无线传感器网络安全中基于博弈论的若干关键问题研究

Recently, intrusion detection, trust, and survivability in Wireless Sensor Networks (WSNs), due to their necessity, have been interesting for network researchers. Using game theory, in this project we attempt to solve several crucial issues including when to launch the Intrusion Detection System (IDS), how to make a trust decision, and how to predict the expected attacker behavior employed in the survivability evaluation. According to the characteristics of these issues, we will employ various games. The signaling game will be applied to construct the intrusion detection game based on the detection rate and the false-alarm rate of the IDS as well as the network-packet-loss rate, and then to determine the optimal strategy for launching the IDS. The evolutionary game will be used to set up the trust game based on fuzzy trust degrees of sensor nodes, and to disclose the dynamics of trust evolution of sensor nodes. We thus can found the theoretic foundation to form the WSNs trust mechanism. In addition, we will combine non-zero-sum stochastic game with Markov chain to explore the survivability model for the WSNs attacked. A novel method to evaluate the WSNs survivability will thus be generated. In order to supply these contents above, we will develop a WSNs security test platform upon OPNET. Our research results will have importantly scientific meanings because they will provide novel ways for applying the WSNs IDS, communicating with trust sensor nodes, and attaining the highly survival WSNs, which lead to the fact that the basic theory of WSNs security will be complemented.

本项目瞄准无线传感器网络安全中的入侵检测、信任、可生存性等重要研究领域，利用博弈论方法解决入侵检测系统何时开启、信任决策和演化、可生存性评估中的攻击行为预测等关键问题。在考虑入侵检测系统检测率、误报率和网络数据丢包率基础上，研究基于信号博弈的无线传感器网络入侵检测模型，确定何时启动入侵检测系统的最优策略；在考虑节点信任度模糊性基础上研究基于演化博弈的无线传感器网络节点信任模型，揭示节点信任演化动力学规律，为无线传感器网络信任机制的建立奠定理论基础；基于非零和随机博弈和Markov链研究受攻击无线传感器网络可生存性模型，形成可生存性分析的理论和方法；以现有的OPNET通信仿真系统为基础，研发无线传感器网络安全测试平台，为本项目研究提供实验支撑。研究成果预期为无线传感器网络中的入侵检测系统应用、可信通信、高可生存性实现提供新的途径，对丰富无线传感器网络安全基础理论，具有重要的科学意义。

本项目瞄准无线传感器网络（WSNs）安全中的入侵检测、信任、可生存性等重要研究领域，研究内容和结果主要包括：（1）基于博弈论对WSNs入侵检测和恶意程序防御控制进行了系列研究。提出了基于信号博弈的WSNs入侵检测模型，设计了入侵检测系统运行机制；提出了基于微分博弈的恶意程序防御模型，给出了最优控制策略；提出了一种随机演化联盟博弈框架，给出了针对攻击者的自适应防御策略；提出了一种比纳什均衡更现实的最优反应均衡策略；提出了基于博弈论和模糊逻辑的协调器节点选择算法；提出了一种基于云计算的入侵检测系统框架和基于信号博弈的入侵检测系统报告博弈模型。（2）基于演化博弈对WSNs节点信任演化动力学进行了系列研究。分别提出了基于复制动态、概率论和模糊理论的WSNs节点信任博弈模型，揭示了节点信任演化规律；提出了一种博弈演化过程中的策略调整机制。（3）基于传染病理论、博弈论、Markov 链和可靠性理论对WSNs可靠度和可生存性评估进行了系列研究。提出了面向受攻击WSNs的可生存性评估方法；揭示了WSNs恶意程序传播规律，提出了面向恶意程序传播的星形和簇形WSNs可靠度和可生存性评估方法。（4）扩展研究方面。基于演化博弈提出了WSNs节点保密率自适应调节方法；基于阶段博弈揭示了面向传感云数据外包中心的传感云用户信任演化规律；基于囚徒困境博弈提出了激励WSNs自私节点转向合作的方法；基于演化博弈提出了优化移动传感网络覆盖容量的方法；基于信号博弈提出了传感云中物理与虚拟传感节点之间自动调整数据流映射的方法；基于微分博弈提出了在线社交网络恶意程序传播优化控制方法；基于随机博弈提出了评估Ad Hoc网络攻击行为的方法；综述了无线纳米传感器网络通信能量相关的开关键控调制方法和节能低码重信道编码的研究现状，提出了一种最小化平均码重的编码方法。研究成果为WSNs中的入侵检测系统应用、可信通信、高可生存性实现提供了新的途径，对丰富WSNs安全基础理论具有重要的科学意义。