基于信任的無線傳感器網絡信息傳播模型研究

王艷華 劉亞秋 高洋

摘要 提出一種基于信任的無線傳感器網絡信息傳播模型。結合生物學中的Logistic模型以及信任策略，建立無線傳感器網絡的信息傳播模型，并在信息傳播模型的基礎上，對激勵策略進行分析，提出相應的激勵策略。模擬試驗表明，該模型可有效地提高整個無線傳感器網絡的信任水平，并加快信息傳播速度。

關鍵詞 信任； 無線傳感器網絡； 信息傳播； Logistic模型； 激勵策略

中圖分類號 S126 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2014）16-05315-03

無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network，WSN）是由大量的傳感器以自組織和多跳的方式構成的無線網絡，以協(xié)作地感知、采集、處理以及傳輸網絡覆蓋地理區(qū)域內被感知對象的信息，并最終把這些信息發(fā)送給網絡的所有者[1-2]。

無線傳感器網絡具有自組織特性。在傳感器網絡的應用中，傳感器節(jié)點被放置在沒有基礎結構的地方，傳感器節(jié)點的位置不能預先精確設定，節(jié)點之間的相互鄰居關系預先也不知道，如通過飛機播撒大量傳感器節(jié)點到面積廣闊的原始森林中[3]。這樣就要求傳感器節(jié)點具有自組織的能力，能夠自動進行配置和管理，通過拓撲控制機制和網絡協(xié)議自動形成轉發(fā)監(jiān)測數據的多跳無線網絡系統(tǒng)。

而由于無線傳感器網絡的自組織特性，要求傳感器自動進行配置和管理，傳統(tǒng)的基于密碼體系的安全機制主要用于抵抗外部攻擊，無法有效解決由于節(jié)點被俘獲而發(fā)生的內部攻擊，從而影響無線傳感器網絡中的信息傳播的可信性。因此，如何提高無線傳感器網絡信息傳播的可信性，成為一個重要的研究領域。鑒于此，筆者研究無線傳感器網絡的信任問題，結合生物學相關理論，在此基礎上建立信息傳播模型，從而更加有效地預測信息傳播的趨勢。

1 無線傳感網與可信信息傳播概述

無線傳感器網絡是由大量廣泛分布，且具有通信與計算能力的微小傳感器節(jié)點構成的自治網絡系統(tǒng)，是能根據環(huán)境自主完成指定任務的“智能”系統(tǒng)。由于傳感器的部署方便，自治力強，因此其在軍事領域、環(huán)境監(jiān)測、災難預防等方面都具有十分廣闊的應用前景，尤其在無人值守的環(huán)境監(jiān)測[4-5]、災害撲救等特殊領域，具有傳統(tǒng)技術無可比擬的優(yōu)勢。

美國在20世紀90年代末期率先開展了對無線傳感器網絡的研究，無線傳感器網絡首先被應用在軍事領域中，并取得了較大成果。2001年，第一個主題為無線傳感器網絡的國際會議為IPSN （International Conference on Information Processing in Sensor Network），該會議是由ACM和IEEE共同舉辦的，主要研究無線傳感器網絡的信息處理技術。并且ACM還在2005年為無線傳感器網絡創(chuàng)建了期刊《ACM Transaction on Sensor Network》，該期刊用來出版優(yōu)秀的傳感器網絡方向的學術研究成果。美國多個大學也開始對無線傳感器網絡進行相關知識和理論的學術研究，如麻省理工學院（MIT）、加州大學伯克利分校（UCB）以及加州大學洛杉磯分校（UCLA）等知名學府。在此之后，日本、英國以及意大利等國家也相繼開展了對無線傳感器網絡的研究，并且關于無線傳感器網絡的研究也逐漸成為了工業(yè)界和學術界的研究熱點。

現有的傳感節(jié)點具有很大的安全漏洞，攻擊者通過此漏洞，可方便地獲取傳感節(jié)點中的機密信息、修改傳感節(jié)點中的程序代碼，如使得傳感節(jié)點具有多個身份ID，從而以多個身份在傳感器網絡中進行通信。另外，攻擊還可以通過獲取存儲在傳感節(jié)點中的密鑰、代碼等信息進行，從而偽造或偽裝成合法節(jié)點加入到傳感網絡中[6]。一旦控制了傳感器網絡中的一部分節(jié)點后，攻擊者就可以發(fā)動很多種攻擊，如監(jiān)聽傳感器網絡中傳輸的信息，向傳感器網絡中發(fā)布假的路由信息或傳送假的傳感信息、進行拒絕服務攻擊等。隨著WSNs應用的日益復雜，其安全需求也呈現多樣性，傳統(tǒng)的基于密碼體系的安全機制主要用于抵抗外部攻擊，無法有效解決由于節(jié)點被俘獲而發(fā)生的內部攻擊[7]。在實際應用中，節(jié)點被俘獲的現象極易發(fā)生，這就需要有效的機制來及時識別被俘獲節(jié)點，從而采取相應措施來減小系統(tǒng)的損失，因此，針對無線傳感器網絡中的此類問題，該研究重點研究無線傳感器網絡的信任問題，結合生物學中的Logistic模型[8]，建立無線傳感器網絡信息傳播模型，從而更加有效地預測信息傳播的趨勢。

2 基于信任的信息傳播模型

首先定義信任的相關概念，然后介紹Logistic模型的相關知識，并結合Logistic模型的相關知識研究無線傳感器網絡的信息傳播模型。

定義1信任，是指在網絡中，實體所提供的信息的可靠性和正確性水平[9-10]。

2.1 Logistic模型 Logistic方程是研究生物學中種群增長的一種模型。由于Logistic增長曲線是一條符合事物發(fā)展一般規(guī)律的S型曲線，其在生物學領域和社會學領域中都有廣泛的應用。如圖1所示為Logistic模型的模擬曲線，其中橫坐標表示種群的演化代數，縱坐標表示某類群體占總群體的比例。從圖1可以看出，Logistic模型中，種群的增長速度為先慢再快最終變慢的增長趨勢，即呈現出S型的增長速度，最終達到穩(wěn)定狀態(tài)。由此，該研究用Logistic模型的該特點來預測無線傳感器網絡中信息的傳播趨勢，從而制定相應的策略來提高整個無線傳感器網絡的可信性。

2.2 基于Logistic的信息傳播模型 在無線傳感器網絡中，不同的信息具有不同的信任等級，則將不同信任等級的信息所傳播到的傳感器看作一個種群，其所傳播到的傳感器數量的演化正是符合這種S型曲線的增長過程。

下面基于Logistic模型，以無線傳感器網絡中某個信任等級的信息所傳播到的傳感器個體數量增長為例，介紹一下基于Logistic的信息傳播模型。

假設無線傳感器網絡中的傳感器總數量為N，即無線傳感器網絡環(huán)境容納量。將信息分為m個不同的信任等級，則具有不同信任等級信息的初始傳播到的傳感器數量集合為（n1，n2，…，nm），則可以用微分方程來表示具有第i類信任等級信息所傳播到的傳感器數量ni的變化情況。

式中，dnidt表示具有第i類信任等級信息所傳播到的傳感器數量ni的瞬時增長量；t為演化代數；r表示該類種群中的個體增長率。N-niN表示Logistic系數，當N0，此時，該類種群內個體數量呈上升趨勢；當N=ni時，N-niN=0，此時，該類種群內個體數量保持不變。由式（1）可以看出，Logistic系數可以反映種群數量的變化，可以使得某類種群的數量，即所傳播到的傳感器的數量，最終主導整個網絡的演化趨勢，即趨于無線傳感器網絡的環(huán)境容納量，這種演化趨勢便形成了S型增長曲線。

對式（1）進行積分，便可得到具有第i類信任等級信息所傳播到的傳感器個體數量的變化率。

式中，ni（t）表示當無線傳感器網絡演化到第t代時，具有第i類信任等級信息所傳播到的傳感器的個體數量；ni（0）表示具有第i類信任等級信息所傳播到的傳感器初始數量。根據式（2）可以預測出無線傳感器網絡中具有第i類信任水平的信息的最終傳播趨勢。

2.3 激勵策略分析 根據上述信息傳播模型，可以預測無線傳感器網絡中信息的傳播趨勢。為了激勵傳感器對高可信策略的選取，該研究對傳感器策略選取進行博弈分析，從而提高無線傳感器網絡的整體可信水平[11-12]。

在實際的無線傳感器網絡中，對信任等級高的傳感器，系統(tǒng)將為其提供較高優(yōu)先級的服務；反之，系統(tǒng)將提供較差的服務，甚至不為其提供服務。通過這種激勵策略的制定，不但激勵了傳感器對高可信策略的選取，還懲罰了惡意節(jié)點，從而可有效地提高整個無線傳感器網絡的可信水平。

3 模擬試驗與結果分析

通過模擬試驗來驗證該信息傳播模型的有效性。該研究的硬件試驗環(huán)境為Intel Core（TM） Duo 2.66GHz CPU，2GB內存，采用Windows XP操作系統(tǒng)，用Matlab 7.0編程平臺。模擬試驗參數如表1所示。

下面以信任等級1的傳感器信息傳播演化趨勢為例，驗證該模型的有效性，假設信任等級1的可信度要高于信任等級2的可信度。試驗結果如圖2所示。

圖2 信息傳播演化趨勢 從圖2可以看出，具有較高可信等級的傳感器所傳播的信息最終能夠主導整個網絡的演化方向，并且當加入相應的激勵策略時，加快了信息的傳播速度。當沒有加入相應的激勵策略時，信息的傳播趨勢在25代左右時進入穩(wěn)定狀態(tài)；而加入相應的激勵策略時，信息的傳播趨勢在10代左右時進入穩(wěn)定狀態(tài)。由此可見，適當地調整激勵策略，可有效地加快信息的傳播速度，從而更加有效地提高整個無線傳感器網絡的可信水平，并且加快信息的演化速度。

4 結論

該研究提出一種基于信任的無線傳感器網絡信息傳播模型。結合生物學中的Logistic模型以及信任策略，建立無線傳感器網絡的信息傳播模型，并在信息傳播模型的基礎上，對激勵策略進行分析，提出相應的激勵懲罰策略。通過模擬試驗可以看出，該模型有效地提高了整個無線傳感器網絡的信任水平，并加快了信息傳播速度，從而驗證了該模型的有效性。

在未來的工作中，將進一步研究無線傳感器網絡的復雜特性，提出更有效的激勵策略，提高無線傳感器網絡的可信性和安全性。

參考文獻

[1] YICK J，MUKHERJEE B，GHOSAL D.Wireless sensor networks survey [J].Computer Networks，2008，52：2292-2330.

[2] HAN G J，JIANG J F，SHU L，et al.Management and applications of trust in Wireless Sensor Networks：A survey [J].Journal of Computer and System Sciences，2014，80（3）：602-617.

[3] 陸志平，秦會斌，王春芳.無線傳感器網絡在森林火災監(jiān)測中的應用[J].杭州電子科技大學學報，2006，26（5）：48-51.

[4] 楊治秋，柴寶杰.無線傳感器網絡在農業(yè)信息監(jiān)控系統(tǒng)中的應用[J].安徽農業(yè)科學，2011，39（35）：22160-22161.

[5] 承洋洋，王庫，劉超，等.基于無線傳感器網絡的農業(yè)環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)的設計與開發(fā)研究[J].安徽農業(yè)科學，2013，41（11）：5134-5137.

[6] 蔡紹濱，韓啟龍，高振國，等.基于云模型的無線傳感器網絡惡意節(jié)點識別[J].電子學報，2012，40（11）：2232-2238.

[7] SUN Y，LUO H，SK D.A Trust.based framework for fault.tolerant data aggregation in Wireless Multimedia Sensor Networks[J].IEEE Transactions on Dependable and Secure Computing，2012，9（6）：785- 797.

[8] PERLA R J.A long.term forecast of MRSA daily burden using logistic modeling[J].Clinical Laboratory Science，2009，22（1）：1-5.

[9] 荊琦，唐禮勇，陳鐘.無線傳感器網絡中的信任管理[J].軟件學報，2008，19（7）：1716-1730.

[10] 李小勇，桂小林.動態(tài)信任預測的認知模型[J].軟件學報，2010，21（1）：163-176.

[11] ZHAN G X，SHI W S，DENG J L.TARF：A Trust.aware routing framework for Wireless Sensor Networks [C].EWSN 2010，2010：65-80.

[12] TAE KYUNG KIM，HEE SUK SEO.A trust model using fuzzy logic in Wireless Sensor Network [J].World Academy of Science，Engineering and Technology，2008，2：63-66.