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无线传感器网络中节点信任值计算下的安全路由问题分析
【摘 要】本文结合无线传感器网络的特点,对其安全路由问题进行了分析,提出了一种基于节点信任值的层次路由算法,提高网络数据传输安全的方法途径。相关实验结果表明,该算法可以对节点信任值进行有效评估,从而解决了节点失效或被俘引发的层次路由安全问题,应该得到充分的重视。
【关键词】无线传感器网络;节点信任值;安全路由问题

0 前言
在科技发展的带动下,社会经历着日新月异的变化,各种新的技术和设备层出不穷,极大地推动了社会生产力的提高,方便了人们的日常生活。无线传感器网络的产生和应用,在环境检测、医疗护理、国防军事等领域发挥着越来越重要的作用,其安全问题也引起了人们的广泛关注。本文结合节点信任值的计算,提出了一种层次路由算法,希望可以解决无线传感器网络数据传输中的安全路由问题。
1 无线传感器网络与路由安全
无线传感器网络,是指由部署在监测区域内的、大量的、廉价的、微型的传感器节点组成,通过无线通信的方式形成的自组织的网络系统,属于智能专用网络,可以实现对于指定区域、指定对象的数据收集和管理,从而为相应的管理和决策提供相应的依据。无线传感器网络的特点包括:(1)节点的密集性。为了保证感知信息的准确性和全面性,往往会在资金条件允许的情况下散布大量的传感器,节点的分布十分密集;(2)路由的多跳性。受当前技术条件的限制,传感器的通信距离通常只有数十米的范围,如果需要实现远程通信,则必须依靠其他节点的转发,通过节点之间的相互协作,实现多跳通信;(3)网络拓扑的动态性。如果节点出现能量耗尽的情况,或受其他不可预知因素的影响,可能会导致节点退出网络,或者根据需要补充一些新的节点,这些都会造成网络拓扑结构的变化。
在无线传感器网络中,路由安全是系统安全的重要组成部分,直接影响着网络数据传输的安全性和可靠性。一个安全高效的路由协议,应该包括以下特性:
(1)减少网络整体的能耗;
(2)降低配置差错可能造成的影响;
(3)确保参与信息转发的节点的合法性;
(4)有效防范外部入侵攻击。
在传统的网络安全体制中,往往都是针对外部攻击进行防范和应对,而没有充分考虑开放环境下节点被俘获所带来的内部攻击问题,并不适用于无线传感器网络。而通过信任评估机制,对节点的信任值进行评估,则可以有效对恶意或者不协调的节点进行识别和抵制,从而提高网络的安全性能。因此,在无线传感器网络中,建立基于节点信任值的安全路由协议,具有良好的可行性和可靠性,是当前技术人员重点研究的问题。
2 基于节点信任值计算的无线传感器安全路由问题
节点在无线传感器网络中的作用,不仅需要完成数据信息的感应和处理任务,还需要完成相应的路由功能,因此可以作为建设安全路由的重要依据。事实上,在无线传感器网络的发展过程中,关于此方面的研究一直都受到了充分的重视。例如,Hsieh等人提出了SecCBSN算法,针对节点的不同角色,制定了不同的信任计算方法,在路由转发中排除信任值较低的节点,从而保障簇结构的安全;Safa等人则提出了一种基于节点信任值的层次路由算法,通过定向扩散以及根据相应信任值组成的簇结构的成员节点,将数据信息发送到信任簇头,从而保障数据传输的路径安全。但是,这些方法往往都缺乏对信任值的整体考虑,忽视了信任路由自身可能存在的缺陷。因此,这里提出了一种基于节点信任值的无线传感器安全路由算法,对几种方法的优点进行了整合,希望可以切实保证无线传感器网络的安全。
2.1 节点信任值的评估和计算
节点信任值,主要取决于评估节点(主体)对被评估节点(客体)的观察,以及第三方的推荐,会随着被评估节点行为的变化而发生改变。对于无线传感器网络而言,为了应对其自组织多条的特点,应该建立起相应的信任评估机制,不需要设置核心节点,由相邻的节点之间进行相互监督,结合主体对课题的直接和间接信任值,得出综合信任值。
在对节点的信任值进行计算时,需要结合实际需求,对主体节点的信任因子进行全面评估,然后采用加权平均的方法,对客体节点的直接信任值进行评估和计算。一般来说,参与计算的信任因子包括:发送率因子、新鲜性因子、一致性因子、转发率因子、完整性因子、能量因子以及时间因子等。
2.2 簇头节点的可信选举
在层次路由中,簇头节点的作用和意义都是十分重要的,针对当前日益复杂的网络环境,要想保障层次路由的安全,就必须首先保障簇头节点的可靠性和安全性。通常情况下,可以将簇头节点的可信选举看做一个最优化选择的过程,不需要考虑过多的因素,只需要对节点密集度、信任值以及相互之间的距离进行合理设计,实现最优组合即可。之所以要对密集度和距离进行设置,是由于通过这样的方式,可以在对节点信任值进行合理评估和计算的基础上,实现路由主干节点的均匀选择。一般来说,节点的密集度越高,簇内数据的融合效率就相对越高,节点之间的距离越近,通信的代价也就越小。
2.3 层次路由算法
在传统的层次路由中,假定全网的节点均安全可信,则在实际工作中,受节点资源的限制和外部网络攻击的影响,层次路由很容易受到两种威胁,其一是由恶意的节点充当簇头,对网络流量进行误导,其二是恶意节点进入正常的簇结构中,在数据流中掺入错误信息,影响数据的真实性和准确性。对此,可以以LEACH算法和簇头节点的可信选举为前提,结合节点的信任值计算,在无线传感器网络中排除恶意节点,以确保簇结构的安全性和可靠性。
2.4 实验验证
在提出相应的路由算法后,还需要对其有效性和可靠性进行验证。这里根据实际条件,使用传感器节点、性能测试仪以及监管主机等自主构建了测试平台,将16个节点进行随机部署,然后使用专业的仪器设备,对指定区域内的温度、湿度等的变化情况进行监测;所有的接点分为2个簇,簇头节点负责对簇内的信息进行收集,并传输至汇聚节点;每一个节点为邻居节点建立相应的信任表,对其信任值的变化情况进行记录;将两个节点性能测试仪进行并联,对节点的信任值、收发包情况等进行收集,并上传至监管主机,这样,相关人员可以通过监控主机,随时了解节点信任值的变化情况。实验结果表明,当时间因子较小时,节点信任值可以快速收敛,但是稳定性较差;当时间因子较大时,节点收敛速度慢,受历史数据影响大,但是可以有效避免恶意的信任洗刷行为。
3 结语
实验表明,对于给定的信任范围,可以比较节点信任值的大小,对恶意节点进行有效识别和排除,从而减少其对于无线传感器网络的危害,提升网络的安全性和可靠性,从而解决无线传感器网络中,由于及诶堤岸被俘获或者失效而引发的路由安全问题。
 
【参考文献】
[1]荆琦,唐礼勇,陈钟.无线传感器网络中的信任管理[J].软件学报,2008(7):1716-1730.(下转第160页)
(上接第71页)[2]姚宣霞,郑雪峰,周芳.一种有效的无线传感器网络安全路由方案[J].计算机科学,2009,36(7):52-55.
[3]倪洋,田立勤,沈学利.基于ANP的无线传感器网络节点信任评估[J].微计算机信息,2010,26(7):56-58.
[4]吴银锋,周翔,冯仁剑,万江文,许小丰.基于节点信任值的无线传感器网络安全路由[J].仪器仪表学报,2013,13(1):221-228.
 

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