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    基于信譽(yù)值的ad hoc網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)自私類(lèi)型檢測(cè)

    2014-11-04 15:26:22譚冕戴昊峰張暉宋波
    電腦知識(shí)與技術(shù) 2014年28期

    譚冕 戴昊峰 張暉 宋波

    摘要:在ad hoc網(wǎng)絡(luò)中,節(jié)點(diǎn)間的合作是一個(gè)重要的問(wèn)題,不相鄰節(jié)點(diǎn)的信息傳遞只能依靠中間節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)完成,若中間節(jié)點(diǎn)存在自私行為則會(huì)較大地影響網(wǎng)絡(luò)的性能。節(jié)點(diǎn)自私類(lèi)型有不同,對(duì)網(wǎng)絡(luò)功能造成的影響也各不一樣,有些自私節(jié)點(diǎn)在一定數(shù)量上對(duì)網(wǎng)絡(luò)整體性能影響不大,可以容忍;而有些自私節(jié)點(diǎn)則必須得采取強(qiáng)硬的懲戒措施,將其驅(qū)逐出網(wǎng)絡(luò)或降低它的信譽(yù)值并公布。該文采用基于信譽(yù)值的算法檢測(cè)出ad hoc網(wǎng)絡(luò)中的問(wèn)題節(jié)點(diǎn),并對(duì)其進(jìn)行類(lèi)型定義,仿真查看其對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響,方便下一步根據(jù)不同自私節(jié)點(diǎn)進(jìn)行機(jī)制設(shè)計(jì)。

    關(guān)鍵詞: ad hoc網(wǎng)絡(luò);信譽(yù)值;節(jié)點(diǎn)自私類(lèi)型

    中圖分類(lèi)號(hào):TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1009-3044(2014)28-6622-05

    隨著軍事技術(shù)的不斷發(fā)展,新型武器、作戰(zhàn)手段和作戰(zhàn)理論等不斷涌現(xiàn)。如何將眾多武器設(shè)備之間相連和與指揮機(jī)構(gòu)相連,以及對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)信息是否能夠準(zhǔn)確、有效地進(jìn)行交流,是未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)輸贏的關(guān)鍵因素。因此,戰(zhàn)場(chǎng)情景下的組網(wǎng)技術(shù)研究成為各國(guó)軍隊(duì)研究與發(fā)展的重點(diǎn)。無(wú)線ad hoc網(wǎng)絡(luò)正是在這種趨勢(shì)下產(chǎn)生的。Ad hoc網(wǎng)絡(luò)是分布式的,沒(méi)有中心控制節(jié)點(diǎn),因此節(jié)點(diǎn)與它覆蓋范圍外的節(jié)點(diǎn)想要完成通信,就必須通過(guò)中繼節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)實(shí)現(xiàn)[1]。節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)有可能充當(dāng)三種身份:源節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)。在ad hoc網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)正常節(jié)點(diǎn)的能量、存儲(chǔ)空間、處理能力、傳輸帶寬都是有限的,假設(shè)它們都是理性的,在考慮轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)的時(shí)候,尤其是當(dāng)有單個(gè)節(jié)點(diǎn)的損耗和整個(gè)網(wǎng)絡(luò)能耗的沖突時(shí),就會(huì)產(chǎn)生一定的自私性,所以參與路由服務(wù),同時(shí)會(huì)根據(jù)自己能量的損耗來(lái)決定是否參加中繼轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)[2]。人們還發(fā)現(xiàn)在ad hoc網(wǎng)絡(luò)中還有惡意節(jié)點(diǎn)的存在,和其它善于偽裝成正常節(jié)點(diǎn)來(lái)參與路由的節(jié)點(diǎn),這些都對(duì)ad hoc網(wǎng)絡(luò)造成一定威脅,因?yàn)樗鼈儠?huì)降低網(wǎng)絡(luò)吞吐量,增加丟包率等,嚴(yán)重的時(shí)候甚至?xí)?dǎo)致整個(gè)ad hoc網(wǎng)絡(luò)的崩潰[3]。

    1 Ad hoc網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)自私行為研究

    由于ad hoc網(wǎng)絡(luò)的合作需要通過(guò)節(jié)點(diǎn)來(lái)完成,故而網(wǎng)絡(luò)性能的好壞很大程度取決于節(jié)點(diǎn)的行為,而通常節(jié)點(diǎn)可分為兩種,一種是正常節(jié)點(diǎn):具有較好的合作性,愿意無(wú)私地轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù);另一種是存在問(wèn)題的不正常節(jié)點(diǎn),它往往會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能造成一定的負(fù)面影響。

    在本文中,存在問(wèn)題的節(jié)點(diǎn)由于其具體自私行為不同,為方便表述,所以將問(wèn)題節(jié)點(diǎn)分為惡意節(jié)點(diǎn)和兩種自私節(jié)點(diǎn)。惡意節(jié)點(diǎn):通過(guò)路由,傳遞虛假的信息給目的節(jié)點(diǎn)。自私節(jié)點(diǎn):第一類(lèi)為只參加路由服務(wù),但是卻從來(lái)不參加數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā),以此盡可能的提高節(jié)點(diǎn)生存時(shí)間。第二類(lèi)為受到自身的能量限制,所以會(huì)根據(jù)具體的能量消耗情況考慮是否參加網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)。

    文獻(xiàn)[4]提出一種基于退避窗口問(wèn)題的解決方法。在此種方法中,接受節(jié)點(diǎn)用CTS或ACK幀通過(guò)界定退避值,發(fā)送給源節(jié)點(diǎn)。同時(shí),這種方法具有可擴(kuò)展性,可以用于ad hoc網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)是否存在自私行為,并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。這種方法主要是將實(shí)際退避值、連續(xù)退避值等數(shù)據(jù)與某個(gè)門(mén)限值比較,以判斷節(jié)點(diǎn)是否更改退避窗口大小而取得高效益。

    文獻(xiàn)[5]提出一種通過(guò)診斷機(jī)制和懲罰機(jī)制,并且以更改MAC協(xié)議,且在幀內(nèi)增加BOV數(shù)據(jù),以此來(lái)判斷節(jié)點(diǎn)是否存在自私行為,并解決移動(dòng)自組網(wǎng)中MAC層存在的節(jié)點(diǎn)自私行為問(wèn)題。

    在基于信譽(yù)的機(jī)制中,當(dāng)節(jié)點(diǎn)能夠正確地轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的時(shí)候,信譽(yù)值增加,如果節(jié)點(diǎn)信譽(yù)值比設(shè)定的門(mén)限值低時(shí),就認(rèn)為該節(jié)點(diǎn)為自私節(jié)點(diǎn)。文獻(xiàn)[3]就提出了Watchdog和Pathrater模型,Watchdog的作用主要用于檢測(cè)節(jié)點(diǎn)是否存在不良行為。Watchdog通過(guò)偵聽(tīng)下一條節(jié)點(diǎn)是否將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)出去,以此確定行為異常的節(jié)點(diǎn),并提供給Pathrater。而Pathrater則在選擇路徑的時(shí)候盡可能地規(guī)避那些異常節(jié)點(diǎn),從而找到較好的路徑。雖然它并沒(méi)有懲戒異常節(jié)點(diǎn),但在一定程度也減輕了網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)。在之后的信譽(yù)機(jī)制設(shè)計(jì)中,普遍采用了該算法的思路。

    文獻(xiàn)[6]提出一種估算網(wǎng)絡(luò)發(fā)生碰撞的平均概率的檢測(cè)方法,并計(jì)算出幀經(jīng)過(guò)幾次重傳到最后的發(fā)送成功,此算法較上述算法更加復(fù)雜;而且在具體的ad hoc網(wǎng)絡(luò)中的捕獲效應(yīng)普遍存在,故它的實(shí)際應(yīng)用性并不高。

    文獻(xiàn)[7]CONFIDANT機(jī)制是按需路由協(xié)議的擴(kuò)展,其目的是為了檢測(cè)并孤立那些有不良行為的問(wèn)題節(jié)點(diǎn),通過(guò)這樣來(lái)達(dá)到節(jié)點(diǎn)間的合作。此機(jī)制下每個(gè)節(jié)點(diǎn)都擁有四個(gè)模塊:檢測(cè)器、信任管理、聲譽(yù)系統(tǒng)及路徑管理。這四個(gè)模塊共同完成路由信息的提供和處理。

    本文參考了Watchdog模型,采用AODV路由協(xié)議,通過(guò)偵聽(tīng)鄰居節(jié)點(diǎn)的行為,并基于信譽(yù)值來(lái)檢測(cè)出問(wèn)題節(jié)點(diǎn),用“自私節(jié)點(diǎn)發(fā)送率”與信譽(yù)值共同判斷出其類(lèi)型。最后仿真并查看各種類(lèi)型的問(wèn)題節(jié)點(diǎn)在“丟包率”、“網(wǎng)絡(luò)吞吐量”的數(shù)據(jù)上的表現(xiàn),得出一些適用的結(jié)論。

    2 系統(tǒng)模型

    圖1為檢測(cè)并分類(lèi)當(dāng)前ad hoc網(wǎng)絡(luò)存在的各種問(wèn)題節(jié)點(diǎn)時(shí)生成的場(chǎng)景圖既模型圖。假設(shè)一個(gè)ad hoc網(wǎng)絡(luò)中,共存在100個(gè)節(jié)點(diǎn),這100個(gè)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)生成正常節(jié)點(diǎn),自私節(jié)點(diǎn)類(lèi)型一,自私節(jié)點(diǎn)類(lèi)型二,惡意節(jié)點(diǎn)若干,記錄下各類(lèi)節(jié)點(diǎn)的數(shù)目。圖2、圖3、圖4是在當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)共存在100個(gè)節(jié)點(diǎn),分別為惡意節(jié)點(diǎn)數(shù)為4、第一類(lèi)自私節(jié)點(diǎn)數(shù)為6、第二類(lèi)自私節(jié)點(diǎn)數(shù)為10的系統(tǒng)模型圖,也就是在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,隨著各種類(lèi)型的問(wèn)題節(jié)點(diǎn)數(shù)目的變化,系統(tǒng)都會(huì)生成相應(yīng)的模型既場(chǎng)景圖,可以看出這些問(wèn)題節(jié)點(diǎn)是隨機(jī)生成并分布在當(dāng)前ad hoc網(wǎng)絡(luò)。在當(dāng)前圖1的場(chǎng)景圖中,隨機(jī)選定一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為源節(jié)點(diǎn),當(dāng)中繼節(jié)點(diǎn)為正常節(jié)點(diǎn)的時(shí)候,它會(huì)無(wú)條件的轉(zhuǎn)發(fā)該數(shù)據(jù)包;當(dāng)中繼節(jié)點(diǎn)是惡意節(jié)點(diǎn)的時(shí)候,它會(huì)接受這個(gè)數(shù)據(jù)包,但是會(huì)篡改其目的節(jié)點(diǎn)的位置,再將其發(fā)送出去;當(dāng)中繼節(jié)點(diǎn)是自私節(jié)點(diǎn)類(lèi)型一的時(shí)候,它會(huì)接受這個(gè)數(shù)據(jù)包,但是會(huì)直接將其丟棄,以此來(lái)節(jié)約有限的能量,盡可能地提高自己的生存時(shí)間;當(dāng)中繼節(jié)點(diǎn)是自私類(lèi)型二的時(shí)候,它會(huì)根據(jù)當(dāng)前剩余的能量來(lái)判斷是否轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù),如果當(dāng)前的能量大于門(mén)閥值,就會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)該數(shù)據(jù)包,如果當(dāng)前的能量小于門(mén)閥值,它就會(huì)丟棄這個(gè)數(shù)據(jù)包。根據(jù)上面各種節(jié)點(diǎn)不同的表現(xiàn),每當(dāng)該節(jié)點(diǎn)沒(méi)有轉(zhuǎn)發(fā)這個(gè)數(shù)據(jù)包,其信譽(yù)值就會(huì)在基礎(chǔ)值上面遞減,一旦信譽(yù)值在0值以下,就可以判斷其為問(wèn)題節(jié)點(diǎn)。然后再根據(jù)各自類(lèi)型的問(wèn)題節(jié)點(diǎn)在具體行為上的不同,可以得到它們的自私節(jié)點(diǎn)發(fā)送率,再判斷出是哪種類(lèi)型的問(wèn)題節(jié)點(diǎn)。

    3 自私類(lèi)型檢測(cè)算法

    算法共分兩個(gè)部分:一部分是要驗(yàn)證類(lèi)型檢測(cè)是否正確,一部分是要知道丟包率、網(wǎng)絡(luò)吞吐量與各類(lèi)問(wèn)題在節(jié)點(diǎn)數(shù)目上的關(guān)系。

    算法的檢測(cè)部分:隨機(jī)選定一個(gè)源節(jié)點(diǎn)a,探測(cè)并得到它的鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)目(節(jié)點(diǎn)的初始信譽(yù)值都為1) 。然后,源節(jié)點(diǎn)傳遞RREQ(路由請(qǐng)求)數(shù)據(jù)。若源節(jié)點(diǎn)的某一相鄰節(jié)點(diǎn)c無(wú)轉(zhuǎn)發(fā),則c的信譽(yù)值相對(duì)于源節(jié)點(diǎn)a(-1) 。一個(gè)周期后,a再次發(fā)送RREQ數(shù)據(jù),c仍無(wú)轉(zhuǎn)發(fā),則認(rèn)為c的信譽(yù)值過(guò)低,判定c為問(wèn)題節(jié)點(diǎn)。遍歷所有節(jié)點(diǎn)后,但凡是信譽(yù)值小于0的,都為問(wèn)題節(jié)點(diǎn)。此時(shí),以問(wèn)題節(jié)點(diǎn)為目標(biāo)節(jié)點(diǎn),進(jìn)行“自私節(jié)點(diǎn)發(fā)送率”的檢測(cè),結(jié)合信譽(yù)值進(jìn)行比較,就能得出問(wèn)題節(jié)點(diǎn)的具體類(lèi)型,并對(duì)其計(jì)數(shù)。最后,得到各種類(lèi)型節(jié)點(diǎn)的數(shù)值,與之前記錄的節(jié)點(diǎn)數(shù)值對(duì)比,是否相同,若相同則算法的檢測(cè)部分得證。算法的另一部分是通過(guò)仿真查看各種不同數(shù)目的問(wèn)題節(jié)點(diǎn)在檢測(cè)數(shù)據(jù)上的表現(xiàn),并不斷變換各個(gè)類(lèi)型問(wèn)題節(jié)點(diǎn)的實(shí)際存在數(shù)目,并生成當(dāng)前的場(chǎng)景圖。

    以下是本文中關(guān)于“丟包率”,“網(wǎng)絡(luò)吞吐量”和“自私節(jié)點(diǎn)發(fā)送率”的定義。

    節(jié)點(diǎn)通過(guò)對(duì)相鄰節(jié)點(diǎn)的信譽(yù)值的評(píng)定,可以得知是否存在問(wèn)題節(jié)點(diǎn)。而當(dāng)節(jié)點(diǎn)存在自私行為的時(shí)候,會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)造成不良影響,而惡意節(jié)點(diǎn)則相對(duì)于其它節(jié)點(diǎn),表現(xiàn)的只為降低網(wǎng)絡(luò)性能的相關(guān)數(shù)據(jù),比如降低周?chē)?jié)點(diǎn)的吞吐量,提升丟包率等行為。算法中的多次檢測(cè),也讓算法具有一定的容錯(cuò)率[8]。

    圖5為算法檢測(cè)部分的流程圖,對(duì)所有節(jié)點(diǎn)而言,其判決如下:當(dāng)信譽(yù)值不小于0的時(shí)候,為正常節(jié)點(diǎn);當(dāng)信譽(yù)值小于0且自私節(jié)點(diǎn)發(fā)送率等于1的時(shí)候,為惡意節(jié)點(diǎn);當(dāng)信譽(yù)值小于0且自私節(jié)點(diǎn)發(fā)送率等于0,為第一類(lèi)自私節(jié)點(diǎn);當(dāng)信譽(yù)值小于0且自私節(jié)點(diǎn)發(fā)送率大于0小于1,為第二類(lèi)自私節(jié)點(diǎn),最后統(tǒng)計(jì)各類(lèi)問(wèn)題節(jié)點(diǎn)的數(shù)量。

    圖6為算法統(tǒng)計(jì)部分的流程圖,它簡(jiǎn)單的描述了算法,通過(guò)一個(gè)判決框比較數(shù)據(jù)量。假設(shè)當(dāng)前測(cè)試數(shù)據(jù)tt為0,算法隨機(jī)產(chǎn)生起始節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn),并記錄下成功傳輸?shù)臄?shù)據(jù)和丟失的數(shù)據(jù),不斷更新。直到TT在數(shù)值上小于tt,這時(shí)再統(tǒng)計(jì)“丟包率”、“網(wǎng)絡(luò)吞吐量”,查看各種問(wèn)題節(jié)點(diǎn)在不同數(shù)量下對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響。

    4 仿真分析

    基于信譽(yù)值的ad hoc網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)自私類(lèi)型檢測(cè)算法是在ad hoc網(wǎng)絡(luò)中,以AODV路由協(xié)議[9]為基礎(chǔ)的matlab程序。在已知各種類(lèi)型節(jié)點(diǎn)數(shù)目的前提下,再用信譽(yù)值和自私節(jié)點(diǎn)發(fā)送率這兩個(gè)數(shù)據(jù)來(lái)檢測(cè)出問(wèn)題節(jié)點(diǎn),并進(jìn)行具體分類(lèi)。第二部分的仿真主要是從丟包率和網(wǎng)絡(luò)吞吐量這兩個(gè)數(shù)據(jù)來(lái)測(cè)試三種不同的問(wèn)題節(jié)點(diǎn)對(duì)當(dāng)前ad hoc網(wǎng)絡(luò)性能的影響。

    圖7為節(jié)點(diǎn)類(lèi)型的檢測(cè)結(jié)果,它表明當(dāng)ad hoc網(wǎng)絡(luò)的惡意節(jié)點(diǎn)、第一類(lèi)型自私節(jié)點(diǎn)、第二類(lèi)自私節(jié)點(diǎn)數(shù)目都為10且如圖1所示分布,通過(guò)算法的檢測(cè)部分,成功得到了三種類(lèi)型問(wèn)題節(jié)點(diǎn)各自正確的數(shù)量。

    從圖8可以看出,三大類(lèi)型問(wèn)題節(jié)點(diǎn)隨著各自節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增加,丟包率也是隨之增加。第一類(lèi)自私節(jié)點(diǎn)和第二類(lèi)自私節(jié)點(diǎn)在丟包率上的整體變化趨勢(shì)是類(lèi)似的,第一類(lèi)自私節(jié)點(diǎn)略高于第二類(lèi)自私節(jié)點(diǎn)。兩類(lèi)節(jié)點(diǎn)在數(shù)量小于6的時(shí)候,它們的丟包率較小,說(shuō)明網(wǎng)絡(luò)并未受到較大影響,可以包容這些問(wèn)題節(jié)點(diǎn)。而惡意節(jié)點(diǎn)則在丟包率上表現(xiàn)的較為突出,普遍高于前兩者,說(shuō)明存在直接丟棄數(shù)據(jù)包的可能性。圖9中的三大類(lèi)型問(wèn)題節(jié)點(diǎn)隨著各自節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增加,網(wǎng)絡(luò)吞吐量也隨之遞減,尤其是惡意節(jié)點(diǎn),幾乎不傳輸數(shù)據(jù),此時(shí)問(wèn)題節(jié)點(diǎn)存在比例較大,影響了當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的整體性能。在這三種問(wèn)題節(jié)點(diǎn)中,惡意節(jié)點(diǎn)的吞吐量比其它自私節(jié)點(diǎn)小且丟包率也高,所以它是這三種類(lèi)型節(jié)點(diǎn)中影響網(wǎng)絡(luò)最大的問(wèn)題節(jié)點(diǎn)。

    5 結(jié)束語(yǔ)

    在ad hoc網(wǎng)絡(luò)中,網(wǎng)絡(luò)的通信主要是依賴于節(jié)點(diǎn)之間的合作。由于各種資源的限制,節(jié)點(diǎn)往往是缺乏合作性的,為了盡可能地維護(hù)自己的利益,節(jié)點(diǎn)可能會(huì)采取各種各樣的行為,比如拒絕轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)、虛報(bào)節(jié)點(diǎn)信息等。在具體網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中,有很多種情況能夠?qū)е戮W(wǎng)絡(luò)性能的降低,其威脅不僅來(lái)自于外部,更多的來(lái)自于內(nèi)部的自私節(jié)點(diǎn)、惡意節(jié)點(diǎn)、叛變節(jié)點(diǎn)。由于節(jié)點(diǎn)自私行為的多樣化,它們對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響是不同的,應(yīng)該區(qū)別對(duì)待,否則建立的懲戒機(jī)制就可能不是最有效的,因此對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行自私類(lèi)型檢測(cè)很有必要的。該文就是基于這種情況,參考了信譽(yù)值的算法,驗(yàn)證了三種自私類(lèi)型節(jié)點(diǎn)的數(shù)目,并通過(guò)仿真查看其對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響。因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)中問(wèn)題節(jié)點(diǎn)的多樣化,下一步,將會(huì)完善算法,并提出一種基于博弈論的算法來(lái)懲戒問(wèn)題節(jié)點(diǎn),構(gòu)建一個(gè)合理的機(jī)制,通過(guò)該機(jī)制讓網(wǎng)絡(luò)達(dá)到納什均衡[10],甚至于帕累托最優(yōu)。

    參考文獻(xiàn):

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