一種用于信息隱蔽傳輸?shù)母咝TN路由算法

劉美華 田茂 陳小莉 張新晨

摘? ?要：作為一種間歇性連接的網(wǎng)絡(luò)，延遲容忍網(wǎng)絡(luò)（DTN）中的消息通過節(jié)點(diǎn)間的機(jī)會(huì)性相遇完成投遞，這種多跳、隨機(jī)的傳遞方式使得消息難以被追蹤，因此DTN非常適合實(shí)現(xiàn)信息的隱蔽傳輸.然而在DTN中節(jié)點(diǎn)之間的連接頻繁斷開限制了傳輸效率，且現(xiàn)有的DTN路由并未針對(duì)隱蔽傳輸?shù)陌踩赃M(jìn)行相關(guān)研究.為保證隱蔽傳輸?shù)耐ㄐ刨|(zhì)量和安全性，提出一種路由算法，首先利用節(jié)點(diǎn)的靜態(tài)社會(huì)特征和實(shí)時(shí)相遇情況設(shè)計(jì)一種高效的消息轉(zhuǎn)發(fā)策略以提高消息的投遞效率;其次考慮到過多的消息副本在增加投遞概率的同時(shí)也會(huì)增加暴露的風(fēng)險(xiǎn)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)連通情況對(duì)副本數(shù)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)設(shè)置.最后，將提出的算法與DTN經(jīng)典算法進(jìn)行仿真對(duì)比，結(jié)果顯示本算法能夠提高DTN的消息投遞率，減少網(wǎng)絡(luò)開銷，同時(shí)提高消息的安全性.

關(guān)鍵詞：延遲容忍網(wǎng)絡(luò);傳輸隱藏;路由算法;副本數(shù)控制;轉(zhuǎn)發(fā)策略

中圖分類號(hào)：TN915? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

An Efficient DTN Routing Algorithm for Covert Transmission of Information

LIU Meihua1，TIAN Mao1，CHEN Xiaoli1，ZHANG Xinchen2

（1. Electronic Information School，Wuhan University，Wuhan 430072，China;

2. School of Physical Science and Technology，Central China Normal University，Wuhan 430079，China）

Abstract：The Delay Tolerant Network （DTN）， as an intermittently connected network， transfers messages through opportunistic encounters between nodes. It is difficult to intercept messages because of the multi-hop and random delivery method， which shows that DTN is very suitable for covert transmission of information. However， it also limits transmission efficiency. In order to develop transmission efficiency and to guarantee the security of covert transmission， a routing algorithm was proposed. Firstly， an efficient message forwarding strategy was designed to improve the delivery efficiency of messages by utilizing the static social characteristics and real-time encounters of nodes. Secondly， because massive copies of message lead to high probability of delivery but also reduce the security of covert transmission， the number of copies was dynamically set according to the topology of the network. Finally， the proposed algorithm was simulated. Compared with the classical DTN algorithm， the simulating results show that the proposed algorithm can improve the message delivery rate of DTN，reduce network overhead， and increase the security of messages.

Key words：Delay Tolerant Network（DTN）;transmission hiding; routing algorithm;control of message copies; forwarding strategy

在延遲容忍網(wǎng)絡(luò)（Delay Tolerant Network，DTN）中，移動(dòng)設(shè)備之間以自組織的形式通過短距離接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，這種低成本的通信方式與蜂窩系統(tǒng)互補(bǔ)協(xié)同，成為物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的一個(gè)重要方向[1-2]. 但由于設(shè)備的移動(dòng)導(dǎo)致連接時(shí)常斷開，消息只能通過節(jié)點(diǎn)間的機(jī)會(huì)性相遇以存儲(chǔ)-攜帶-轉(zhuǎn)發(fā)的方式實(shí)現(xiàn)投遞[3]. 這種多跳、隨機(jī)的方式與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信有著本質(zhì)差異，DTN中移動(dòng)節(jié)點(diǎn)之間自組織、間歇性的連接使消息傳輸路徑的隨機(jī)性很大，通信過程很難追溯，因而使消息難以被追蹤，因此DTN能夠用于信息隱藏系統(tǒng)中對(duì)消息的傳輸過程進(jìn)行保護(hù).信息隱藏系統(tǒng)通?？梢苑譃閮?nèi)容隱藏和傳輸隱藏，內(nèi)容隱藏技術(shù)包括數(shù)字水印、密碼學(xué)、隱寫術(shù)[4]等;傳輸隱藏主要是利用信道的一些固有特性以實(shí)現(xiàn)傳輸?shù)碾[蔽，例如擴(kuò)頻、跳頻等[5]，與這些物理層的傳輸隱藏方法不同，本文提出一種基于DTN的從網(wǎng)絡(luò)層面實(shí)現(xiàn)隱蔽傳輸?shù)姆椒ǎ渑c內(nèi)容隱藏一起構(gòu)建信息隱藏系統(tǒng)：經(jīng)加密或者隱寫之后得到的載密信息通過DTN進(jìn)行多跳傳輸，由于傳輸路徑的不確定性，消息和源節(jié)點(diǎn)均難以被追蹤，這樣就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)傳輸過程和發(fā)送方的保護(hù).

盡管DTN能用于信息隱藏，但其間斷，隨機(jī)的的特征決定了其在消息投遞率和延時(shí)可控等可靠性上得不到保障，導(dǎo)致DTN難以成為實(shí)用的傳輸信道.針對(duì)這個(gè)問題，學(xué)者們基于“存儲(chǔ)-攜帶-轉(zhuǎn)發(fā)”機(jī)制提出了許多優(yōu)化路由協(xié)議來提高傳輸質(zhì)量[6]，主要分為兩種策略，第一種通過消息多副本來得到較好的投遞率，比如Epidemic[7]以洪泛的方式來轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，然而過多的消息副本數(shù)增加了網(wǎng)絡(luò)開銷和暴露的風(fēng)險(xiǎn)，影響通信的隱蔽性，因此必須控制副本數(shù)量;Spray and Wait[8]限制副本數(shù)為一個(gè)定值以提升整體效率，但固定的副本數(shù)不能適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化. 文獻(xiàn)[9]指出網(wǎng)絡(luò)連通度能很大程度上決定消息的投遞，并提出一種根據(jù)網(wǎng)絡(luò)連通度來動(dòng)態(tài)調(diào)整消息副本數(shù)的DA-SW路由，但是需要提前獲取網(wǎng)絡(luò)歷史數(shù)據(jù)集的分析結(jié)果作為參考，不能適用于所有DTN網(wǎng)絡(luò)，因此需要制定一種能夠根據(jù)實(shí)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)連通程度來自適應(yīng)設(shè)置消息副本數(shù)的方法.

第二種策略通過評(píng)估節(jié)點(diǎn)的投遞效用，為消息選擇合適的下一跳使其以更高的概率到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)，比如Prophet通過相遇頻率來估計(jì)再次相遇的概率，選擇與目的節(jié)點(diǎn)相遇概率高的鄰居節(jié)點(diǎn)作為下一跳[10]，但忽略了節(jié)點(diǎn)的社會(huì)性.近年來，許多研究證明合理地利用網(wǎng)絡(luò)的社會(huì)特征可以對(duì)消息的轉(zhuǎn)發(fā)效率起到比較顯著的提升作用[11]，Bubble Rap，SimBet等社會(huì)路由利用節(jié)點(diǎn)的社區(qū)性、相似性和中心性來評(píng)估節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)效用[12-13]. 以這二者為代表的大多社會(huì)性路由都致力于挖掘節(jié)點(diǎn)的潛在社會(huì)關(guān)系，而忽略了節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)的直接聯(lián)系，使得消息中繼節(jié)點(diǎn)的選擇不夠精確，因此，在制定中繼選擇策略時(shí)，不僅要考慮社會(huì)特征，還需要考慮中繼節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)的直接聯(lián)系.

針對(duì)這些問題，本文提出一種安全高效的路由策略ER-IHS（Efficient Routing of DTN for Information Hiding Systems），首先考慮到消息副本過多會(huì)影響隱蔽傳輸?shù)陌踩裕岢鲇孟⒌耐哆f時(shí)延來評(píng)估與量化網(wǎng)絡(luò)的連通程度，以此來自適應(yīng)設(shè)置消息副本數(shù)，兼顧傳輸質(zhì)量和隱蔽性;然后提出一種轉(zhuǎn)發(fā)效用評(píng)估方法，兼顧節(jié)點(diǎn)社會(huì)特征以及它與目的節(jié)點(diǎn)的直接聯(lián)系，來選擇中繼節(jié)點(diǎn). 在仿真時(shí)，采用DTN傳輸效率指標(biāo)和提出的安全性指標(biāo)來評(píng)估本路由的性能[11]，同時(shí)提出安全性指標(biāo)來評(píng)估本路由.仿真對(duì)比結(jié)果表明該算法可以在保證較高的傳輸效率的同時(shí)取得較好的安全性.

1? ?信息隱藏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與問題描述

1.1? ?系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文選擇那些表現(xiàn)出一定的社會(huì)功能的容忍延遲網(wǎng)絡(luò)作為新型信息隱藏應(yīng)用的信道.信息隱藏系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，首先對(duì)原始消息進(jìn)行加密或隱寫處理，然后在DTN的間歇性連接的環(huán)境下以多跳的方式傳遞加密信息，當(dāng)接收方收到消息時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解密. 由于節(jié)點(diǎn)的相遇具有很大的隨機(jī)性，很難追溯消息的傳輸路徑;由于事先經(jīng)過高效的密碼術(shù)或隱寫等內(nèi)容加密技術(shù)的處理，即使消息經(jīng)過多個(gè)節(jié)點(diǎn)，仍然難以暴露，因此消息、發(fā)送者和傳輸過程都得以“隱藏”.

1.2? ?問題描述

本文在設(shè)計(jì)用于信息隱藏系統(tǒng)的DTN路由算法時(shí)，主要面臨下面幾個(gè)問題：

1）在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化的情況下，消息副本數(shù)既要保證較高的投遞率又要降低信息暴露的風(fēng)險(xiǎn)，就必須實(shí)時(shí)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)連通情況，以此對(duì)副本數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)的設(shè)置，因此單個(gè)節(jié)點(diǎn)如何估計(jì)全局的連通程度，以及如何通過估計(jì)的連通程度計(jì)算副本數(shù)，是需要解決的重要問題.

2）如何在充分利用潛在的社會(huì)關(guān)系基礎(chǔ)上結(jié)合與目的節(jié)點(diǎn)之間的直接聯(lián)系來設(shè)計(jì)投遞效用函數(shù)，為消息選擇最優(yōu)的載體節(jié)點(diǎn)決定著路由的優(yōu)劣.

2? ?基于節(jié)點(diǎn)社會(huì)特征的路由算法ER-IHS

為了提高DTN用于隱蔽傳輸時(shí)的通信質(zhì)量，本文的ER-IHS （Efficient Routing for Information Hiding Systems）路由算法在消息多副本的基礎(chǔ)上，采用一種消息轉(zhuǎn)發(fā)策略，該策略提出一種節(jié)點(diǎn)投遞效用值的計(jì)算方法以更精確地選擇下一跳.同時(shí)考慮到過多的副本帶來的安全性隱患，ER-IHS對(duì)網(wǎng)絡(luò)的連通程度進(jìn)行評(píng)估與量化，并以此動(dòng)態(tài)設(shè)置消息的復(fù)制上限，從而在保證消息投遞效率的基礎(chǔ)上提高安全性.以下將對(duì)本算法進(jìn)行詳細(xì)闡述.

2.1? ?相關(guān)定義

2.1.1? ?網(wǎng)絡(luò)連通程度的評(píng)估

整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的連通程度取決于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，且在很大程度上決定了消息成功投遞的概率及投遞時(shí)延[9]，對(duì)于單個(gè)節(jié)點(diǎn)來說，最容易獲取的關(guān)于網(wǎng)絡(luò)全局連通程度的信息是當(dāng)該節(jié)點(diǎn)作為目的節(jié)點(diǎn)時(shí)，成功接收到消息所花費(fèi)的時(shí)延，所以這個(gè)時(shí)延可以用來反映網(wǎng)絡(luò)的連通狀況，使節(jié)點(diǎn)做出更優(yōu)的決策. 本文以節(jié)點(diǎn)記錄的投遞時(shí)延來量化網(wǎng)絡(luò)整體的連通程度，記為Tlink. 每個(gè)節(jié)點(diǎn)先在本地計(jì)算Tlink，然后再與鄰居節(jié)點(diǎn)交互統(tǒng)一更新.計(jì)算時(shí)以常數(shù)Tinterval作為步長(zhǎng)量化時(shí)間，初始條件為，當(dāng)某節(jié)點(diǎn)沒有接收到任何以之為目的節(jié)點(diǎn)的消息時(shí)，Tlink被設(shè)置為∞，一旦接收到第一條消息，Tlink = TTL1 - RTTL1. 第k個(gè)時(shí)刻的Tlink以下面的公式進(jìn)行計(jì)算更新.

1）當(dāng)前時(shí)刻k，節(jié)點(diǎn)成功接收以之為目的節(jié)點(diǎn)的消息時(shí)，Tlink以式（1）進(jìn)行更新.

Tlink（k） = Tdelay_i? × α + Tlink（k - 1） × （1 - α）? ?（1）

Tdelay_i? = TTLi - RTTLi? ?（2）

式中：i表示消息序號(hào);TTLi表示消息的生命期; RTTLi表示第i條消息的剩余生命期;Tdelay_i表示第i條消息的投遞時(shí)延.式（1）是利用投遞時(shí)延來衡量網(wǎng)絡(luò)的連通程度，計(jì)算時(shí)考慮數(shù)據(jù)的時(shí)效性，為最新的投遞延時(shí)附上較大權(quán)值α，通常在（0，1）中取一個(gè)較大的值.

2）節(jié)點(diǎn)接收完消息之后，Tlink以式（3）進(jìn)行更新.

Tlink（k） = Tlink（l） × γ-n? ? ?（3）

式中：l表示最近一次接收以該節(jié)點(diǎn)為目的節(jié)點(diǎn)的消息的時(shí)刻;γ為老化因子，0 < γ < 1; n表示l時(shí)刻到當(dāng)前時(shí)刻的時(shí)間步數(shù).式（3）表明，如果該節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)時(shí)間不能接收到消息Tlink應(yīng)該變大，以表示連通狀況變差.

3）當(dāng)前時(shí)刻k，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)a與b相遇，相互獲取彼此的Tlink值（Tlink_a和Tlink_b）和l值（la和lb），然后以統(tǒng)一后的Tlink值替換原來的值.

式中：la、lb分別表示節(jié)點(diǎn)a、b記錄的l值. 式（5）表示當(dāng)兩節(jié)點(diǎn)相遇計(jì)算統(tǒng)一的Tlink值時(shí)，同樣考慮數(shù)據(jù)的時(shí)效性，l較大的節(jié)點(diǎn)應(yīng)該分配更大的

權(quán)重.

2.1.2? ?節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)效用值-轉(zhuǎn)發(fā)活躍度的計(jì)算

節(jié)點(diǎn)的社會(huì)關(guān)系很大程度上決定節(jié)點(diǎn)之間的相遇情況，在社交網(wǎng)絡(luò)中越活躍的節(jié)點(diǎn)遇到其他節(jié)點(diǎn)的概率越高，因此為消息選擇中繼節(jié)點(diǎn)時(shí)，考慮節(jié)點(diǎn)的社會(huì)特征能夠提升消息的投遞效率.但是如果只考慮這種整體的活躍性是不夠的，因?yàn)榛钴S節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)的相遇概率不一定很高.針對(duì)這個(gè)問題，本文同時(shí)考慮節(jié)點(diǎn)的活躍度和與目的節(jié)點(diǎn)的相遇情況，提出轉(zhuǎn)發(fā)活躍度的概念來評(píng)估節(jié)點(diǎn)的投遞效

用值.

如式（6）所示，本文以節(jié)點(diǎn)遇到的其他節(jié)點(diǎn)總個(gè)數(shù)而不是總次數(shù)來衡量該節(jié)點(diǎn)的活躍度Activity，因?yàn)楝F(xiàn)實(shí)的社交網(wǎng)絡(luò)中很可能存在與固定的少數(shù)節(jié)點(diǎn)相遇頻繁的節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)不應(yīng)被賦予高的活躍度.

Activityi = ∑*? ? j=1j? ? （6）

式中：j表示到目前為止與節(jié)點(diǎn)i有過接觸的節(jié)點(diǎn).節(jié)點(diǎn)i與目的節(jié)點(diǎn)d的接觸概率Pid按式（7）進(jìn)行計(jì)算.

式中：Nid表示到目前為止節(jié)點(diǎn)i與目的節(jié)點(diǎn)d的相遇次數(shù);Ni表示到目前為止節(jié)點(diǎn)i與其他節(jié)點(diǎn)相遇的總次數(shù).

根據(jù)以上兩個(gè)因素，本文以式（8）定義節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)活躍度Forward_activity.

2.2? ?消息副本數(shù)的動(dòng)態(tài)控制

在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化的情況下，消息副本數(shù)既要保證較高的投遞率又要降低信息暴露的風(fēng)險(xiǎn)，就必須實(shí)時(shí)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)連通情況，以此對(duì)副本數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)置，以兼顧傳輸質(zhì)量和安全性.當(dāng)生成某條消息時(shí)，其源節(jié)點(diǎn)根據(jù)其估計(jì)的網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前整體連通程度來設(shè)置消息的副本數(shù)L，計(jì)算方法見式（9）.

式中：k表示當(dāng)前時(shí)刻，即該條消息生成的時(shí)刻;

Tlink（k）為生成消息的源節(jié)點(diǎn)所估計(jì)的當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)連通程度;Tmeet_int（k）表示與其他節(jié)點(diǎn)相遇的平均間隔，也是由本節(jié)點(diǎn)進(jìn)行局部性的估計(jì)，并在節(jié)點(diǎn)相遇時(shí)進(jìn)行更新統(tǒng)一. 更新方法為取均值，如式（10）所示.

當(dāng)兩節(jié)點(diǎn)a和b相遇時(shí)，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的Tmeet更新值是對(duì)兩節(jié)點(diǎn)的本地估計(jì)值Tmeet_int_a和Tmeet_int_b取均值得到.

2.3? ?基于社區(qū)特征的下一跳選擇策略

本文在對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行社區(qū)劃分的基礎(chǔ)上，利用節(jié)點(diǎn)的活躍度和接觸頻率來評(píng)估鄰居節(jié)點(diǎn)的消息投遞能力，為消息找到合適的下一跳.結(jié)合Bubble Rap中的社區(qū)劃分方法[14]和2.1節(jié)中所述的轉(zhuǎn)發(fā)活躍度Forward_activity，提出本地轉(zhuǎn)發(fā)活躍度和全局轉(zhuǎn)發(fā)活躍度的概念.本地轉(zhuǎn)發(fā)活躍度是只計(jì)算同社區(qū)節(jié)點(diǎn)相遇情況得到的轉(zhuǎn)發(fā)活躍度;而全局轉(zhuǎn)發(fā)活躍度是按照整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的相遇情況來計(jì)算轉(zhuǎn)發(fā)活躍度.當(dāng)鄰居節(jié)點(diǎn)為非目的節(jié)點(diǎn)時(shí)，選擇下一跳的流程如圖2所示，主要可以分為4種情況.

情況1：載體節(jié)點(diǎn)a，鄰居節(jié)點(diǎn)b均與目的節(jié)點(diǎn)d在同一社區(qū)，如果b的本地轉(zhuǎn)發(fā)活躍度大于a的本地轉(zhuǎn)發(fā)活躍度則a將消息轉(zhuǎn)發(fā)給b，轉(zhuǎn)發(fā)后a將剩余副本數(shù)減去1;如果b的本地轉(zhuǎn)發(fā)活躍度小于a，則a不轉(zhuǎn)發(fā)消息.

情況2：載體節(jié)點(diǎn)a與目的節(jié)點(diǎn)d不在同一社區(qū)，而鄰居節(jié)點(diǎn)b與d 在同一社區(qū)，則a直接將消息轉(zhuǎn)發(fā)給b，同樣轉(zhuǎn)發(fā)后a將剩余副本數(shù)減去1.

情況3：載體節(jié)點(diǎn)a與目的節(jié)點(diǎn)d在同一社區(qū)而鄰居節(jié)點(diǎn)b與d 不在同一社區(qū)，則a不轉(zhuǎn)發(fā)消息.

情況4：載體節(jié)點(diǎn)a，鄰居節(jié)點(diǎn)b均不與目的節(jié)點(diǎn)d在同一社區(qū)，此時(shí)如果b的全局轉(zhuǎn)發(fā)活躍度大于a的全局轉(zhuǎn)發(fā)活躍度，則a將消息轉(zhuǎn)發(fā)給b，如果b的全局轉(zhuǎn)發(fā)活躍度小于a的全局轉(zhuǎn)發(fā)活躍度則a不轉(zhuǎn)發(fā)消息.

3? ?仿真結(jié)果與分析

3.1? ?參數(shù)設(shè)置與性能指標(biāo)

為了評(píng)估所提出的路由算法ER-IHS的性能，本文用真實(shí)數(shù)據(jù)集在The ONE （Opportunistic Networks Environment）平臺(tái)上對(duì)其進(jìn)行仿真，與4種經(jīng)典算法（Bubble Rap，SimBet，Epidemic，Prophet）的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，然后對(duì)提出的副本數(shù)動(dòng)態(tài)設(shè)置方法以及基于轉(zhuǎn)發(fā)活躍度的中繼選擇方法的貢獻(xiàn)進(jìn)行了驗(yàn)證.仿真參數(shù)為：外部數(shù)據(jù)集采用Infocom06;每條消息間隔300 s到600 s隨機(jī)產(chǎn)生，消息大小在100 kB到300 kB之間，其源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)隨機(jī)選擇，TTL設(shè)置為720 min;每個(gè)節(jié)點(diǎn)的緩存大小設(shè)置為5 MB，通信接口的傳輸速度為250 kbps.

在性能指標(biāo)上，主要考慮隱蔽傳輸?shù)膫鬏斝屎桶踩裕簜鬏斝手笜?biāo)采用廣泛使用的消息投遞率，網(wǎng)絡(luò)開銷和平均投遞延時(shí);在安全性指標(biāo)上，由于本文所提出的隱蔽傳輸方法與傳統(tǒng)的物理層隱蔽傳輸方法有本質(zhì)區(qū)別，因此本文考慮提出新的指標(biāo)來衡量算法安全性.考慮到多副本策略會(huì)影響消息成功投遞后在網(wǎng)絡(luò)中殘留的平均副本數(shù)，增加消息暴露的風(fēng)險(xiǎn)，因此本文提出以消息遺留的平均副本數(shù)為衡量路由安全性的指標(biāo).

3.2? ?ER-IHS路由的性能

本文將ER-IHS路由與兩種基于節(jié)點(diǎn)社會(huì)特征的路由Bubble Rap和SimBet，以及2種經(jīng)典路由Epidemic，Prophet進(jìn)行了對(duì)比，改變節(jié)點(diǎn)緩存的大小，得到的結(jié)果如圖3所示.

在傳輸效率上，由圖3（a）可以看到除Epidemic之外，各路由的投遞率隨著緩存的增大逐漸增大，最后趨于穩(wěn)定.總體而言本算法ER-IHS的投遞率比SimBet，Prophet，Bubble Rap三種路由都要高，當(dāng)緩存為2 M時(shí)ER-IHS投遞率比Bubble Rap高54%，比SimBet高62%，比Prophet高34%. 圖3（b）顯示各路由的網(wǎng)絡(luò)開銷隨著緩存的增大而減小最后趨于穩(wěn)定，其中Epidemic的開銷最大，ER-IHS的開銷最小，當(dāng)緩存為15 M時(shí)ER-IHS的開銷分別是Bubble Rap的15%，SimBet的10%，Prophet的5%.圖3（c）顯示ER-IHS的平均投遞延時(shí)處于中等水平，當(dāng)緩存為20 M時(shí)，ER-IHS的平均時(shí)延比Bubble Rap高3%，比SimBet低11%，比Prophet高7%，而當(dāng)節(jié)點(diǎn)的緩存偏小時(shí)，ER-IHS則表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì).

出現(xiàn)以上結(jié)果的原因可以歸結(jié)于：

首先，ER-IHS路由根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的連通狀況動(dòng)態(tài)調(diào)整消息的副本數(shù)量，減少不必要的消息復(fù)制，節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)資源;選擇下一跳時(shí)Bubble Rap和SimBet僅利用了節(jié)點(diǎn)的社會(huì)關(guān)系，Prophet僅利用了節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)的相遇概率，而ER-IHS將兩個(gè)因素綜合考慮，能夠更精確有效地選擇下一跳，因此得到更高的投遞率.

第二，由于Epidemic通過消息大量復(fù)制和轉(zhuǎn)發(fā)的方式犧牲緩存資源來提升投遞率，因此開銷是最高的，其余算法均設(shè)置了中繼節(jié)點(diǎn)選擇策略，能夠減少總消息轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)，因此網(wǎng)絡(luò)開銷顯著低于Epidemic，在此基礎(chǔ)上ER-IHS對(duì)消息的副本數(shù)進(jìn)行控制，又進(jìn)一步使網(wǎng)絡(luò)開銷降低.

第三，與Epidemic相比，ER-IHS和其他三種路由均對(duì)消息的轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)置了條件，使得消息在網(wǎng)絡(luò)中的平均副本數(shù)變少，而ER-IHS除了設(shè)置了較嚴(yán)格的轉(zhuǎn)發(fā)條件之外還對(duì)副本數(shù)進(jìn)行了控制，導(dǎo)致消息的投遞時(shí)延略微增加，但是整體上仍與Bubble Rap和SimBet的平均時(shí)延相近.總的來說，ER-IHS路由以增加少量的投遞時(shí)延為代價(jià)，獲取較高的投遞率和較低的網(wǎng)絡(luò)開銷.

在安全性上，圖3（d）顯示各個(gè)路由的平均殘留副本數(shù)隨著節(jié)點(diǎn)緩存的增大而增加，其中Epidemic和Prophet的增幅明顯，另三種增幅較少，其中ER-IHS的平均殘留副本數(shù)最低.當(dāng)節(jié)點(diǎn)緩存為6 M時(shí)，Bubble Rap的平均殘留副本比ER-IHS多20%，SimBet比ER-IHS多30%，Prophet比ER-IHS多80%，Epidemic比ER-IHS多200%.主要原因在于ER-IHS對(duì)消息副本數(shù)自適應(yīng)設(shè)置，因此網(wǎng)絡(luò)中的殘留副本數(shù)得到顯著降低，減少了消息暴露的風(fēng)險(xiǎn).

3.3? ?消息副本數(shù)L的動(dòng)態(tài)控制方法的性能

消息副本數(shù)的動(dòng)態(tài)控制方法旨在提高消息安全性，為了檢測(cè)該方法對(duì)傳輸質(zhì)量是否造成了負(fù)面影響，本文將其用在4種副本復(fù)制沒有上限的經(jīng)典路由Epidemic，Prophet，Bubble Rap，SimBet上，將傳輸效率和安全性與原路由進(jìn)行比較.在本文配置的參數(shù)下的結(jié)果如圖4所示，為方便比較，將改進(jìn)后路由與改進(jìn)前的差值列出，如表1所示，“+”表示增加，“-”表示減少.

在傳輸效率上，結(jié)合了本文的動(dòng)態(tài)控制副本數(shù)方法的路由的投遞率均得到提高，網(wǎng)絡(luò)開銷得到大幅降低，在投遞時(shí)延上改進(jìn)的Epidemic和Prophet比原路由均有所提高，而基于社會(huì)特征的Bubble Rap和SimBet則比原路由的時(shí)延要略低.在安全性上，改進(jìn)后的路由的平均殘留副本數(shù)均顯著減少.

由以上結(jié)果可以看到，本文的動(dòng)態(tài)控制消息副本數(shù)的方法能夠在保證傳輸質(zhì)量的基礎(chǔ)上提高消息的傳輸安全性，對(duì)于那些對(duì)消息冗余依賴程度較高的路由，雖然增加了一定的消息平均時(shí)延，但總體而言改善了傳輸效率和傳輸安全.

3.4? ?轉(zhuǎn)發(fā)活躍度的性能

本文考察提出的基于轉(zhuǎn)發(fā)活躍度Forward_activity的中繼節(jié)點(diǎn)選擇策略對(duì)消息投遞率，網(wǎng)絡(luò)開銷和平均投遞時(shí)延的影響.將其應(yīng)用于同樣考慮了社區(qū)性和節(jié)點(diǎn)活躍程度（中心性）的Bubble Rap和利用節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)之間相遇的概率來選擇中繼節(jié)點(diǎn)的Prophet，得到Bubble Rap_FA（以轉(zhuǎn)發(fā)活躍度代替中心性）和Prophet_FA（以轉(zhuǎn)發(fā)活躍度代替相遇概率）與原始路由相比較，同時(shí)以Epidemic的結(jié)果作為參考.圖5展示了比較結(jié)果.為了便于觀察，將改進(jìn)后路由與改進(jìn)前的差值列出，如表2所示.

由圖5可以看到，基于轉(zhuǎn)發(fā)活躍度的路由與原路由相比，提高了消息投遞率，降低了網(wǎng)絡(luò)開銷和平均投遞時(shí)延.這是由于轉(zhuǎn)發(fā)活躍度能夠更加精確地評(píng)估節(jié)點(diǎn)的投遞效用，從而能夠提高消息傳輸效率.

4? ?結(jié)? ?論

本文利用DTN的多跳隨機(jī)的傳輸特點(diǎn)將其用作信息隱藏系統(tǒng)中的隱蔽信道，為了應(yīng)對(duì)DTN間歇性連接的不利特性，提出了一種有效的路由策略以提高DTN的通信質(zhì)量，并降低消息暴露風(fēng)險(xiǎn).該路由提出一種檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)連通度的方法以動(dòng)態(tài)設(shè)置消息的副本數(shù)，并利用節(jié)點(diǎn)的靜態(tài)社會(huì)特征和實(shí)時(shí)的相遇信息來評(píng)估節(jié)點(diǎn)投遞效用，選擇合適的中繼節(jié)點(diǎn).在仿真實(shí)驗(yàn)中，本文對(duì)提出的路由的傳輸效率和安全性做出評(píng)估和比較，并分別驗(yàn)證了動(dòng)態(tài)設(shè)置消息副本和中繼選擇策略的性能.仿真結(jié)果表明，提出的路由算法能提高消息投遞率，降低平均延遲和網(wǎng)絡(luò)開銷，并可以減少消息成功投遞后在網(wǎng)絡(luò)中殘留的副本數(shù)，因此本文的路由能在DTN中獲得較好的傳輸質(zhì)量和安全性，對(duì)將DTN理論應(yīng)用于實(shí)際信息隱藏系統(tǒng)具有指導(dǎo)意義.

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