基于小世界的无线传感器网络病毒传播与防范策略研究

With the extensive application of wireless sensor networks, the security issues are increasingly highlighted, while the epidemics and anti-virus have incurred heavy attention in the field of network security. We mainly investigate the dynamics of the epidemics and explore the immune strategies in wireless sensor networks with the small-world phenomena. First of all, with abstracting and inducing, we select the abstract of network topologies, upon which the specific small-world model of wireless sensor network is established via "reconnecting edges" or "adding edges" with a certain shortcut probability. Based on the small-world abstract, the mathematical analysis of epidemics on wireless sensor networks is given with the percolation theory, statistics and differential equations. Furthermore, with the graph theory, computational geometry and statistical theory, we study the virus propagation on network structures with various immune strategies and put forward the reasonable and effective immune mechanisms. Finally, we will simulate the virus spread on the real wireless sensor networks and verify the accuracy of the propagation laws and the efficiency of immune strategies.

随着无线传感器网络的广泛应用，其网络安全问题日渐突出，而病毒的传播与防范又是网络安全的研究重点之一。本课题主要研究病毒在具有小世界效应的无线传感器网络中传播的动力学规律，并针对传播规律研究防范策略。通过抽象归纳法选择代表性网络拓扑模型并通过一定概率的"断边重连"或"加边"来构建无线传感器网络模型，以真实反映小世界效应；在此基础上采用侵蚀理论、统计学和微分方程分析病毒传播过程，得出无线传感器网络中的病毒传播数学解析模型；再结合图论、计算几何、对比统计学理论研究病毒在不同免疫机制和网络结构下的传播规律，提出合理的病毒防范策略；最后，利用IRIS节点上的缓冲区溢出攻击来模拟病毒在真实无线传感器网络中的传播，验证传播规律的准确性和防范策略的有效性。

在无线传感器网络中，由于节点全向天线的使用，节点的随机移动、新节点的加入和其他随机因素的干扰会在网络中引起小世界现象，并且带来网络结构特性和动力学特性的变化。本课题着眼于研究无线传感器网络的小世界特征，分析小世界现象下计算机蠕虫病毒对网络的攻击情况及传播规律，研究网络的病毒免疫策略，并基于小世界理论设计树形无线传感器网络的导航算法等。. 小世界现象伴随着网络结构中随机边的出现，无线传感器网络中产生了一定数量的短路径。计算机蠕虫病毒在攻击传感器节点的过程中沿着网络结构边和这些短路径在网络中迅速蔓延。本文针对树形网络拓扑结构建立Cayley-SW模型，并考虑由感染节点连接而成的簇的形成过程和分布情况，依据侵蚀理论提出两种模型分析感染概率阈值。只有当节点的感染概率大于感染概率阈值时，病毒传播过程才能继续，并扩散至整个网络。. 本课题建立基于Cayley-SW的病毒传播模型，研究当节点感染概率大于感染概率阈值时，病毒在树形无线传感器网络中的传播规律。分析结果显示，网络中的感染节点数目随病毒传播时间近似呈指数关系增大，病毒在小世界现象下无线传感器网络中的传播速度加快。. 为遏制病毒在无线传感器网络中的肆意扩散，本课题基于病毒的传播过程提出两种病毒免疫策略：随机免疫策略和临时免疫策略。在随机免疫策略下，病毒在网络中的传播形式并没有发生大的改变，感染节点数目随病毒传播时间近似呈指数关系增长，但是此免疫策略有效地减缓了病毒在网络中的传播速度。在临时免疫策略下，病毒在网络中表现出与随机免疫策略下完全不同的传播形式，感染节点的数目随病毒传播时间呈现出周期性变化形式，感染时间与免疫时间也直接影响着病毒的传播过程。. 小世界现象使得无线传感器网络的结构特性发生变化，网络内短路径的出现使得数据包转发路径随之发生改变。本课题提出基于小世界理论设计树形无线传感器网络的导航算法，依据节点的邻居节点位置信息和其他网络局部结构信息在网络中构建长程连接，实现数据包的快速转发，并分析了导航算法的效率。. 本文的研究结论为设计新型无线传感器网络安全协议、数据融合算法等，提供了理论依据。