物聯(lián)網(wǎng)感知源數(shù)據(jù)可信性評(píng)估模型研究

吳 戈， 黎忠文， 黎 通， 陳二陽， 江 丹(．成都大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院， 四川 成都 6006； .成都實(shí)驗(yàn)外國語學(xué)校 西區(qū), 四川 成都 603)

0 引 言

隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，傳感網(wǎng)絡(luò)越來越深入到各方面.由于傳感設(shè)備常常部署在無人值守或惡劣環(huán)境中，節(jié)點(diǎn)很容易遭受物理攻擊，從而導(dǎo)致源頭數(shù)據(jù)的無效[1].眾所周知，源頭數(shù)據(jù)是后臺(tái)專家決策系統(tǒng)進(jìn)行決策的依據(jù)，直接影響各類智慧系統(tǒng)的可靠性，因此評(píng)測和保障這些源頭數(shù)據(jù)本身的可信性至關(guān)重要.近年來，感知源數(shù)據(jù)的可信性問題成為了該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn).主流研究通常是在感知源構(gòu)建信任評(píng)估模型，通過計(jì)算工作節(jié)點(diǎn)之間的直接信任、單元推薦信任、監(jiān)督信任及用戶行為等計(jì)算物聯(lián)網(wǎng)源數(shù)據(jù)的綜合信任值，實(shí)現(xiàn)對(duì)感知源的信任值評(píng)估[1-3].然而，基于感知源的信任評(píng)估模型雖然在一定程度上保障了數(shù)據(jù)源頭的可靠性，但沒有考慮能量對(duì)數(shù)據(jù)源的影響.在物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中，能量不僅可以保障設(shè)備的正常運(yùn)行，而且可以根據(jù)能量的消耗情況來監(jiān)測工作節(jié)點(diǎn)是否遭遇安全攻擊，從而判斷物聯(lián)網(wǎng)源數(shù)據(jù)的可信性.事實(shí)上，通過分析傳感器、通信活動(dòng)和計(jì)算活動(dòng)對(duì)耗能的影響，建立傳感網(wǎng)絡(luò)能量消耗模型并計(jì)算出節(jié)點(diǎn)信任度，是當(dāng)前源數(shù)據(jù)可信性的研究方法之一[4-7].融合能量信任和數(shù)據(jù)信任對(duì)源數(shù)據(jù)可信性進(jìn)行研究的文獻(xiàn)比較少.基于此，本研究探索了能量對(duì)源數(shù)據(jù)信任值的影響，并提出了包含能量因子在內(nèi)的適于邊緣計(jì)算的物聯(lián)網(wǎng)感知源數(shù)據(jù)信任評(píng)估模型.

1 感知源信任值評(píng)估模型的設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)中影響感知源可靠性的因素較多，從技術(shù)層面上可以分為通信、能量和傳感器老化等.考慮到局域網(wǎng)內(nèi)通信情況較好，本研究不將通信因素作為感知源信任值的評(píng)價(jià)因子.

1.1 模型中信任的含義

一般來說，系統(tǒng)的可信性是一個(gè)綜合的概念，包含可靠性、安全性、容錯(cuò)性、可用性、聲譽(yù)、風(fēng)險(xiǎn)和服務(wù)質(zhì)量等.本研究中的信任是指信任的程度，其取值區(qū)間為[0，1]，即物聯(lián)網(wǎng)中傳感器能正確采集到信息的程度，它反映了傳感器的工作狀態(tài).本研究擬在負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)融合與轉(zhuǎn)發(fā)的中繼器中對(duì)其所轄的傳感器進(jìn)行信任值的計(jì)算.顯然傳感器的信任值越大，其采集到的數(shù)據(jù)可靠性就越高.當(dāng)傳感器的信任值低于設(shè)定值時(shí)，中繼器將舍去該傳感器采集到的數(shù)據(jù)，從而保證后臺(tái)系統(tǒng)所獲得的數(shù)據(jù)是可靠的.當(dāng)信任值分別為0和1時(shí)，分別表示傳感器處于不可信和完全可信2種極端狀態(tài).同時(shí)，本研究通過直接信任、能量信任和同行信任的信任值進(jìn)行評(píng)價(jià).直接信任和能量信任是通過傳感器自身的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)和能量消耗進(jìn)行信任評(píng)價(jià)，而同行信任是間接信任，通過比較傳感器與其他采集數(shù)據(jù)來進(jìn)行信任值評(píng)價(jià).

1.2 重要定義

本研究以物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中繼器和其連接的傳感器作為評(píng)測單位，對(duì)傳感源的信任值進(jìn)行評(píng)價(jià).每個(gè)評(píng)測單位包括多個(gè)工作節(jié)點(diǎn)，工作節(jié)點(diǎn)用來采集信息.物聯(lián)網(wǎng)中常常用多個(gè)傳感器完成相同的任務(wù)，即多個(gè)傳感器對(duì)同一對(duì)象進(jìn)行數(shù)據(jù)采集.本研究探討的模型采用的幾個(gè)重要定義：

定義1 評(píng)測單位.它由數(shù)據(jù)采集器和連接的傳感器組成，是傳感器源數(shù)據(jù)信任評(píng)價(jià)的基本單位.

定義2 工作節(jié)點(diǎn).在正常頻率下用于感知環(huán)境信息的傳感器.

定義3 同行節(jié)點(diǎn).對(duì)于具體的工作節(jié)點(diǎn)而言，與它完成相同監(jiān)測任務(wù)且在同一評(píng)測單位內(nèi)的其他工作節(jié)點(diǎn)，都被稱為同行節(jié)點(diǎn).

1.3 直接信任值的計(jì)算方法

工作節(jié)點(diǎn)按其固有的頻率采集數(shù)據(jù)(記為rdata)，并傳送給中繼節(jié)點(diǎn).中繼節(jié)點(diǎn)按業(yè)務(wù)的需要保存工作節(jié)點(diǎn)中多個(gè)過時(shí)的數(shù)據(jù)，即歷史數(shù)據(jù).令avedata為工作節(jié)點(diǎn)中多個(gè)歷史數(shù)據(jù)的平均值(具體采用的歷史數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)，可以根據(jù)情況現(xiàn)場設(shè)置).不失一般性，正常情況下工作節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)具有平穩(wěn)性，沒有忽高忽低的情況.假設(shè)limdata是工作節(jié)點(diǎn)當(dāng)前感知數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)之差的上限.

令，

x=|rdata-avedata|

則，工作節(jié)點(diǎn)的直接信任值Tdata(初值為1)計(jì)算方法如式(1)所示，

(1)

式中，α為經(jīng)驗(yàn)值，是傳感數(shù)據(jù)允許的誤差值，取值大于0.Tdata初值為1，0≤Tdata≤1.

1.4 能量信任值的計(jì)算方法

當(dāng)工作節(jié)點(diǎn)的工作環(huán)境惡劣或遭受安全攻擊時(shí)，其能量消耗就會(huì)增加，因此能量消耗越多，則工作節(jié)點(diǎn)能量信任值就越低.當(dāng)工作節(jié)點(diǎn)被攻擊后，也可能拒絕服務(wù)，因此，當(dāng)工作節(jié)點(diǎn)的能量消耗過低時(shí)，其能量信任值也越低.

設(shè)工作節(jié)點(diǎn)安裝時(shí)的能量值記為Efull，它能正常工作的最小能量值記為Emin，剩余能量值記為Eres，則工作節(jié)點(diǎn)能量信任值Ten可以根據(jù)式(2)計(jì)算，

(2)

式中，β為經(jīng)驗(yàn)值，是能量數(shù)據(jù)允許的誤差值，大于0.Ten初值為1，0≤Ten≤1.

1.5 同行推薦信任值的計(jì)算方法

物聯(lián)網(wǎng)中，往往存在多個(gè)傳感器對(duì)同一信息進(jìn)行采集.設(shè)同一評(píng)測單位有n個(gè)工作節(jié)點(diǎn)執(zhí)行相同任務(wù)，即采集同一信息，記為工作節(jié)點(diǎn)集{N1,N2,…,Nn}.為便于說明，不妨設(shè)節(jié)點(diǎn)Nn為待評(píng)估節(jié)點(diǎn)，則{N1,N2,…,Nn-1}是其同行節(jié)點(diǎn)集.

令，

則，第j個(gè)同行節(jié)點(diǎn)對(duì)節(jié)點(diǎn)Nn的推薦信任值Trj由式(3)計(jì)算而得.

(3)

式中，γ為經(jīng)驗(yàn)值，是允許的誤差值，取值大于0，Trj初值為1，0≤Trj≤1.

則，對(duì)于工作節(jié)點(diǎn)Nn，它的n-1個(gè)同行對(duì)其推薦信任值Trec計(jì)算由式(4)而得.

(4)

式中，α為經(jīng)驗(yàn)值，是傳感數(shù)據(jù)允許的誤差值，取值大于0.Tdata初值為1，0≤Tdata≤1.

1.6 綜合信任值的計(jì)算方法

工作節(jié)點(diǎn)的綜合信任值Tc是直接信任值、能量信任值和同行信任值的加權(quán)平均值，由式(5)計(jì)算而得.

Tc=δ1×Tdata+δ2×Ten+δ3×Trec

(5)

式中，0<δi<1,i=1,2,3，為權(quán)重因子，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)調(diào)整，需要滿足，δ1+δ2+δ3=1.Tdata、Ten、Trec與Tc初值均為1.

1.7 報(bào)警原理

2 仿真實(shí)驗(yàn)及分析

仿真實(shí)驗(yàn)中，本研究設(shè)定了5個(gè)工作節(jié)點(diǎn).表1中的各常量和閾值取于日常經(jīng)驗(yàn).

表1 信任評(píng)價(jià)模型常量取值表

圖1描述了工作節(jié)點(diǎn)正常工作時(shí)，能量對(duì)綜合信任值的影響.從圖1可以看出，在直接信任和同行信任值不變的情況下，綜合信任值隨著能量信任值的變化而變化，當(dāng)能量信任值增加時(shí)，綜合信任值也隨之增加.相反，當(dāng)能量信任值減小時(shí)，綜合信任值也隨之減小.在同等條件下，無能量信任值和有能量信任值相比，綜合信任值明顯減小.由此可知，能量信任值對(duì)綜合信任值影響顯著.

圖2描述了工作節(jié)點(diǎn)正常工作和發(fā)生異常時(shí)，綜合信任值的變化情況.當(dāng)工作節(jié)點(diǎn)未發(fā)生異常時(shí)，綜合信任值的波動(dòng)保持相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài).而當(dāng)工作節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)異常時(shí)，綜合信任值波動(dòng)幅度較大.從圖2中可以看出，當(dāng)直接信任值和能量信任值分別為0和同時(shí)為0時(shí)，綜合信任值急劇減小，從而可以判斷出工作節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)異常，此時(shí)采集到的數(shù)據(jù)不可靠，同時(shí)觸發(fā)報(bào)警.

圖3展示了不同加權(quán)因子對(duì)綜合信任值計(jì)算的影響.為了保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，本研究進(jìn)行了3組對(duì)照實(shí)驗(yàn).每組實(shí)驗(yàn)保證直接信任值、同行信任值和能量信任值不變，通過改變加權(quán)因子來觀察綜合信任的變化情況.從圖3可以看出，綜合信任值隨加權(quán)因子的變化而波動(dòng).不同的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用可以根據(jù)自身對(duì)直接信任值、能量信任值和同行信任值的重視程度，設(shè)置不同的加權(quán)系數(shù).

圖2 工作節(jié)點(diǎn)正常與異常工作時(shí)綜合信任值的變化情況

圖3 不同加權(quán)因子對(duì)綜合信任值的影響

3 結(jié) 語

本研究提出了一種從物聯(lián)網(wǎng)源頭入手評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)可信性的模型，從評(píng)測區(qū)中感知節(jié)點(diǎn)自身數(shù)據(jù)和同行節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)及結(jié)合能量機(jī)制分別設(shè)計(jì)了直接信任值、同行推薦信任值和能量信任值的計(jì)算方法，并通過加權(quán)平均值計(jì)算出綜合信任值.本研究實(shí)現(xiàn)了對(duì)感知源數(shù)據(jù)可信性的評(píng)價(jià)，并由此可以提前預(yù)測感知節(jié)點(diǎn)是否受到人為攻擊或受環(huán)境侵蝕，從而提供預(yù)警.下一步的研究是進(jìn)一步優(yōu)化模型，并采用相似度對(duì)比方法來提高精度.