一種適用于受攻擊無(wú)線傳感網(wǎng)的可生存性評(píng)估方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種適用于受攻擊無(wú)線傳感網(wǎng)的可生存性評(píng)估方法。為克服現(xiàn)有評(píng)估方法不適用于受攻擊無(wú)線傳感網(wǎng)的缺陷，本發(fā)明采用的技術(shù)方案包括確定一個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)在整個(gè)生命期中的狀態(tài)；利用非零和隨機(jī)博弈理論建立惡意攻擊者和無(wú)線傳感網(wǎng)之間的博弈模型，計(jì)算惡意攻擊者的最優(yōu)攻擊策略；構(gòu)建基于馬爾可夫過(guò)程的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，計(jì)算馬爾可夫過(guò)程的穩(wěn)態(tài)概率；計(jì)算傳感節(jié)點(diǎn)的平均無(wú)故障時(shí)間、傳感節(jié)點(diǎn)的可靠度、簇的可靠度、路由的可靠度；計(jì)算整個(gè)受攻擊無(wú)線傳感網(wǎng)的可靠度；計(jì)算整個(gè)受攻擊無(wú)線傳感網(wǎng)的生存期。其優(yōu)點(diǎn)是：適用于受攻擊無(wú)線傳感網(wǎng)，利用具體的數(shù)值描述網(wǎng)絡(luò)的狀況，實(shí)現(xiàn)量化分析，使評(píng)估準(zhǔn)確、可靠。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種適用于受攻擊無(wú)線傳感網(wǎng)的可生存性評(píng)估方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)中的可生存性評(píng)估領(lǐng)域，具體地說(shuō)是一種適用于受攻擊無(wú)線傳感網(wǎng)的可生存性評(píng)估方法。
【背景技術(shù)】
[0002]無(wú)線傳感網(wǎng)是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外備受關(guān)注的、涉及多學(xué)科交叉的前沿?zé)狳c(diǎn)領(lǐng)域，它綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)、分布式處理技術(shù)等，能夠通過(guò)各種集成化的傳感節(jié)點(diǎn)，協(xié)作地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息。無(wú)線傳感網(wǎng)具有十分廣闊的應(yīng)用前景，在軍事、工農(nóng)業(yè)、城市管理、生物醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測(cè)等眾多領(lǐng)域都有實(shí)際與潛在的實(shí)用價(jià)值。
[0003]為了保證無(wú)線傳感網(wǎng)應(yīng)用的順利實(shí)現(xiàn)，要求無(wú)線傳感網(wǎng)可靠、可用，甚至是在傳感節(jié)點(diǎn)被惡意攻擊時(shí)仍能正常地支持具體的應(yīng)用，這種在出現(xiàn)包括攻擊和大規(guī)模自然災(zāi)害等危險(xiǎn)的情況下仍能及時(shí)完成某項(xiàng)任務(wù)所具有的能力就是無(wú)線傳感網(wǎng)的可生存能力。由于攻擊技術(shù)的不斷增強(qiáng)，保護(hù)無(wú)線傳感網(wǎng)完全不受攻擊或破壞是不現(xiàn)實(shí)的，提高無(wú)線傳感網(wǎng)的可生存性是目前解決故障和攻擊問(wèn)題的一種有效方法。目前，容錯(cuò)、容侵、自再生是最常見(jiàn)的無(wú)線傳感網(wǎng)可生存保障技術(shù)，然而，要使用這些保障技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)可生存性評(píng)估是前提和關(guān)鍵。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)可生存性評(píng)估，利用具體數(shù)值較準(zhǔn)確地描述網(wǎng)絡(luò)的狀況，實(shí)現(xiàn)量化分析，可為無(wú)線傳感網(wǎng)提供是否啟動(dòng)可生存保障機(jī)制的決策依據(jù)。
[0004]現(xiàn)有的專(zhuān)利文獻(xiàn)中，已出現(xiàn)與可生存性評(píng)估相關(guān)的一些方法，但這些方法未考慮傳感節(jié)點(diǎn)在惡意攻擊者實(shí)施攻擊后導(dǎo)致的狀態(tài)變換，也未考慮無(wú)線傳感網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因此不能直接應(yīng)用于受攻擊的無(wú)線傳感網(wǎng)。
[0005]中國(guó)專(zhuān)利200410061406.7公開(kāi)了一種具有時(shí)間約束的分布式軟件可靠性評(píng)估系統(tǒng)，包括位于總控制端的可靠性評(píng)估器、位于分布式系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)機(jī)上的節(jié)點(diǎn)機(jī)模擬器和分布式軟件模擬器，該發(fā)明選取可靠度和平均無(wú)故障時(shí)間作為主要測(cè)試指標(biāo)，主要適用于分布式軟件的可靠性評(píng)估。
[0006]中國(guó)專(zhuān)利200510086907.5公開(kāi)了一種網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)的安全性及生存性評(píng)估的系統(tǒng)和方法，系統(tǒng)包括信息采集模塊、漏洞探測(cè)模塊、測(cè)試驗(yàn)證模塊、安全性及生存性評(píng)估模塊和數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)信息采集、漏洞探測(cè)、測(cè)試驗(yàn)證等過(guò)程，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的安全性和生存性評(píng)估，該發(fā)明主要適用于網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)的可生存性評(píng)估。
[0007]中國(guó)專(zhuān)利200710144819.5公開(kāi)了一種網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)的生存能力的仿真判定方法，通過(guò)建立系統(tǒng)的工作流模型、在出現(xiàn)資源失效的情況下建立失效模型和容錯(cuò)模型，形成網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)生存性模型，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)生存能力的評(píng)估，該發(fā)明主要適用于網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)的可生存性評(píng)估。
[0008]中國(guó)專(zhuān)利200810178447.2公開(kāi)了一種網(wǎng)絡(luò)可靠性評(píng)估方法、裝置和系統(tǒng)，通過(guò)獲取網(wǎng)絡(luò)中的至少一種設(shè)備的故障模式和相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)參數(shù)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的可靠性進(jìn)行評(píng)估，該發(fā)明主要適用于對(duì)未投入運(yùn)營(yíng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案的預(yù)計(jì)評(píng)估以及對(duì)已運(yùn)營(yíng)的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行可靠性評(píng)估。
[0009]中國(guó)專(zhuān)利200910007627.9公開(kāi)了一種網(wǎng)絡(luò)突發(fā)毀擊事件的度量和評(píng)估方法，通過(guò)對(duì)突發(fā)事件的被動(dòng)感知和主動(dòng)檢測(cè)，將所得結(jié)果歸并后進(jìn)行過(guò)濾分析，再根據(jù)歸并結(jié)果劃分事件等級(jí)，實(shí)現(xiàn)故障原因的定位，最后根據(jù)事件等級(jí)來(lái)確定如何調(diào)整協(xié)議機(jī)制的運(yùn)行，該發(fā)明主要適用于在網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)突發(fā)毀擊事件時(shí)的可生存性評(píng)估。
[0010]中國(guó)專(zhuān)利200910040439.6公開(kāi)了一種評(píng)估電力通信網(wǎng)可靠性的方法，通過(guò)在預(yù)先建立的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲胁檎胰我鈨蓚€(gè)節(jié)點(diǎn)之間的所有路徑，為路徑集創(chuàng)建可靠性表達(dá)式數(shù)組，再由預(yù)設(shè)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的可靠性參數(shù)通過(guò)計(jì)算獲得路徑集的可靠度，對(duì)可靠性進(jìn)行評(píng)估，該發(fā)明主要適用于電力通信網(wǎng)的可靠性評(píng)估。
[0011]另外，國(guó)內(nèi)外期刊論文提出的一些可生存性評(píng)估方法也僅適用于信息服務(wù)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)系統(tǒng)、軍事信息網(wǎng)絡(luò)、自律入侵容忍系統(tǒng)、數(shù)字圖書(shū)館云計(jì)算平臺(tái)、嵌入式系統(tǒng)、分布式系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)，不適用于受攻擊的無(wú)線傳感網(wǎng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，提供一種適用于受攻擊無(wú)線傳感網(wǎng)的可生存性評(píng)估方法，考慮傳感節(jié)點(diǎn)在惡意攻擊者實(shí)施攻擊后導(dǎo)致的狀態(tài)變換以及無(wú)線傳感網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，針對(duì)受攻擊無(wú)線傳感網(wǎng)的特性，利用具體數(shù)值準(zhǔn)確地描述網(wǎng)絡(luò)的狀況，實(shí)現(xiàn)量化分析，以達(dá)到為無(wú)線傳感網(wǎng)提供是否啟動(dòng)可生存保障機(jī)制的決策依據(jù)的目的。
[0013]為此，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:一種適用于受攻擊無(wú)線傳感網(wǎng)的可生存性評(píng)估方法，它包括以下步驟:
[0014]I)確定一個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)在整個(gè)生命期中的狀態(tài)；
[0015]2)利用非零和隨機(jī)博弈理論建立惡意攻擊者和無(wú)線傳感網(wǎng)之間的博弈模型，計(jì)算惡意攻擊者的最優(yōu)攻擊策略；
[0016]3)構(gòu)建基于馬爾可夫過(guò)程的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，計(jì)算馬爾可夫過(guò)程的穩(wěn)態(tài)概率；
[0017]4)計(jì)算一個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)的平均無(wú)故障時(shí)間；
[0018]5)計(jì)算一個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)的可靠度；
[0019]6)計(jì)算一個(gè)簇的可靠度；
[0020]7 )計(jì)算一條路由的可靠度；
[0021]8)計(jì)算整個(gè)受攻擊無(wú)線傳感網(wǎng)的可靠度；
[0022]9)計(jì)算整個(gè)受攻擊無(wú)線傳感網(wǎng)的生存期。
[0023]上述評(píng)估方法針對(duì)采用聚簇結(jié)構(gòu)的無(wú)線傳感網(wǎng)，通過(guò)確定一個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)在整個(gè)生命期中的狀態(tài)，并考慮其在受到攻擊后的狀態(tài)變化，再利用非零和隨機(jī)博弈理論得到惡意攻擊者期望動(dòng)機(jī)的博弈模型和惡意攻擊者在各“階段博弈”的最優(yōu)攻擊概率，建立受攻擊傳感節(jié)點(diǎn)的生命期模型，再通過(guò)計(jì)算一個(gè)受攻擊傳感節(jié)點(diǎn)的平均無(wú)故障時(shí)間，依次得到整個(gè)受攻擊無(wú)線傳感網(wǎng)的可靠度值和生存期值，實(shí)現(xiàn)受攻擊無(wú)線傳感網(wǎng)的可生存性評(píng)估，該生存期值將為是否啟動(dòng)可生存保障機(jī)制給出決策依據(jù)。上述評(píng)估方法利用具體的數(shù)值描述網(wǎng)絡(luò)的狀況，實(shí)現(xiàn)量化分析，使評(píng)估準(zhǔn)確、可靠。
[0024]作為上述評(píng)估方法的改進(jìn)，步驟I中傳感節(jié)點(diǎn)在整個(gè)生命期中的狀態(tài)包括健康H、脆弱V、衰弱W、妥協(xié)C、失敗F，當(dāng)傳感節(jié)點(diǎn)未受到攻擊時(shí)，其狀態(tài)為H ;當(dāng)惡意攻擊者通過(guò)探測(cè)發(fā)現(xiàn)傳感節(jié)點(diǎn)存在漏洞時(shí)，傳感節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換為V ;當(dāng)惡意攻擊者利用傳感節(jié)點(diǎn)存在的漏洞發(fā)動(dòng)攻擊時(shí)，傳感節(jié)點(diǎn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換為W ;當(dāng)惡意攻擊者持續(xù)攻擊并突破傳感節(jié)點(diǎn)的安全防線時(shí)，傳感節(jié)點(diǎn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換為C，此時(shí)傳感節(jié)點(diǎn)已被破壞或變成惡意傳感節(jié)點(diǎn)，干擾整個(gè)無(wú)線傳感網(wǎng)的通信；當(dāng)傳感節(jié)點(diǎn)因?yàn)榕既坏能浻布收蠈?dǎo)致失效時(shí)，其狀態(tài)轉(zhuǎn)換為F。傳感節(jié)點(diǎn)在整個(gè)生命期中的狀態(tài)清晰、完整、可靠，使得后續(xù)計(jì)算更加精確。
[0025]作為上述評(píng)估方法的改進(jìn)，步驟2中的博弈模型為一個(gè)五元組G（N,gamma,A,Q U),其中，N = {惡意攻擊者，無(wú)線傳感網(wǎng)}，表示參與者集合；gamma = {gammav, gammaW, gammaj，表示非零和“階段博弈”集合，gammaV、gammaw、gammac分別對(duì)應(yīng)受攻擊傳感節(jié)點(diǎn)v、w、c的三個(gè)狀態(tài)；.Α =.AχA ,表示惡意攻擊者可采取策略集合與無(wú)線傳感網(wǎng)可采取策略集合的笛卡爾積，為=丨攻擊(β),不攻擊(Φ)}，是惡意攻擊者可采取的策略集合，為爿防御Uh循御丨，是無(wú)線傳感網(wǎng)可采取的策略集合；.Q,u.丨，是由各“階段博弈”轉(zhuǎn)移矩陣組成的集合，Qvw表示從“階段博弈” rv轉(zhuǎn)換到rw的轉(zhuǎn)換矩陣，Qw。表示從“階段博弈” rw轉(zhuǎn)換到r。的轉(zhuǎn)換矩陣；W=IUr,U,.,u￡.}，是由各“階段博弈”的支付矩陣組成的集合,Uv表示“階段博弈” gammaν的支付矩陣，Uff表示“階段博弈” rw的支付矩陣，Uc表示“階段博弈” r c的支付矩陣；
[0026]在Q=丨Qf.w.,Q?,e丨中，Qvff的矩陣元素表示為C.計(jì)算方法如公式
【權(quán)利要求】
1.一種適用于受攻擊無(wú)線傳感網(wǎng)的可生存性評(píng)估方法，它包括以下步驟: .1)確定一個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)在整個(gè)生命期中的狀態(tài)； . 2)利用非零和隨機(jī)博弈理論建立惡意攻擊者和無(wú)線傳感網(wǎng)之間的博弈模型，計(jì)算惡意攻擊者的最優(yōu)攻擊策略； .3)構(gòu)建基于馬爾可夫過(guò)程的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，計(jì)算馬爾可夫過(guò)程的穩(wěn)態(tài)概率； . 4)計(jì)算一個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)的平均無(wú)故障時(shí)間； . 5)計(jì)算一個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)的可靠度； .6)計(jì)算一個(gè)簇的可靠度； . 7)計(jì)算一條路由的可靠度； . 8)計(jì)算整個(gè)受攻擊無(wú)線傳感網(wǎng)的可靠度； .9)計(jì)算整個(gè)受攻擊無(wú)線傳感網(wǎng)的生存期。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適用于受攻擊無(wú)線傳感網(wǎng)的可生存性評(píng)估方法，其特征在于:步驟I中傳感節(jié)點(diǎn)在整個(gè)生命期中的狀態(tài)包括健康H、脆弱V、衰弱W、妥協(xié)C、失敗F，當(dāng)傳感節(jié)點(diǎn)未受到攻擊時(shí)，其狀態(tài)為H ;當(dāng)惡意攻擊者通過(guò)探測(cè)發(fā)現(xiàn)傳感節(jié)點(diǎn)存在漏洞時(shí)，傳感節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換為V ;當(dāng)惡意攻擊者利用傳感節(jié)點(diǎn)存在的漏洞發(fā)動(dòng)攻擊時(shí)，傳感節(jié)點(diǎn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換為W ;當(dāng)惡意攻擊者持續(xù)攻擊并突破傳感節(jié)點(diǎn)的安全防線時(shí)，傳感節(jié)點(diǎn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換為C，此時(shí)傳感節(jié)點(diǎn)已被破壞或變成惡意傳感節(jié)點(diǎn)，干擾整個(gè)無(wú)線傳感網(wǎng)的通信；當(dāng)傳感節(jié)點(diǎn)因?yàn)榕既坏能浻布收蠈?dǎo)致失效時(shí)，其狀態(tài)轉(zhuǎn)換為F。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種適用于受攻擊無(wú)線傳感網(wǎng)的可生存性評(píng)估方法，其特征在于:步驟2中的博弈模型為一個(gè)五元組Gd, , A Q, W)，其中，# =德意攻擊者，無(wú)線傳感網(wǎng)丨，表示參與者集合；r = {rv, rff, rJ，表示非零和“階段博弈”集合，gammav、gammaw、gammac分別對(duì)應(yīng)受攻擊傳感節(jié)點(diǎn)V、W、C的三個(gè)狀態(tài)；《4=為χΛ *表示惡意攻擊者可采取策略集合與無(wú)線傳感網(wǎng)可采取策略集合的笛卡爾積，為=丨攻擊(《),不攻擊(#)丨，是惡意攻擊者可采取的策略集合，為={_御不?御(#) }?是無(wú)線傳感網(wǎng)可采取的策略集合；Q= {Qnr^Qn.}，是由各“階段博弈”轉(zhuǎn)移矩陣組成的集合，Qvw表示從“階段博弈” ν轉(zhuǎn)換到rw的轉(zhuǎn)換矩陣，Qw。表示從“階段博弈” gammaw轉(zhuǎn)換到^的轉(zhuǎn)換矩陣；W={U,.，U?.，IU?是由各“階段博弈”的支付矩陣組成的集合，Uv表示“階段博弈” gammaν的支付矩陣，Uw表示“階段博弈” gammaw的支付矩陣，Uc表示“階段博弈” r c的支付矩陣；
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種適用于受攻擊無(wú)線傳感網(wǎng)的可生存性評(píng)估方法，其特征在于:步驟3中的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣表示為P，計(jì)算方法如公式
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種適用于受攻擊無(wú)線傳感網(wǎng)的可生存性評(píng)估方法，其特征在于:步驟4中所述的一個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)表示為Sensor,其平均無(wú)故障時(shí)間表示為MTTFSmsOT,計(jì)算方法如公式MTTFSensOT = Xffork(O) (-P1Fh所示，其中，Xffork(O)的計(jì)算方法如公式XWOTk(0)=[XH Xv Xw]/[XH Xv Xw]h所示，P1的計(jì)算方法如公式

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種適用于受攻擊無(wú)線傳感網(wǎng)的可生存性評(píng)估方法，其特征在于:步驟5中所述的可靠度表示為R—⑴，計(jì)算方法如公式⑴=exp (- λ t)所



I示，其中，λ的計(jì)算方法如公式A = MTTF^所示。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種適用于受攻擊無(wú)線傳感網(wǎng)的可生存性評(píng)估方法，其特征在于:步驟6中所述的一個(gè)簇表示為Cluster，其可靠度表示為Rauste (t)，計(jì)算方法如公式Rc
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種適用于受攻擊無(wú)線傳感網(wǎng)的可生存性評(píng)估方法，其特征在于:步驟7中所述的一條路由表示為Route，其可靠度表示為Rlteute (t)，計(jì)算方法如公式REoute (t) = Q-(l_exp(-X t))m)n所示,其中，η表示一條路由經(jīng)過(guò)的簇?cái)?shù)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種適用于受攻擊無(wú)線傳感網(wǎng)的可生存性評(píng)估方法，其特征在于:步驟8中所述的整個(gè)受攻擊無(wú)線傳感網(wǎng)的可靠度表示為R(t)，計(jì)算方法如公式R(t)=l-Gl-a-expGXt))"1)11)1所示，其中，I表示整個(gè)無(wú)線傳感網(wǎng)中從源節(jié)點(diǎn)到基站的所有可用路由數(shù)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種適用于受攻擊無(wú)線傳感網(wǎng)的可生存性評(píng)估方法，其特征在于:步驟9中所述的整個(gè)受攻擊無(wú)線傳感網(wǎng)的生存期表示為ST，計(jì)算方法如公式
【文檔編號(hào)】H04L12/26GK103532761SQ201310492891
【公開(kāi)日】2014年1月22日 申請(qǐng)日期:2013年10月18日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月18日
【發(fā)明者】沈士根, 杜選, 葉培松, 韓日昇, 李宏杰 申請(qǐng)人:嘉興學(xué)院