[发明专利]一种基于渗流理论的无线多跳网络自私节点检测方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于渗流理论的无线多跳网络自私节点检测方法，属于无线网络安全技术领域。

背景技术

随着世界各国对无线多跳网络研究的日益重视，无线多跳网络的理论研究和技术应用取得了显著的进步，广泛应用到工业控制、环境观测、生态安全、数字生活、交通监控等众多领域。作为一种典型的无线多跳网络，无线传感器网络是新兴蓬勃发展的物联网的核心技术，势将在国民生活和军事应用中发挥更加重要的作用。

无线多跳网络不依赖于固定的基础设施，而是通过中继节点间相互协作保持网络互联，将数据信息传送给目的节点。为了实现无线多跳网络的可靠数据传输，必须保证网络的全连通性，即保证所有的工作节点之间能够互相通信。由于无线多跳网络中节点的无线通信范围是有限的，节点只有通过互相协作才能把数据包传送到目的地，而且部分节点的能量是有限的，这样导致并不是所有网络节点都愿意参与协作来帮助其它节点来传送数据，所以网络节点就会出现拒绝缺乏协作的节点，称为自私节点。大量研究表明，如果在网络中出现很小一部分自私节点，那么整个网络的吞吐性能严重下降，甚至可能导致网络瘫痪，从而网络通信中断。所以如何及时检测出自私节点，保护无线多跳网络的安全，提高网络的安全防御性能，成为无线多跳网络研究中的一个非常重要的方向。

针对无线多跳网络中自私节点检测问题，国内外学者进行了大量的研究。传统的检测技术基于数据挖掘、机器学习、移动代理以及模糊评判等。虽然这些方法检测性能较好，但存在占用系统资源多、系统能量消耗大的缺点。考虑到部分网络节点需由能量有限的电池供电，所以这些方法很难直接适用于无线多跳网络自私节点检测。Afran于2007年提出了一种基于入侵检测系统的自私节点检测模型，通过入侵检测系统来监测网络各节点的行为，从而预防无线传感器网络中节点的自私行为出现，但是该系统只考虑自私节点单方面不协作行为，从而检测效果不理想。利用博弈论原理建立数学模型，可以检测无线传感器网络中的自私节点，但这类方法只针对自私节点，没有考虑节点之间还有协作行为，与无线传感器网络实际行为不相符，因此，有时会漏报和误报自私节点，从而导致检测的正确率比较低。由于网络中的自私节点可能会丢弃分组，那么网络流量会受到影响。流量检测方法是通过对网络模型的研究，推导出在节点自私程度不同的条件下节点产生的流量以及节点的转发流量的数学表达式，分析节点自私性对网络流量的影响。同时，现有自私节点检测机制无法对自私节点和失效节点进行准确区分，且自私节点误检率高，因此有必要提出一种高精确度自私节点检测机制，基于无线多跳网络中节点分布密集的特点，选择可疑的邻近节点作为检测对象进行检测，在提高检测精度的同时对网络中的失效节点和自私节点进行准确区分。

由于无线多跳网络的开放性，网络中节点的状态和节点之间的信任关系是不断变化的，因此如何动态的确定网络中的自私节点对于提升网络的监测能力具有很重要的意义。研究表明，渗流理论（Percolation theory）是揭示状态突变和临界现象的一种简单的概率模型，它揭示了概率论与网络拓扑结构的内在关系。状态突变是一种系统状态突然发生变化的现象，即由于系统中某个特定的参数发生了小的变化，而导致系统的全局状态发生巨大的变化。当这种状态突变发生时，即称为发生了渗流。这种状态突变的现象在网络节点数量增加的时候更加明显。对这种现象的研究有助于我们更好的设计无线多跳网络。从数学的角度来看，渗流理论通常关注的网络拓扑即为网格模型拓扑结构，同时它揭示了概率论和图论拓扑结构的内在关系。其考虑的随机几何结构和无线多跳网络的拓扑结构非常相似，是研究无线多跳网络连通问题的有力工具。

渗流理论属于新兴领域，而国内的相关研究较少。渗流理论最早被应用在数学领域，后来因其模型与Ad Hoc网络模型相吻合，渗流理论主要用于分析Ad Hoc网络的连通性，在改进Ad Hoc网络的基于概率的广播算法中有突出作用，但是渗流理论还没有被应用在自私节点检测当中。如果能够得到渗流现象发生的精确临界阈值，则可以通过网络连通性进行准确的自私节点检测，从根本上降低网络干扰，提高网络的吞吐量，节约节点资源，延长网络的生命周期，全面提高网络性能。

通常，无线多跳网络中为了检测自私节点会在每个节点处安装特定的安全模块或者算法，这对于能量有限的网络节点来说是极大的消耗。考虑到渗流理论可以解决无线多跳网络的连通性问题，利用渗流理论确定网络中的自私节点，避免网络的自私性攻击，并且将检测集中在少数节点，这对于大规模的无线多跳网络是十分必要的，目前尚且没有利用渗流理论确定无线多跳网络自私节点的方法。

发明内容