(cè)出易受攻擊的節(jié)點(diǎn)，該算法檢測(cè)節(jié)點(diǎn)所用的時(shí)間較長(zhǎng)，存在檢測(cè)效率低的問(wèn)題。常琳等[8]提出了一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的節(jié)點(diǎn)檢測(cè)算法，該算法根據(jù)各個(gè)節(jié)點(diǎn)中存在的信息構(gòu)建空間高維向量，通過(guò)鄰居節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)和節(jié)點(diǎn)自身的原始數(shù)據(jù)建立滑動(dòng)窗口，通過(guò)滑動(dòng)窗口得到節(jié)點(diǎn)故障權(quán)重，完成無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中易受攻擊節(jié)點(diǎn)的檢測(cè)，該方法存在檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確率低的問(wèn)題。Sun等[9]討論了在實(shí)際應(yīng)用中依賴于靜態(tài)模型的傳統(tǒng)主成分分析(Principal Component Analysis, PCA)方法的局限性，提出了一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的在線故障診斷算法：基于遞歸PCA模型和支持向量數(shù)據(jù)描述的多類分類節(jié)點(diǎn)。該算法的特點(diǎn)是滿足數(shù)據(jù)流處理的實(shí)時(shí)性要求，較好地跟蹤數(shù)據(jù)的變化。

上述方法不能準(zhǔn)確的得到節(jié)點(diǎn)在無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中的狀態(tài)值，檢測(cè)所用的時(shí)間較長(zhǎng)，存在檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確率低和檢測(cè)效率低等問(wèn)題。因此，本文提出一種自組織遠(yuǎn)距離無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)易受攻擊節(jié)點(diǎn)檢測(cè)算法，本文主要工作是：在空間相似性原理的基礎(chǔ)上，對(duì)比無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)之間的測(cè)量值，比較結(jié)果計(jì)算節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)值，以節(jié)點(diǎn)狀態(tài)值為依據(jù)采用基于隨機(jī)游走的故障節(jié)點(diǎn)檢測(cè)算法確定易受攻擊節(jié)點(diǎn)在自組織遠(yuǎn)距離無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中的位置。

1 無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)易受攻擊節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)

在空間相似性的基礎(chǔ)上，對(duì)比無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的傳感數(shù)據(jù)，確定節(jié)點(diǎn)在無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)時(shí)狀態(tài)，為無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中易受攻擊節(jié)點(diǎn)的檢測(cè)提供依據(jù)。

設(shè)G(V,E)代表自組織遠(yuǎn)距離無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的通信圖，V代表無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的集合，E代表鄰近節(jié)點(diǎn)邊的集合。當(dāng)鄰近節(jié)點(diǎn)vi和vj之間在無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中的距離小于通信半徑l時(shí)，鄰近的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)在通信圖G(V,E)中存在連接的邊。在無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中G(V,E)，vi∈V，且1≤i≤n。N(vi)代表節(jié)點(diǎn)vi周?chē)徑?jié)點(diǎn)的集合。

檢測(cè)節(jié)點(diǎn)vi是否易受攻擊時(shí)，設(shè)Fi代表的是節(jié)點(diǎn)在無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)時(shí)狀態(tài)，當(dāng)Fi的值為零時(shí)，代表該節(jié)點(diǎn)在無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中不易受到攻擊，當(dāng)Fi的值為1時(shí)，代表該節(jié)點(diǎn)在無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中易受到攻擊[9-10]。在空間相似性原理的基礎(chǔ)上，比較節(jié)點(diǎn)vi和周?chē)徑?jié)點(diǎn)的測(cè)量值，根據(jù)比較結(jié)果判斷節(jié)點(diǎn)在無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中的狀態(tài)。設(shè)cij代表的是節(jié)點(diǎn)vi與周?chē)徑?jié)點(diǎn)之間的比較函數(shù)，cij的表達(dá)式為：

當(dāng)節(jié)點(diǎn)vi與周?chē)徑?jié)點(diǎn)比較結(jié)果相似時(shí)，比較函數(shù)cij的值為0，當(dāng)節(jié)點(diǎn)vi與周?chē)徑?jié)點(diǎn)比較結(jié)果不相似時(shí)，比較函數(shù)cij的值為1。設(shè)ci代表的是無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)所有鄰近節(jié)點(diǎn)中cij=0的數(shù)目，0≤|ci|≤|N(vi)|，通過(guò)ci對(duì)節(jié)點(diǎn)vi與周?chē)徑?jié)點(diǎn)之間的相似度進(jìn)行反映。設(shè)置閾值θ1，當(dāng)|ci|≥θ1時(shí)，代表節(jié)點(diǎn)vi為無(wú)故障節(jié)點(diǎn)，不易受到攻擊。

(2)

設(shè)C代表的是r×q的矩陣，反映節(jié)點(diǎn)vi在不同時(shí)刻和周?chē)徑?jié)點(diǎn)的比較結(jié)果，矩陣C的表達(dá)式為：

(3)

此時(shí)，可以采用矩陣C中的時(shí)間冗余對(duì)節(jié)點(diǎn)vi與周?chē)噜徆?jié)點(diǎn)的比較結(jié)果進(jìn)行表示，即：

(4)

式中，θ2代表的是設(shè)定的閾值，通過(guò)閾值θ2對(duì)時(shí)間檢測(cè)中無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)瞬時(shí)故障的容忍度進(jìn)行反映。得到自組織遠(yuǎn)距離無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)vi的狀態(tài)值Fi：

Fi=ci·cij

(5)

2 基于隨機(jī)游走的節(jié)點(diǎn)檢測(cè)算法

無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模較大，節(jié)點(diǎn)在無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中的分布呈現(xiàn)隨機(jī)性和多樣性，破壞了無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)之間的位置關(guān)系，不能構(gòu)建有效的節(jié)點(diǎn)檢測(cè)模型[13]。將2中得到的節(jié)點(diǎn)狀態(tài)值作為無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定區(qū)域中的原始種子點(diǎn)ZW，建立無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定區(qū)域GW的模型，根據(jù)原始種子點(diǎn)ZW以外的區(qū)域初始化變化區(qū)域GD的模型。當(dāng)變化區(qū)域的權(quán)值小于穩(wěn)定區(qū)域的閾值時(shí)，隨機(jī)設(shè)置無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中變化區(qū)域的種子點(diǎn)[14]。將完成標(biāo)記的穩(wěn)定區(qū)和變化區(qū)域中存在的節(jié)點(diǎn)作為無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的原始種子點(diǎn)，將等待標(biāo)記的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)作為隨機(jī)運(yùn)作點(diǎn)[15]。當(dāng)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中的原始種子點(diǎn)數(shù)量較少時(shí)，不能直接檢測(cè)出易受攻擊的節(jié)點(diǎn)，采用權(quán)值最小化方法對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，完成自組織遠(yuǎn)距離無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)易受攻擊節(jié)點(diǎn)的檢測(cè)。

設(shè)S1、S2代表的是無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)，采集節(jié)點(diǎn)S1、S2的相同位置，t1、t2代表的是采集節(jié)點(diǎn)位置的時(shí)間。構(gòu)建無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)S1與S2的差分模型Se，Se的表達(dá)式為：

Se=|S1-S2|

(6)

設(shè)λ={λ1,λ2,L,λn}代表的是透明度值，λn∈{0,1}，其中“0”代表的是穩(wěn)定區(qū)域，“1”代表的是變化區(qū)域；un代表的是高斯混合模型的分量，賦予無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的分量un，分量un的計(jì)算公式為：

un=argminZn(λn,un,δ,Fi)

(7)

式中，δ代表的是高斯混合模型參數(shù)。

G(λ,u,δ,Fi)=logπ(λn,un)δ+∑(λn,un)+ηFi

(8)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證自組織遠(yuǎn)距離無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)易受攻擊節(jié)點(diǎn)檢測(cè)算法的整體有效性，需要對(duì)自組織遠(yuǎn)距離無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)易受攻擊節(jié)點(diǎn)檢測(cè)算法進(jìn)行測(cè)試，本次測(cè)試平臺(tái)在操作系統(tǒng)為Windows10，Intel酷睿雙核i7, @2.80GHz，RAM為16GB的個(gè)人電腦，采用matlab與C混合編程。節(jié)點(diǎn)在無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中的狀態(tài)值是檢測(cè)節(jié)點(diǎn)是否容易受到攻擊的重要依據(jù)，分別采用自組織遠(yuǎn)距離無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)易受攻擊節(jié)點(diǎn)檢測(cè)算法(算法1)、基于分簇定位的故障節(jié)點(diǎn)檢測(cè)算法(算法2)、基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的節(jié)點(diǎn)檢測(cè)算法(算法3)計(jì)算無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)值，節(jié)點(diǎn)狀態(tài)值為常數(shù)，將計(jì)算結(jié)果與實(shí)際結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如圖1所示。

圖1 三種不同算法的測(cè)試結(jié)果

圖1(a)為自組織遠(yuǎn)距離無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)易受攻擊節(jié)點(diǎn)檢測(cè)算法的測(cè)試結(jié)果，分析圖1(a)可知，采用以上算法得到的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)值與實(shí)際值相符。圖1(b)和圖1(c)分別為基于分簇定位的故障節(jié)點(diǎn)檢測(cè)算法和基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的節(jié)點(diǎn)檢測(cè)算法的測(cè)試結(jié)果，分析圖1(b)和圖1(c)可知，采用以上兩種方法得到的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)值與實(shí)際值之間的誤差較大。對(duì)比三種不同方法的測(cè)試結(jié)果可知，自組織遠(yuǎn)距離無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)易受攻擊節(jié)點(diǎn)檢測(cè)算法可準(zhǔn)確的得到節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)值，因?yàn)樵摲椒ㄔ诳臻g相似性原理的基礎(chǔ)上采用時(shí)間冗余檢測(cè)方法對(duì)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，提高了所提方法的檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確率。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證自組織遠(yuǎn)距離無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)易受攻擊節(jié)點(diǎn)檢測(cè)算法的整體有效性，分別采用自組織遠(yuǎn)距離無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)易受攻擊節(jié)點(diǎn)檢測(cè)算法(算法1)、基于分簇定位的故障節(jié)點(diǎn)檢測(cè)算法(算法2)、基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的節(jié)點(diǎn)檢測(cè)算法(算法3)進(jìn)行測(cè)試，對(duì)比三種不同算法檢測(cè)節(jié)點(diǎn)所用的時(shí)間，測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

圖2 三種不同算法檢測(cè)所用的時(shí)間

圖2(a)為自組織遠(yuǎn)距離無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)易受攻擊節(jié)點(diǎn)檢測(cè)算法所用的時(shí)間，分析圖2(a)可知，采用以上算法檢測(cè)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)所用的時(shí)間均在10 s以下。圖2(b)為基于分簇定位的故障節(jié)點(diǎn)檢測(cè)算法所用的時(shí)間，圖2(c)為基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的節(jié)點(diǎn)檢測(cè)算法檢測(cè)所用的時(shí)間，分析圖2(b)和圖2(c)可知，采用以上兩種方法檢測(cè)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)所用的時(shí)間分別高達(dá)14 s和18 s。對(duì)比三種不同算法的檢測(cè)時(shí)間可知，自組織遠(yuǎn)距離無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)易受攻擊節(jié)點(diǎn)檢測(cè)算法所用的檢測(cè)時(shí)間短，檢測(cè)效率高。

4 結(jié) 語(yǔ)

無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)具有傳輸能力有限、硬件資源有限、自組織等獨(dú)特性易受到攻擊，需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)中存在的易受攻擊節(jié)點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)前無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)易受攻擊節(jié)點(diǎn)檢測(cè)算法存在檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確率低和檢測(cè)效率低的問(wèn)題。提出一種自組織遠(yuǎn)距離無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)易受攻擊節(jié)點(diǎn)檢測(cè)算法，解決了當(dāng)前算法中存在的問(wèn)題，對(duì)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行進(jìn)行了優(yōu)化。