蔣建峰， 尤瀾濤

(1.南京郵電大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，江蘇 南京 210000； 2.蘇州大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，江蘇 蘇州 215123)

0 引 言

分簇機(jī)制[1～3]能夠很好地解決無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor networks,WSNs)能量消耗過快的問題[4]，典型的分簇算法未能解決簇頭能量負(fù)擔(dān)重的問題，且沒有身份認(rèn)證[5,6]，如劉偉等人提出了數(shù)字水印節(jié)點(diǎn)的認(rèn)證安全技術(shù)[7]，但使用典型的路由協(xié)議LEACH分簇，導(dǎo)致分簇不平衡，簇首節(jié)點(diǎn)能量消耗過快導(dǎo)致簇首過早死亡的情況。

針對(duì)以上的問題，本文提出了基于可逆數(shù)字水印技術(shù)的層次型傳感網(wǎng)絡(luò)安全模型，初始布置的無線傳感網(wǎng)絡(luò)，使用典型的分簇算法LEACH協(xié)議進(jìn)行分簇，成員通過可逆數(shù)字水印技術(shù)嵌入水印，簇首節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)水印提取，并且負(fù)責(zé)簇內(nèi)數(shù)據(jù)的融合交由匯聚(sink)節(jié)點(diǎn)，重新分簇過程中充分考慮節(jié)點(diǎn)剩余能量、位置信息以及信任因子值等因素，優(yōu)化分簇過程，力求在保障網(wǎng)絡(luò)安全的前提下極力提升網(wǎng)絡(luò)性能，延長網(wǎng)絡(luò)生命周期。

1 可逆數(shù)字水印算法

本文設(shè)計(jì)的可逆數(shù)字水印算法基于像素矢量差值，其嵌入容量高并且計(jì)算效率高，簇內(nèi)成員通過密鑰和水印算法在感知數(shù)據(jù)中嵌入水印，簇首節(jié)點(diǎn)通過水印提取算法進(jìn)行數(shù)據(jù)完整性驗(yàn)證。無線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)感知數(shù)據(jù)流定義為D={d1，d2,…,di}，其中i表示傳感節(jié)點(diǎn)工作時(shí)間周期，di表示第i個(gè)工作周期節(jié)點(diǎn)所采集到的數(shù)據(jù)集，時(shí)間集合定位為T={t1，t2,…,ti}，ti表示第i個(gè)工作周期采集數(shù)據(jù)所花的時(shí)間，定義di={a1,a2,…,aj}，aj表示第i個(gè)工作周期采集到數(shù)據(jù)的字段值。

1.1 水印生成

水印信息生成依托于原始感知數(shù)據(jù)D，用Hash算法MD5表示密鑰信息K，可以將任意長度的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成一個(gè)固定長度的值。通過單向Hash算法對(duì)感知數(shù)據(jù)流中每個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行Hash運(yùn)算，生成一個(gè)水印信息集H={h1，h2…,hi}，其中hi=Hash(K,di,ti)，K表示密鑰，只有收發(fā)的雙方知曉，由此保證Hash值的安全性，水印信息W的計(jì)算法方法如式(1)所示，水印長度為i-1

W=Wi-1，Wi-2,…,W2,W1=groupXOR(hk)，

k∈(1，i)

(1)

1.2 水印嵌入算法

水印的嵌入基于像素矢量差值，通過式(2)計(jì)算差值如下

Zj=diaj-d1aj

(2)

將計(jì)算所得差值轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制之后左移1位，從計(jì)算的水印W中去對(duì)應(yīng)j位置的二進(jìn)制數(shù)值嵌入在差值空出位置，這樣可以保證相鄰周期同類型的數(shù)據(jù)差值很小，差值的位移不會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)溢出，嵌入水印后的數(shù)據(jù)記作D′，水印生成及其嵌入感知數(shù)據(jù)的算法描述如下:

輸入：感知數(shù)據(jù)D，密鑰K

1)fori=0 tondo

2)hi=Hash(K,di,ti)

3)end for

4)W=Wi-1，Wi-2，…，W2，W1=groupXOR(hk)，k∈(1，i)

5)forj=0 tomdo

7)fori=0 tondo

8)Zj=diaj-d1aj∥計(jì)算差值

9)Z′j=2×Zj+W[j]∥二進(jìn)制左移，嵌入水印

11)F′j=Fj+Z′j

12)end for

13)end for

輸出：嵌入水印數(shù)據(jù)D′，數(shù)據(jù)通信

1.3 水印提取算法

當(dāng)簇首節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)之后，開始水印提取與數(shù)據(jù)恢復(fù)操作，通過數(shù)據(jù)D′計(jì)算均值和差值，然后從差值的最低有效位提取水印信息W1，在嵌入水印的過程中，水印是差值左移1位之后嵌入，所以提取水印之后需要將差值右移1位還原，然后通過水印嵌入算法對(duì)恢復(fù)的原始數(shù)據(jù)重新計(jì)算生成水印信息W2，通過比較W1與W2是否一樣來判斷數(shù)據(jù)的完整性，水印提取算法描述如下:

輸入：嵌入水印數(shù)據(jù)D′，密鑰K

1)forj=0 tomdo

2)fori=0 tondo

8)diaj=d1aj+Zj

9)end for

10)end for

11)fori=0 tondo

12)hi=Hash(K,di,ti)

13)end for

14)W2=Wi-1，Wi-2…W2W1=groupXOR(hk)，k∈(1，i)∥重新計(jì)算水印信息

15)if(compare(W1,W2)==Equal)∥比較水印信息

16)Dmarked authenticated∥數(shù)據(jù)完整

17)else

18)Dmarked unauthenticated∥數(shù)據(jù)破壞

輸出：原始感知數(shù)據(jù)D，數(shù)據(jù)完整

2 改進(jìn)層級(jí)安全算法

為避免傳感網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議LEACH在簇頭選擇過程中的隨機(jī)性，層級(jí)安全算法首輪分簇使用LEACH協(xié)議完成之后，第二輪以及后續(xù)分簇過程中引入節(jié)點(diǎn)信任因子來優(yōu)化分簇算法。

2.1 節(jié)點(diǎn)信任因子

節(jié)點(diǎn)信任因子的確定通過引入貝葉斯(Bayes)評(píng)估方法[8～11]，其原理是利用已知條件概率密度參數(shù)表達(dá)式和先驗(yàn)概率通過貝葉斯公式轉(zhuǎn)換為后驗(yàn)概率，然后進(jìn)行決策。

假設(shè)節(jié)點(diǎn)Ni和Nj當(dāng)前相互通信次數(shù)為x和y次，其中x表示正常通信次數(shù)，y表示異常通信次數(shù)，異常通信會(huì)導(dǎo)致信任因子降低，有貝葉斯評(píng)估方法可以得到Ni對(duì)Nj的統(tǒng)計(jì)信任因子Rij的概率為公式(3)

再根據(jù)密度函數(shù)式(4)所示

推得公式(5)

推理可得，節(jié)點(diǎn)Ni對(duì)Nj的統(tǒng)計(jì)信任因子Rij服從參數(shù)x和x+y的Beta分布如下

則其數(shù)學(xué)信任因子為

由此推得節(jié)點(diǎn)Ni的信任因子計(jì)算公式如式(8)所示

式中n為當(dāng)前節(jié)點(diǎn)Ni所在簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)量，節(jié)點(diǎn)的信任因子由簇首節(jié)點(diǎn)保存和更新。

2.2 簇首權(quán)值設(shè)計(jì)

為平衡簇首節(jié)點(diǎn)剩余能量以及簇首節(jié)點(diǎn)和簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)之間的位置因素，應(yīng)該選擇剩余能量值相對(duì)較大，簇內(nèi)平均距離因子相對(duì)較小且節(jié)點(diǎn)信任因子大的節(jié)點(diǎn)作為簇首節(jié)點(diǎn)。在每個(gè)簇內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的位置信息標(biāo)識(shí)為L={l1，l2,…,li}每個(gè)li都有x和y方向的分量，所有節(jié)點(diǎn)的能量信息標(biāo)識(shí)為E={e1，e2,…,ei}，其中i為節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，li為第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的位置信息，ei為第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的剩余能量，則節(jié)點(diǎn)i與簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)j的距離計(jì)算公式如式(9)所示

式中l(wèi)xi為節(jié)點(diǎn)i在x方向的位置分量，lyi為節(jié)點(diǎn)i在y方向的位置分量，簇內(nèi)平均距離因子Δdi的計(jì)算公式如式(10)所示

由此，引入簇首權(quán)值w的計(jì)算公式如式(11)所示

式中α+β=1且α，β∈[0,1],α為能量影響因子，β為距離影響因子，Ri為節(jié)點(diǎn)信任因子，R為初始信任因子。

2.3 算法流程

網(wǎng)絡(luò)布置完成，通過LEACH協(xié)議完成分簇；簇內(nèi)成員獲取感知數(shù)據(jù)，啟動(dòng)可逆數(shù)字水印嵌入，把數(shù)據(jù)發(fā)送給簇首節(jié)點(diǎn)；簇首節(jié)點(diǎn)接收簇內(nèi)信息，通過數(shù)字水印算法提取水印，驗(yàn)證數(shù)據(jù)完整性，最后負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)融合與上傳數(shù)據(jù)工作；簇重組階段，簇內(nèi)所有成員節(jié)點(diǎn)在TDMA時(shí)隙發(fā)送節(jié)點(diǎn)的剩余能量信息和位置信息，簇首根據(jù)收到的信息計(jì)算節(jié)點(diǎn)信任因子，同時(shí)設(shè)定能量影響因子和距離影響因子，以此計(jì)算簇首權(quán)重，并且重新分簇。

3 仿真與測(cè)試

3.1 仿真參數(shù)設(shè)置

通過網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)NS搭建傳感網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景，引入文獻(xiàn)[1]中的無線通信模型計(jì)算能量損耗。傳感網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景大小為100 m×100 m，Sink位置坐標(biāo)為50,175，傳感節(jié)點(diǎn)數(shù)量100個(gè)，節(jié)點(diǎn)每次發(fā)送數(shù)據(jù)包大小為2 000 bit，節(jié)點(diǎn)初始能量設(shè)置為2 J，能量影響因子和距離影響因子都設(shè)置為0.5，慢衰弱每比特消耗100 pJ，快衰弱每比特消耗0.001 pJ，電路能耗為50 nJ/bit。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

1)魯棒性能分析

圖1是通過固定時(shí)隙選取的通信數(shù)據(jù)，包括原始感知數(shù)據(jù)、嵌入水印后的數(shù)據(jù)以及恢復(fù)后的數(shù)據(jù)值比較，從結(jié)果可以得知，通過可逆數(shù)字水印算法還原的數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)的誤差極小，幾乎沒有誤差，算法完全能夠保證數(shù)據(jù)完整性和安全性。

圖1 數(shù)據(jù)數(shù)值對(duì)比

2)安全性能測(cè)試

每次測(cè)試隨機(jī)選取10 000個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)感知數(shù)據(jù)，以篡改率10 %的方式篡改原始數(shù)據(jù)，即共有1 000個(gè)原始數(shù)據(jù)被篡改。當(dāng)嵌入水印的感知數(shù)據(jù)被傳送到簇首節(jié)點(diǎn)之后，簇首節(jié)點(diǎn)根據(jù)算法提取水印并且驗(yàn)證，若數(shù)據(jù)被篡改，簇首節(jié)點(diǎn)判定數(shù)據(jù)被惡意破壞且丟棄數(shù)據(jù)包，圖2是重復(fù)10次實(shí)驗(yàn)的仿真結(jié)果。

圖2 數(shù)據(jù)丟包率

數(shù)據(jù)的篡改率保持在10 %，在理論情況下，根據(jù)可逆數(shù)字水印算法，簇首節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證數(shù)據(jù)后，丟棄數(shù)據(jù)包的占比應(yīng)該是10 %。而實(shí)測(cè)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)丟包率基本保持在10 %左右，誤差不超過0.05 %，證明算法能夠很好的達(dá)到認(rèn)證數(shù)據(jù)的效果，保證了數(shù)據(jù)的完整性和安全性。

3)節(jié)點(diǎn)能耗比較

可逆數(shù)字水印算法基于像素矢量差值，其嵌入容量高且計(jì)算效率高，算法的復(fù)雜度是O(n2)，算法本身只在水印嵌入和提取時(shí)消耗很少的能量，圖3結(jié)果證明算法能保障網(wǎng)絡(luò)的安全性且沒有影響網(wǎng)絡(luò)的整體性能。

圖3 節(jié)點(diǎn)能量消耗比較

4)網(wǎng)絡(luò)生命周期比較

如圖4所示，層級(jí)安全算法執(zhí)行到300 s后才開始有節(jié)點(diǎn)死亡，并且在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行900 s時(shí)還有生存的節(jié)點(diǎn)，而未改進(jìn)的LEACH協(xié)議在200 s時(shí)就出現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)死亡的現(xiàn)象，由于分簇不均衡的原因?qū)е戮W(wǎng)絡(luò)在400 s后就消亡了，證明層級(jí)安全算法能夠有效延長網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。

圖4 節(jié)點(diǎn)生存時(shí)間

4 結(jié)束語

針對(duì)傳感網(wǎng)絡(luò)的弱安全防御能力以及不均衡能量管理能力，設(shè)計(jì)了一種基于可逆數(shù)字水印技術(shù)的安全層級(jí)模型。通過可逆數(shù)字水印的嵌入與提取來保障數(shù)據(jù)的完整性和安全性，并且充分考慮節(jié)點(diǎn)剩余能量、位置信息以及信任因子的因素下優(yōu)化分簇策略。結(jié)果表明：算法能夠很好地保障數(shù)據(jù)的完整性和安全性，數(shù)據(jù)正確率控制在99.95 %以上，通過優(yōu)化傳感網(wǎng)絡(luò)分簇策略，有效延長了網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間。