易月娥

（長沙民政職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410004 ）

隨著科技的不斷發(fā)展，微電子、無線通信、智能控制與自動化等技術(shù)越來越多地應(yīng)用到更加廣泛的領(lǐng)域，而以上這些領(lǐng)域無疑都有要用到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor NetWork，WSN)[1]。所以科研人員以及廣大學(xué)者開始研究更加方便、快捷、安全的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由許多的傳感器以自組織的形式將各自的節(jié)點整合在一起的無線網(wǎng)絡(luò)通信模式[2]，這些節(jié)點通過無線通信的方式進行彼此間數(shù)據(jù)信息的共享與分析，實現(xiàn)寬領(lǐng)域、高覆蓋面的遠(yuǎn)程傳輸功能[3]，因此較多地應(yīng)用在醫(yī)學(xué)、軍事、商業(yè)等多種環(huán)境的監(jiān)測系統(tǒng)中。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常由傳感器節(jié)點、匯集節(jié)點以及管理節(jié)點三部分組成[4]，這些節(jié)點是隨機分布在待檢測的空間范圍內(nèi)，可以利用人工的方法或者飛機空投的方式進行。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)存在許多的安全性問題[5]，采用博弈算法可以有效地解決傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全問題，因為采用博弈算法能夠節(jié)約在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過程中的能量損耗。博弈論的主要思想是針對在競爭類型的游戲中個體的預(yù)測行為和實際行為之間的關(guān)系，幫助游戲者選擇出最有效、合理行為的過程[6]，后續(xù)被許多學(xué)者應(yīng)用在無線通信以及研究拓?fù)淇刂频念I(lǐng)域中。對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信問題的研究采用博弈理論，主要是通過判斷網(wǎng)絡(luò)信息傳輸?shù)倪^程能量損耗、各節(jié)點的傳輸速度以及節(jié)點平均功率等指標(biāo)，來對其安全性進行預(yù)測衡量[7]。

大多數(shù)傳感器網(wǎng)絡(luò)在進行部署前，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫菬o法預(yù)知的，在部署后，整個網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、傳感?jié)點在網(wǎng)絡(luò)中的角色也是經(jīng)常變化的。因而不像有線網(wǎng)、大部分無線網(wǎng)絡(luò)那樣對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進行完全配置，對傳感節(jié)點進行預(yù)配置的范圍是有限的，很多網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、密鑰等都是傳感節(jié)點在部署后進行協(xié)商后形成的。由此可見，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)容易遭受傳感節(jié)點的物理操縱、傳感信息的竊聽、拒絕服務(wù)攻擊、私有信息的泄露等多種威脅和攻擊。本文主要針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中存在的安全問題進行分析預(yù)測，并采用博弈算法對不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下節(jié)點的平均功率、相鄰節(jié)點的平均剩余能量、節(jié)點平均節(jié)點度以及任意兩個節(jié)點間最短路徑平均跳變數(shù)等指標(biāo)來衡量其網(wǎng)絡(luò)的安全性。本文首先介紹無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本概念、特點以及存在的安全性問題，接著提出采用博弈算法進行安全性分析，并建立了主動防御模型以及針對惡意節(jié)點入侵制定了相應(yīng)的防御機制，最后以實驗仿真的形式得出不同模型以及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下各種指標(biāo)數(shù)值結(jié)果，驗證了采用博弈算法對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全性進行分析以及預(yù)測的有效性以及實用性，對后續(xù)關(guān)于網(wǎng)絡(luò)安全的研究具有一定的指導(dǎo)作用。

1.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

SPINS（Security Privacy In Sensor Network）安全協(xié)議框架是最早的無線傳感網(wǎng)絡(luò)安全框架之一，包括SNEP(Secure Network Encryption Protocol)和 μTESLA(Micro TimedEfficient Streaming Loss2tolerant Authentication Protocol)兩個部分。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)SPINS 安全框架在機密性、點到點的消息確認(rèn)、完整性鑒別以及認(rèn)證廣播方面定義了完整有效的機制和算法，但是由于其密鑰的共享方式還是比較簡單的[8]，所以在安全方面有較大的隱患，使整個無線網(wǎng)絡(luò)的安全問題都依賴于基站，這樣就無疑增大了基站的壓力，整個無線網(wǎng)絡(luò)的靈活性大大地降低了。尤其是隨著我國物聯(lián)網(wǎng)事業(yè)的不斷發(fā)展，使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在諸多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，所以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全性問題是一個亟待解決的問題。

1.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基本概念及運行特點

近年來，我國將無線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展列入了其中一個重要發(fā)展和改善項目，因為無線網(wǎng)絡(luò)涉及商務(wù)、軍事、醫(yī)療等方面的核心技術(shù)，所以檢測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全性就具有長遠(yuǎn)發(fā)展的意義。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要特點有以下幾個方面。

（1）能夠被利用的硬件資源更加有限。

一般的傳感器價格較貴、能量的消耗較大，但是運算和處理數(shù)據(jù)的能力卻較差，而且會存在存儲量較小的缺點，所以在傳感器的類型選擇方面還是比較局限的，常見的典型傳感器的處理能力一般是介于幾兆或者幾十兆之間的，存儲空間一般有十幾K左右[9]。

（2）現(xiàn)代通信中的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模更大，數(shù)據(jù)的冗余量增大。

（3）存在多跳變路由的情況。

（4）網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一般都為動態(tài)的。

（5）網(wǎng)絡(luò)的安全性較差。

網(wǎng)絡(luò)中傳感器的節(jié)點一般都暴露在相對開放的環(huán)境中，相應(yīng)的不確定因素較多，所以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)面臨著諸多的安全問題，比如惡意攻擊節(jié)點的入侵、拒絕訪問等。

1.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)存在的安全問題

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)都有一定的安全性問題，但是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)面臨的問題更多。這些問題總結(jié)起來主要有節(jié)點的物理安全性問題、鏈路層的安全性問題以及網(wǎng)絡(luò)層的安全性問題[10]，本文主要研究節(jié)點的安全性問題。

對于無線傳感器的節(jié)點可以分為以下幾類。

圖1 傳感器節(jié)點的分類

2.博弈算法及應(yīng)用

2.1博弈算法基本理論

納什均衡是博弈算法中的一個重要的概念。當(dāng)競爭游戲中的每個人都選擇了一種對自己最有好處的最優(yōu)博弈環(huán)境時，只要對手保持靜止?fàn)顟B(tài)或者沒有偏離自己的掌握范圍，人們是不會改變自己當(dāng)初的策略的，每個游戲者的策略組合就叫做納什均衡。

在一個博弈中可能有多個納什均衡，但也可能一個都沒有。

對于序數(shù)勢博弈（ordinal potential game,POG）和序數(shù)勢函數(shù)（ordinal potential function,OPF），已知一個策略博弈是一個序數(shù)勢博弈，如果存在一 個 函 數(shù) V:S → R， 對 ?i ∈ N， ?s-i∈ S-i以 及?ai,bi∈ Si，都有

則函數(shù)V稱為Γ的序數(shù)勢函數(shù)。

2.2 基于博弈算法的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的TCBPG 模型

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基于博弈論的防御模型，即TCBPG 模型中，最重要的就是確定模型中的收益函數(shù)。收益函數(shù)指的是每個節(jié)點接入網(wǎng)絡(luò)之后，各個節(jié)點對于數(shù)據(jù)處理和傳輸?shù)乃挤輸?shù)的權(quán)重值。對于某個節(jié)點?i ∈N，本節(jié)點的收益函數(shù)為：

其中α、β 均為正數(shù)權(quán)重因子，pi表示第i 各節(jié)點的發(fā)射功率；p-i表示其他n - 1 個節(jié)點的發(fā)射功率；明該網(wǎng)絡(luò)是聯(lián)通的，即該節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中以雙向傳輸?shù)牟?連 通， 對 于 任 意 的 節(jié) 點 ?i ∈ N 且 有 pi＞qi時 ，

j 表示節(jié)點i 在功率pi時的一跳變鄰節(jié)點，Er(j)表示節(jié)點j 的剩余能量，Eo( j)表示j 的初始能量顯然：

上式表明，維持網(wǎng)絡(luò)的連通相比考慮節(jié)點的能耗，具有更重要的理論和實際意義。

2.3 基于博弈算法的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)惡意節(jié)點防御機制

構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的博弈模型，需要三個基本要素，在模型中主要包含著（1）參與者，即在博弈理論中需要互為競爭的雙方，雙方要為自己的利益采取不斷變化的策略；（2）策略空間，即為了獲得最大利益雙方采取的方法，其數(shù)學(xué)表述分別為：S1=(C,NC)，S1=(C,NC)，對惡意節(jié)點采取的策略一般有三種，分別為合作、不合作以及攻擊。（3）矩陣收益，對于兩種不同類型的節(jié)點矩陣收益如下表1所示。

表1 博弈雙方的收益矩陣

在上表1 中，惡意節(jié)點進行攻擊行為時所要消耗的內(nèi)部能量用CA表示，節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包所要消耗的能量、帶寬等用CR表示，其中CR＞CA；理性節(jié)點采取防御策略時所要消耗的資源用CD表示，其中CD＞CR＞ CA。

本文中設(shè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的理性節(jié)點分被采取合作、不合作以及防御策略的權(quán)重分別為x1，x2，x3，惡意節(jié)點采取以上三種策略的權(quán)重分別為y1，y2，y3，且滿足x1+ x2+ x3= 1，y1+ y2+ y3= 1，雙方的收益矩陣可以分別表示為矩陣A、B，則在MATLAB 中對策略的防御機制進行實驗仿真，在研究問題時本文做了如下的規(guī)定，首先對參數(shù)進行了標(biāo)準(zhǔn)處理，取值范圍為[ ]0,1 ， 且 R = 1.0， CR= 0.4， CA= 0.2， CD= 0.5，則可得的仿真結(jié)果如圖2、3所示。

圖 2 X1，X2，X3的博弈狀態(tài)

圖 3 Y1，Y2，Y3的博弈狀態(tài)

由圖2 和圖3 的實驗結(jié)果可知，如果防御策略沒有被采取時，網(wǎng)絡(luò)中的理性節(jié)點和惡意節(jié)點就會存在互相競爭的過程，惡意節(jié)點的進攻策略選擇是使得自己利益最大化，理性節(jié)點的防守策略選擇是自己能量如何保存最大的原則，經(jīng)過幾輪的博弈后，最終的結(jié)果就是雙方采取不合作的方式盡量保存自己的實力，但此時整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)處于一個故障不工作的狀態(tài)，此狀態(tài)在實際應(yīng)用中是應(yīng)該盡量避免的。

3.實驗仿真結(jié)果分析

實驗采用實時的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)，場景目標(biāo)區(qū)域選擇300m×300m，通信半徑設(shè)置為100m，節(jié)點初始能量50J，波長，接收、發(fā)射天線的增益值、接收門限以及損耗等參數(shù)值如下表2所示，節(jié)點的初始剩余能量值服從參數(shù)λ為25的泊松分布，實驗次數(shù)共20次。

表2 仿真參數(shù)

在公式（4）中本文采用博弈算法時要規(guī)定權(quán)重因子α 和β，在本實驗中將60 個節(jié)點隨機的分布在目標(biāo)空間內(nèi)，并且令β = 1，分析博弈算法不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及不同的安全性問題中節(jié)點的功率、數(shù)據(jù)傳輸速率以及剩余能量等指標(biāo)，并由此來確定α的取值。

從圖4 的四張圖來綜合考慮，本文最終選定了α = 1，β = 1進行無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全性策略。

圖4 實驗序號

圖4 當(dāng)β = 1 時，α 對網(wǎng)絡(luò)安全性能指標(biāo)的影響（a）節(jié)點平均發(fā)射率；（b）鄰節(jié)點平均剩余能量；（c）平均節(jié)點度；（d）最短路徑平均跳數(shù)。

4.結(jié)論

本文主要針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中存在的安全問題進行分析預(yù)測，并采用博弈算法對不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下節(jié)點的平均功率、相鄰節(jié)點的平均剩余能量、節(jié)點平均節(jié)點度以及任意兩個節(jié)點間最短路徑平均跳變數(shù)等指標(biāo)來衡量其網(wǎng)絡(luò)的安全性。首先介紹無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本概念、特點以及存在的安全性問題，接著提出采用博弈算法進行安全性分析，并建立了主動防御模型以及針對惡意節(jié)點入侵制定了相應(yīng)的防御機制，最后以實驗仿真的形式得出對不同模型以及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下各種指標(biāo)數(shù)值結(jié)果，驗證了采用博弈算法對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全性進行分析以及預(yù)測的有效性及實用性，對后續(xù)網(wǎng)絡(luò)安全的研究具有一定的指導(dǎo)作用。