无线干扰攻击空间域建模与攻防内在机理研究

The wireless networks are vulnerable to jamming attacks because of the dynamic links and broadcasting nature of wireless communication.It is of great importance for the enhancement of network reliability and security to study the issues of jamming attacks in wireless networks.We have studied the jamming attacks for several years and observe that,the existing jamming attack models are only considered from time dimension and lack consideration of modeling in space domain.What's more,the quantitative analysis of underlying mechanism and game-theory based modeling between the jamming attacks and corresponding countermeasures are scarce. The proposal is proposed based on our research experience and the practical research demand in this field.In this proposal, we first put forward the location based spatial jamming attack model which combines important factors,and it breaks the oneness of jamming attack models in time domain. Secondly,through the designing of real experiments, we introduce the quantitative analysis of anti-jamming in the wireless network, which breaks the limitation of qualitative analysis in the existing work and will provide the foundations for anti-jamming data transmission.At last, the existing work only considers the games between the jammer and single node in wirless network. We analyse the gaming strategies between the jammer and network nodes. The collisions of normal data transmission among nodes are first considered, which is never explored in current work.

无线网络链路的动态脆弱性和通信媒介的开放广播特性使得其极易受到干扰攻击的影响，研究无线网络中干扰攻击相关问题对于提高网络的可靠性和安全性具有重要的现实意义，课题组在这方面已取得部分研究成果。已有的干扰攻击模型仅从时间维度考虑，缺少空间域建模的考量；另一方面，已有工作缺少对干扰攻击与防御两者内在机理的量化分析与博弈建模。本课题立足申请者的切身体会，针对当前无线网络干扰攻击研究的实际需求，提出考虑多种因素在内的基于位置信息的空间域干扰攻击模型，突破了基于时间维度的攻击模型的单一性。通过真实实验设计，突破现有工作定性分析的局限性，给出网络节点抗干扰性的量化分析，为抗干扰数据传输机制设计提供依据。分析干扰源与多网络节点之间的博弈策略，首次考虑网络节点之间的正常数据传输冲突，突破以往单纯考虑干扰源与孤立节点的博弈分析方法。

阐述了无线网络中干扰攻击相关问题的重要意义和面临的挑战，从攻和防两个方面综述了当前干扰攻击的研究现状和主要成果。攻主要是指干扰攻击建模与评测，当前的攻击模型只考虑了时间域上的攻击方式，缺乏空间维度上的思考。防则包含攻击的检测与抵御机制，干扰攻击的检测方法研究已相对成熟，而主动防御特别是干扰源定位研究则相对缺乏。另一方面，缺少攻防之间策略改变的内在分析。因此，针对当前已有研究成果存在的不足，分别从干扰攻击模型、干扰源定位以及干扰攻防博弈三个方面，展开了研究。.已有的干扰模型均是在时间维度考虑如何设计一个有效的干扰攻击方式或手段，但在面向应用的无线网络中，位置信息至关重要。我们提出如下问题：“在有k个干扰源的情形中，攻击者如何放置这些干扰源，以使网络中节点与节点之间的连通度最小？”。将上述问题归纳为k-干扰源部署问题（k-Jammer Deployment Problem，k-JDP）。首先，从网络节点之间连通度的角度出发，将k-JDP形式化，并证明了该问题即使在理想情况下（攻击者掌握了传感器网络全局拓扑信息），依然是NP完全的。第二，为了试图求出k-JDP的最优解，给出了该问题的整数线性规划模型，并证明了其表示的正确性；第三，为了计算的高效性，提出了一种基于独立集相关理论的启发式算法，并通过模拟实验证明了其有效性。.已有的与干扰攻击问题相关的研究成果主要集中在攻和防两个相对独立的研究点上。在攻击环境下，干扰者的“攻”与网络或网络节点的“防”之间究竟是如何交互进行的，即双方“攻”和“防”策略选择的改变是基于一个什么样的理论前提？网络在干扰攻击环境下，是否存在稳定状态？以上问题的提出，对于了解网络攻防的内在机理，分析攻击者的攻击策略以及网络本身的防守策略都具有重要的意义。基于以上分析，我们将一个攻击者和n个网络节点之间的攻防问题形式化为具有（n+1）个参与人参与的有限非合作博弈。网络节点的目的则是在综合考虑节点间干扰和面临攻击的前提下，最优化自己的支付；而攻击者则尽可能的破坏网络性能并同时最小化能耗。根据相关的博弈理论，得出形式化后的（n+1）有限非合作博弈存在混合策略纳什均衡（mixed strategy Nash equilibrium，MSNE）。为了找出MSNE，引入虚拟行动学习模型，并通过模拟实验验证了其有效性。