基于分布式信任管理的時延容忍網絡數據轉發方案

鄔 迎 高 靜

(鄭州經貿學院 河南 鄭州 451191)

0 引 言

時延容忍網絡(Delay Tolerant Network,DTN)能夠處理無線網絡中間歇性連接和長時延問題。DTN不同于傳統網絡，其主要采用存儲-轉發策略來克服缺乏端到端路徑問題[1]。DTN由資源受限的節點(比如緩存空間、節點功率等受限)組成，并且通過節點移動，縮短了節點的連通時間。DTN廣泛應用于水下網絡、車聯網、軍事應用和災難救援等多個領域[2-3]，這些應用均要求DTN能有效地傳遞數據。雖然國內外研究人員對DTN路由有著廣泛關注[4-5]，但是對DTN路由的不正當行為關注度較低。例如，自私或惡意節點故意將需要轉發的數據包進行丟棄，這些自私或惡意行為誘導了路由的不正當行為。雖然針對移動自組織網絡和無線傳感網絡內的路由不正當行為有多種不同方案，但這方案并不適合DTN[6]。針對DTN路由不正當行為的研究表明，惡意節點降低了消息傳遞成功率。但已有一些檢測惡意行為方案是基于節點轉發事實，不能有效地濾出惡意節點不誠實的推薦。例如，文獻[7]雖然通過自信因子計算間接信任產生了較高的推薦信任值，但該方案不能防御共謀攻擊，而且僅依據轉發行為評估節點信任值，有可能產生不準確的信任估計。DTN也采用基于相遇路由(Encounter-Based Routing,EBR)的數據轉發方案，但EBR不能防御共謀攻擊[8]。文獻[9]采用信任管理機制解決自私行為和共謀攻擊，但該方案不能有效解決路由的不正當行為。因此，本文提出一種基于分布式信任管理的時延容忍網絡數據轉發方案(Distributed Trust Management-based Data Forwarding scheme in delay tolerant network,DTMDF)。本文方案采用分布式信任管理估計節點的直接信任和間接信任，并依據節點信任值選擇數據轉發節點。仿真結果表明，本文方案能夠提高數據包傳遞率并降低傳輸時延。

1 方案設計

DTMDF方案的主要目的是在緊急通信網絡中，確認消息能夠有效地傳輸至目的節點。假定節點a與節點b相遇，且節點a需向目的節點b傳輸消息。首先，節點a需要先獲取鄰居節點的信任值，并計算鄰居節點b的信任值，然后再從鄰居節點中選擇信任值最高的節點作為轉發節點。DTMDF方案用相遇記錄(Encounter Record,ER)來估計節點信任值。假設節點a與節點b相遇，則節點a對節點b的ER可表示為：

(1)

DTMDF方案中，節點的信任值由總體直接信任和來自ER的推薦信任兩部分組成，并且用統計模型Beta分布來表述信任關系。其中:總體直接信任值包括直接信任(節點之間通過直接接觸觀察所得信任值)和能量信任(直接接觸的節點之間通過能耗來評估節點的信任值)；推薦信任包括間接信任(通過與兩個節點均有接觸的單個鄰居節點對于目標節點的推薦來獲取目標節點的信任值)和推薦信譽值(通過與兩個節點均有接觸的多個共同鄰居節點的信譽推薦來計算目標節點的信任值以避免共謀攻擊)。在Beta分布模型中引入兩個參數α和β表示期望概率，利用伽馬函數Γ表示Beta分布。當某一節點與其鄰居節點接觸后，則可依據ER計算Beta分布。其中Beta分布及其期望概率值如下：

(2)

式中：0≤p≤1;α≥0;β≥0。

1.1 總體直接信任值

(1) 直接信任。利用節點a和節點b的ERab來表述它們之間的直接信任關系。其中：令αab表示節點a對節點b的積極觀察；βab表示節點a對節點b的消極觀察。如果節點a對節點b沒有接觸歷史，則將節點a對節點b的初始信任值設為0.5。令s和f分別表示節點a與節點b間接觸的積極接觸和消極接觸的累加證據，則αab和βab可表示為：

(3)

節點a和節點b來自ERab的直接信任關系為：

(4)

由于節點移動需要動態更新ER表，因此所給DTMDF方案引入因子λ來減少歷史觀察對節點a和節點b的影響，λ的主要作用是使時間越早的接觸對于直接信任的影響越小。如果節點a在ERab內觀察到一個額外事件，那么就對s和f進行更新：

(5)

式中：0≤λ≤1;sold表示節點a對節點b的歷史積極觀察;fold表示節點a對節點b的歷史消極觀察;snew表示節點a對節點b新的積極觀察;fnew表示節點a對節點b新的消極觀察。

如果節點a與節點b無新的接觸，則根據式(6)更新：

(6)

(2) 能量信任。現有的信任管理并沒有考慮能量信任，能量消耗是網絡資源受限的關鍵因子。惡意節點可以資源耗盡攻擊向鄰居節點泛洪消息，達到消耗相遇節點能量的目的。而自私節點由于不轉發數據包則會降低能量消耗，因此，DTMDF方案將能量作為一個因子來評估節點的行為，通過能量預測模型來評估節點的可靠性。DTMDF方案采用文獻[10]給出的DTN能量消耗模型。節點剩余能量ER等于初始能量EI減去消耗的能量EC，如下：

(7)

式中：Es表示掃描(監聽)數據消耗的能量；Et表示傳輸數據消耗的能量；Er表示接收數據消耗的能量。通過歸一化處理使EC滿足EC∈[0,1]，則可得能量信任值TE如下：

TE=1-EC

(8)

(9)

1.2 推薦信任

稀疏連接是DTN的重要特性，由于缺乏端到端的連接，DTN采用存儲-轉發消息的方式，即將一條消息通過中間節點轉發到達目的節點。節點可通過其鄰居節點獲取推薦信任，進而評估相遇節點的信任值。

(1) 間接信任。假定節點a和節點c有過歷史接觸，即節點a具有ERac。而節點a沒有與節點b接觸過，但是節點c與節點b有過接觸，如圖1所示。

圖1 直接和間接信任

(10)

(2) 推薦信譽值。由于來自單個鄰居節點的推薦信任可能存在與惡意節點或自私節點形成共謀攻擊，所以在計算間接信任時引入推薦信譽值，其目的是消除錯誤推薦，主要通過評估節點和被評估節點的共同鄰居來計算推薦信譽值[11]，如圖2所示。

圖2 推薦信任示意圖

假設節點a和節點b有共同鄰居節點c1,c2,…,cn。通過對所有鄰居節點的推薦進行濾除，對于沒有推薦歷史的推薦節點，其初始推薦信任值為0.5。對于有推薦歷史的推薦節點，首先計算該推薦節點對被推薦節點的推薦信譽值，然后根據推薦節點對被推薦節點的推薦值和推薦信譽值，即可求得該推薦節點的最新推薦值。假設推薦節點c2有過推薦歷史，其余節點均無推薦歷史，則推薦節點c2對節點b的推薦信譽值為：

(11)

最后，可計算對節點b的推薦信任值：

(12)

1.3 節點總信任值計算及更新

(13)

由于DTN網絡連接頻繁中斷，需周期性地更新節點的信任值，但是如果更新太過頻繁，將會導致過高的能量消耗。可以采用信任記錄窗口來更新節點總體的信任值，但同時應注意，如果信任記錄窗口太長，容易形成共謀攻擊。信任記錄窗口由多個時隙組成，ts表示時隙個數。節點a在時隙i評估節點b的信任值可表示為Tab(i)，其中i=1,2,…,ts。在下一個信任記錄窗口更新信任值如下：

Tab(i+1)new=Tab(i)ωab(i)+Tab(i+1)ωab(i+1)

(14)

式中：ωab(i)+ωab(i+1)=1，ωab(i)表示之前信任值的權重因子，ωab(i+1)表示當前信任值的權重因子。

2 性能分析

為更好地分析DTMDF方案性能，選擇機會網絡環境仿真軟件(Opportunistic Network Environment,ONE)[11]和PDM災后移動模型[12]。其中機會網絡環境仿真軟件ONE主要是針對DTN網絡環境(不需要源節點與目的節點之間存在完整鏈路，主要利用節點移動帶來的相遇機會實現網絡通信)設計的仿真軟件。相對于針對傳統移動自組織網絡MANET(需要預先建立完整的端到端通信鏈路，節點對之間存在至少一條完整的通信鏈路)設計的NS2和OMNET++仿真軟件。ONE不只是關注路由模擬，其在單個框架內具有模擬分析多種DTN協議的能力，通過將移動模型、DTN路由、可視化圖形界面整合為一體，使之容易擴展且能提供大量結果報告和分析模型。移動模型是指節點在仿真過程中的移動方式，ONE最初提供了RWP、MBM、ShortestPath-MBM、MapRouteMovement和ExternaMovement五種移動模型。PDM災后移動模型是由ShortestPath-MBM移動模型擴展而來，該移動模型中只有一名救援人員在一個社區中心和其鄰近節點之間巡邏，警察巡邏車從其基地出發巡邏，并在返回基地前隨機拜訪一個鄰近節點。

仿真場景設置主要有：5個鄰居節點、4個中心、10個救援-疏散營、100個救援工作人員、10輛供給車、10輛緊急車輛、10艘公安巡邏艇，仿真時間48 h，仿真場景大小4 500 m×3 400 m。場景中行人移動速度為0.5～1.5 km/h，車輛移動速度為2.7～13.9 km/h。在場景中有100位行人，50輛車，每隔10分鐘產生一條消息。消息大小為50～5 MB。下面給出DTMDF方案與RBTM[13]、CWS[14]和SPRAY[15]在數據包傳遞率、開銷、時延的性能比較。其中：RBTM方案采用貝葉斯濾波摒除不真實的推薦值；CWS方案采用信譽模型并依據轉發行為對節點分類；SPRAY方案通過發送大量副本然后直到其中一個節點到達目的地。

2.1 數據包傳遞率

圖3為DTMDF方案與RBTM、CWS和SPRAY的數據包傳遞率隨惡意節點百分比的變化情況，其中數據包傳遞率等于已成功傳輸的消息數與總傳輸消息數之比。可以看出，4種方案的數據包傳遞率均隨惡意節點百分比的增加而降低。這是由于惡意節點丟棄數據包導致數據包傳遞率降低，而惡意節點的百分比越高，所丟棄的數據包數也越多。相比于DTMDF方案和CWS方案，SPRAY方案和RBTM方案隨惡意節點數的增加而下降得更快。這是由于SPRAY方案未能采用機制消除惡意節點，RBTM方案通過Beta分布和自信因子估計直接信任和間接信任，但RBTM方案是針對MANET設計的，與CWS方案和DTMDF方案相比，RBTM方案的數據包傳遞率隨惡意節點的百分比增加而下降得更快。與CWS方案相比，即使存在50%的惡意節點，DTMDF方案仍然具有更高的數據包傳遞率。這是由于DTMDF方案通過推薦信任檢測惡意節點，并利用推薦信譽對推薦信任進行評估，而RBTM方案和CWS方案僅通過轉發證據檢測惡意節點。

圖3 數據包傳遞率

2.2 開銷分析

圖4為DTMDF方案與RBTM、CWS和SPRAY的開銷隨惡意節點百分比的變化情況，其中開銷反映了傳輸消息成本。可以看出，4種方案的開銷均隨惡意節點數的增加而下降，這主要是由于隨著惡意節點數量的增多導致丟失的消息數量也越多，而開銷率是依據已成功傳輸至目的節點的消息數進行計算，傳送的消息中隨著惡意節點數量增多，只有很少一部分到達目的地。與RBTM方案、CWS方案和SPRAY方案相比，所給DTMDF方案具有更低的開銷，這主要是由于CWS方案和SPRAY方案沒有解決信任更新問題，而RBTM方案花費了太多時間計算信任值。

圖4 開銷分析

2.3 時延分析

圖5為DTMDF方案與RBTM、CWS和SPRAY的時延隨惡意節點百分比的變化情況，其中時延是指一條消息從源節點傳輸至目的節點的平均時間。可以看出，4種方案的時延均隨惡意節點的增加而下降。這主要是由于網絡內惡意節點越多，將消息傳輸至目的節點的時間就越長，而且需長時延傳輸的消息很可能被丟棄，但被丟棄的消息并不在計算消息時延的范圍內。與RBTM方案、CWS方案和SPRAY方案相比，DTMDF方案的時延非常小，說明DTMDF方案能有效控制時延，其時延主要來自于重傳和消息隊列。這主要是由于CWS方案和SPRAY方案沒有解決信任更新問題，出現新的惡意節點時將會導致原轉發路徑無法到達目的地，需要重新選擇路徑導致時延有較大增加，而RBTM方案每次轉發消息都需要重新計算信任值，導致時延大幅增加。

圖5 時延分析

3 結 語

在時延容忍網絡中，惡意或自私節點丟棄或不轉發消息的行為將嚴重影響網絡性能，其中信任模型是消除時延容忍網絡路由不正當行為的重要手段。大多數惡意或自私節點是通過丟棄數據或不轉發數據，表現出路由的不正當行為，而通過有效的檢測機制能夠消除時延容忍網絡路由的不正當行為。本文提出一種基于分布式信任管理的時延容忍網絡數據轉發方案。首先融合節點的轉發行為以及它們的能量消耗信息計算出直接信任，再通過鄰居節點推薦的信息融合間接信任和推薦信譽計算出推薦信任，然后融合直接信任和推薦信任得到節點總體信任，最后根據所計算的信任值轉發數據。仿真結果表明：本文方案能有效消除時延容忍網絡路由的不正當行為，在數據包傳遞率、開銷和時延等性能方面均優于RBTM、CWS和SPRAY方案。下一步的主要研究方向是利用時延容忍網絡網關減少直接信任和間接信任計算階段的能量消耗。