陶 洋，許湘揚(yáng)+，李 朋，潘蕾娜

(重慶郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，重慶 400065)

0 引 言

由于無線傳感器節(jié)點在計算、存儲、能量等方面資源受限，又常常部署在無人監(jiān)管的復(fù)雜環(huán)境下。如何在有效抵御惡意節(jié)點攻擊的同時，提高網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡并延長網(wǎng)絡(luò)生命周期就成為了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議研究的一個熱點問題[1-3]。

為了降低惡意節(jié)點對網(wǎng)絡(luò)的影響，研究人員提出了多種不同的防御手段。文獻(xiàn)[4,5]都針對惡意節(jié)點的行為特征設(shè)計了分布式信任評價模型，旨在能夠快速的識別惡意節(jié)點。文獻(xiàn)[6]為抵御黑洞攻擊提出了LTB-AODV(light weight trust based AODV)協(xié)議。LTB-AODV協(xié)議使用入侵檢測系統(tǒng)監(jiān)督節(jié)點的轉(zhuǎn)發(fā)行為，各節(jié)點負(fù)責(zé)計算其鄰節(jié)點的信任值。文獻(xiàn)[7-9]均采用了加密、認(rèn)證技術(shù)、密鑰管理等機(jī)制來對抗HELLO泛洪、選擇性轉(zhuǎn)發(fā)、篡改數(shù)據(jù)包等攻擊。但這些基于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的安全路由協(xié)議都具有計算量與通訊量大的特點，不適合資源受限的無線傳感器節(jié)點[10,11]。

上述文獻(xiàn)所設(shè)計的無線傳感器信任評價模型均存在通信量較大的缺點，不符合無線傳感器節(jié)點資源受限的特點。且在路由決策時，只考慮了安全性而沒有綜合考慮節(jié)點的能量信息，導(dǎo)致高信任值節(jié)點的能量出現(xiàn)過早枯竭。本文針對上述問題提出了EOSR路由算法，通過降低信任值的計算量和通信量，并在路由決策時綜合信任與能量，在保障數(shù)據(jù)交付的同時優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載均衡。

1 EOSR協(xié)議設(shè)計

EOSR協(xié)議包括信任評價、路由發(fā)現(xiàn)和路由維護(hù)。信任評價負(fù)責(zé)根據(jù)節(jié)點的通訊行為計算節(jié)點的信任值。路由發(fā)現(xiàn)綜合考慮節(jié)點信任值、剩余能量和多跳次數(shù)，旨在發(fā)現(xiàn)一條安全可靠且能耗均衡的轉(zhuǎn)發(fā)路徑。當(dāng)轉(zhuǎn)發(fā)路徑中出現(xiàn)惡意節(jié)點或者能量不足的節(jié)點時，路由維護(hù)將會啟動，去通知源節(jié)點建立一條新的轉(zhuǎn)發(fā)路徑。

1.1 信任評價模型

節(jié)點信任值的高低代表了節(jié)點通信行為的好壞，惡意節(jié)點總是因其不良通信行為而導(dǎo)致信任值不斷下降，正常節(jié)點則與之相反。本文中傳感器節(jié)點對其鄰居節(jié)點的通信行為進(jìn)行監(jiān)控，檢測鄰居節(jié)點是否存在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包、篡改數(shù)據(jù)包等行為。如圖1所示，節(jié)點i對節(jié)點j進(jìn)行信任評價，其中k1、k2、…km為二者的共同鄰節(jié)點。

圖1 信任評價

1.1.1 直接信任

文獻(xiàn)[12]利用Beta分布進(jìn)行信任評價，節(jié)點i對節(jié)點j的直接信任值DTij可通過Beta分布的統(tǒng)計期望得到

(1)

其中，αij、βij分別表示節(jié)點j成功轉(zhuǎn)發(fā)來自節(jié)點i的數(shù)據(jù)包數(shù)目與失敗的數(shù)目。

然而，原有的基于Beta分布的信任評價模型沒有考慮外部因素對節(jié)點通信行為的影響，例如網(wǎng)絡(luò)擁塞造成的丟包。為了解決這個問題，本文引入異常衰減因子q對原有模型進(jìn)行改進(jìn)。q表示節(jié)點異常行為是惡意攻擊行為的概率，其計算公式如下

(2)

其中，Numbinstrusion表示節(jié)點由于攻擊行為所產(chǎn)生的不合作次數(shù)，Numbdetection表示節(jié)點全部不合作次數(shù)。

對i節(jié)點檢測出j節(jié)點的不合作次數(shù)進(jìn)行衰減，可降低外部因素對信任值的影響，從而提高信任評價的準(zhǔn)確度。則式(1)修正為

(3)

現(xiàn)有的信任評價模型通常綜合考慮節(jié)點的直接信任與間接信任來計算綜合信任。雖然這在一定程度上提高了信任值的精度，但卻大大增加了節(jié)點間的通信量，帶來了更大的能量開銷。為降低信任評價的能量開銷，可對直接信任的置信度γ進(jìn)行判斷。如果置信度γ高于指定的置信閾值γ0(本文令γ0=0.9)，則把直接信任作為節(jié)點的綜合信任值。否則，綜合節(jié)點的直接信任和間接信任來計算綜合信任。

通過區(qū)間估計可對直接信任的置信度進(jìn)行評價，設(shè)DTij的置信度為γ，在此置信度上的置信區(qū)間為(DTij-ε，DTij+ε)，則γ的計算公式如下

(4)

其中，ε為誤差值，0<ε

1.1.2 間接信任

當(dāng)節(jié)點i對節(jié)點j的直接信任不夠充分，無法做出相應(yīng)的評價時，需從節(jié)點i、j之間的共同鄰節(jié)點獲取節(jié)點j的間接信任。各共同鄰節(jié)點對節(jié)點j的間接信任可由節(jié)點i對各鄰節(jié)點的直接信任DTik和各鄰節(jié)點對節(jié)點j的直接信任DTkj得到。鄰節(jié)點k對節(jié)點j的間接信任表達(dá)式為

(5)

(6)

如果一個鄰節(jié)點的間接信任偏離程度越大，則表示該間接信任與其它間接信任的平均距離越遠(yuǎn)，出現(xiàn)惡意行為的可能性就越大。因此我們需要將偏離程度高于Thdeviation的間接信任過濾。

1.1.3 綜合信任

在評價節(jié)點信任值時，除了需要考慮直接信任還需考慮間接信任，于是我們綜合直接信任與間接信任得到節(jié)點i對節(jié)點j的綜合信任值Tij，其計算公式為

(7)

其中，μ為直接信任的權(quán)值，本文令μ=0.5。

1.2 路由發(fā)現(xiàn)

本文提出EOSR協(xié)議對按需路由協(xié)議AODV進(jìn)行了擴(kuò)展，主要考慮到AODV協(xié)議具有如下優(yōu)點：AODV是一種應(yīng)用于無線自組織網(wǎng)絡(luò)的按需路由協(xié)議，它能夠在動態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)中確定一條源節(jié)點到目地節(jié)點的路由，并且具有接入速度快，路由維護(hù)開銷小，計算量小等優(yōu)點。為了找到一條安全可靠且能耗均衡的路徑，EOSR協(xié)議對AODV協(xié)議的路由請求幀(RREQ)和路由應(yīng)答幀(RREP)進(jìn)行了修改，加入了信任與能量信息。在不增加通信量的情況下交換了包含信任和能量信息。EOSR協(xié)議定義了路徑綜合成本PCC，對候選轉(zhuǎn)發(fā)路徑進(jìn)行比較，數(shù)據(jù)源節(jié)點可通過計算PCC獲得更優(yōu)的轉(zhuǎn)發(fā)路徑。路徑綜合成本PCC綜合考慮轉(zhuǎn)發(fā)路徑節(jié)點的信任值、剩余能量和多跳次數(shù)，其定義如下

(8)

其中，系數(shù)wt、we、whop，分別代表信任、能量和跳數(shù)的權(quán)重，且wt+we+whop=1。本文為了使信任、能量和跳數(shù)擁有相同的影響力，令3個系數(shù)相等。也可根據(jù)不同的應(yīng)用要求，調(diào)整wt、we、whop的大小。

EOSR協(xié)議通過廣播RREQ幀和單播RREP幀，進(jìn)行路由發(fā)現(xiàn)。當(dāng)高信任值、低剩余能量的節(jié)點收到RREQ幀時，考慮到自身剩余能量低于指定閾值Thenergy，該節(jié)點會選擇丟棄此RREQ幀。而低信任值、高剩余能量節(jié)點在向前驅(qū)節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)RREP幀時，前驅(qū)節(jié)點就會丟棄此RREP幀，不與之建立路由。如圖2所示，其中a為數(shù)據(jù)源節(jié)點，d為數(shù)據(jù)接收節(jié)點。

圖2 路由發(fā)現(xiàn)

為了找到一條可靠且能耗均衡的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)路徑，a節(jié)點開啟路由發(fā)現(xiàn)，首先向其鄰居節(jié)點廣播RREQ幀。鄰居節(jié)點接收到RREP幀后，檢查自身的剩余能量，如果低于閾值Thenergy就不繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)此RREP幀(如節(jié)點g)。否則繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)RREP幀，并保存當(dāng)前節(jié)點到源節(jié)點a的路由信息(該RREP幀的傳播路徑，稱為反向路由)。重復(fù)上述過程一直到RREQ幀轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點d。當(dāng)目的節(jié)點收到RREQ幀以后，將會沿著反向路由單播RREP幀一直到源節(jié)點a。反向路由上的每一個中間節(jié)點接收到鄰居節(jié)點發(fā)來的RREP幀時，會校驗此鄰居節(jié)點的信任值，如果低于指定的信任閾值Thtrust，將不會沿著反向路由繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)此RREP幀，否則繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)RREP直到到達(dá)源節(jié)點a。如節(jié)點h所示：當(dāng)節(jié)點h收到鄰居節(jié)點i發(fā)來的RREP幀時，由于節(jié)點i的信任值低于指定閾值Thtrust，節(jié)點h選擇丟棄此RREP幀，避免惡意節(jié)點參與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)。最終節(jié)點a發(fā)現(xiàn)一條可靠且能耗均衡的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)路徑：a→b→c→d。

路由發(fā)現(xiàn)算法見表1。

表1 路由發(fā)現(xiàn)算法

1.3 路由維護(hù)

當(dāng)轉(zhuǎn)發(fā)路徑上出現(xiàn)惡意節(jié)點或者剩余能量不足的節(jié)點時，之前建立起來的轉(zhuǎn)發(fā)路徑將不再可靠。為了建立新的可靠轉(zhuǎn)發(fā)路徑，將啟動路由維護(hù)程序通知源節(jié)點去建立新的可靠路由。下面結(jié)合圖3舉例說明路由維護(hù)。假設(shè)節(jié)點i為惡意節(jié)點且對數(shù)據(jù)包進(jìn)行丟棄或者篡改。其前驅(qū)節(jié)點h發(fā)現(xiàn)節(jié)點i的惡意行為，將會沿著反向路由發(fā)送REER幀給源節(jié)點a，通知節(jié)點a建立一條新的可靠路由。又假設(shè)節(jié)點i為正常節(jié)點但其剩余能量低于閾值Thenergy。節(jié)點i將會沿著反向路由發(fā)送REER幀給源節(jié)點a，通知節(jié)點a建立一條新的可靠路由。

圖3 路由維護(hù)

2 仿真設(shè)計與結(jié)果分析

本節(jié)將對路由協(xié)議EOSR進(jìn)行仿真。我們將EOSR協(xié)議與同樣具備安全機(jī)制的LTB-AODV和TETO進(jìn)行對比，比較它們在不同惡意節(jié)點數(shù)量下的性能。性能指標(biāo)包括：網(wǎng)絡(luò)吞吐量、平均能量消耗和網(wǎng)絡(luò)存活期。仿真工具為NS-2。具體的仿真參數(shù)見表2。

表2 主要仿真參數(shù)

2.1 網(wǎng)絡(luò)吞吐量

網(wǎng)絡(luò)吞吐量表示整個網(wǎng)絡(luò)向基站傳輸數(shù)據(jù)的速度，反映了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)收集和分發(fā)數(shù)據(jù)的能力。圖4描述了4種路由協(xié)議在不同惡意節(jié)點數(shù)量下的網(wǎng)絡(luò)吞吐量變化情況。3種協(xié)議都呈現(xiàn)下降趨勢。當(dāng)惡意節(jié)點數(shù)量超過5個時，這種下降趨勢更為明顯。這是因為網(wǎng)絡(luò)中惡意節(jié)點總是丟棄或部分轉(zhuǎn)發(fā)所接收到的數(shù)據(jù)包，隨著惡意節(jié)點個數(shù)的增加，對網(wǎng)絡(luò)吞吐量的影響也愈發(fā)嚴(yán)重。本文提出的EOSR協(xié)議因為路由檢測模塊會實時檢測路徑上的節(jié)點，發(fā)現(xiàn)惡意節(jié)點會立即開啟路由發(fā)現(xiàn)，建立一條新的轉(zhuǎn)發(fā)路徑，從而有效控制了惡意節(jié)點對網(wǎng)絡(luò)吞吐量的影響。而LTB-AODV、TETO協(xié)議在判別惡意節(jié)點時需要分別和所有鄰居節(jié)點、網(wǎng)絡(luò)所有節(jié)點交換信息，延長了發(fā)現(xiàn)惡意節(jié)點的時間，從而在網(wǎng)絡(luò)吞吐量上不及EOSR協(xié)議。

圖4 惡意節(jié)點數(shù)量對網(wǎng)絡(luò)吞吐量的影響

2.2 平均節(jié)點能耗

圖5描述了3種路由協(xié)議在不同惡意節(jié)點個數(shù)下的節(jié)點平均能耗變化情況。從圖中可以看出，隨著惡意節(jié)點的增多，4種路由協(xié)議的平均節(jié)點能耗都呈現(xiàn)上升的趨勢，其中本文提出的EOSR協(xié)議在節(jié)點能耗表現(xiàn)上優(yōu)于LTB-AODV和TETO協(xié)議。這是因為LTB-AODV在每次計算信任值時，都需要獲取鄰居節(jié)點的間接信任，增大了通信量導(dǎo)致節(jié)點能量消耗增加。TETO則需要對密鑰進(jìn)行管理，極大地增大了計算量與通信量。而EOSR協(xié)議在計算直接信任時，考慮了直接信任的置信度，減少了綜合信任的通信量。且在RREQ幀和RREP幀中分別加入了信任、能量信息，在不增加通信量的情況下，均衡了信任節(jié)點間的能耗。

圖5 惡意節(jié)點個數(shù)對節(jié)點能耗的影響

2.3 網(wǎng)絡(luò)存活期

圖6描述了3種路由協(xié)議在不同惡意節(jié)點個數(shù)下的網(wǎng)絡(luò)存活時間變化情況。從圖可知，本文提出的EOSR協(xié)議相較于LTB-AODV和TETO協(xié)議明顯地提高了網(wǎng)絡(luò)存活時間。這是因為EOSR協(xié)議在路由發(fā)現(xiàn)階段同時考慮了信任值和剩余能量，并且對路由的跳數(shù)進(jìn)行了控制，在保障路由可靠性的同時有效地提高了整個網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載均衡，從而大大提高了網(wǎng)絡(luò)生存時間。

圖6 惡意節(jié)點個數(shù)對網(wǎng)絡(luò)存活期的影響

3 結(jié)束語

本文針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的惡意節(jié)點以及節(jié)點能量受限，提出了一種考察節(jié)點通信行為的輕量級信任計算方法，有效控制了信任值獲取的能量開銷。本文定義了路徑綜合成本，綜合考慮節(jié)點信任值、剩余能量和路徑長度來計算路由成本PCC。EOSR協(xié)議通過比較候選路由的PCC有效地提高了路由的可靠性與整個網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載均衡。通過仿真實驗對比，驗證了EOSR協(xié)議的有效性。