基于無線傳感器網絡的一種綜合信任評估管理機制

丁姝郁 岳明宏

【摘?要】無線傳感器網絡由于其特有的結構特點和工作原理，采用傳統的安全技術機制難以抵御節點被俘獲所引起的內部攻擊。基于信任評估管理的安全機制由于復雜度低、能量節約從而更適合無線傳感器網絡的安全需求。本文考慮信任評估的模糊性和不確定性，提出了多因素綜合信任評估模型，在分析網絡安全需求、網絡主要任務及安全與能耗之間的矛盾等影響因素前提下，以推薦信任、直接信任、社會全局信任計算節點綜合信任值，并設立自適應權重值，解決網絡初期信任值難以準確建立的困境。此外，信任評估模型中考慮信任時效性和信任等特點，引入馬爾科夫鏈考慮時間衰減對信任值的影響，通過懲罰因子符合信任值建立時“慢升快降”的信任邏輯，提高準確性和攻擊行為。

【關鍵詞】無線傳感器網絡;網絡安全;信任評估

引言

無線傳感器網絡是由大量傳感器節點組成的一種分布式自組織網絡，組網靈活、可大規模部署。但由于其網絡拓撲自配置等特點，使得根據安全需求保障網絡安全是無線傳感器網絡得以不斷發展的必要條件。隨著網絡的發展和應用，網絡數據安全將直接影響網絡是否正常運行和網絡性能。影響網絡數據安全的因素主要有網絡外部攻擊和網絡內部攻擊，前者一般采取計算度較大、復雜度較高的加密措施，而后者更難以防御且危害性更大。

信任管理作為對傳統加密安全措施的有效補充，能夠及時識別被俘獲節點，有針對性地采取相應措施以減小系統損失。然而，由于無線傳感器網絡的網絡特性，要求信任管理機制在保障安全性的前提下，必須要同時滿足評估機制復雜度低、時延小等特征，因此傳統的信任管理機制并不能直接用于無線傳感器網絡。

現有的一些信任評估方法對新加入節點的信任評估無法準確進行;且評估多來自于單一用戶的認知，沒有考慮數據相關性、拓撲位置中心性等因素具有局限性和主觀性;數據通信交易可能存在不完整性，從而造成間接信任不準確。此外，大部分信任評估雖由直接信任和間接信任構成，但考慮影響因子不夠全面，不符合網絡數據交易特性，給信任評估帶來了較大的偏差。本文在介紹信任管理基本概念的基礎上，提出一種考慮了時間衰減的綜合信任評估模型，從而更符合網絡實際情況，對網絡內節點形成綜合信任值、預測實體未來行為、完成安全策略選擇等。

1 信任管理基本概念

信任是主觀實體對客觀實體的一種依賴度和評價值，信任值的高低取決于客體歷史行為表現。信任具有不對稱性、可度量性、動態性等特征，當信任主體的信任往往會產生信任偏差，需要參考第三方實體的信譽推薦。

信任評估通常由與客體直接通信行為記錄得出的直接信任和根據第三方推薦而得出的對客體的間接信任組成。

定義1.1?直接信任：直接信任是節點之間進行了多次歷史交互，根據此直接的交互獲得直接信任值。節點之間進行的交易次數越多，兩節點之間的直接信任值越準確，但隨著時間的推移，時間越遠的直接信任值參考價值越低，離信任評估時點越近的信任值參考價值越高，這就是信任值的時間衰減特性。

定義1.2 間接信任：主體節點參考與被評估有過交易的節點的直接信任值，獲取推薦信任值。此信任值在網絡運行之初，節點之間沒有直接交互、交互次數很少的情況下，為主體節點提供較大的幫助。

2 綜合信任評估管理機制

本文所設計的綜合信任評估管理機制將動態模型和靜態模型相結合，提高信任評估準確性、與時間的相關性，以實現對網絡內節點的信任評估有效管理。該機制提供了一種節點的信任評估計算模型，該模型中對節點信任的評估分為推薦信任、直接信任、社會全局信任。

圖1為本文所設計的信任模型示意圖。節點B通過相似聚類，歸屬于G聚類中，從而A對B的推薦信任來自于A對G聚類區域的信任以及聚類區域對B的信任總和RTrust，A對B的直接信任DTrust則由A與B之間直接進行數據交互得到。

節點B由于其位置中心性較強，聚類區域G和聚類區域K節點之間的數據交互均會通過節點B進行轉發，因此其對數據交互起到了控制作用，這樣的節點地位高、社會信譽好，更容易受到信任，因此將節點B的節點中心性作為其社會全局信任度，這樣能夠在節點新加入網絡就能夠很好做到信任評估。

推薦信任由與興趣相似、傳輸數據類型相近的節點所在聚類區域節點提供，且應當為數據交互次數超過一定數值以后才能進行推薦評估，否則評估準確性會受到影響;由于推薦評估存在主觀性，因此在給出評價過程中，評估偏離程度過高的評價將會被去除。

節點A對節點B進行信任評估首先根據節點B與其相似節點進行聚類，本發明采用皮爾森系數進行計算節點相似度的體現，且根據評估類別的不同對不同屬性賦予相應的權重值。

表示一個節點在k屬性上對應的屬性值，表示兩個節點在屬性上對應的屬性值的均值，表示節點k屬性所對應的權重，可以根據評估側重點不同進行屬性權重的調整。

聚類以后，A對B的信任評估則演化成A對B所在聚類的信任值、聚類對B的信任值。其中，A對B所在聚類的信任值取決于A與B所在聚類中節點數據交互的個數，交互個數越多信任度越高。

節點A對聚類G的信任值如下：

式中表示聚類G與節點A有過直接數據交互的節點集合，表示A對聚類有過直接數據交互的節點i的信任值，n為聚類G中與節點A有過直接數據交互的節點個數，表示聚類G中與A有過直接數據交互節點數量對直接信任度的影響。

B所在聚類對其的信任值計算：

B所在聚類對其信任度計算中，對超過聚類中節點信任平均值最高和最低10%的信任值進行刪除以后再進行計算。其中，表示聚類G對其中的節點B的信任評估，V（G）表示聚類G中除給出的信任值超過聚類中節點信任平均值最高和最低10%節點以外的所有節點集合，表示節點j對節點B的直接信任度。

因此得到推薦信任度計算公式如下：

社會全局信任取決于節點在網絡運行中所在地理位置中心性等，中心性越高則越能夠獲得更高信任。網絡中有一類節點起著傳輸兩個區域數據橋梁的作用，這部分結點位置重要因此更容易被信任，本發明采用該類節點中心性系數作為社會全局信任值，特別能體現新加入網絡節點在起初信任值建立時的準確性。社會全局信任值計算如下：

其中，表示節點B的社會全局信任，反應了節點在網絡拓撲位置的中心性。代表節點B的“度”，V（B）代表節點B直接交互數據的節點集合。

直接信任是由節點之間進行數據交互而直接產生的信任評估，時間越近的數據交互評估參考價值越高，數據交互中數據的重要程度能夠更好體現評估值，為了能夠更好累積信任體現信任建立難消失容易特性，計算模型中加入慢升快降的“懲罰因子”。假定節點A與節點B共計進行了K次數據交互，并引入懲罰因子，則A對B的直接信任度計算如下：

代表第k次交易的交互行為重要性（權重）為，評價值為，稱為衰減函數，使得越近的交易對信任值的評估意義越有參考價值。其中，懲罰因子如下：

上式中為正激勵因子，定義如下：

表示第k次數據交互A對B的信任評價，假定有1，2，3，4，5五個級別的信任等級。為數據交互成功的激勵參數，為數據交互失敗的懲罰參數，為了達到信任增加的慢、下降的快的效果，。

最終節點A對節點B的綜合信任評估值為：

其中，。在節點為新加入網絡時，可以調高權重參數和，強調靜態信任評估，隨著網絡的運行和節點之間數據交互的增加，可逐漸加大動態交互信任值的權重值。

3 綜合信任評估管理機制技術效果

在網絡數據安全防護中，采用本文設計的綜合信任評估模型可以提高對節點的信任評估準確性，例如對新加入網絡的節點，在初始狀態與其他節點交互次數不多的情況下，采用評估模型中全局信任權重增加的方法，有效解決評估過程中“冷啟動”問題。相比現有的信任評估模型，本文所設計的模型能為網絡數據安全機制和信任評估管理提供了更好地計算便利，也使得復雜度和準確性性能得到提升。

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（作者單位：1.成都工業學院;2.中國民用航空東北地區空中交通管理局黑龍江分局）