博弈論在無線傳感器網(wǎng)絡安全中的應用研究.pdf

1、無線傳感器網(wǎng)絡（Wireless Sensor Networks）是由一組具有無線收發(fā)功能的傳感器，以多跳自組織方式連接而成的無線網(wǎng)絡，其目的是通過協(xié)作的方式感知、采集、處理和傳輸網(wǎng)絡覆蓋地理區(qū)域內(nèi)被感知對象的信息，并將處理結(jié)果傳遞給觀察者。當前，無線傳感器網(wǎng)絡在環(huán)境監(jiān)測、災害預警、醫(yī)療監(jiān)控以及農(nóng)業(yè)自動化等領(lǐng)域具有十分廣闊的應用前景。
　　無線傳感器網(wǎng)絡具有開放性的部署環(huán)境、有限的節(jié)點能量、有限的傳輸距離、動態(tài)的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)、自組

2、織網(wǎng)絡等特點，使得數(shù)據(jù)在產(chǎn)生和傳輸過程中，很容易被竊聽、偽造、攔截、篡改，甚至節(jié)點本身被俘獲或破解。動態(tài)變化的路由拓撲結(jié)構(gòu)，使得一般入侵檢測系統(tǒng)很難識別出是系統(tǒng)節(jié)點暫時性故障，還是真正的入侵。由于傳感器節(jié)點能量有限，WSNs更易受到資源消耗型攻擊。因此無線傳感器網(wǎng)絡需要有效的安全機制來預防和阻止各種網(wǎng)絡攻擊，保證數(shù)據(jù)的機密性、完整性和可用性。因此，安全問題成為制約無線傳感器網(wǎng)絡應用的重大障礙。
　　在無線傳感器網(wǎng)絡中，攻擊者的意圖

3、是破壞安全系統(tǒng)并給網(wǎng)絡帶來損失；防御者的目的是采取合適的措施來增加系統(tǒng)的安全性。由于網(wǎng)絡的攻防雙方的目標對立性、策略依存性和關(guān)系非合作性等特征，傳感器網(wǎng)絡的安全可以看成是網(wǎng)絡攻擊者（惡意節(jié)點）與網(wǎng)絡管理者之間的策略博弈。博弈論是研究兩個或多個參與者謀略和決策問題的理論，為多方?jīng)Q策提供了豐富的數(shù)學工具以及模型，分析攻擊者與防守者之間的各種機制和策略，尋找均衡策略，使得雙方策略最優(yōu)。因此，博弈論為研究無線傳感器網(wǎng)絡安全問題提供了可行的新思路

4、，主要是通過調(diào)整攻防雙方的策略成本，使網(wǎng)絡管理者獲得最大收益的同時，使得攻擊者獲得最小攻擊效果，從而達到維護系統(tǒng)安全的目的。
　　本文主要研究了無線傳感器網(wǎng)絡安全中的信任機制、入侵檢測等重要研究領(lǐng)域，利用博弈論方法解決傳感器節(jié)點的信任決策問題，動態(tài)演化過程中信任策略調(diào)整問題，何時開啟入侵檢測系統(tǒng)，以及如何根據(jù)攻擊等級選擇相應級別的防御策略等關(guān)鍵問題。
　?。?）利用演化博弈論研究無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點信任決策問題
　　利用

5、演化博弈論，建立傳感器節(jié)點的信任決策機制，是一種適用于無線傳感器網(wǎng)絡的主動防御安全機制。信任機制是計算各傳感器節(jié)點的信任值，并根據(jù)信任值高低進行各節(jié)點之間的合作，從而減少惡意節(jié)點攻擊的風險。在節(jié)點交互的過程中，信任建立需要收集和存儲節(jié)點的行為證據(jù)，根據(jù)行為證據(jù)計算相應節(jié)點的信任度，傳感器節(jié)點將根據(jù)節(jié)點信任度進行信任決策，決定是否與哪些節(jié)點進行合作，使得惡意的傳感器節(jié)點在入侵時得不到合作，從而減少惡意節(jié)點的欺騙行為，保障網(wǎng)絡的正常通信。因

6、此，研究WSNs信任決策和信任演化動力學過程對保障WSNs安全和穩(wěn)定具有重要意義。
　　本部分主要研究成果如下：
　　1）通過數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)率，測算各節(jié)點的信任度，建立傳感器節(jié)點信任決策的博弈模型，該模型能反應傳感器節(jié)點決策時的收益情況。
　　2）在節(jié)點的信任決策博弈模型中引入信任激勵機制，以促進更多的傳感器節(jié)點進行合作。
　　3）通過動力學分析，證明了節(jié)點的信任決策博弈演化穩(wěn)定性定理，該定理給出了系統(tǒng)演化達到穩(wěn)定狀

7、態(tài)的條件。
　　4）通過實驗分析和驗證了演化穩(wěn)定性定理的正確性和有效性，以及提高節(jié)點信任度和信任激勵，使得系統(tǒng)能更快地達到穩(wěn)定狀態(tài)。
　?。?）基于演化博弈的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的信任策略調(diào)整研究
　　在上一章研究的基礎上，考慮實際網(wǎng)絡運行中的丟包重發(fā)現(xiàn)象，以及利用演化博弈論，研究信任策略博弈模型。在演化過程中，個體節(jié)點選擇策略時對其收益進行反思，并以一定概率轉(zhuǎn)換為具有較高收益的對手策略，該信任策略調(diào)整機制能使系統(tǒng)總體較

8、快地達到一個博弈均衡狀態(tài)。因此，研究WSNs的節(jié)點信任策略調(diào)整機制，以及節(jié)點信任決策十分重要。
　　本部分主要研究成果如下：
　　1）考慮了傳感器節(jié)點丟包重發(fā)，建立了WSNs信任策略博弈模型，并引入了信任激勵機制，促進更多的節(jié)點選擇信任策略。
　　2）充分考慮個體節(jié)點策略選擇過程，提出了一種基于信任策略調(diào)整的動態(tài)演化方法，并通過理論分析證明和仿真實驗驗證了 WSNs信任策略博弈演化達到穩(wěn)定狀態(tài)的定理和推論。
　　

9、3）理論分析證明和仿真實驗驗證了在某些條件下，提出的基于策略調(diào)整的動態(tài)演化方法達到演化穩(wěn)定狀態(tài)的速度比通常的復制子動態(tài)方法較快。
　　（3）基于貝葉斯博弈的WSNs的兩級動態(tài)防御模型研究
　　入侵檢測系統(tǒng)（簡稱“IDS”）是一種對網(wǎng)絡傳輸進行即時監(jiān)視，在發(fā)現(xiàn)可疑傳輸時采取主動反應措施的安全防護技術(shù)，能有效地檢測和防御網(wǎng)絡內(nèi)外的異常入侵。入侵檢測系統(tǒng)可以隔離惡意節(jié)點，減少惡意節(jié)點帶來的損失。由于傳感器節(jié)點資源有限，因此，何時開

10、啟入侵檢測系統(tǒng)的檢測策略，以及如何根據(jù)不同級別的攻擊，采取相應等級的防御策略，從而可以節(jié)省節(jié)點能量，這成為兩級防御安全模型在無線傳感器網(wǎng)絡中應用的關(guān)鍵。
　　本文的主要研究成果如下：
　　1）描述WSNs攻防的交互過程，構(gòu)建兩級攻防體系，并在該體系下建立兩級防御博弈模型；
　　2）根據(jù)貝葉斯博弈的方法，求解兩級防御博弈的純策略納什均衡和混合策略納什均衡，并解釋均衡在攻防過程中的現(xiàn)實意義；
　　3）根據(jù)求出的納什均