一種基于安全威脅等級(jí)的自適應(yīng)遺傳算法

王騏+王青萍

摘 要：在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，加密和認(rèn)證是維護(hù)節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)之間通信安全的常用手段。但由于電池容量和計(jì)算開(kāi)銷等方面的局限性，僅通過(guò)對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加密和認(rèn)證還無(wú)法將安全威脅等級(jí)維持在同一級(jí)別，不足以應(yīng)對(duì)威脅等級(jí)不斷變化的情形。文中提出了一種基于威脅等級(jí)來(lái)調(diào)整安全屬性的遺傳算法，它根據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)感知到的威脅等級(jí)，通過(guò)認(rèn)證和加密的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)安全屬性的自適應(yīng)調(diào)整，改善了現(xiàn)有的安全防范方式。仿真表明，這種新方法使威脅等級(jí)和安全屬性相匹配，既提高了通信的安全性，也改善了傳感器節(jié)點(diǎn)的能效。

關(guān)鍵詞：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；安全威脅等級(jí)；自適應(yīng)；適應(yīng)度；遺傳算法；仿真

中圖分類號(hào)：TN918；TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2017）03-00-02

0 引 言

加密和認(rèn)證是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全中常用的防范手段，但由于電池容量和計(jì)算開(kāi)銷等方面存在局限，僅通過(guò)對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加密和認(rèn)證，雖然可以應(yīng)對(duì)安全威脅等級(jí)保持不變的情形，但是當(dāng)威脅等級(jí)不斷變化時(shí)，如果加密和認(rèn)證功能太弱，則可能威脅到通信安全，如果太強(qiáng)則增加能耗。因此需要根據(jù)威脅等級(jí)對(duì)安全屬性（即加密和認(rèn)證）進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，使二者相互匹配，既保證通信安全，又不額外增加能量消耗。

本文提出了一種基于威脅等級(jí)來(lái)調(diào)整安全屬性的遺傳算法，它根據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)感知到的威脅等級(jí)，通過(guò)認(rèn)證和加密的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)安全屬性的自適應(yīng)調(diào)整，改善了現(xiàn)有的安全防范方式。

1 遺傳算法中安全節(jié)點(diǎn)適應(yīng)度函數(shù)SNF的構(gòu)建

在遺傳算法的應(yīng)用中，需要對(duì)適應(yīng)度函數(shù)進(jìn)行評(píng)估，從而決定啟用傳感器節(jié)點(diǎn)安全要素的最佳時(shí)機(jī)。當(dāng)通信數(shù)據(jù)的完整性受到威脅時(shí)，安全節(jié)點(diǎn)適應(yīng)度（Secure Node Fitness，SNF）支持啟用節(jié)點(diǎn)的安全元素。匯聚節(jié)點(diǎn)會(huì)持續(xù)跟蹤特定路徑上的所有不規(guī)范數(shù)據(jù)包。如果路徑（簇頭節(jié)點(diǎn)→匯聚節(jié)點(diǎn)）傳輸“錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)包”或“重發(fā)的數(shù)據(jù)包”，將會(huì)受到懲罰。SNF表示為：

其中，λ1+λ2=1，λ2是加密的“貢獻(xiàn)獎(jiǎng)勵(lì)”，R表示路由總數(shù)量，θi表示路由i受到的威脅等級(jí)（由匯聚節(jié)點(diǎn)計(jì)算），Ki表示路由i上開(kāi)啟認(rèn)證和加密的節(jié)點(diǎn)數(shù)量，N表示路由i上節(jié)點(diǎn)的總數(shù)量。如果路由i上節(jié)點(diǎn)n開(kāi)啟認(rèn)證，那么Iin=1，否則Iin=0。Fin（·）表示在路由j上的節(jié)點(diǎn)i開(kāi)啟接入控制而產(chǎn)生的懲罰函數(shù)，函數(shù)中的Q和ψ分別表示電池的量化等級(jí)和使用率。

2 啟用安全屬性的遺傳算法

主密鑰MK可導(dǎo)出對(duì)稱加密密鑰Kencr、消息認(rèn)證密鑰Kauth，并生成偽隨機(jī)數(shù)密鑰Krand。這些導(dǎo)出的密鑰可以根據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)的需求任意改變。主密鑰由節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)共享，是節(jié)點(diǎn)-匯聚節(jié)點(diǎn)之間信息傳遞的唯一密鑰。偽隨機(jī)數(shù)由導(dǎo)出密鑰Krand和計(jì)數(shù)器C共同產(chǎn)生，為避免受到“明文”攻擊，在信息被加密之前插入此偽隨機(jī)數(shù)。

節(jié)點(diǎn)間的通信密鑰INCK由兩個(gè)節(jié)點(diǎn)共享，并對(duì)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行認(rèn)證，認(rèn)證密鑰為INCKmac。匯聚節(jié)點(diǎn)根據(jù)路由的層次結(jié)構(gòu)，以及應(yīng)用于端口0和1的MAC密鑰INCK0mac和INCK1mac為參與信息認(rèn)證的每個(gè)簇間路由器ICR（或簇頭節(jié)點(diǎn)CH）提供一種封裝的通信密鑰INCK，即INCK={（INCK0mac），（INCK1mac）}。每個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)自身的Kencr（由主密鑰導(dǎo)出）對(duì)封裝的數(shù)據(jù)包進(jìn)行解密，并提取出INCK。與SPIN協(xié)議相似的是，算法采用“計(jì)數(shù)器模式分組密碼”進(jìn)行加密/解密，并采用“CBC-MAC”模式認(rèn)證。

每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的安全策略用兩位二進(jìn)制數(shù)表示，這些安全策略形成染色體串，即節(jié)點(diǎn)。定義為：（e1a1a2…aN）1（e1a1a2…aN）2…（e1a1a2…aN）R。其中，（e1a1a2…aN）i表示路由i上節(jié)點(diǎn)n的安全屬性（en&an），en和ai分別表示加密位和認(rèn)證位。通過(guò)設(shè)置en=1，就可以對(duì)CH的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密。根據(jù)以上原理，圖1中安全屬性染色體=11011，節(jié)點(diǎn)2在端口0處不需要信息認(rèn)證，但是在端口1處需要，因此INCK1mac2=INCK0mac3。匯聚節(jié)點(diǎn)在ICR和CH端口處生成INCK密鑰，啟動(dòng)基于安全屬性染色體（遺傳算法產(chǎn)生）的認(rèn)證過(guò)程如圖1所示。

算法流程如圖2所示。產(chǎn)生初始種群的染色體串一部分由隨機(jī)數(shù)發(fā)生器（RNG）產(chǎn)生，另一部分則由以前的種群樣本產(chǎn)生。算法采用“標(biāo)準(zhǔn)加權(quán)輪盤”方式，選擇n個(gè)染色體串投入到“配對(duì)庫(kù)”中，以“交叉概率”產(chǎn)生N個(gè)染色體。染色體繁殖期間，多個(gè)交叉點(diǎn)的位置由隨機(jī)數(shù)發(fā)生器（RNG）計(jì)算產(chǎn)生。變異時(shí)將生成的N個(gè)染色體放入突變庫(kù)，突變算子根據(jù)自適應(yīng)突變概率（與平均適應(yīng)度成反比）使其發(fā)生突變，采用類似拋硬幣的方式來(lái)決定是否要將比特位進(jìn)行逆變處理（即0→1，1→0）。在選擇階段，根據(jù)適應(yīng)度值，從N+n個(gè)（n個(gè)雙親，N個(gè)孩子）染色體中選取n個(gè)染色體延續(xù)到下一代。比較每一次迭代得到的最優(yōu)適應(yīng)度，如果最大適應(yīng)度值和平均適應(yīng)度值變化不大、趨于穩(wěn)定，那么此適應(yīng)度值即為近似全局最優(yōu)解。

3 仿真與分析

仿真的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景由100個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，這些節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布在30×30的區(qū)間內(nèi)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有唯一的UUID，隨機(jī)分配量化值為0～15之間的電池容量，坐標(biāo)介于（0，0）～（30，30）之間，覆蓋范圍為3×3。GA運(yùn)行時(shí)的交叉率為60%，初始變異率為6%。實(shí)驗(yàn)?zāi)M匯聚節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行，NS-2軟件模擬網(wǎng)絡(luò)流量。

根據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)感知到的威脅等級(jí)，通過(guò)認(rèn)證和加密的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換，改善已有的安全防范方式，如圖3所示。在基于威脅等級(jí)調(diào)整安全屬性的過(guò)程中，由于計(jì)算開(kāi)銷和處理數(shù)據(jù)包頭部的開(kāi)銷均有所降低，安全節(jié)點(diǎn)的能耗也降低，這在一定程度上有效促進(jìn)了電池的使用，最大限度地減少了異常節(jié)點(diǎn)帶來(lái)的不利影響。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文提出了一種基于威脅等級(jí)來(lái)調(diào)整安全屬性的遺傳算法，它根據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)感知到的威脅等級(jí)，通過(guò)認(rèn)證和加密的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)安全屬性的自適應(yīng)調(diào)整，使威脅等級(jí)和安全屬性相互匹配，此舉既提高了通信的安全性，也有利于改善傳感器節(jié)點(diǎn)的能效。

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