无线传感器网络中基于非合作博弈论的安全路由协议的研究

无线传感器网络（WSN）大多被布置在无人值守区域，其媒体开放性决定了该网络容易遭受多种类型的攻击，入侵者可以轻易俘获节点，榨取密钥等信息，实现信息的截获、篡改等。WSN节点的资源有限，使得计算复杂、要求存储空间大或带宽需求高的安全技术无法应用在WSN中。实际上，入侵与防御正在进行的是一场非合作博弈，根据非合作博弈论的原理，可以将网内节点定义为博弈中协同工作的玩家，入侵节点即为竞争者，二者在自组织路径过程中，追求最大收益，作出是否参与路径的抉择。经证明，是否存在安全路径问题是NP完全问题。项目将在研究此NP完全问题的基础上，给出博弈安全模型，研究安全路径上各节点的报酬机制，纳什均衡解求解方法，路由协议中的算法收敛性。目标是通过非合作博弈的方法，将入侵节点或叛变节点排除在路径最优解之外，解决多种针对WSN路由层的攻击问题。同时，此项目对其他无线通信体系中安全路由的研究也具有重要的借鉴作用。

2011年至2014年，物联网技术及应用蓬勃发展。作为物联网技术中的重要组成部分，无线传感器网络（WSN）在应用中面临的安全问题仍然是制约其应用发展的关键瓶颈。其媒体开放性决定了该网络容易遭受多种类型的攻击，入侵者可以轻易俘获节点，榨取密钥等信息，实现信息的截获、篡改等。WSN节点的资源有限，使得计算复杂、要求存储空间大或带宽需求高的安全技术无法应用在WSN中；同时，集成了可穿戴医疗设备、无线网络传输技术、大数据技术的体域网（WBAN）的兴起对WSN的传输安全性提出了迫切要求。项目在三年的执行过程中，首先研究了基于博弈方法的WSN安全路由算法，根据不同应用初始条件，分别引入静态博弈及完全信息重复博弈理论，设计实现了能耗有效的安全路由算法；针对WBAN中信道可用性、位置隐私保护、传输模式防探测的安全需求，设计实现了切实有效的安全机制；进一步地，考虑到能力较强的敌方采用的差分RSSI方法进行位置探测，设计了基于虚拟节点位置的安全算法及基于扇形区域的位置隐私保护算法；对WSN安全性及动态拓扑下的路由算法的研究，启发了传统Internet路由算法及安全性的研究，因此我们提出了基于禁位排列原理的路由决策算法及优化了基于绝对贪心和预期效率的0-1背包问题等。