CN105873085B - 基于物理信道信息和信任度的无线传感器网络克隆节点识别方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于物理信道信息和信任度的无线传感器网络克隆节点识别方法，克服无线传感器网络的克隆节点集中式检测方案的单点失效问题，又不需要分布式检测方案中的见证节点，利用物理信道信息建立信任度，有一定的容忍度，在降低克隆节点识别复杂度的同时，还要降低虚警率，从而提高克隆节点识别的精确度。

Description

基于物理信道信息和信任度的无线传感器网络克隆节点识别 方法
技术领域
本发明涉及无线传感器网络的安全技术，特别是一种基于物理信道信息和信任度的无线传感器网络克隆节点识别方法。
背景技术
无线传感器网络是一种由大量带有无线通信模块的传感器节点组成，通过互相转发数据实现的多跳网络，该网络具有自组织、抗毁性强等特点，已经在军事和民用的多个领域得到了应用。由于无线传感器节点在开放的环境中进行无线通信，并且具有能量受限、计算能力有限、存储能力较低等特点，因此容易遭受恶意攻击。
无线传感器网络中存在克隆节点攻击等恶意节点攻击，从而导致DoS攻击或其他严重的安全问题。Parno等人首次在无线传感器网络中提出了克隆节点攻击问题，克隆节点攻击的原理是，攻击者俘获网络中的合法节点并获取其所有的合法信息，复制出若干具有相同ID和密钥信息的节点，并将这些克隆节点投放到网络中的不同位置发动攻击。由于克隆节点拥有与合法节点相同的ID和密钥信息等，所以传统的基于密码学的认证机制无法检测出克隆节点。如何快速、高效地检测到克隆节点并对其进行隔离，成为防治克隆节点攻击的关键。
现有的克隆节点检测方案分为集中式检测方案和分布式检测方案两种：
(1)集中式检测方案依靠基站、汇聚节点等中心节点来完成克隆节点的检测。其检测原理是，待测节点将包含其身份ID和位置信息的声明消息经过签名后发送给中心节点，中心节点验证签名后保存其ID和位置信息，当检测到两个不同的声明信息具有相同的ID而具有不同的位置信息时，表明发生了克隆节点攻击。其缺陷是存在单点失效问题，中心节点失效则会导致检测失败。
(2)分布式检测方案则不需要中心节点，待测节点将包含ID和位置信息的签名消息发送给见证节点，当见证节点检测到两个相同的ID对应不同的位置信息时，则检测到克隆节点攻击。根据见证节点是否预先选定，分布式检测又分为确定性检测和随机性检测两种。确定性检测通信开销较小，但同时由于攻击者知道预先设定的见证节点，可以通过攻击见证节点来保护克隆节点，从而降低了安全性。而随机性检测开销较大，见证节点无法预测，所以安全性较高。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于物理信道信息和信任度的无线传感器网络克隆节点识别方法，克服无线传感器网络的克隆节点集中式检测方案的单点失效问题，又不需要分布式检测方案中的见证节点，利用物理信道信息建立信任度，有一定的容忍度，在降低克隆节点识别复杂度的同时，还要降低虚警率，从而提高克隆节点识别的精确度。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：基于物理信道信息和信任度的无线传感器网络克隆节点识别方法，它包括如下步骤：
S1：节点i(i＝1,2,3,…)与节点j(j≠i,j＝1,2,3,…)进行上层基于密钥的初始认证，若认证通过，则进行通信，若认证失败，节点i抛弃节点j，并通报全网；
S2：节点i接收到节点j发送的第1个信息包，节点i计算并记录节点j的物理信道信息H0；
S3：在时隙k内，节点i接收到节点j发送的第t个信息包，t＝1,2,…，节点i记录第t个信息包的信道信息Ht，并计算信息包信任度存入信任度列表；
S4：判断时隙k是否结束，若结束，则节点i计算节点j在时隙k的节点信任度Sk(i,j)；若未结束，则重复S3；
S5：判断节点j在时隙k的节点信任度Sk(i,j)是否达到信任门限η，若达到，则重复S2-S4；若未达到，则判断节点j为克隆节点，抛弃节点j，并通报全网。
所述的信息包的格式为{ID，pilot，T，message}，其中，ID为节点j的身份ID，pilot为导频，T为时间戳，message为数据信息。
所述的信息包信任度的计算公式为
时隙k是否结束基于时间戳T进行判断。
所述的节点信任度Sk(i,j)的计算公式为
所述的判断节点j在时隙k的节点信任度Sk(i,j)是否达到信任门限η，首先建立假设检验模型，当Ht与H0相近时，为零假设H0，该假设说明节点i信任节点j，当Ht与H0不相近时，为备择假设H1，该假设说明节点i不信任节点j：
H0:Ht→H0
则有：
本发明的有益效果是：本发明的优点在于：
(1)克服了无线传感器网络的克隆节点集中式检测方案的单点失效问题；
(2)不需要分布式检测方案中的见证节点，攻击者无法知道见证节点，并且开销小；
(3)利用物理信道信息建立信任度列表，不需要对每一个信息包进行判断，在降低了系统复杂度和系统开销；
(4)利用节点信任度对节点进行判别，在少数数据包收到攻击时，系统具有一定的容忍度，降低了虚警率，提高了克隆节点识别的精确度。
附图说明
图1为克隆节点识别流程图；
图2为信任列表。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图1所示，基于物理信道信息和信任度的无线传感器网络克隆节点识别方法，它包括如下步骤：
S1：节点i(i＝1,2,3,…)与节点j(j≠i,j＝1,2,3,…)采用已有的任意上层认证的方法，例如基于PKI的认证方法，进行初始认证，若认证通过，则进行通信，若认证失败，节点i抛弃节点j，并通报全网；
S2：节点i接收到节点j发送的第1个信息包，信息包的格式为{ID，pilot，T，message}，其中，ID为节点j的身份ID，pilot为导频，T为时间戳，message为数据信息，节点i从pilot中采用任意的信道提取方法和插值方法，例如MMSE和线性插值，获得节点j的物理信道信息H0，将其作为初始信道信息，并记录下来；
S3：在时隙k内，节点i接收到节点j发送的第t个信息包，t＝1,2,…，节点i从pilot中提取并记录第t个信息包的信道信息Ht，并存入信任列表，如图2所示，同时计算信息包信任度存入信任度列表，信息包信任度的计算公式为
S4：根据时间戳T判断时隙k是否结束，若未结束，则重复S3；若结束，则节点i计算节点j在时隙k的节点信任度Sk(i,j)，节点信任度Sk(i,j)的计算公式为
S5：判断节点j在时隙k的节点信任度Sk(i,j)是否达到信任门限η，若达到，则重复S2-S4；若未达到，则判断节点j为克隆节点，抛弃节点j，并通报全网。
所述的判断节点j在时隙k的节点信任度Sk(i,j)是否达到信任门限η，首先建立假设检验模型，当Ht与H0相近时，为零假设H0，该假设说明节点i信任节点j，当Ht与H0不相近时，为备择假设H1，该假设说明节点i不信任节点j：
H0:Ht→H0
则有：

Claims (6)

1.基于物理信道信息和信任度的无线传感器网络克隆节点识别方法，其特征在于：它包括如下步骤：
S1：节点i(i＝1,2,3,…)与节点j(j≠i,j＝1,2,3,…)进行上层基于密钥的初始认证，若认证通过，则进行通信，若认证失败，节点i抛弃节点j，并通报全网；
S2：节点i接收到节点j发送的第1个信息包，节点i计算并记录节点j的物理信道信息H0；
S3：在时隙k内，节点i接收到节点j发送的第t个信息包，t＝1,2,…，节点i记录第t个信息包的信道信息Ht，并计算信息包信任度存入信任度列表；
S4：判断时隙k是否结束，若结束，则节点i计算节点j在时隙k的节点信任度Sk(i,j)；若未结束，则重复S3；
S5：判断节点j在时隙k的节点信任度Sk(i,j)是否达到信任门限η，若达到，则重复S2-S4；若未达到，则判断节点j为克隆节点，抛弃节点j，并通报全网。
2.根据权利要求1所述的基于物理信道信息和信任度的无线传感器网络克隆节点识别方法，其特征在于：所述的信息包的格式为{ID，pilot，T，message}，其中，ID为节点j的身份ID，pilot为导频，T为时间戳，message为数据信息。
3.根据权利要求1所述的基于物理信道信息和信任度的无线传感器网络克隆节点识别方法，其特征在于：所述的信息包信任度的计算公式为
4.根据权利要求1所述的基于物理信道信息和信任度的无线传感器网络克隆节点识别方法，其特征在于：时隙k是否结束基于时间戳T进行判断。
5.根据权利要求1所述的基于物理信道信息和信任度的无线传感器网络克隆节点识别方法，其特征在于：所述的节点信任度Sk(i,j)的计算公式为
6.根据权利要求1所述的基于物理信道信息和信任度的无线传感器网络克隆节点识别方法，其特征在于：所述的判断节点j在时隙k的节点信任度Sk(i,j)是否达到信任门限η，首先建立假设检验模型，当Ht与H0相近时，为零假设H0，该假设说明节点i信任节点j，当Ht与H0不相近时，为备择假设H1，该假设说明节点i不信任节点j：
H0:Ht→H0
则有：
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