無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)安全融合技術(shù)的優(yōu)化

文/齊世霞

1 無線傳感器與數(shù)據(jù)融合方案

無線傳感器中存在的網(wǎng)絡(luò)（WSN），一般在無監(jiān)督環(huán)境和安全敏感區(qū)域中部署傳感器節(jié)點，數(shù)據(jù)融合還會帶來許多潛在的安全問題，例如數(shù)據(jù)竊聽、數(shù)據(jù)篡改、重放攻擊等，而能量成本太低，數(shù)據(jù)的安全性就需要一個完整的安全機制保護。

所以從數(shù)據(jù)融合后的安全性方面考慮，同時又基于網(wǎng)絡(luò)的保護與安全性方面考慮，最終一項糅合了保護與安全性的全新保護方案就研究問世了。確保集成過程中能耗低、安全性高。

2 基于信任機制的數(shù)據(jù)融合安全方案

2.1 信任機制之中數(shù)據(jù)融合的簡單概念

在無線傳感器的側(cè)網(wǎng)絡(luò)中信任管理因素分互信因子與直接信任因子兩種。觀察模塊監(jiān)測節(jié)點的動作。所述中經(jīng)過處理的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控結(jié)果預(yù)處理進行計算：所述計算值為直接信任DT和所述建立的信任值計算所述CT的每個節(jié)點的綜合字母值，并將所述集成的字母值發(fā)送給所述融合處理信任決策模塊。在融合中，聚類成員節(jié)點根據(jù)其行為看管采樣的融合節(jié)點，使成員節(jié)點信任，運用數(shù)據(jù)融合字節(jié)點，之后計算和評估結(jié)果集合節(jié)點，最終決策由基站完成。

2.2 計算綜合信任值

各個鄰居節(jié)點直接信任值DT、間接信任值T和集成信任直接CT被存儲在每個節(jié)點處，并且所有這些都以周期T作為參考周期性地更新。直接信任值計算使用DT NT的當(dāng)前信任值和歷史信任值加權(quán)求和綜合方法，其中應(yīng)用了含有加權(quán)因子所推薦的間接信任值，或許是加權(quán)因子未參與從而導(dǎo)致了間接信任的計算錯誤發(fā)生，信任機制為周期性行為，固節(jié)點的信任來自節(jié)點歷史信任的推薦級別。

2.3 基于保護隱私而制定的數(shù)據(jù)融合安全方案

在絕大多數(shù)的實際應(yīng)用當(dāng)中，其無線傳感器網(wǎng)絡(luò)必須受隱私保護，以確保只允許被授權(quán)的用戶進行訪問每個節(jié)點數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)保護的常用手段就是對其進行加密處理。現(xiàn)已有研究提出了幾項數(shù)據(jù)保護方案，譬如alsllulcia與Ginao所提針對數(shù)據(jù)安全性保護的方案。還提出了數(shù)據(jù)融合保護的算法，從而提高數(shù)據(jù)融合過程之中的魯棒性。提出了一種新的數(shù)據(jù)融合隱私保護解決方案，該方案具有計算量大、數(shù)據(jù)傳輸方便等便利。

2.4 SMART方案的具體步驟

SMART方案主要由三個階段構(gòu)成：即數(shù)據(jù)檢測，數(shù)據(jù)分割與數(shù)據(jù)融合三個階段。

（1）數(shù)據(jù)檢測。基站向網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點發(fā)送消息，并讓節(jié)點對目標(biāo)實施數(shù)據(jù)檢測，并指示數(shù)據(jù)融合的模式。

（2）數(shù)據(jù)分割。節(jié)點I將數(shù)據(jù)切割成j個切片并加密j-1個切片。在保留一個切片之后，節(jié)點I將剩余的J1切片隨機分配給相鄰節(jié)點。在數(shù)據(jù)混合階段，每個節(jié)點j解密并計算所有收集的數(shù)據(jù)切片的總和。

（3）數(shù)據(jù)融合階。各個節(jié)點利用數(shù)據(jù)融合樹來實現(xiàn)向上傳遞自身所有的數(shù)據(jù)。中間節(jié)點則需要對接收的部分?jǐn)?shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)融合，再將數(shù)據(jù)融合之后的結(jié)果上載到上層節(jié)點。最終的數(shù)據(jù)融合結(jié)果由基站總結(jié)完成。

秦鐵崖不愧辦案老手，也是從火藥入手，不過他的思維與常人不同，因此，幾乎沒費多少周折就打聽到，焰火渠里的老師傅，既有焰火高手，也有火器營里退養(yǎng)的老法師，于是，他循著線索而來。僅就這一點而言，他要比德公公高明許多。

隨著安全門檻的提高，SMART方案的安全成本將迅速增加。如果選擇較小的安全閾值來降低安全成本，則建立數(shù)據(jù)融合數(shù)將更加困難。

2.5 改良SMART方案

通過有效控制安全成本，同時保持安全性，提高了智能方案。由網(wǎng)絡(luò)初始化階段與數(shù)據(jù)通信階段以及最終的數(shù)據(jù)匯總階段構(gòu)成了整個過程。

（1）網(wǎng)絡(luò)初始化。首先，對各個節(jié)點對I與隨機選擇的部分區(qū)域內(nèi)的節(jié)點集S進行計算。而后確立安全閥值：最終實現(xiàn)數(shù)據(jù)融合樹的確立。

表1：數(shù)據(jù)的安全百分比

表2：數(shù)據(jù)的傳輸能耗開銷比較

（2）數(shù)據(jù)傳輸。因為隨即轉(zhuǎn)發(fā)各個節(jié)點之后，其中的數(shù)據(jù)包依然處于數(shù)據(jù)源的節(jié)點跟前，固源節(jié)點所處的位置就比較容易暴露，為了防止信息泄露，各個節(jié)點的分組的傳輸時間會有所不同。固當(dāng)數(shù)據(jù)包在經(jīng)過中間節(jié)點I時，不直接轉(zhuǎn)發(fā)，是在經(jīng)過隨機緩存時間T后轉(zhuǎn)發(fā)。

（3）數(shù)據(jù)融合，將數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)融合樹中由下至上進行融合。傳輸數(shù)據(jù)時通過密匙來加密、解密。

3 加圖分析并比較

為實現(xiàn)對不同的數(shù)據(jù)融合方法進行分析，就需要研究數(shù)據(jù)的安全性與傳輸所需的開銷。同時根據(jù)數(shù)據(jù)融合的特征，采用matlab平臺進行仿真。其中區(qū)域設(shè)置應(yīng)為1000m*1000m，其中含有的節(jié)點數(shù)量為200.數(shù)據(jù)安全性比較如表1所示，數(shù)據(jù)的傳輸能耗開銷比較如表2所示。

據(jù)分析圖可知，在安全數(shù)據(jù)融合進行時，算法所需要的能耗將隨著傳輸?shù)南⒌拈L度的增加而增大，但傳統(tǒng)融合算法在集成算法之后會產(chǎn)生的能量開銷會更加的多，和節(jié)點的捕獲率也會增多，相比根據(jù)信任機制制定的新的根據(jù)安全性制定的融合算法與為了隱私保護制定的安全性數(shù)據(jù)融合算法，整個消息暴露的可能性更高。

4 降低在數(shù)據(jù)傳輸當(dāng)中損失能量的幾種算法

直接傳輸模型是相對傳統(tǒng)的無線傳感器的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸，其原理為傳感器節(jié)點把收集到的數(shù)據(jù)不加修飾的傳輸至匯聚節(jié)點，而后利用大功率跳頻來進行集中處理。該方法缺點為增加了與匯聚節(jié)點傳感器的距離，因此節(jié)點就需要更大的傳輸功率，從而達到與Sink節(jié)點進行交流的目的。但畢竟傳感器節(jié)點之間通信距離不會太遠，固距離Sink節(jié)點遠的節(jié)點往往不能夠與Sink節(jié)點進行穩(wěn)定的通信。而且，通信距離大的節(jié)點需要大量的能量來完成與Sink節(jié)點的通信，這就會讓相關(guān)節(jié)點的能量會輕易的迅速消耗。在實踐中此類傳感器也很難得到應(yīng)用。第一多跳傳輸模型的模式類似于ad-hoc網(wǎng)絡(luò)模型。每個節(jié)點不處理數(shù)據(jù)本身，而是調(diào)整傳輸功率，并將測量數(shù)據(jù)發(fā)送至Sink節(jié)點，從而方便在好幾次的低功率跳躍之后能夠集中處理。多跳式傳輸模型加大了直接傳輸途徑的缺陷，讓能量可以更加高效的使用，是傳感器網(wǎng)絡(luò)中從而作為在傳感器網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中所大范圍采用的前提。

在大多數(shù)的無線傳感器的網(wǎng)絡(luò)，即(WSN)之中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)融合技術(shù)因為各個傳感器在可靠性與監(jiān)控范圍都受限制，固在安放傳感器的節(jié)點位置時，傳感器節(jié)點的監(jiān)控范圍偶爾會并列來使整個網(wǎng)絡(luò)增強收集信息的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性。而后，通過無線傳感器的網(wǎng)絡(luò)傳數(shù)據(jù)將會在空間上也生成聯(lián)系，即距離比較近的節(jié)點所發(fā)送的數(shù)據(jù)中會有冗余信息。而在傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸當(dāng)中，節(jié)點與節(jié)點間的傳輸中包含大量的所有冗余信息傳感信息，即，用于不必要的數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇罅磕芰俊Ｔ趥鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸所產(chǎn)生的能耗大大高于數(shù)據(jù)處理。固在大范疇的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，就需要將感測數(shù)據(jù)在每個節(jié)點中發(fā)送到具有多跳的Sink節(jié)點之前集成數(shù)據(jù)，并且出現(xiàn)了數(shù)據(jù)融合技術(shù)。

為改善集群模型中的熱點問題而生成的LEACH算法，Rabiner Wendi Heinzelman等人提出通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)之中聚類的概念，不同層次劃分網(wǎng)絡(luò)放入LEACH算法：定期隨機進行選舉，以某種方法將消息廣播到無線通道的簇頭，節(jié)點剩余的部分將與信號最強的簇頭連接，以此來構(gòu)成不同的簇。上層骨干網(wǎng)絡(luò)將有簇頭與簇頭連接而成，并且通過骨干網(wǎng)絡(luò)將所有的集群之間的通信轉(zhuǎn)發(fā)。數(shù)據(jù)再被集群之中的成員發(fā)送至集群頭節(jié)點，集群頭節(jié)點將數(shù)據(jù)發(fā)送到下一級的集群頭節(jié)點，直到匯聚節(jié)點。此方法減少了不重要的一些鏈路，將節(jié)點傳輸功率大大減小，將節(jié)點之間的干擾大大削弱，使網(wǎng)絡(luò)能耗的平衡得到了保持，讓網(wǎng)絡(luò)的使用壽命得到延長。

分布式數(shù)據(jù)融合算法可以將傳統(tǒng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)拓撲等同于圖像，從而將分布式數(shù)據(jù)融合技術(shù)應(yīng)用在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)獲得將小波變換。于此領(lǐng)域已取得了一系列連續(xù)性的成果，以下將對這些成果進行說明。首先研究分布式實現(xiàn)小波變換的是Servetto，并利用它來解決無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中廣播的問題。同時期在南加州大學(xué) Ciancio也對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進一步研究并且將分布式數(shù)據(jù)融合算法導(dǎo)進仿射變換并且，提出了數(shù)據(jù)融合算法（DWT_RE），基于仿射的分布式小波。此算法在網(wǎng)絡(luò)中的傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和節(jié)點加以運用。它呈現(xiàn)規(guī)律地分布，且各個節(jié)點只與相鄰?fù)ㄐ挪⑶矣嬎恪７植际接嬎悖款i簇頭的節(jié)點與節(jié)點的能量平均于全網(wǎng)，大大體現(xiàn)節(jié)能的作用，使整個網(wǎng)絡(luò)的壽命得以延長。

5 結(jié)語

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，必須確保數(shù)據(jù)的高安全性，并保證能量消耗開銷不過大。將傳統(tǒng)安全數(shù)據(jù)融合技術(shù)上多多研究，但安全性與能耗兩者間還需要相互平衡。并且讓無線傳感器的整體網(wǎng)絡(luò)與實際應(yīng)用相互結(jié)合。在數(shù)據(jù)的安全保護與信任機制這兩方面的數(shù)據(jù)融合方案研究花費時間較少，且與多學(xué)科掛鉤，在世界上也還在起步階段。