基于信任的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信息傳播模型研究

王艷華 劉亞秋 高洋

摘要 提出一種基于信任的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信息傳播模型。結(jié)合生物學中的Logistic模型以及信任策略，建立無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的信息傳播模型，并在信息傳播模型的基礎(chǔ)上，對激勵策略進行分析，提出相應(yīng)的激勵策略。模擬試驗表明，該模型可有效地提高整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的信任水平，并加快信息傳播速度。

關(guān)鍵詞 信任； 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)； 信息傳播； Logistic模型； 激勵策略

中圖分類號 S126 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2014）16-05315-03

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）是由大量的傳感器以自組織和多跳的方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)，以協(xié)作地感知、采集、處理以及傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋地理區(qū)域內(nèi)被感知對象的信息，并最終把這些信息發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)的所有者[1-2]。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有自組織特性。在傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用中，傳感器節(jié)點被放置在沒有基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的地方，傳感器節(jié)點的位置不能預(yù)先精確設(shè)定，節(jié)點之間的相互鄰居關(guān)系預(yù)先也不知道，如通過飛機播撒大量傳感器節(jié)點到面積廣闊的原始森林中[3]。這樣就要求傳感器節(jié)點具有自組織的能力，能夠自動進行配置和管理，通過拓撲控制機制和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議自動形成轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)測數(shù)據(jù)的多跳無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

而由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自組織特性，要求傳感器自動進行配置和管理，傳統(tǒng)的基于密碼體系的安全機制主要用于抵抗外部攻擊，無法有效解決由于節(jié)點被俘獲而發(fā)生的內(nèi)部攻擊，從而影響無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的信息傳播的可信性。因此，如何提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信息傳播的可信性，成為一個重要的研究領(lǐng)域。鑒于此，筆者研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的信任問題，結(jié)合生物學相關(guān)理論，在此基礎(chǔ)上建立信息傳播模型，從而更加有效地預(yù)測信息傳播的趨勢。

1 無線傳感網(wǎng)與可信信息傳播概述

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量廣泛分布，且具有通信與計算能力的微小傳感器節(jié)點構(gòu)成的自治網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，是能根據(jù)環(huán)境自主完成指定任務(wù)的“智能”系統(tǒng)。由于傳感器的部署方便，自治力強，因此其在軍事領(lǐng)域、環(huán)境監(jiān)測、災(zāi)難預(yù)防等方面都具有十分廣闊的應(yīng)用前景，尤其在無人值守的環(huán)境監(jiān)測[4-5]、災(zāi)害撲救等特殊領(lǐng)域，具有傳統(tǒng)技術(shù)無可比擬的優(yōu)勢。

美國在20世紀90年代末期率先開展了對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)首先被應(yīng)用在軍事領(lǐng)域中，并取得了較大成果。2001年，第一個主題為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的國際會議為IPSN （International Conference on Information Processing in Sensor Network），該會議是由ACM和IEEE共同舉辦的，主要研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的信息處理技術(shù)。并且ACM還在2005年為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建了期刊《ACM Transaction on Sensor Network》，該期刊用來出版優(yōu)秀的傳感器網(wǎng)絡(luò)方向的學術(shù)研究成果。美國多個大學也開始對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進行相關(guān)知識和理論的學術(shù)研究，如麻省理工學院（MIT）、加州大學伯克利分校（UCB）以及加州大學洛杉磯分校（UCLA）等知名學府。在此之后，日本、英國以及意大利等國家也相繼開展了對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究，并且關(guān)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究也逐漸成為了工業(yè)界和學術(shù)界的研究熱點。

現(xiàn)有的傳感節(jié)點具有很大的安全漏洞，攻擊者通過此漏洞，可方便地獲取傳感節(jié)點中的機密信息、修改傳感節(jié)點中的程序代碼，如使得傳感節(jié)點具有多個身份ID，從而以多個身份在傳感器網(wǎng)絡(luò)中進行通信。另外，攻擊還可以通過獲取存儲在傳感節(jié)點中的密鑰、代碼等信息進行，從而偽造或偽裝成合法節(jié)點加入到傳感網(wǎng)絡(luò)中[6]。一旦控制了傳感器網(wǎng)絡(luò)中的一部分節(jié)點后，攻擊者就可以發(fā)動很多種攻擊，如監(jiān)聽傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)男畔?，向傳感器網(wǎng)絡(luò)中發(fā)布假的路由信息或傳送假的傳感信息、進行拒絕服務(wù)攻擊等。隨著WSNs應(yīng)用的日益復(fù)雜，其安全需求也呈現(xiàn)多樣性，傳統(tǒng)的基于密碼體系的安全機制主要用于抵抗外部攻擊，無法有效解決由于節(jié)點被俘獲而發(fā)生的內(nèi)部攻擊[7]。在實際應(yīng)用中，節(jié)點被俘獲的現(xiàn)象極易發(fā)生，這就需要有效的機制來及時識別被俘獲節(jié)點，從而采取相應(yīng)措施來減小系統(tǒng)的損失，因此，針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的此類問題，該研究重點研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的信任問題，結(jié)合生物學中的Logistic模型[8]，建立無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信息傳播模型，從而更加有效地預(yù)測信息傳播的趨勢。

2 基于信任的信息傳播模型

首先定義信任的相關(guān)概念，然后介紹Logistic模型的相關(guān)知識，并結(jié)合Logistic模型的相關(guān)知識研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的信息傳播模型。

定義1信任，是指在網(wǎng)絡(luò)中，實體所提供的信息的可靠性和正確性水平[9-10]。

2.1 Logistic模型 Logistic方程是研究生物學中種群增長的一種模型。由于Logistic增長曲線是一條符合事物發(fā)展一般規(guī)律的S型曲線，其在生物學領(lǐng)域和社會學領(lǐng)域中都有廣泛的應(yīng)用。如圖1所示為Logistic模型的模擬曲線，其中橫坐標表示種群的演化代數(shù)，縱坐標表示某類群體占總?cè)后w的比例。從圖1可以看出，Logistic模型中，種群的增長速度為先慢再快最終變慢的增長趨勢，即呈現(xiàn)出S型的增長速度，最終達到穩(wěn)定狀態(tài)。由此，該研究用Logistic模型的該特點來預(yù)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中信息的傳播趨勢，從而制定相應(yīng)的策略來提高整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的可信性。

2.2 基于Logistic的信息傳播模型 在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，不同的信息具有不同的信任等級，則將不同信任等級的信息所傳播到的傳感器看作一個種群，其所傳播到的傳感器數(shù)量的演化正是符合這種S型曲線的增長過程。

下面基于Logistic模型，以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中某個信任等級的信息所傳播到的傳感器個體數(shù)量增長為例，介紹一下基于Logistic的信息傳播模型。

假設(shè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感器總數(shù)量為N，即無線傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境容納量。將信息分為m個不同的信任等級，則具有不同信任等級信息的初始傳播到的傳感器數(shù)量集合為（n1，n2，…，nm），則可以用微分方程來表示具有第i類信任等級信息所傳播到的傳感器數(shù)量ni的變化情況。

式中，dnidt表示具有第i類信任等級信息所傳播到的傳感器數(shù)量ni的瞬時增長量；t為演化代數(shù)；r表示該類種群中的個體增長率。N-niN表示Logistic系數(shù)，當N0，此時，該類種群內(nèi)個體數(shù)量呈上升趨勢；當N=ni時，N-niN=0，此時，該類種群內(nèi)個體數(shù)量保持不變。由式（1）可以看出，Logistic系數(shù)可以反映種群數(shù)量的變化，可以使得某類種群的數(shù)量，即所傳播到的傳感器的數(shù)量，最終主導(dǎo)整個網(wǎng)絡(luò)的演化趨勢，即趨于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境容納量，這種演化趨勢便形成了S型增長曲線。

對式（1）進行積分，便可得到具有第i類信任等級信息所傳播到的傳感器個體數(shù)量的變化率。

式中，ni（t）表示當無線傳感器網(wǎng)絡(luò)演化到第t代時，具有第i類信任等級信息所傳播到的傳感器的個體數(shù)量；ni（0）表示具有第i類信任等級信息所傳播到的傳感器初始數(shù)量。根據(jù)式（2）可以預(yù)測出無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中具有第i類信任水平的信息的最終傳播趨勢。

2.3 激勵策略分析 根據(jù)上述信息傳播模型，可以預(yù)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中信息的傳播趨勢。為了激勵傳感器對高可信策略的選取，該研究對傳感器策略選取進行博弈分析，從而提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的整體可信水平[11-12]。

在實際的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，對信任等級高的傳感器，系統(tǒng)將為其提供較高優(yōu)先級的服務(wù)；反之，系統(tǒng)將提供較差的服務(wù)，甚至不為其提供服務(wù)。通過這種激勵策略的制定，不但激勵了傳感器對高可信策略的選取，還懲罰了惡意節(jié)點，從而可有效地提高整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的可信水平。

3 模擬試驗與結(jié)果分析

通過模擬試驗來驗證該信息傳播模型的有效性。該研究的硬件試驗環(huán)境為Intel Core（TM） Duo 2.66GHz CPU，2GB內(nèi)存，采用Windows XP操作系統(tǒng)，用Matlab 7.0編程平臺。模擬試驗參數(shù)如表1所示。

下面以信任等級1的傳感器信息傳播演化趨勢為例，驗證該模型的有效性，假設(shè)信任等級1的可信度要高于信任等級2的可信度。試驗結(jié)果如圖2所示。

圖2 信息傳播演化趨勢 從圖2可以看出，具有較高可信等級的傳感器所傳播的信息最終能夠主導(dǎo)整個網(wǎng)絡(luò)的演化方向，并且當加入相應(yīng)的激勵策略時，加快了信息的傳播速度。當沒有加入相應(yīng)的激勵策略時，信息的傳播趨勢在25代左右時進入穩(wěn)定狀態(tài)；而加入相應(yīng)的激勵策略時，信息的傳播趨勢在10代左右時進入穩(wěn)定狀態(tài)。由此可見，適當?shù)卣{(diào)整激勵策略，可有效地加快信息的傳播速度，從而更加有效地提高整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的可信水平，并且加快信息的演化速度。

4 結(jié)論

該研究提出一種基于信任的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信息傳播模型。結(jié)合生物學中的Logistic模型以及信任策略，建立無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的信息傳播模型，并在信息傳播模型的基礎(chǔ)上，對激勵策略進行分析，提出相應(yīng)的激勵懲罰策略。通過模擬試驗可以看出，該模型有效地提高了整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的信任水平，并加快了信息傳播速度，從而驗證了該模型的有效性。

在未來的工作中，將進一步研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜特性，提出更有效的激勵策略，提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的可信性和安全性。

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