无线传感器网络中抵御洞攻击的机制与方法研究

Wireless sensor networks are important composition of Internet of Things (IoT), which have good application prospects. For hole attacks which has serious threat to data collection security, such as interfering, blocking, intercepting, packets selectively dropping, this project aims at secure data collection in WSNs. First, we research on the time and space characteristics of energy consumption and establish relationship model of energy cost and security strength against hole attack, and then explore the relation between secure data collection and network energy characteristics, as well as establish the energy efficiency solution against hole attacks. Through active detecting which obtains nodal trust, we construct trust routing mechanism against hole attacks at system level, moreover, we combine traditional hole attack avoiding strategies with active detecting strategy to gain better performance. Besides, we explore hole attack avoiding strategy though data mixing strategy and deploying different data expanding and forwarding methods in different regions of the network. We research on hole attack avoiding theory model through separately validating data by data. In summary, by proposing secure, trustable and energy efficiency mechanism against hole attacks, this project can provide theoretical and technical support for the application and development of wireless sensor networks.

无线传感器网络是物联网络的重要组成部分，具有很好的应用前景。针对无线传感器网络中存在一类干扰、阻断、截听、选择性丢弃数据包等严重威胁数据收集的称之为洞攻击的行为，本项目开展无线传感器网络中数据安全收集的研究。本课题拟首先研究传感器网络能量消耗时间与空间特征，建立抵御洞攻击的能量代价与安全强度的相互关系模型以及传感器网络数据收集安全强度所需能量与网络能量特征间的藕合关系，研究与建立能量高效的洞攻击避免的理论与方法。研究通过主动探测路由方法来快速获取节点信任度，建立具有系统层面上抵御洞攻击的可信路由机制与方法；研究传统洞攻击避免与主动防御洞攻击相结合的安全策略。建立对不同网络区域的数据收集采用不同扩散与转移方法、数据混合策略以避免黑洞攻击的方法；研究逐数据、独立确认的灰洞攻击抵御理论与模型。最后，实现安全、可信与能量高效的抵御洞攻击的机制与方法，为无线传感器网络的应用与发展提供理论与技术支持。

无线传感器网络在国防军事、环境监测、医疗卫生、交通运输、工业控制等领域有着很好的应用前景。 但容易遭受到一类例如俘获、窃听、拒绝服务(denial of service, DOS)、黑洞攻击(black hole attack)、灰洞攻击(gray hole attack，又称选择性转发攻击)等的洞攻击行为。因而开展无线传感器网络中抵御洞攻击的研究具有很好的意义。. 在本项目中，我们通过研究建立了抵御洞攻击的能量代价与安全性能间的关系模型，以及无线传感器网络能量消耗特征模型。基于以上两个模型，建立传感器网络抵御洞攻击安全强度、网络能量消耗以及网络性能(网络寿命)之间的优化耦合关系模型；设计了能量与安全代价折中优化的黑洞避免路由机制，主动探测与黑洞避免的方法研究；设计了多种高效的gray hole(选择性)攻击抵御方法与机制；基于主动性探测信任构造方法，提出了基于信任机制的洞攻击避免与抵御方法与机制；还对无线传感器网络隐私保护如sink的位置隐私保护，节点的位置隐私保护进行了很好的研究，达到了国际水平。还深入的研究了传感器网络的目标监测，可靠性数据传输，网络寿命延长，数据传输延迟等性能优化进行了深入的研究，在以上方面都提出的相应的优化的方法与策略，所提出的优化策略对比已有的策略在性能方面普通得到了超过10%，有部分性能指标甚至比已有的策略好2倍以上。课题还提出了一种分布式的能量效率高的传感网络中抵御克隆(clone)攻击的策略。最后，本课题对洞攻击行为的相互关系模型与系统性的综合优化研究。全部完成了课题的研究任务。并在课题上获得了新的进展，为本课题的进一步研究打下了很好的基础。. 在课题的研究中，标注基金资助的SCI总论文数量达到73篇。申请发明专利18项，其中获得授权3项；获得教育部高等学校科学研究优秀成果一等奖1项。产出ESI高引(1%)论文29篇，热点论文4篇，前千分之一(1‰)引用论文3篇。由上可见本课题积极开展研究，完全实现了课题预期的目标。