CN112637186A - 一种基于区块链的入侵检测功能分布式部署方法 - Google Patents

一种基于区块链的入侵检测功能分布式部署方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于区块链的入侵检测功能分布式部署方法，包括以下步骤：S1、检测节点选择；S2、入侵检测功能分布式部署以及执行：将完整的入侵检测功能拆分为若干个独立的检测子功能，并根据一个簇内检测节点的分布，计算最优的检测数据传递路径，然后把子功能部署在检测节点上；S3、对检测节点执行任务的情况进行验证，如果发现恶意行为则把恶意行为打包成区块并广播。本发明通过将完整的检测功能划分为不同的子功能分别部署在不同的检测节点上，检测节点通过最优的数据传递路径，协作完成检测功能，大幅度降低了每个检测节点完成复杂入侵检测算法的负载。

Description

一种基于区块链的入侵检测功能分布式部署方法
技术领域
本发明属于物联网安全领域，具体针对物联网设备在计算存储等资源方面的限制问题，设计了一种入侵检测功能的分布式部署方法，把完整的入侵检测功能分布式部署在多个检测节点上，从而减少单个检测节点的负担，并通过区块链技术实现检测节点间信任管理功能。
背景技术
物联网可以连接大量数字和物理对象(如无线传感器网络、智能电表、智能手机和智能家电等)，同时提供对这些设备生成的各种数据的开放访问，为公民和公司提供新的服务，但是由于使用的设备和协议的异构性、数据的隐私等问题，物联网的安全性日益成为研究重点和业界关注的问题。在物联网安全中常用的一种方法即入侵检测，入侵检测通过收集相关的数据(主机活动或网络流量等)，从中分析是否存在攻击行为。
然而，由于大多数物联网设备在存储计算等资源方面的限制，很难将一些复杂但是有效的入侵检测功能完整的部署在每个检测节点上。其次，由于物联网的网络环境的开放性和易接入性，节点之间的相互信任面临着很大的挑战。因此，针对物联网的特点，构建更加轻量的且有效的入侵检测系统，维护网络安全，具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种通过将完整的检测功能划分为不同的子功能，分别部署在不同的检测节点上，大幅度降低了每个检测节点完成复杂入侵检测算法的负载的基于区块链的入侵检测功能分布式部署方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于区块链的入侵检测功能分布式部署方法，包括以下步骤：
S1、检测节点选择，将节点分成四种类型：普通节点、检测节点、监测节点、同时作为检测和监测节点；
S2、入侵检测功能分布式部署以及执行：基于物联网中现有的分簇算法对物联网中的节点进行分簇，根据检测算法需要的计算资源以及检测节点拥有的计算资源，将完整的入侵检测功能按照流水线检测模式拆分为若干个独立的检测子功能，并根据一个簇内检测节点的分布，计算最优的检测数据传递路径，使得检测数据可以被每个子功能处理且通信代价最小；然后把子功能部署在检测节点上；
S3、对检测节点执行任务的情况进行验证，如果发现恶意行为则把恶意行为打包成区块并广播。
进一步地，所述步骤S1具体实现方法为：根据每个节点的信誉值，从普通节点中选择监测节点、检测节点、同时作为检测和监测节点的节点；具体技术方案如下：
根据每个节点的信誉值，从普通节点中选择监测节点、检测节点、同时作为检测和监测节点的节点；具体技术方案如下：
S11、设网络中的普通节点集合为N，完整的检测算法计算量为X，网络中普通节点的计算量为Y；
S12、选择当前信誉值最高的普通节点ni作为候选节点，
Figure BDA0002845241980000021
为该候选节点覆盖范围内的普通节点，得到的节点集合为Ni，Ni中包括本次选出的候选节点ni、候选节点覆盖的普通节点
Figure BDA0002845241980000022
以及剩余的其他普通节点
Figure BDA0002845241980000023
S13、令
Figure BDA0002845241980000024
从当前节点集合Ni+1中选取信誉值最高的节点ni+1，作为候选节点；
S14、重复执行步骤S13，直到所有普通节点均被候选节点覆盖；
S15、设需要执行完整检测功能需要的最少节点数为
Figure BDA0002845241980000025
则候选节点的选择有如下三种情况：
若步骤S14选出的候选节点数Ns＞Nmin，则将信誉值前Nmin的候选节点作为检测和监测节点：部署检测子功能，并同时执行监测功能；其他候选节点作为监测节点，只执行监测功能，负责把检测需要的数据传递给部署了检测子功能的节点；
若步骤S14选出的候选节点数Ns＝Nmin，则将所有候选节点作为检测和监测节点：部署检测子功能，并同时执行监测功能；
若步骤S14选出的候选节点数Ns＜Nmin，则将所有候选节点作为检测和监测节点：部署检测子功能，并同时执行监测功能；并从未被选择的普通节点里再选取信誉值最高的(Nmin-Ns)个节点作为检测节点，部署检测子功能，但不对覆盖范围的节点进行监测。
进一步地，所述步骤S2具体实现方法为：
S21、根据路由算法确定检测节点之间的通信代价；
S22、通过广播通信代价信息，每个检测节点通过最短路径算法获得了最短路径方阵
Figure BDA0002845241980000026
S23、每个检测节点随机选取初始值，并进行边交换算法，得出最优哈密尔顿圈，并广播自己的计算结果；
S24、检测节点在接收的计算结果中，选择最优的计算结果，作为最终检测数据的传递路径；
S25、选择信誉值最高的检测节点作为最后一个子功能部署检测节点；
S26、将完整的检测功能划分为Nmin份子检测功能，按顺序部署在计算出的哈密尔顿圈上；
S27、在子检测功能部署好以后，具有监测功能的节点负责收集相关的检测数据，并把数据传递给部署了首个具有检测功能的节点a，节点a执行完自己的子检测功能以后，把检测结果传递给下一个具有检测功能的节点b，直到传递到最后一个具有检测功能的节点，对该检测数据的入侵检测即完成。
进一步地，所述步骤S3具体实现方法为：对于检测节点之间传递的检测结果，部分普通节点也会接收到检测结果；接收到检测结果的普通节点以用户设定的概率Psup选择相应的检测子功能，对检测结果进行验证；
设检测结果中记录的上一检测节点Nlast的检测结果为Rlast，当前检测节点Nnow检测结果为Rnow，检测子功能为Fnow，普通节点用该检测子功能Fnow对数据Rlast的检测结果为Fnow(Rlast)；若Fnow(Rlast)≠Rnow，则把检测节点Nnow视为恶意节点，并把该恶意行为打包成一个区块，广播该区块。
本发明的有益效果是：本发明通过将完整的检测功能划分为不同的子功能，分别部署在不同的检测节点上，检测节点通过最优的数据传递路径，协作完成检测功能，大幅度降低了每个检测节点完成复杂入侵检测算法的负载；采用区块链技术，对每个节点的行为做信誉值的评估，并记录在区块链上，使得节点的检测行为可追踪，且不可篡改，解决了检测节点之间的信任问题。
附图说明
图1为本发明的检测系统示意图；
图2为本发明的入侵检测流程示意图
图3为本发明的恶意检测节点示意图
图4为本发明的节点信誉值排序表示意图。
具体实施方式
物联网中，复杂的入侵检测算法往往部署在拥有足够资源的网关等关键节点上，但是，由于物联网环境开放性以及底层设备资源受限性，对于底层的普通设备，像是普通家电，智能设备等等，部署复杂且有效的入侵检测算法，从而即时发现入侵是比较困难的。针对物联网中底层设备资源受限，无法实现复杂的入侵检测功能的问题，本发明设计了一种入侵检测功能分布式部署方法，通过将一个复杂的入侵检测功能划分成若干个子功能，分别部署到检测节点上，从而减小每个检测节点执行入侵检测功能所需要的负载，在整个过程中采用区块链做节点间的信任管理。下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。
本发明的一种基于区块链的入侵检测功能分布式部署方法，包括以下步骤：
S1、检测节点选择，将节点分成四种类型：普通节点、检测节点、监测节点、同时作为检测和监测节点；
其中，监测节点负责监控自己覆盖范围内的节点，并把收集到的监测数据，如流量特征等，发送给检测节点。检测节点则相互合作，对收到的数据做入侵检测分析。系统根据每个节点的信誉值，先后选出检测和监测节点。
具体实现方法为：根据每个节点的信誉值，从普通节点中选择监测节点、检测节点、同时作为检测和监测节点的节点；具体技术方案如下：
S11、设网络中的普通节点集合为N，完整的检测算法计算量为X，网络中普通节点的计算量为Y；
S12、选择当前信誉值最高的普通节点ni作为候选节点，
Figure BDA0002845241980000041
为该候选节点覆盖范围内的普通节点，得到的节点集合为Ni，Ni中包括本次选出的候选节点ni、候选节点覆盖的普通节点
Figure BDA0002845241980000042
以及剩余的其他普通节点
Figure BDA0002845241980000043
S13、令
Figure BDA0002845241980000044
从当前节点集合Ni+1中选取信誉值最高的节点ni+1，作为候选节点；
S14、重复执行步骤S13，直到所有普通节点均被候选节点覆盖；
S15、设需要执行完整检测功能需要的最少节点数为
Figure BDA0002845241980000045
则候选节点的选择有如下三种情况：
若步骤S14选出的候选节点数Ns＞Nmin，则将信誉值前Nmin的候选节点作为检测和监测节点：部署检测子功能，并同时执行监测功能；其他候选节点作为监测节点，只执行监测功能，负责把检测需要的数据传递给部署了检测子功能的节点；
若步骤S14选出的候选节点数Ns＝Nmin，则将所有候选节点作为检测和监测节点：部署检测子功能，并同时执行监测功能；
若步骤S14选出的候选节点数Ns＜Nmin，则将所有候选节点作为检测和监测节点：部署检测子功能，并同时执行监测功能；并从未被选择的普通节点里再选取信誉值最高的(Nmin-Ns)个节点作为检测节点，部署检测子功能，但不对覆盖范围的节点进行监测。
S2、入侵检测功能分布式部署以及执行：基于物联网中现有的分簇算法对物联网中的节点进行分簇，根据检测算法需要的计算资源以及检测节点拥有的计算资源，将完整的入侵检测功能按照流水线检测模式拆分为若干个独立的检测子功能，并根据一个簇内检测节点的分布，计算最优的检测数据传递路径，使得检测数据可以被每个子功能处理且通信代价最小；然后把子功能部署在检测节点上；
在部署过程中，有以下三个关键的问题：
(1)首先是最优检测数据传递路径的计算。为了能让收集的监测数据依次被所有检测节点处理并且最小化通信代价，本方案设计了最优路径为经过所有检测节点的哈密尔顿圈。根据检测节点间的通信代价，设检测节点间的最短路径方阵为
Figure BDA0002845241980000051
每个检测节点随机选取初始值进行边交换算法，得出最优哈密尔顿圈，并广播自己的计算结果。由于边交换算法为寻找最优哈密尔顿圈的启发式算法，所以节点在接收到的计算结果中，选择最优的计算结果作为最终检测数据的传递路径。最后选择信誉值最高的节点作为最后一个子功能(决策功能)部署的节点。
(2)其次是检测功能的划分以及部署。将完整的检测功能划分为Nmin份，按顺序部署在计算出的哈密尔顿圈上。为了避免检测数据频繁在节点之间传递消耗通信资源，以及保持功能划分后节点间数据传递尽量不出现分叉情况，在进行功能划分时，单个循环或分支结构需要划分在单个子功能中，不能分割部署在不同的检测节点上。
(3)最后是子功能的执行。在检测子功能部署后，监测节点负责收集相关的检测数据，如网络流量特征等，并把数据传递至部署了首个子功能的检测节点a开始检测。节点a执行完自己的检测子功能后，把检测结果传递给下一个检测节点b，直到传递至最后一个检测节点进行决策，即完成该数据的完整入侵检测流程，整个检测系统如图1所示。
本步骤的具体实现方法为：
S21、根据路由算法确定检测节点之间的通信代价；
S22、通过广播通信代价信息，每个检测节点通过最短路径算法获得了最短路径方阵
Figure BDA0002845241980000052
这里的最短路径方阵指的是各个检测节点分别到其他各个检测节点的最短距离，获取最短路径方阵的方法，可以根据已有的最短路径算法获取，例如Dijkstra算法；
S23、每个检测节点随机选取初始值，并进行边交换算法，得出最优哈密尔顿圈，并广播自己的计算结果；
S24、检测节点在接收的计算结果中，选择最优的计算结果，作为最终检测数据的传递路径；
S25、选择信誉值最高的检测节点作为最后一个子功能部署检测节点；
S26、将完整的检测功能划分为Nmin份子检测功能，按顺序部署在计算出的哈密尔顿圈上；关于功能的划分，为了避免检测数据频繁在节点之间传递消耗通信资源，以及保持功能划分后节点间数据传递尽量简单线性，在进行功能划分时，单个循环或分支结构需要划分在单个子功能中，不能一部分在一个子功能中，另一部分在另一个子功能中。
S27、在子检测功能部署好以后，具有监测功能的节点负责收集相关的检测数据，并把数据传递给部署了首个具有检测功能的节点a，节点a执行完自己的子检测功能以后，把检测结果传递给下一个具有检测功能的节点b，直到传递到最后一个具有检测功能的节点，对该检测数据的入侵检测即完成。检测节点向下一个检测节点传送的检测结果格式如图2示，包括本节点数字签名、本节点检测结果、上一节点数字签名和上一节点检测结果。
S3、根据检测节点传递的中间检测数据，每个簇内检测节点需要相互协作从而执行完整的检测算法，所以节点的信誉管理尤其重要，需要考虑检测节点间出现恶意节点的情况，例如伪造检测结果。因为物联网传感层大多数为无线传感器网络，而无线环境下的数据传递具有一定的开放性。由于区块链的分布式数据记录，以及不可篡改等特性，本发明采用区块链技术实现系统的信任管理：根据检测节点传递的中间检测数据，普通节点以一定的概率执行相同的子功能，对该检测节点执行任务的情况进行验证，如果发现恶意的行为，普通节点则把该恶意行为打包成区块并广播。当收到多个区块时，各节点选择信誉值最高的节点发出的区块上链，相关节点的信誉值也会发生修改，从而能够及时发现恶意检测节点的不正常行为，方便检测节点以及监测节点的剔除和重选等。
具体实现方法为：对于检测节点之间传递的检测结果，部分普通节点也会接收到检测结果；接收到检测结果的普通节点以用户设定的概率Psup选择相应的检测子功能，对检测结果进行验证；
设检测结果中记录的上一检测节点Nlast的检测结果为Rlast，当前检测节点Nnow检测结果为Rnow，检测子功能为Fnow，普通节点用该检测子功能Fnow对数据Rlast的检测结果为Fnow(Rlast)；若Fnow(Rlast)≠Rnow，则把检测节点Nnow视为恶意节点，并把该恶意行为打包成一个区块，广播该区块。
如图3所示，各节点执行的算法如下：
Figure BDA0002845241980000071
其他节点在接收到多个区块时会先进行验证，对于验证通过的区块，选择信誉值最高的节点所发出的区块上链。对于发出该区块的节点，其记录在区块链上信誉值会上升，而拥有恶意行为的检测节点，其信誉值会降低，并从检测节点集合中剔除。然后，检测节点选择模块从当前未被覆盖的网络范围内，选择一个可以覆盖该范围的信誉值最高的节点作为新的检测节点，重新执行该子功能。当某个节点的信誉值低到阈值以下时，将会从网络中删除该节点。
进一步的，每个普通节点根据区块链上的信誉值记录，维护一份各节点的信誉值排序表，如图4所示，根据该表，每个普通节点执行的监测节点选择算法如下：
设自己的节点ID为i，
if(接收到其他节点的监测更新信息)
根据接收的信息修改相关的表项
endif
if(存在比自己信誉值高的且还没有归属范围的节点)
return；
else
把自己的节点类型改为2(监测节点)，填写相关数据项
把自己覆盖范围的普通节点的相关数据项改为自己的节点ID，
向其他节点广播自己作为监测节点的相关信息
endif
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于区块链的入侵检测功能分布式部署方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、检测节点选择，将节点分成四种类型：普通节点、检测节点、监测节点、同时作为检测和监测节点；
S2、入侵检测功能分布式部署以及执行：基于物联网中现有的分簇算法对物联网中的节点进行分簇，根据检测算法需要的计算资源以及检测节点拥有的计算资源，将完整的入侵检测功能拆分为若干个独立的检测子功能，并根据一个簇内检测节点的分布，计算最优的检测数据传递路径，使得检测数据可以被每个子功能处理且通信代价最小；然后把子功能部署在检测节点上；
S3、对检测节点执行任务的情况进行验证，如果发现恶意行为则把恶意行为打包成区块并广播。
2.根据权利要求1所述的一种基于区块链的入侵检测功能分布式部署方法，其特征在于，所述步骤S1具体实现方法为：根据每个节点的信誉值，从普通节点中选择监测节点、检测节点、同时作为检测和监测节点的节点；具体技术方案如下：
S11、设网络中的普通节点集合为N，完整的检测算法计算量为X，网络中普通节点的计算量为Y；
S12、选择当前信誉值最高的普通节点ni作为候选节点，
Figure FDA0002845241970000011
为该候选节点覆盖范围内的普通节点，得到的节点集合为Ni，Ni中包括本次选出的候选节点ni、候选节点覆盖的普通节点
Figure FDA0002845241970000012
以及剩余的其他普通节点
Figure FDA0002845241970000013
S13、令
Figure FDA0002845241970000014
从当前节点集合Ni+1中选取信誉值最高的节点ni+1，作为候选节点；
S14、重复执行步骤S13，直到所有普通节点均被候选节点覆盖；
S15、设需要执行完整检测功能需要的最少节点数为
Figure FDA0002845241970000015
则候选节点的选择有如下三种情况：
若步骤S14选出的候选节点数Ns＞Nmin，则将信誉值前Nmin的候选节点作为检测和监测节点：部署检测子功能，并同时执行监测功能；其他候选节点作为监测节点，只执行监测功能，负责把检测需要的数据传递给部署了检测子功能的节点；
若步骤S14选出的候选节点数Ns＝Nmin，则将所有候选节点作为检测和监测节点：部署检测子功能，并同时执行监测功能；
若步骤S14选出的候选节点数Ns＜Nmin，则将所有候选节点作为检测和监测节点：部署检测子功能，并同时执行监测功能；；并从未被选择的普通节点里再选取信誉值最高的(Nmin-Ns)个节点作为检测节点，部署检测子功能，但不对覆盖范围的节点进行监测。
3.根据权利要求1所述的一种基于区块链的入侵检测功能分布式部署方法，其特征在于，所述步骤S2具体实现方法为：
S21、根据路由算法确定检测节点之间的通信代价；
S22、通过广播通信代价信息，每个检测节点通过最短路径算法获得了最短路径方阵
Figure FDA0002845241970000021
S23、每个检测节点随机选取初始值，并进行边交换算法，得出最优哈密尔顿圈，并广播自己的计算结果；
S24、检测节点在接收的计算结果中，选择最优的计算结果，作为最终检测数据的传递路径；
S25、选择信誉值最高的检测节点作为最后一个子功能部署检测节点；
S26、将完整的检测功能划分为Nmin份子检测功能，按顺序部署在计算出的哈密尔顿圈上；
S27、在子检测功能部署好以后，具有监测功能的节点负责收集相关的检测数据，并把数据传递给部署了首个具有检测功能的节点a，节点a执行完自己的子检测功能以后，把检测结果传递给下一个具有检测功能的节点b，直到传递到最后一个具有检测功能的节点，对该检测数据的入侵检测即完成。
4.根据权利要求1所述的一种基于区块链的入侵检测功能分布式部署方法，其特征在于，所述步骤S3具体实现方法为：对于检测节点之间传递的检测结果，部分普通节点也会接收到检测结果；接收到检测结果的普通节点以用户设定的概率Psup选择相应的检测子功能，对检测结果进行验证；
设检测结果中记录的上一检测节点Nlast的检测结果为Rlast，当前检测节点Nnow检测结果为Rnow，检测子功能为Fnow，普通节点用该检测子功能Fnow对数据Rlast的检测结果为Fnow(Rlast)；若Fnow(Rlast)≠Rnow，则把检测节点Nnow视为恶意节点，并把该恶意行为打包成一个区块，广播该区块。
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