基于組合指標的無線傳感器網絡安全路由算法

唐清明，趙菊敏，李燈熬，朱颮凱

(太原理工大學 信息工程學院，山西 晉中 030600)

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基于組合指標的無線傳感器網絡安全路由算法

唐清明，趙菊敏，李燈熬，朱颮凱

(太原理工大學 信息工程學院，山西 晉中 030600)

針對無線傳感器網絡路由安全與可靠性的問題，提出了一種基于組合指標的安全路由算法。評估節點通過觀測被評估節點的數據包轉發行為，計算直接信任值，然后與第三節點推薦的信任值進行加權求和，得到一個綜合信任值。為了提高信任的準確性，避免出現合謀攻擊，對第三方推薦的信任值進行了信任相似度檢測。通過對期望傳輸次數和信任值進行加權組合，形成一個用于選擇下一跳節點的組合路由指標。最后，對所提出的算法進行了仿真驗證。結果表明，所提出的算法能夠有效地避免惡意節點的攻擊，在傳遞率和總的傳輸次數方面明顯優于其他算法。

無線傳感器網絡；安全路由；信任值；組合路由指標

無線傳感器網絡(Wireless Sensor Network，WSN)被廣泛地應用于環境監測、城市監控、災難恢復、工業感知與控制等[1-2]。由于其本身的分布式和動態特性，使得路由協議很容易受到攻擊[3]。對于這種安全威脅，一些傳統的方法(加密和密鑰管理)并不適用于無線傳感器網絡，因為大部分加密算法，特別是非對稱加密過程，要求很高的計算能力和功率消耗[4]。一種有效的方法被研究人員所認同，即信任管理方法，它能夠緩解攻擊者的攻擊[5]。在信任管理方法中，路由協議將會把鄰居節點的信任度當作一個指標，用于路由路徑或轉發節點的選擇。此外，無線傳感器網絡中還有其他路由指標，用于處理無線傳感器網絡單一的、動態的特征，例如鏈路不可靠性、能量、有限的處理能力和存儲能力[6]。這些指標的目的是識別鏈路的狀態或者具體的節點行為。然而，在實際的應用中，網絡中存在多種行為，這些行為必須同時處理。

本文關注的焦點是惡意節點的轉發和合謀攻擊問題。同時，在此基礎上，還考慮節點之間的鏈路質量。基于以上兩點，提出了一種基于組合路由指標的無線傳感器網絡安全路由算法(CRSR)。在CRSR算法中，一個節點通過主動地觀測被評估節點的收發包狀況及借助第三方節點的推薦對被評估節點進行信任評估。同時對于第三方節點的推薦，通過檢查信任相似度的方法來避免合謀攻擊。節點在進行下一跳選擇時，綜合考慮下一跳節點的信任值以及下一跳節點的期望傳輸次數(Excepted Transmission Count，ETX)。通過對這兩個指標進行加權組合，形成一個組合路由指標。CRSR算法能夠緩解惡意節點的攻擊，降低網絡的丟包率和傳輸次數，在路由安全與能效方面都有很大的提高。

1 相關工作

1.1 網絡模型

將無線傳感器網絡當作一個有向圖G={V，E}，其中頂點集V表示所有傳感器節點，邊的集合E表示所有傳感器節點之間的通信鏈路。網絡中的每個節點，通過多跳的方式將數據傳輸到匯聚節點。

1.2 問題陳述

如果網絡中不存在惡意節點，節點在進行下一跳選擇時，可根據節點的ETX值，選擇一條到基站期望傳輸次數最少(鏈路質量可靠)的路徑。但是如果網絡中存在惡意節點，并且惡意節點位于最佳的路徑上時，那么惡意節點將拒絕或者選擇性地轉發收到的數據包，使得數據包不能到達基站，極大地降低網絡的傳遞率。另外，如果在進行路由選擇時，僅僅以節點的信任值為指標，而不考慮ETX值，那么所選擇的路徑可能會使數據經過更多的傳輸次數才能到達基站，造成能量的浪費。

因此，本文綜合考慮信任值與ETX，設計一種基于組合路由指標的安全路由算法(CRSR)，用于數據包的傳輸。

2 CSR算法的設計

2.1 ETX的計算

ETX表示一個節點成功傳輸數據包到另一個節點的期望傳輸次數[7]。相鄰兩個節點之間的鏈路ETX可由以下公式計算

(1)

式中：pf是數據包成功到達接收者的概率；pr是接收者反饋的ACK成功到達發送者的概率。規定基站的ETX為0，一個節點i的ETX等于它的下一跳節點j的ETX加上到下一跳節點鏈路的ETX，計算式為

ETXi=ETXj+ETXi,j

(2)

式中：ETXj為節點j的ETX值；ETXi,j為節點i與節點j之間鏈路的ETX值。

2.2 信任值的計算

2.2.1 直接信任值的計算

在本文中，根據被評估節點在一段時間τ內收到和轉發包的情況來進行信任評估。節點i對節點j的直接信任評估值，可由以下公式得到

(3)

(4)

其中，0<δ<1。δ的取值，根據實際情況來確定。δ較大時，說明對過去信任的依賴較小，可以防止信任值的老化；δ較小時，說明對當前時間段τ內信任值的依賴較小，可以防止惡意節點在當前時間段τ內對信任的彌補(即惡意節點在當前時間段τ內故意提高轉發率)。

為了保證第三方節點推薦的可靠性以及避免第三方節點與被評估節點聯合欺騙評估節點(也稱為合謀攻擊)，需要進行信任相似度檢測。

2.2.2 信任相似度

信任相似度是指評估節點與第三方節點對同一節點的信任評估的相似程度。節點i與節點k對節點u的信任相似度Si,k的計算式如

(5)

由于節點i與節點k可能存在多個公共鄰居節點，因此，節點i與節點k的信任相似度為

(6)

2.2.3 間接信任值的計算

(7)

2.2.4 綜合信任值的計算

節點i對節點j的綜合信任值CTi,j可得

(8)

式中：0<η<1；0

2.3 組合路由指標的合成

為了方便組合新的路由指標，對節點的信任值做以下變換

(9)

CR=w1×ETX+w2×CF

(10)

式中：w1+w2=1。

在進行路由選擇時，使用組合路由指標不但可以選擇鏈路質量較好的鏈路，還可以避免惡意節點。如圖1所示，假設S是源節點，D是目的節點，G是惡意節點。如果僅使用ETX指標，那么應選擇的路徑是p(S，G，C，D)。但是這條路徑上存在惡意節點，因此，不能保證數據能順利傳到目的節點。如果僅使用CF指標，那么應選擇的路徑是p(S，F，B，D)。然而，這條路徑的鏈路質量并不是最好的，也就是說在數據包傳輸的過程中，產生的重復包數比較多。如果使用組合路由指標，且設w1=w2=0.5，那么3條路徑的CR值分別是CRp(S,E,A,D)=3.75，CRp(S,F,B,D)=4.6，CRp(S,G,C,D)=3.9。因此，選擇的路徑應該是p(S，E，A，D)。在這條路徑上，鏈路的質量比較可靠，且不存在惡意節點。

圖1 帶有ETX和CF的WSN拓撲示意圖

2.4 路由設置

隨著網絡運行時間的推移，網絡中的鏈路質量會發生變化，因此需要周期性地對節點的ETX進行更新。設更新周期為t，即網絡每運行t時間后，對節點ETX進行更新。更新的方法與網絡初始化一樣，由基站洪泛beacon到網絡中進行ETX的更新。然而，在進行ETX更新時，并不需要對節點的信任值賦予一個初值，因為節點的信任值具有時效性，每隔時間τ后都會自動更新。

3 仿真與評價

3.1 仿真設置

本文使用一種基于C++的仿真器進行仿真。將100個節點隨機地分布于200 m×200 m區域中，其中惡意節點的個數為20個。每個節點的初始信任值都是0.5。其他固定參數的設置如表1所示。

表1 仿真參數

為了更好地評價CRSR算法，將其與CTP[8]和TSR[9]算法進行對比。本文將從兩個方面來對算法進行評價，分別是數據包傳遞率和總的發送次數。丟包率反映了網絡的安全性與可靠性。數據包傳遞率越大，說明網絡防御惡意節點的攻擊能力越強，且鏈路的質量也比較可靠。總的發送次數，反映的是網絡的能效。總的發送次數越少，說明網絡的能耗越小。

3.2 仿真結果與分析

圖2和圖3是w1=w2=0.5時仿真結果。從圖2中可以看出，隨著網絡運行時間的變化，使用CTP協議的數據包的傳遞率一直在減小，而CRSR和TSR算法的傳遞率是先減小，后增大。并且，CRSR的傳遞率大于TSR算法。這是因為，在網絡運行的初期，還未發現惡意節點。隨著運行時間的增加，惡意節點被逐漸發現，因此，CRSR和TSR的傳遞率逐漸增大。而CTP協議不具有防御惡意節點的功能，因此它的傳遞率一直下降。在TSR算法中，進行信任估計時沒有考慮第三方節點的推薦，而在CRSR中，進行信任評估時也將第三方節點的推薦考慮進來，并且還進行了相似度的對比，因此，CRSR比TSR更容易發現惡意節點，且CRSR的傳遞率明顯高于TSR。

圖2 平均數據包的傳遞率隨時間的變化

圖3 總的傳輸次數隨時間的變化

從圖3中可以看出，隨著網絡運行時間的增加，網絡中總的傳輸次數也是逐漸增加的。但是 CTP的總的傳輸次數總是大于TSR，TSR的總的傳輸次數總是大于CRSR。這是因為，隨著網絡運行時間的增加，TSR和CRSR逐漸發現了惡意節點，能夠避開惡意節點，而CTP不能發現惡意節點，在進行數據包傳輸時鏈路上可能存在更多的惡意節點，因此，TSR和CRSR的傳輸次數總小于CTP。另外，CRSR發現惡意節點的速率比TSR快，因此，CRSR的傳輸次數也就小于TSR。總的傳輸次數越大，說明網絡的能耗越快。因此，CRSR能夠有效地節約網絡的能耗，延長網絡的壽命。

圖4 w1和w2對平均傳遞率的影響

圖5 w1和w2對總的傳輸次數影響

4 小結

本文對無線傳感器網絡的安全路由問題進行了深入研究，分別分析了以ETX為指標的路由算法的安全性和以信任值為指標的路由算法的鏈路質量問題。通過對ETX和信任值的組合，形成了一個新的組合路由指標，提出了一種基于組合路由指標的安全路由算法CRSR。在CRSR中，進行路由選擇時，不但可以避開惡意節點，而且還可以選擇鏈路質量較高的路徑。仿真結果表明，CRSR算法能夠有效地提高網絡的傳遞率，保證路由的安全性與可靠性，降低總的傳輸次數，減少網絡的能耗。

[1]HE L，PAN J，XU J. Reducing data collection latency in wireless sensor networks with mobile elements[C]// 2011 IEEE Conference on Computer communications workshops (INFOCOM WKSHPS). [S.l.]：IEEE，2011：572-577.

[2]陳超，鄧斌，吳伊蒙，等.無線傳感器網絡數據融合安全機制研究[J].電視技術，2015，39(17)：74-78.

[3]ZHANG C，ZHU X，SONG Y，et al. A formal study of trust-based routing in wireless ad hoc networks[C]//INFOCOM，2010 Proceedings IEEE. [S.l.]：IEEE，2010：1-9.

[4]CORDASCO J，WETZEL S. Cryptographic versus trust-based methods for MANET routing security[J]. Electronic notes in theoretical computer science，2008，197(2)：131-140.

[5]LOPEZ J，ROMAN R，AGUDO I，et al. Trust management systems for wireless sensor networks: best practices[J]. pomputer communications，2010，33(9)：1086-1093.

[6]BAUMANN R，HEIMLICHER S，STRASSER M，et al. A survey on routing metrics[R]. [S.l.]:TIK，2007:262.

[7]DE COUTO D S J，AGUAYO D，BICKET J，et al. A high-throughput path metric for multi-hop wireless routing[J]. Wireless networks，2005，11(4)：419-434.

[8]GNAWALI O，FONSECA R，JAMIESON K，et al. Collection tree protocol[C]//Proceedings of the 7th ACM Conference on Embedded Networked Sensor Systems. [S.l.]：ACM，2009：1-14.

[9]XIA H，JIA Z，LI X，et al. Trust prediction and trust-based source routing in mobile ad hoc networks[J]. Ad Hoc networks，2013，11(7)：2096-2114.

唐清明(1989— )，碩士生，主研無線傳感器網絡；

趙菊敏(1976— )，博士生導師，主要研究方向為無線傳感器網絡、RFID等；

李燈熬(1971— )，博士生導師，主要研究方向為無線傳感器網絡、RFID、盲信號處理等；

朱颮凱(1988— )，博士生，主要研究方向為無線傳感器網絡。

責任編輯：許 盈

Combination routing metric based routing algorithm for WSN

TANG Qingming, ZHAO Jumin, LI Deng’ao, ZHU Biaokai

(CollegeofInformationEngineering,TaiyuanUniversityofTechnology,ShanxiJinzhong030600,China)

For the secure and reliable problems of routing in wireless sensor networks, a combination routing metric based routing algorithm is proposed. The evaluating, node computes the direct trust value by observing the behaviors of the evaluated node. A comprehensive trust value can be achieved via the weighted combination of direct trust value, the indirect trust value that is from the recommendations of other nodes. In order to improve the accuracy of trust and avoid the collusion attack, making a comparison of the degree of similarity for the trust value that other nodes recommend. A combination routing metric which is used to select the next hop is formed via weighted combination of the excepted transmission count and trust value. Finally, some simulations are made for the proposed algorithm. The simulation results show that the proposed algorithm can effectively avoid the attack of malicious nodes. Compared with other algorithms, the proposed algorithm has good performances in the deliver ratio and the total transmissions.

wireless sensor networks; secure routing; trust value; combination routing metric

唐清明，趙菊敏，李燈熬，等. 基于組合指標的無線傳感器網絡安全路由算法[J].電視技術，2016，40(11)：59-63. TANG Q M，ZHAO J M，LI D A，et al. Combination routing metric based routing algorithm for WSN[J].Video engineering，2016，40(11)：59-63.

TP393.0

A

10.16280/j.videoe.2016.11.013

國家自然科學基金面上項目(61572346；61572347)；國家自然科學基金青年科學基金項目(61303207)；山西省國際科技合作項目(2015081009)；教育部2012年高等學校博士學科點專項科研基金聯合資助課題(20121402120020)

2016-04-15