基于布隆過(guò)濾器的分簇式復(fù)制節(jié)點(diǎn)檢測(cè)協(xié)議研究

程俊

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)的CBDM復(fù)制節(jié)點(diǎn)檢測(cè)協(xié)議中簇頭節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)開銷大，基站和基站附近節(jié)點(diǎn)通信開銷大的問(wèn)題，文章提出了一種基于布隆過(guò)濾器的分簇式復(fù)制節(jié)點(diǎn)檢測(cè)協(xié)議。每一輪周期檢測(cè)，簇頭節(jié)點(diǎn)不再單純地利用自身的存儲(chǔ)空間來(lái)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)信息，而是通過(guò)攜帶存儲(chǔ)空間利用率較高的布隆過(guò)濾器來(lái)儲(chǔ)存信息，減輕了簇頭節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)開銷；與CBDM相比，該協(xié)議通過(guò)選擇能量較高的簇頭節(jié)點(diǎn)進(jìn)行復(fù)制節(jié)點(diǎn)的判定、分析和廣播，減輕了基站和基站附近的網(wǎng)絡(luò)開銷。仿真實(shí)驗(yàn)表明，該協(xié)議在保證網(wǎng)絡(luò)復(fù)制節(jié)點(diǎn)檢測(cè)率的情況下，提高了網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

關(guān)鍵詞：復(fù)制節(jié)點(diǎn)；檢測(cè)率；存儲(chǔ)代價(jià)；網(wǎng)絡(luò)生命周期

中圖分類號(hào)：TP212，TN929文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

眾所周知，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）由大量的傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。復(fù)制節(jié)點(diǎn)就是攻擊者把捕獲的傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行復(fù)制，再將復(fù)制節(jié)點(diǎn)放入網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而偵聽網(wǎng)絡(luò)、收集網(wǎng)絡(luò)信息，甚至破壞網(wǎng)絡(luò)。

為了檢測(cè)WSN中的復(fù)制節(jié)點(diǎn)，防止復(fù)制節(jié)點(diǎn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的破壞，人們進(jìn)行了大量的研究。常用的復(fù)制節(jié)點(diǎn)檢測(cè)協(xié)議有：集中式檢測(cè)協(xié)議、局部式檢測(cè)協(xié)議、分布式檢測(cè)協(xié)議。周暉等［1］在研究集中式、局部式復(fù)制節(jié)點(diǎn)檢測(cè)協(xié)議的基礎(chǔ)上，提出了CBDM協(xié)議。該協(xié)議先將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分簇并周期性地選擇簇頭，再通過(guò)先局部簇頭檢測(cè)，最后進(jìn)行基站全局檢測(cè)的方式，緩解了集中式節(jié)點(diǎn)檢測(cè)協(xié)議中基站節(jié)點(diǎn)（BS）的數(shù)據(jù)開銷。分布式復(fù)制節(jié)點(diǎn)檢測(cè)協(xié)議［2］中的路徑選擇多播協(xié)議（LSM）原理是利用在轉(zhuǎn)發(fā)的兩條路徑上存在相交節(jié)點(diǎn)（證人節(jié)點(diǎn)）的方式。該方式利用證人節(jié)點(diǎn)來(lái)進(jìn)行復(fù)制節(jié)點(diǎn)的判定。由于在LSM協(xié)議中證人節(jié)點(diǎn)存在儲(chǔ)存信息量較大的問(wèn)題，Vishal Khanapure等［3］提出了證人節(jié)點(diǎn)攜帶布隆過(guò)濾器來(lái)儲(chǔ)存節(jié)點(diǎn)信息的方式。該方式借助布隆過(guò)濾器具有較高的存儲(chǔ)空間利用率、較快的查詢速度等優(yōu)勢(shì)，延長(zhǎng)了證人節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)生命周期。

受上述相關(guān)文獻(xiàn)的啟發(fā)，本文提出了一種基于布隆過(guò)濾器的分簇式復(fù)制節(jié)點(diǎn)檢測(cè)協(xié)議（Bloom-Filter-Based Clustering Protocol，BFCP）。BFCP協(xié)議中，簇頭節(jié)點(diǎn)不再單純地利用自身的存儲(chǔ)空間來(lái)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)信息，而是通過(guò)攜帶存儲(chǔ)空間利用率較高的布隆過(guò)濾器來(lái)儲(chǔ)存信息，減輕了簇頭節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)開銷。與CBDM相比，該協(xié)議通過(guò)選擇能量較高的簇頭節(jié)點(diǎn)進(jìn)行復(fù)制節(jié)點(diǎn)的判定、分析和廣播，減輕了基站、基站附近的網(wǎng)絡(luò)開銷。

1.2 BFCP協(xié)議原理

在了解了BFCP協(xié)議所用到的符號(hào)和其含義后，接下來(lái)介紹BFCP協(xié)議大致的兩個(gè)檢測(cè)階段：簇內(nèi)局部檢測(cè)階段和簇間全網(wǎng)檢測(cè)階段。

1.2.1 簇內(nèi)局部檢測(cè)階段

簇內(nèi)局部檢測(cè)階段中，首先是簇的形成。對(duì)于一個(gè)周期性的WSN，每一個(gè)周期都會(huì)通過(guò)能量較高原則，概率性地選擇簇頭節(jié)點(diǎn)。假設(shè)一輪周期區(qū)域中選擇出了n個(gè)簇頭，用符號(hào)CHn表示。簇頭節(jié)點(diǎn)形成后，普通節(jié)點(diǎn)可以依據(jù)通信成本最優(yōu)原則［4］加入某個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)中去。這樣，一輪周期網(wǎng)絡(luò)中的簇頭節(jié)點(diǎn)和普通節(jié)點(diǎn)就合成了n個(gè)簇，用符號(hào)Cn表示。

簇形成后，簇內(nèi)普通節(jié)點(diǎn)發(fā)送自身的IDi，li給簇中的簇頭節(jié)點(diǎn)，簇頭節(jié)點(diǎn)采用BID（CHn），Bl（CHn）分別進(jìn)行簇內(nèi)ID和li的信息收集。若簇頭發(fā)現(xiàn)簇內(nèi)有相同ID節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)不同的地理位置信息，則可判定帶有此ID的節(jié)點(diǎn)為復(fù)制節(jié)點(diǎn)，然后簇頭將此ID信息進(jìn)行全網(wǎng)廣播，隔離帶有該ID的所有節(jié)點(diǎn)。若簇頭節(jié)點(diǎn)收集完簇內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)（包括自身）信息后，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)復(fù)制節(jié)點(diǎn)，則簇頭將分別用BID（CHn）和Bl（CHn）存儲(chǔ)簇內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的ID，li信息。

1.2.2 簇間全網(wǎng)檢測(cè)階段

為了更好地描述BFCP協(xié)議全網(wǎng)檢測(cè)階段，本文畫出了幾個(gè)簇之間進(jìn)行信息交流情況，圖中黑色節(jié)點(diǎn)為簇頭節(jié)點(diǎn)，白色節(jié)點(diǎn)為普通節(jié)點(diǎn)，如圖1所示。

當(dāng)新的一輪周期到來(lái)后，BFCP協(xié)議將再次進(jìn)入簇內(nèi)局部檢測(cè)階段和簇間全網(wǎng)檢測(cè)階段，以判定網(wǎng)絡(luò)中復(fù)制節(jié)點(diǎn)的存在。

2 仿真實(shí)驗(yàn)

為了評(píng)價(jià)BFCP協(xié)議的性能，本文選擇在C++的環(huán)境下進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)選取一個(gè)80 m×80 m的正方形區(qū)域，假設(shè)在該區(qū)域部署了N個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的初始能量為2J，傳感器連接了天線，使得節(jié)點(diǎn)通信半徑為8 m，設(shè)置一輪周期檢測(cè)的時(shí)間為40 s，將BFCP協(xié)議進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)10次并取平均值。

為了驗(yàn)證協(xié)議的有效性，本仿真實(shí)驗(yàn)將BFCP協(xié)議同集中式檢測(cè)協(xié)議BS、周輝等［1］提出的CBDM協(xié)議、路徑選擇多播協(xié)議LSM進(jìn)行對(duì)比，得到如下結(jié)果。

2.1 檢測(cè)率

BS，CBDM，LSM，BFCP協(xié)議檢出率對(duì)比如圖2所示。由圖2可知，BS和CBDM協(xié)議檢測(cè)率最高，達(dá)到了100%。這是因?yàn)槊恳惠喼芷?，BS和CBDM協(xié)議都采用基站進(jìn)行復(fù)制節(jié)點(diǎn)的檢測(cè)、分析和廣播，所以檢測(cè)率很高。但由于每一次都采用基站進(jìn)行分析和判定，所以存在基站和基站附近節(jié)點(diǎn)通信開銷過(guò)大的問(wèn)題。本文提出的BFCP協(xié)議檢測(cè)率雖然沒(méi)有BS，CBDM高，但也在95%以上。這是因?yàn)锽FCP協(xié)議利用簇頭節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息的收集、判定和廣播，檢測(cè)率很高，但由于簇頭采用布隆過(guò)濾器的方式進(jìn)行信息的收集，而布隆過(guò)濾器在存儲(chǔ)信息時(shí)存在假陽(yáng)性［5］，所以BFCP協(xié)議會(huì)存在一些漏檢率。與BS，CBDM，BFCP相比，LSM協(xié)議的檢測(cè)率最低，這是因?yàn)長(zhǎng)SM協(xié)議在轉(zhuǎn)發(fā)的兩條路徑上不一定存在相交的節(jié)點(diǎn)，如果不存在相交的節(jié)點(diǎn)，也就無(wú)法檢測(cè)出復(fù)制節(jié)點(diǎn)，所以其漏檢概率較大。

2.2 網(wǎng)絡(luò)生命周期

BS，CBDM，BFCP協(xié)議網(wǎng)絡(luò)生命周期對(duì)比如圖3所示。由圖3可知，在BS，CBDM，LSM三者中，BS協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)生命周期最短。隨著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加，BS協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)生命周期呈指數(shù)下降，這是因?yàn)锽S協(xié)議不但采用基站進(jìn)行全網(wǎng)信息的搜集，而且采用基站進(jìn)行復(fù)制節(jié)點(diǎn)的檢測(cè)、分析和判定。由于判斷、分析和廣播等都是采用基站，基站和基站附近的節(jié)點(diǎn)開銷過(guò)大，影響了網(wǎng)絡(luò)的生命周期。CBDM的網(wǎng)絡(luò)生命周期高于BS協(xié)議、低于BFCP協(xié)議，這是因?yàn)镃BDM協(xié)議采用簇頭進(jìn)行簇內(nèi)信息的收集，減少了基站的通信開銷，但由于CBDM協(xié)議中還是采用基站來(lái)進(jìn)行復(fù)制節(jié)點(diǎn)的分析和廣播，所以基站和基站附近通信開銷相對(duì)較大。BFCP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)生命周期最長(zhǎng)，原因是：（1）每一輪周期檢測(cè)，簇頭節(jié)點(diǎn)不再單純地利用自身的存儲(chǔ)空間來(lái)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)信息，而是通過(guò)攜帶存儲(chǔ)空間利用率較高的布隆過(guò)濾器來(lái)儲(chǔ)存信息，減輕了簇頭節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)開銷；（2）相比于BS，CBDM，協(xié)議通過(guò)選擇能量較高的簇頭節(jié)點(diǎn)進(jìn)行復(fù)制節(jié)點(diǎn)的判定、分析和廣播，減輕了基站、基站附近的網(wǎng)絡(luò)開銷。

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)CBDM協(xié)議存在的問(wèn)題，本文提出了BFCP協(xié)議。與CBDM協(xié)議相比，BFCP協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)為：每一輪檢測(cè)周期，簇頭節(jié)點(diǎn)通過(guò)攜帶存儲(chǔ)空間利用率較高的布隆過(guò)濾器來(lái)儲(chǔ)存信息，減輕了簇頭節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)開銷；協(xié)議通過(guò)選擇能量較高的簇頭節(jié)點(diǎn)進(jìn)行復(fù)制節(jié)點(diǎn)的判定、分析和廣播，減輕了基站、基站附近的網(wǎng)絡(luò)開銷。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)表明，BFCP協(xié)議在保證一定檢測(cè)率的情況下，提高網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

參考文獻(xiàn)

［1］周暉，朱立慶，楊振，等.基于分簇的節(jié)點(diǎn)復(fù)制攻擊入侵檢測(cè)方法［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2014（5）：129-132.

［2］張蕾.無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版，2020.

［3］MING Z，VISHAL K，SHIGANG C，et al.Memory efficient protocols for detecting node replication attacks in wireless sensor networks：Proceedings of the 17th IEEE international conference on network protocols［C］.Plainsboro：Institute of Electrical and Electronic Engineers，2009.

［4］王海濤.數(shù)據(jù)融合技術(shù)及其在WSN中的應(yīng)用研究［J］.數(shù)據(jù)通信，2022（2）：57-60.

［5］楊斐.學(xué)習(xí)型布隆過(guò)濾器優(yōu)化方法研究與實(shí)現(xiàn)［D］.合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2021.

（編輯 姚 鑫）