CN109089266B - 多信道防Sybil攻击的动态频谱分配方法、计算机程序 - Google Patents

Abstract

本发明属于动态资源划分技术领域，公开了一种多信道防Sybil攻击的动态频谱分配方法、计算机程序；针对Sybil攻击进行防御，以动态地对应灵活真实估值进行报价的防策略操纵频谱拍卖模型，在模型中讨论次用户之间的竞标关系，通过设计特定的竞标策略进行频谱拍卖；采用拍卖理论与机制，防止Sybil攻击，通过竞标策略在线进行频谱拍卖。本发明的频谱分配方法不仅可以实现个体理性和真实性，还可以抵御Sybil攻击，并在线动态分配信道，提高了频谱效率和可重用率；根据评估结果，本发明可以防止竞标人操纵拍卖，并实现良好的频谱再分配性能。本发明提出的方法容易实现，便于扩展，与已经提出的频谱拍卖方法相比更贴近实际应用。

Description

多信道防Sybil攻击的动态频谱分配方法、计算机程序

技术领域

本发明属于动态资源划分技术领域，尤其涉及一种多信道防Sybil攻击的动态频谱分配方法、计算机程序。

背景技术

目前，业内常用的现有技术是这样的：无线电频谱是无线通信的关键但稀缺的资源。随着软件定义无线电(SDR，software-definedradios)和无线设备的出现，频谱短缺问题越来越严重，并成为无线通信行业快速发展的瓶颈。在传统的静态频谱分配机制中，长期频谱许可证被发布到无线设备，由于交通波动导致频谱利用率低。为了提高频谱效用，已经提出动态频谱接入机制来重新分配频谱资源，其中鼓励频谱所有者将其许可未充分利用的频谱租赁给未许可的设备或用户。由于涉及到频谱分配过程中的效率和公平性的问题，拍卖理论被认为是一种很受欢迎的工具用于无线频谱的分配。个人理性(Individualrationality)代表每个参与者竞标者将获得非负效用，是拍卖的一个基本特征，以吸收参与频谱拍卖的二级用户。真实性(即策略证明)是频谱拍卖机制中的另一个关键属性，这意味着每个投标人(未经许可的次级用户)可以通过对其真实的频谱估值进行投标来获得其最大效用。近几年有很多基于拍卖的无线频谱分配机制被提出。它们在一定程度上提高了频谱的利用率，但还是有很多缺陷存在，比如很多算法无法抵御Sybil攻击，使一些非法用户获利；以及大多数算法都是静态算法，只是离线静态分配，这将导致频谱利用率的降低。Sybil攻击是拍卖机制中经典的攻击手段。针对这样的问题，一些研究人员展开了对频谱分配的研究，提出了防止Sybil攻击的频谱拍卖机制。意味着在多个虚构身份下提交多个出价时，作弊的竞标者无法获得更多效用。但是，这个机制是一种离线机制，无法为投标人提供时间维度的灵活性，即是没有考虑动态的分配。这样的频谱分配方法还是不完善的。

综上所述，现有技术存在的问题是：现有的基于拍卖的无线频谱分配机制没有考虑到防止Sybil攻击以及其他相关性质，有很多缺陷存在；并且无法为投标人提供时间维度的灵活性。目前没有均能解决以上两个问题的频谱分配方法。即现有算法无法防止Sybil攻击并考虑频谱的时间维度的灵活性。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种多信道防Sybil攻击的动态频谱分配方法、计算机程序。

本发明是这样实现的，一种多信道防Sybil攻击的动态频谱分配方法，所述多信道防Sybil攻击的动态频谱分配方法采用改进的Sybil攻击进行防御，以动态地对应灵活真实估值进行报价的防策略操纵频谱拍卖模型，在模型中确定次用户之间的竞标关系；通过特定的竞标策略进行频谱拍卖；采用拍卖理论与机制，防止Sybil攻击，通过竞标策略在线进行频谱拍卖。

进一步，所述多信道防Sybil攻击的动态频谱分配方法包括以下步骤：

步骤一，预出租频段信息提交，资源信息汇总放入频谱池，以及确定总分配时间长度T；

步骤二，根据频谱池内信道数规定要拍卖的频谱数为M＝{1,2,…,m}；

步骤三，确定所有参与竞标的次级用户集合N＝{1,2,…,n}以及干扰图G＝<V,E>；所有参与竞标的次级用户需要提交一组需求信息β_i＝(b_i,d_i,t_i)；他们分别是总报价，申请信道个数和申请占用时间长度；最多需求m个信道，最多占用T个时间长度；

步骤四，计算每个竞标人的单位报价r_i，其中

筛选出其中有攻击嫌疑的竞标人进行调整，调整结果为r_i'；如果没有攻击嫌疑，则有r_i'＝r_i；

步骤五，设计排序算法：根据调整后的单位报价r_i'和干扰图G进行排序；通过广度优先排序，得到一棵BFS树，然后依次遍历整个树得到排序结果列表L；

步骤六，设计价格计算的算法：首先进行预分配并根据预分配结果寻找临界节点，其次计算价格，

即价格等于该节点的临界节点的单位报价与该节点申请信道数目和申请时长的乘积；

步骤七，设计分配算法：模拟分配过程，对于节点而言，总报价大于得出的价格，可用信道个数和剩余分配时间可以满足需求，就可以加入winner集合依次分配信道。

进一步，所述步骤三中的干扰图G＝<V,E>中的干扰关系，在实际应用中通过计算每个竞标人之间的距离间接描述信噪比。

进一步，所述步骤四中的具有攻击嫌疑的竞标人，在干扰图中拥有相同的邻居和申请相同的时长；如果具有攻击嫌疑的两个竞标人的单位报价不相同，则通过筛选和调整算法将调整后的单位报价赋给r_i'，以初步防止Sybil攻击。

进一步，所述步骤六中的价格计算算法，对于每个竞标人，通过选择规则以及选择算法循环迭代选择出对应的临界节点，再进行价格计算，以确保Sybil攻击对价格计算无影响，防止Sybil攻击。

进一步，所述步骤七中Winner选择及分配算法，通过选择规则以及选择算法循环迭代选择赢的竞标人到Winner集合W中，并根据申请信息β_i＝(b_i,d_i,t_i)分配相应信道，设计出符合防Sybil攻击和策略操纵的诚实的动态频谱拍卖方法。

本发明的另一目的在于提供一种实现所述信道防Sybil攻击的动态频谱分配方法的计算机程序。

本发明的另一目的在于提供一种实现所述信道防Sybil攻击的动态频谱分配方法的信息数据处理终端。

本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行所述的信道防Sybil攻击的动态频谱分配方法。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：通过该机制次级用户可以通过提交他们对频谱的不同需求以及相应估计函数来竞标频谱，而且在这个过程中阻止了非法用户的Sybil攻击，实现了更好的频谱共享机制。本发明充分考虑了频谱分配中次级用户对频谱信道的信噪比干扰等因素，同时考虑频谱利用率最大化以及次用户的防策略操纵性的要求，对频谱拍卖机制进行了详细的分析与设计。本发明提出的方法容易实现，便于扩展，与已经提出的频谱拍卖方法相比更贴近实际应用。对比于现有的频谱拍卖方法，本发明不仅能防止Sybil攻击，而且是在线动态分配方法，是目前唯一兼顾这两点的频谱分配方法。

附图说明

图1是本发明实施例提供的多信道防Sybil攻击的动态频谱分配方法流程图。

图2是本发明实施例提供的频谱共享系统模型图。

图3是本发明实施例提供的系统模块图。

图4是本发明实施例提供的多信道防Sybil攻击的动态频谱分配方法实现流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

现有基于拍卖的无线频谱分配机制没有考虑到防止Sybil攻击以及其他相关性质；无法为投标人提供时间维度的灵活性。本发明整合经济学中的拍卖模型，设计了一个能够满足次级用户对信道的灵活需求以及竞标的防Sybil攻击的在线动态频谱拍卖机制；通过该机制次级用户可以通过提交他们对频谱的不同需求以及相应估计函数来竞标频谱，阻止了非法用户的Sybil攻击，实现了更好的频谱共享机制。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的多信道防Sybil攻击的动态频谱分配方法包括以下步骤：

S101：建立频谱共享系统拍卖模型，主要用户将这一段时间的空闲频谱提交给拍卖师(Auctioneer)放入频谱池供次级用户竞标；

S102：所有竞标人(Bidders)提交信道需求(包括申请时长和数目等)，将真实估值为竞标价格。拍卖师计算所有竞标人的单位报价，并筛选有Sybil攻击嫌疑的调整后根据干扰关系和单位报价对他们进行排序；

S103：设计计算价格算法和分配算法，根据排序结果依次找出所有竞标人的临界节点并计算价格；根据竞标人价格分配信道，确定最后的分配结果。

本发明实施例提供的多信道防Sybil攻击的动态频谱分配方法具体包括以下步骤：

步骤一，预出租频段信息提交，资源信息汇总放入频谱池，以及确定总分配时间长度T。

步骤二，根据频谱池内信道数规定要拍卖的频谱数为M＝{1,2,…,m}。

步骤三，确定所有参与竞标的次级用户集合N＝{1,2,…,n}以及干扰图G＝<V,E>。所有参与竞标的次级用户需要提交一组需求信息β_i＝(b_i,d_i,t_i)。他们分别是总报价，申请信道个数和申请占用时间长度。其中最多需求m个信道，最多占用T个时间长度。

步骤四，计算每个竞标人的单位报价r_i，其中

然后筛选出其中有攻击嫌疑的竞标人进行调整，调整结果为r_i'。如果没有攻击嫌疑，则有r_i'＝r_i。

步骤五，设计排序算法。根据调整后的单位报价r_i'和干扰图G进行排序。通过广度优先排序，得到一棵BFS树，然后依次遍历整个树得到排序结果列表L。

步骤六，设计价格计算的算法。首先预分配和寻找临界节点，其次计算价格。

即是该节点的临界节点的单位报价与该节点申请信道数目和申请时长的乘积。

步骤七，设计分配算法。确定winner。

在本发明的优选实施例中，频谱信道是同构的，即对于竞标人，频谱池中的信道没有区别，在申请时只考虑申请信道数量。

在本发明的优选实施例中，干扰图G＝<V,E>中的干扰关系，在实际应用中通过计算每个竞标人之间的距离间接描述信噪比，例如IEEE 802.11n的户外传输范围大约250米，规定干扰因子θ＝1.7，则只要两个竞标人的距离大于425米就可以共用同一信道，小于425米则互相干扰。

在本发明的优选实施例中，具有攻击嫌疑的竞标人，即在干扰图中拥有相同的邻居和申请相同的时长。如果具有攻击嫌疑的两个竞标人的单位报价不相同，则通过筛选和调整算法将调整后的单位报价赋给r_i'，以初步防止Sybil攻击。

在本发明的优选实施例中，价格计算算法，对于每个竞标人，通过选择规则以及选择算法循环迭代选择出对应的临界节点，再进行价格计算，以确保Sybil攻击对价格计算无影响，防止Sybil攻击。

在本发明的优选实施例中，Winner选择及分配算法，通过选择规则以及选择算法循环迭代选择赢的竞标人到Winner集合W中，并根据申请信息β_i＝(b_i,d_i,t_i)分配相应信道，设计出符合防Sybil攻击和策略操纵的诚实的动态频谱拍卖方法。

下面结合附图对本发明的应用原理作进一步的描述。

如图2-图4所示，本发明实施例提供的多信道防Sybil攻击的动态频谱分配方法包括以下步骤：

(1)建立系统模型，实体包括有频谱出租需求的主要用户、控制整个拍卖过程的拍卖师以及有频谱资源需求的次级用户以及确定总分配时间长度T。主要用户将自己预出租的频段信息提交给拍卖师，拍卖师把资源信息汇总整理后放入频谱池供次级用户竞标。

(2)主要用户把自己空闲的频段信息提交给拍卖师，拍卖师根据频谱池内信道数规定要拍卖的频谱数M＝{1，2，…，m}，频谱信道与传统物件不同的是它可以被几个次用户共同使用，前提是他们都能够传输和发送信号在足够的信噪比(SINR)之下。

(3)整个区域内所有参与竞标的次级用户集合N＝{1，2，…，n}，我们用G＝<V,E>来表示干扰图，其中V是所有次级用户的集合，E是竞标者之间的干扰关系。所有参与竞标的次级用户需要提交一组信息β_i＝(b_i,d_i,t_i)。他们分别是总报价，申请信道个数和申请占用时间长度。其中最多需求m个信道，最多占用T个时间长度。

(5)设计排序算法。根据调整后的单位报价r_i'和干扰图G进行排序。通过广度优先排序，得到一棵BFS树，然后依次遍历整个树得到排序结果列表L。

(6)设计价格计算的算法。首先是预分配和寻找临界节点部分，根据L中的顺序，依次寻找每个竞标人的临界节点。对他们依次进行预分配，即假设一个节点已经被分配所需要的信道，在这样的前提下进行分配过程，该节点选取在预分配阶段没有被分配信道并且单位报价最大的一个节点作为自己的临界节点。其次是价格计算部分，

即是该节点的临界节点的单位报价与该节点申请信道数目和申请时长的乘积。

(7)设计分配算法。对于节点而言，总报价大于得出的价格，可用信道个数和剩余分配时间可以满足需求，就可以加入winner集合依次分配信道。

下面结合仿真对本发明的应用效果作详细的描述。

通过实验仿真结果证明了本发明是防止Sybil攻击的，即对于攻击者而言，在进行Sybil攻击后的可获得效益小于不进行攻击的。并且通过控制变量法，对比两种不同的位置分布方式，即服从均匀分布和正态分布，对用户满意度，频谱分配率和公平性进行实验。实验结果表明，本发明在分配方面取得了良好的效率和公平性。

在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(DSL)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘SolidState Disk(SSD))等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种多信道防Sybil攻击的动态频谱分配方法，其特征在于，所述多信道防Sybil攻击的动态频谱分配方法采用改进的Sybil攻击进行防御，以动态地对应灵活真实估值进行报价的防策略操纵频谱拍卖模型，在模型中确定次用户之间的竞标关系；通过特定的竞标策略进行频谱拍卖；采用拍卖理论与机制，防止Sybil攻击，通过竞标策略在线进行频谱拍卖；

所述多信道防Sybil攻击的动态频谱分配方法包括以下步骤：

步骤一，预出租频段信息提交，资源信息汇总放入频谱池，以及确定总分配时间长度T；

步骤二，根据频谱池内信道数规定要拍卖的频谱数为M＝{1,2,…,m}；

步骤三，确定所有参与竞标的次级用户集合N＝{1,2,…,n}以及干扰图G＝<V,E>，干扰图G＝<V，E>表示了次用户之间的干扰关系，在干扰图中，点集V表示所有的次用户，点集E用以表示次用户间的干扰关系，两个次用户之间连上了的边表示这两个次用户同时使用同一信道时将会发生干扰；所有参与竞标的次级用户需要提交一组需求信息β_i＝(b_i,d_i,t_i)；b_i，d_i，t_i分别是总报价，申请信道个数和申请占用时间长度；其中，最多需求m个信道，最多占用T个时间长度；

步骤四，计算每个竞标人的单位报价r_i，其中

筛选出其中有攻击嫌疑的竞标人进行调整，调整结果为r_i'；如果没有攻击嫌疑，则有r_i'＝r_i；

步骤五，设计排序算法，根据调整后的单位报价r_i'和干扰图G进行排序；通过广度优先排序，得到一棵BFS树，然后依次遍历整个树得到排序结果列表L；

步骤六，设计价格计算的算法，首先预分配和寻找临界节点，根据L中的顺序，依次寻找每个竞标人的临界节点，依次进行预分配，即假设一个节点已经被分配所需要的信道，进行分配过程，该节点选取在预分配阶段没有被分配信道并且单位报价最大的一个节点作为自己的临界节点；其次计算价格，

即是该节点的临界节点的单位报价与该节点申请信道数目和申请时长的乘积，其中

为该节点的临界节点的单位报价，d_i为该节点申请信道数目，t_i为申请时长的乘积；

所述价格计算算法，对于每个竞标人，通过选择规则以及选择算法循环迭代选择出对应的临界节点，再进行价格计算，以确保Sybil攻击对价格计算无影响，防止Sybil攻击；

步骤七，设计分配算法，确定winner；所述winner选择及分配算法，通过选择规则以及选择算法循环迭代选择赢的竞标人到winner集合W中，并根据申请信息β_i＝(b_i,d_i,t_i)分配相应信道，设计出符合防Sybil攻击和策略操纵的诚实的动态频谱拍卖方法。

2.如权利要求1所述的信道防Sybil攻击的动态频谱分配方法，其特征在于，所述步骤三中的干扰图G＝<V,E>中的干扰关系，在实际应用中通过计算每个竞标人之间的距离间接描述信噪比。

3.如权利要求1所述的信道防Sybil攻击的动态频谱分配方法，其特征在于，所述步骤四中的具有攻击嫌疑的竞标人，在干扰图中拥有相同的邻居和申请相同的时长；如果具有攻击嫌疑的两个竞标人的单位报价不相同，则通过筛选和调整算法将调整后的单位报价赋给r_i'，以初步防止Sybil攻击。

4.一种实现权利要求1～3任意一项所述信道防Sybil攻击的动态频谱分配方法的信息数据处理终端。

5.一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行如权利要求1-3任意一项所述的信道防Sybil攻击的动态频谱分配方法。

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