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移动Ad-Hoc网络(MobileAd-HocNetworks,MANETs)是由一组带有无线收发装置的移动节点组成的一个无线移动通信系统网络,它可以不依赖于预设的网络基础设施而临时组建。网络中移动的节点利用自身的无线收发设备交换信息,当相互不在彼此的通信范围内时,可以借助其他节点的中继来实现信息的交换。MANETs自身的灵活组网方式和高抗毁性等特点,使得它在战场通信指挥和控制方面发挥出重要的作用,同时,在移动会议、传感器网络,以及即将建立的物联网中都有着广阔的应用前景。但是网络中节点的恶意行为常会给整个网络带来极大的安全隐患和破坏性,如在作战环境中,若敌方捕获某节点,就会利用它进行恶意攻击(maliciousattack),这会给整个作战通信网络带来极大的破坏,甚至可能导致战争的失败;在物联网中,MANETs不仅被要求能够成功地完成信息采集和处理,而且还要能够完成信息的安全传输。在数据传输过程中,恶意节点会对数据信息进行篡改或故意丢失,这就大大降低了系统的稳定性和利用率,缩短网络的使用寿命。因此,在MANETs中,甄别和筛选恶意节点,以提高网络中节点的交易成功率是十分重要的。研究表明,信任管理可以起到甄别,孤立,排除恶意节点,提高网络中节点的成功交易次数,保证网络健康持续发展以及延长网络寿命的作用。然而,有限的计算,有限的通信带宽和动态的网络拓扑都使得在MANETs中建立信任关系十分困难。MANETs节点间的信任关系不同于其他网络,具有以下特点:(1)无线通信信道的脆弱性;(2)节点的脆弱性;(3)基础设施的缺乏;(4)拓扑结构的动态变化性。从上述特点可以看出,MANETs与目前广泛应用的有线的固定网络存在着巨大的差别,这使得现有固网中许多安全措施难以在MANETs中实施,因此MANETs的安全问题更为突出。由于信任管理是通过收集和处理证据信息,获得经验,并以此为依据做出决策,所以搜集到的信息是否真实、可靠就成为实施信任管理的前提。同时也是网络中节点信誉形成的基础。
移动Ad-Hoc网络的网络结构特点决定着在该网络中的信任管理体制中,信息的搜集和信任传递等方面有着很大的局限性,这直接导致了MANETs的资源闲置及不稳定等问题,直接影响着网络的健壮性和网络的寿命。因此,本文针对MANETs的信任管理中基于声誉的信任管理的两个关键环节:行为监视和声誉评价进行研究。
1)行为监视:
MANETs中,现有的大多数信任模型以直接交易来对服务节点做出评价,这样就不可避免地出现联合欺骗和恶意推荐等问题。为了克服这种问题,前人提出了一种名为Watchdog的监视方法,Watchdog运行于每个节点上,负责监视邻居节点的行为。这种通过本地监视技术来发现和排除不良节点的思想在很多研究中都得到了普遍的应用。
2)基于声誉的信任管理
基于声誉的信任管理就是通过综合分析直接交互经验和其他节点推荐的间接经验,以评估对特定节点的信任程度,并使信任评估结果能正确地体现节点的未来的行为上。信任值会随着节点行为和时间而改变,行为好的节点的信任度增加,而有不良行为的节点的信任值则相应降低;在推荐过程中,来自不同节点的经验在信任评估中所占的权重也会随着时间推移而降低。声誉评价是基于声誉的信任管理的核心问题,其依据是自身通过直接经验和其他节点推荐的间接经验。目前出现了许多对目标节点进行综合评价的声誉评价方案,部分声誉评价方案在MANETs的信任管理方案中得到了应用。如:基于权重的声誉评价方案,对不同推荐路径的推荐信任值进行加权平均,权重由推荐节点的信任值、声誉及时间等因素决定。这种方法简单直观、易于理解,然而,不满足声誉评价的结合率性质,这就会导致相同的信任证据通过不同方式评价会产生不同的结果,并且该模型中的推荐权重参数主观性非常强;Beth模型的声誉综合计算采用简单的算术平均,无法很好地消除恶意推荐所带来的影响,信息论中熵的有关概念及性质也被用于声誉评价。
节点间的直接信任关系是建立信任管理模型的基础。如何能够精确地描述节点间的信任关系,以及准确的描述节点间的信任传递关系则成了任何信任管理模型都要面临的首要问题。因此,本文在总结前人工作的基础上,针对MANETs中节点的自私行为做了如下工作:
1)针对MANETs的网络特点和结构特征:通过精确描述节点间的信任关系和节点间的交易行为,提出了有利于提高网络中节点交易成功率和网络利用率的信任管理模型,可以用来增强网络的安全性和健壮性;
2)提出了一个基于第三方观察者的信任管理模型:该模型通过计算节点相似度的方法选择第三方作为观察者,利用Watchdog机制,通过信息反馈,使得被服务节点能够更全面的交易信息,从而对交易结果进行更精确地判断。增强了节点间信任关系的准确性;
3)建立了有利于精确计算节点声誉的信任管理模型:该模型基于A.Josang等人提出的不确定性模型(通常称为b,d,u模型),同时考虑到交易次数和信任值对信任传递的影响,着重分析不确定度u的产生和变化过程,从根本上研究不确定性u的产生原因,并提出不确定度u会随着交易变化而变化,但是不会变为零的思想。以此为基础建立的声誉评估模型能够更加清晰的描述信任传递过程中的信任变化关系,从而有利于计算节点的声誉值和提高交易的成功率。
本文针对MANETs中节点的自私行为,建立了基于第三方观察者的信任管理模型和有利于精确计算节点声誉的信任管理模型,这两个模型从理论上能够对网络中的自私节点进行判断,在一定程度上能够优化网络的结构和健壮性。