无线传感器网络中基于信任管理机制的安全层次路由协议研究

The open operation environment of Wireless Sensor Networks (WSNs) makes data vulnerable to various types of attacks in the routing process. Since traditional encryption and authentication based security mechanisms can’t withstand the attacks from internal compromised nodes, in this project we intend to research secure hierarchical routing protocols for large-scale WSNs by combining node trust management mechanism with network clustering model. At first, we will analyze the evolution process of behavioral dynamic monitoring game combined with behavior value prediction and expected trust evaluation models, to achieve the equilibrium between energy and security by monitoring duration. And then, considering the fuzziness and randomness of behavior data, we will establish a two-level trust evaluation model, where fuzzy inference for behavior data, multi-source trust information fusion, normal trust cloud reconstruction and classification will be implemented for the best matching trust level acquiring. At last, since the conflicts and choices faced by each node between obtaining secure data transmission guarantees and providing network services during the process of clustering, a penalty mechanism will be introduced into the clustering game for the fusion of trust and energy factors, and the secure hierarchical routing protocol will be designed on the base of equilibrium between network security and resource consumption. Our research results will provide novel approaches for secure and energy-efficient data routing, and this subject can enrich and develop the basic theory of secure routing for WSNs which has important scientific significance and application value.

无线传感器网络开放的工作环境导致数据在路由过程中极易遭受各类攻击。由于传统基于加密和认证技术的安全机制无法抵御来至内部妥协节点的攻击，因此本项目将结合节点信任管理机制和分簇网络模型，研究适用于大规模无线传感器网络的安全层次路由协议：引入行为价值预测与信任期望评估模型，研究节点行为动态监测博弈演化规律，实现监测时间在能量和安全之间的均衡；针对行为数据的模糊和随机性，建立对节点的两级信任评估模型，完成行为数据的模糊推理、多源信任信息融合以及正态信任云重构与分类，以获得节点最佳匹配信任等级；针对分簇过程中节点在获得安全数据传输保障和提供网络服务之间面临的冲突和抉择问题，引入惩罚机制将信任和能量因子融入分簇博弈模型，完成安全层次路由协议的设计并实现网络安全性能和资源消耗的均衡。研究成果预期为实现数据安全高能效传输提供新的途径，丰富和发展无线传感器网络安全路由基础理论，具有重要的科学意义和实用价值。

由于传感网独特的特性和约束，可信和安全的数据传输极具挑战。为了确保传感网数据传输安全，本项目从节点行为动态监测、信任评估、网络分簇三个方面开展研究，并取得了一些成果。项目组发表（录用）论文共10篇，其中IEEE Trans.系列2篇；申请发明专利4项，其中已授权1项。项目组代表性成果包括:（1）针对行为证据采集中的能耗与安全保障冲突问题，提出了一种基于博弈理论的传感器节点行为动态监测方法，可以均衡行为监测中的能耗与安全风险;（2）针对工业传感网信任评估中的证据不确定性问题，提出了一种具有模糊信任评估和离群点检测的传感网安全分簇路由协议，可以减轻证据不确定性对信任评估精度的影响;（3）针对医疗物联网信任评估中的证据不确定性问题，提出了一种基于智能信任云管理的医疗物联网安全分簇路由协议，可以减轻证据不确定性对信任评估精度的影响;（4）针对传感网分簇路由中的能耗与安全保障冲突问题，提出了一种基于演化博弈的安全分簇路由协议，可以均衡分簇路由中的能耗与安全风险;（5）针对大规模传感网分簇路由中的热区问题，提出了一种基于区间二型模糊逻辑的非均匀分簇路由算法，可以均衡大规模传感网分簇路由中节点间的能耗。这些理论研究成果将为传感网安全分簇路由协议的设计提供理论和技术指导，并进一步促进传感网的应用推广。