Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中基于信息論的可信模型研究

遲 凱

(中國電子科技集團公司第二十研究所 電子信息網(wǎng)絡(luò)實驗室，陜西 西安 710068)

可信網(wǎng)絡(luò)是下一代網(wǎng)絡(luò)安全研究的熱點，旨在通過“主動防御”的方式來應(yīng)對安全和服務(wù)質(zhì)量保證等挑戰(zhàn)?？尚啪W(wǎng)絡(luò)的概念最初來源于可信計算，1999年由IBM、HP等著名IT企業(yè)發(fā)起成立了可信計算平臺聯(lián)盟(Trusted Computing Platform Alliance，TCPA)，2003年TCPA改組為可信計算組織(Trusted Computing Group，TCG)?？尚庞嬎憬M織制定了關(guān)于可信平臺模塊、可信存儲等一系列技術(shù)規(guī)范，可信網(wǎng)絡(luò)連接分組(TNC Sub Group，TNC-SG)制定了一個基于可信計算技術(shù)的可信網(wǎng)絡(luò)連接架構(gòu)，它本質(zhì)上就是要從終端的完整性開始建立可信連接?？尚啪W(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)包括可信計算、可信模型、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)等[1]，可信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)被認為是應(yīng)對網(wǎng)絡(luò)攻擊、提升網(wǎng)絡(luò)安全的重要手段。在可信網(wǎng)絡(luò)理論學(xué)術(shù)研究方面,林闖等人[4]提出了可信網(wǎng)絡(luò)的理論概念,揭示了其基本屬性,通過改進網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的安全機制來保障網(wǎng)絡(luò)的可控性、安全性和可生存性,以及信息的機密性、完整性、真實性和可用性。張煥國等人[5]指出現(xiàn)階段可信性主要關(guān)注兩個屬性:一個是可靠性;另一個是安全性,并且要同時解決網(wǎng)絡(luò)接入、傳輸以及數(shù)據(jù)共享的可信問題。

無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)是一種多跳中繼網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)傳輸時面臨如何選擇一條快速、穩(wěn)定、高效的最佳路徑問題，中繼節(jié)點的可信程度對整個網(wǎng)絡(luò)的安全與效能至關(guān)重要[2]。通過在中繼節(jié)點中增加信任值評估能夠有效的解決節(jié)點失效或者惡意入侵帶來的路由安全問題[3]。針對Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的可信技術(shù)研究具有廣泛的軍事應(yīng)用價值，尤其需要建立以準確、動態(tài)、高效的可信度量模型為依據(jù)的可信Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。其中，信任度量模型是其基礎(chǔ)和關(guān)鍵。

1 信任模型

信任模型最早來源于分布式多代理系統(tǒng)中，1994年，Marsh在解決多代理系統(tǒng)中實體間的信任合作問題時，系統(tǒng)的闡述了信任的抽象化問題，為信任模型在計算機網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)中應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。在這基礎(chǔ)上，相關(guān)的信任管理、可信認證與信任評估理論相繼提出。其中，信任模型的雛形是Blaze等人于1996年提出的“信任管理(Trust Management)”概念,A Abdulrahman等以信任的設(shè)計概念為基礎(chǔ)，對信任的內(nèi)容與程度進行等級劃分，考慮信任的主觀性，提出了信任度量的數(shù)學(xué)模型[8]。近年來，學(xué)者們使用了不同的數(shù)學(xué)模型和工具對可信度量展開研究，但到目前為止，還沒有形成較為公認的度量基準，其中比較典型的有：文獻[6]采用改進的證據(jù)理論(D-S theory)對可信關(guān)系進行建模，可信度評估采用概率加權(quán)平均方法。文獻[7]基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)提出了一種使用Kalman方法的簡化模型，通過引入衰減及獎懲機制，使模型具有一定的動態(tài)適應(yīng)性。文獻[9]給出了一種P2P網(wǎng)絡(luò)下的可信度量模型。文獻[10]給出一種多代理環(huán)境下的可信度量模型。文獻[11]將風(fēng)險評估引入到可信度計算中，提出了適用于普適計算網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下基于可信度的安全服務(wù)發(fā)現(xiàn)模型。文獻[12]提出了一種普適計算網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下通用的、基于交互上下文的可信度計算模型。

在集中式網(wǎng)絡(luò)中，有專門的管理節(jié)點負責(zé)信任評估和管理，結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)。而在類似于Ad Hoc的分布式網(wǎng)絡(luò)中，沒有信任管理中心，這樣由中心依賴性導(dǎo)致的脆弱問題能夠得到良好解決，然而分布式的信任監(jiān)督和交流機制較集中式更為復(fù)雜。當(dāng)前針對分布式信任模型的研究成為信任管理和評估領(lǐng)域的熱點，比較典型的有T Beth提出的采用概率的方法來描述信任度的信任模型[13], A Josang提出的基于主觀邏輯的信任模型[14]，和Y Wang等提出的在P2P網(wǎng)絡(luò)中基于交互信息進行信任評估的信任模型[15]。針對Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)安全問題，YL Sun等人[16]提出了基于信息論的信任模型，以信心論中熵的計算方法來度量信任的不確定性，同時對信任的傳遞、合成進行了規(guī)則性約束。

雖然這些研究成果有效推動了可信度量的研究與發(fā)展，但是仍然存在一些問題。首先，基于概率統(tǒng)計的模型，缺少靈活性，并且在建模過程中以各種假設(shè)為前提，使得模型在具體網(wǎng)絡(luò)中的適應(yīng)性不高。其次，針對Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)多跳通信普遍存在，拓撲結(jié)構(gòu)復(fù)雜的情況缺乏良好的適應(yīng)性策略，影響模型的可用性。針對研究現(xiàn)狀，本文結(jié)合網(wǎng)絡(luò)信息理論中多址接入信道容量域理論，提出了一種面向Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)，適用于多跳路由的可信路徑度量方法，能夠在分布式路徑選擇過程中提高自適應(yīng)性和靈活性，降低沖突概率，在保證安全性的前提下提高網(wǎng)絡(luò)性能。

2 多址信道容量域

網(wǎng)絡(luò)信息論近些年發(fā)展較快，拓展了香農(nóng)的點到點通信基礎(chǔ)理論，適用于多信源、多信宿共享資源的一般網(wǎng)絡(luò)模型，雖然一些理論還沒完全成熟，但已在現(xiàn)實網(wǎng)絡(luò)中展現(xiàn)出很大的生命力。其中在多個用戶多信道通信的情況下，以容量域的概念代替了單一信道的容量概念，以多址信道最為典型。

在兩個用戶的離散無記憶多址接入信道(DM-MAC)模型表述如下：

包含3個有限集合X1，X2，Y以及定義在Y上的條件概率分布p(y|x1,x2)。

兩個消息集合：[1:2nR1]和[1:2nR2]。

(1)

兩個用戶各自最大的可達速率分別為

C1=maxx2,p(x1)I(X1;Y|X2=x2)

(2)

C2=maxx1,p(x2)I(X2;Y|X1=x1)

(3)

合速率的上界為

R1+R2≤C12=maxp(x1),p(x2)I(X1,X2;Y)

(4)

例如輸入X1和X2為二進制符號，輸出Y=X1+X2則為三進制符號。容易驗證C1=C2=1，C12=3/2。

3 基于多址信道容量域的信任模型建立方法

在Sun Y L等人所提出的基于信息論的信任模型中，Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點在多跳路由轉(zhuǎn)發(fā)分組時，能夠根據(jù)鄰居節(jié)點對自已所發(fā)出業(yè)務(wù)分組的歷史轉(zhuǎn)發(fā)情況判斷鄰居節(jié)點的可信程度。Sun Y L等人結(jié)合信息論中熵的計算定義了可信程度的度量：

(5)

H(p)=-plog2p-(1-p)log2(1-p)

(6)

概率p表征了鄰居節(jié)點的可信程度，通過p=Nretran/Nsend來不斷進行估計，其中Nretran為轉(zhuǎn)發(fā)的分組數(shù)，Nsend為源節(jié)點發(fā)送的分組數(shù)，多條路徑的信任度量為每條路徑信任度量的乘積。根據(jù)式(5)的定義，節(jié)點對轉(zhuǎn)發(fā)率大于0.5的鄰居節(jié)點可信度量為 區(qū)間內(nèi)的正值，而對轉(zhuǎn)發(fā)率小于0.5的鄰居節(jié)點可信度量為 區(qū)間內(nèi)的負值，被認為是“惡意節(jié)點”。這樣，在選擇路徑的時候源節(jié)點能夠主動規(guī)避“惡意節(jié)點”，并對比多條路徑的可信度量值選擇具有最大信任度量值的路徑。

通過引入熵的概念計算得出每個鄰居節(jié)點的可信度量的方法簡單，便于實施。然而在Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中，拓撲結(jié)構(gòu)復(fù)雜且時變，端到端路由往往是多跳的，多個節(jié)點可能在同一時刻選擇相同的鄰居節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)分組，在中繼節(jié)點發(fā)送隊列緩存有限的情況下，大量的轉(zhuǎn)發(fā)多個源節(jié)點的分組不但會引起端到端時延的增加，更可能因為超過中繼節(jié)點的緩存容限導(dǎo)致丟包。并且由于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點能源往往是受限的，大量的轉(zhuǎn)發(fā)分組也會導(dǎo)致中繼節(jié)點活動壽命的減少。即引發(fā)由于負載不均衡導(dǎo)致資源分配不合理，網(wǎng)絡(luò)性能下降等問題。而根據(jù)式(5)的定義，轉(zhuǎn)發(fā)多個源節(jié)點的分組超過中繼節(jié)點的緩存能力時，中繼節(jié)點的信任度量會迅速下降，此時信任度量值的改變并不是因為中繼節(jié)點自身狀態(tài)的改變(如故障、受攻擊等影響)，不能真實的衡量節(jié)點的工作狀態(tài)，而且源節(jié)點在選擇新的中繼節(jié)點后仍然可能出現(xiàn)同樣的問題。

圖1 多跳Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)

如圖1所示，在一個由7個節(jié)點組成的Ad Hoc網(wǎng)中，源節(jié)點S希望建立到達目的節(jié)點F的路由，有3條路徑可供源節(jié)點S選擇，path1{S,A,C,F}， path2{S,B,C,F}，path3{S,D,E,F}。假定其中節(jié)點S到節(jié)點A、B、C的信任度量TSA=TSB=TSD，節(jié)點C和E到節(jié)點F的信任度量TCF=TEF，在這種情況下，選擇哪條路徑取決于TAC，TBC，TDE的值。假設(shè)TBC>TDE>TAC,則根據(jù)單一路徑的信任度量結(jié)果可知源節(jié)點S會選擇path2來發(fā)送分組。此時如果節(jié)點A同時有分組發(fā)送至節(jié)點F，節(jié)點A只有選擇path{A,C,F}進行發(fā)送，則節(jié)點C會同時處理來自節(jié)點A和節(jié)點S的轉(zhuǎn)發(fā)分組。如果單位時間內(nèi)轉(zhuǎn)發(fā)分組的數(shù)量超過了節(jié)點C的轉(zhuǎn)發(fā)隊列緩存，則會造成節(jié)點S和節(jié)點A的分組丟失?？梢宰⒁獾?，如果信任度量TDE只是略小于TBC，則節(jié)點S選擇path3才是最優(yōu)選。

針對這種情況，節(jié)點S發(fā)給節(jié)點B的分組，將會從之前的兩種動作：{Action=0，不轉(zhuǎn)發(fā)；Action=1，直接轉(zhuǎn)發(fā)}，更改為3種動作，即：{Action=0，不轉(zhuǎn)發(fā)；Action=1，直接轉(zhuǎn)發(fā)；Action=2，入緩存隊列}。參考多址信道容量域理論，定義雙路徑可信度量模型DPET(Double Path Entropy-based Trust model)為

T{subject1,subject2:agent,Doublepath}=
1.5+(1-p1)(1-p2)log2(1-p1)(1-p2)+
[p1(1-p2)+p2(1-p1)]log2[p1(1-p2)+p(1-p1)]+
p1p2log2(p1p2)

(7)

其中P1≥0.5，P2≥0.5。

T{subject1,subject2:agent,Doublepath}=
-(1-p1)(1-p2)log2[(1-p1)(1-p2)]-
[p1(1-p2)+p2(1-p1)]log2[p1(1-p2)+p2(1-p1)]-
p1p2log2(p1p2)-0.5

(8)

其中P1<0.5，P2<0.5。

當(dāng)兩個節(jié)點有著相同的下一跳節(jié)點時，若兩個節(jié)點對下一跳節(jié)點路徑的可信度量值全為正時，即Pi>0.5,Pj (j≠i)>0.5時，通過式(7)計算兩節(jié)點總共的信任度量值。而當(dāng)兩個節(jié)點對下一跳節(jié)點路徑的可信度量值全為負時，通過式(8)得出下一跳節(jié)點的不可信度量值。當(dāng)兩個節(jié)點對下一跳節(jié)點路徑的可信度量不全為正時，將度量為負的節(jié)點排除在可選范圍之外。

根據(jù)多址信道容量域理論中合速率的上界R1+R2≤C12=maxp(x1),p(x2)I(X1，X2；Y)，此時對于圖1節(jié)點A和節(jié)點B對節(jié)點C的度量為：

(9)

(10)

一般的，Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點采用DPET-DSR更新鄰居節(jié)點信任度量的步驟如下：

(1)在設(shè)定的時間內(nèi)，節(jié)點i統(tǒng)計鄰居節(jié)點j的成功轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)Nretran，計算成功轉(zhuǎn)發(fā)概率Pij，由式(5)、式(6)更新出此鄰居節(jié)點的信任度：Tij=T{i,j,action=0,1}；

(2)節(jié)點i收到路由請求ROUTE REQUEST時，如果自己是目的節(jié)點，回復(fù)ROUTE REPLY消息，報告自己所有鄰居節(jié)點的Pij和Tij:Tij=T{i,j,action=0,1}。如果自己不是目的節(jié)點，轉(zhuǎn)發(fā)此ROUTE REQUEST消息。

(3)節(jié)點i收到ROUTE REPLY消息，如果自己不是發(fā)起路由請求ROUTE REQUEST的節(jié)點，則將自己所有鄰居節(jié)點的信任度量添加至ROUTE REPLY消息中；如果自己是發(fā)起路由請求ROUTE REQUEST的節(jié)點，則：

a.查詢路徑中的所有度量，若度量值全為正則執(zhí)行b;全為負則執(zhí)行c；同時存在正負度量值，則首先排除具有負度量值的路徑，再執(zhí)行b。

d.形成路徑度量Tpath=∏i,j∈path|Tij|，選擇具有最小Tpath值的路徑，結(jié)束。

e.形成路徑度量Tpath=∏i,j∈pathTij, 選擇具有最大Tpath值的路徑，結(jié)束。

4 仿真和分析

仿真場景為由10個節(jié)點所組成Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點之間只有在彼此的傳輸距離內(nèi)方能通信，節(jié)點的最大傳輸距離為4 km，每個節(jié)點單位時間內(nèi)產(chǎn)生業(yè)務(wù)分組數(shù)服從均值為5的泊松分布，包長為1 000 bit，目的節(jié)點為隨機產(chǎn)生。信任度量模型采用DPET模型，路由建立過程采用DSR路由算法，源節(jié)點選擇最具有信任值的路徑建立路由。

在DPET-DSR路由中，源節(jié)點產(chǎn)生并發(fā)送的路由請求消息ROUTE REQUEST被非目的節(jié)點的中繼節(jié)點收到時，中繼節(jié)點將廣播一次此路由請求消息。如果被目的節(jié)點收到，目的節(jié)點將回復(fù)最多5條路由回復(fù)消息ROUTE REPLY至對應(yīng)的ROUTE REQUEST消息，可回溯形成從源節(jié)點目的節(jié)點的多條可用路徑供源節(jié)點選擇。每條路徑最大跳數(shù)限制為10跳。

如圖2所示，當(dāng)某一時刻節(jié)點1試圖發(fā)送分組至節(jié)點10時，由單一路徑信任度量模型得到的路徑為path1{1,3,5,9,10}，如圖3所示，由雙路徑信任度量模型得到的路徑為path2{1,2,6,8,10}，這是因為路徑1上的節(jié)點3，5，9是多個節(jié)點的下一跳節(jié)點，在仿真運行的過程中會轉(zhuǎn)發(fā)多個源節(jié)點的分組，存在超過緩存容限導(dǎo)致丟包的可能。路徑2上只有節(jié)點2，8是多個節(jié)點的下一跳節(jié)點，計算信任度量值時，路徑上不容易隊列緩存緊張的中繼節(jié)點能夠為整個路徑的信任度量值加成。

圖2 節(jié)點1路由選擇(a)

圖3 節(jié)點1路由選擇(b)

如圖4所示，整個Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)吞吐量表明采用基于信任度量的DSR路由協(xié)議比傳統(tǒng)的采用距離(或跳數(shù))為路徑度量的DSR路由協(xié)議吞吐性能要好(Distance-based)，這是因為節(jié)點在選路的過程中能夠有效避免“惡意節(jié)點”，增大分組成功轉(zhuǎn)發(fā)的概率。而采用DPET(Double Path Entropy-based)度量模型比單鏈路信任度量模型(Single Path Entropy-based)性能要好，是因為能夠避免具有較優(yōu)位置的中繼節(jié)點承擔(dān)大量轉(zhuǎn)發(fā)分組責(zé)任，引起緩存隊列溢出從而導(dǎo)致丟包的發(fā)生，在一定程度上能夠達到負載均衡的效果，從而提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

圖4 10節(jié)點Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)吞吐量

5 結(jié)束語

本文提出了基于信息論的多路徑可信度量模型，充分考慮了多跳Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中的可信路由與負載均衡，通過引入多址信道容量域理論，在根據(jù)信任度量模型建立路由過程中，能夠?qū)I(yè)務(wù)分組在網(wǎng)絡(luò)中均衡，有效避免位置較優(yōu)的中繼節(jié)點大量承擔(dān)轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)，從而在轉(zhuǎn)發(fā)隊列緩存有限的情況產(chǎn)生丟包，影響網(wǎng)絡(luò)性能。仿真結(jié)果表明，本模型在多跳Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中能夠根據(jù)信任度量值選擇最優(yōu)路徑，避免中繼節(jié)點緩存隊列溢出丟包，有效提高網(wǎng)絡(luò)吞吐率，為進一步研究Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中可信連接、可信路由管理建立了基礎(chǔ)。下一步的工作是對本模型做進一步的完善，并對基于可信路徑的可信網(wǎng)絡(luò)管理展開研究，本項技術(shù)在對安全與可信要求極高的軍用Ad Hoc自組織網(wǎng)絡(luò)中具有較高的潛在應(yīng)用價值。