張江山,熊哲源

(1. 江西警察學院科技與信息安全系,江西 南昌 330100;2. 江西中醫(yī)藥大學計算機學院,江西 南昌 330100)

1 引言

無線傳感網(wǎng)絡[1]作為應用范圍最廣、通信能力最強的節(jié)點聯(lián)通性網(wǎng)絡,因具備優(yōu)越的網(wǎng)絡服務質量,被廣泛應用于航空航天、醫(yī)療衛(wèi)生、機械制造、自然災害預防等多個領域。無線傳感網(wǎng)絡的好壞并不僅與其拓撲結構和網(wǎng)絡抗毀性[2]相關,在惡意攻擊隨處可見的復雜網(wǎng)絡體系中,無論是以迂回路由等形式聯(lián)通的大規(guī)模無線傳感網(wǎng)絡,還是以相鄰鏈路等形式聯(lián)通的小規(guī)模無線傳感網(wǎng)絡,均易出現(xiàn)多重連通覆蓋漏洞,因此無線傳感網(wǎng)絡的好壞還與覆蓋漏洞的面積和嚴重程度相關。

由于覆蓋漏洞直接降低無線傳感網(wǎng)絡的可靠性和連通性,因此諸多相關人員已積極投入到無線傳感網(wǎng)多重連通覆蓋漏洞修復方法的研究當中。周鵬[3]等人提出一種基于補丁代碼的Linux安全漏洞修復補丁自動識別方法。通過安全監(jiān)測服務及時搜索無線傳感網(wǎng)絡覆蓋漏洞,并根據(jù)覆蓋漏洞的定義特征擇選補丁代碼,通過將補丁代碼輸入以Linux內核為基礎構建的機器學習模型,實現(xiàn)無線傳感網(wǎng)多重連通覆蓋漏洞修復。關志艷[4]等人提出基于有向概率感知的有向傳感器網(wǎng)絡覆蓋優(yōu)化方法。通過有向概率感知模型識別無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點衰減程度,計算衰減程度較為嚴重的節(jié)點的轉向角度,實現(xiàn)無線傳感網(wǎng)多重連通覆蓋漏洞修復。王婷[5]等人通過節(jié)點收斂速度推導連續(xù)通信任務下覆蓋漏洞的勢場吸附力,通過縮小吸附引力和吸附斥力對抗明顯的虛擬勢場,實現(xiàn)無線傳感網(wǎng)多重連通覆蓋漏洞修復。但是,以上幾種方法無法計算節(jié)點的能量差,導致其應用適用性不夠理想。

覆蓋漏洞是無線傳感網(wǎng)的空白區(qū)域,通常是由于節(jié)點連通不合理或入侵攻擊造成的,漏洞區(qū)域的節(jié)點能量耗盡,嚴重影響無線傳感網(wǎng)的連通性。為此,提出無線傳感網(wǎng)多重連通覆蓋漏洞修復方法。

2 傳感網(wǎng)漏洞提取

無線傳感網(wǎng)絡(WSN)[6]同時具備網(wǎng)絡通信、驅動控制、指令跟蹤、數(shù)據(jù)存儲等能力。無線傳感網(wǎng)絡結構如圖1所示。

圖1 無線傳感網(wǎng)絡結構

如圖1可見,無線傳感網(wǎng)絡由傳感器節(jié)點[7]、控制器[8]和通信執(zhí)行裝置共同組成。其中,傳感器節(jié)點作為體積小、數(shù)量大、功耗低的核心結構,起到收發(fā)通信任務、傳遞通信協(xié)議[9]的作用。控制器的功能較為復雜,能夠監(jiān)測傳輸?shù)刂?保護通信芯片[10]安全運行。通信任務傳輸公式如下

(1)

式中,xn表示無線傳感網(wǎng)絡完全配置所需要的時間;xm表示單周期任務指令;n表示串行收發(fā)信號;m表示指令任務量;α表示多周期任務指令;f2表示無線傳感網(wǎng)絡輸入信道;e表示無線傳感網(wǎng)絡輸出信道。

由此可得通信協(xié)議公式如下

(2)

式中,ro表示通訊沖突;rij表示RF射頻通信頻率;dref表示調頻協(xié)議;s表示通訊信號的能量;β表示校驗異常的無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點;v′表示網(wǎng)絡運行速率。

通信中斷位置定位公式如下

(3)

為提取出傳感網(wǎng)的漏洞,構建節(jié)點間通信傳輸距離的協(xié)調模型為

(4)

未參與目標任務調度的傳感網(wǎng)的漏洞可表示為

(5)

式中,Eij表示節(jié)點序列碼;j表示節(jié)點極坐標;δ2表示節(jié)點虛擬位置信息;yij表示節(jié)點感知半徑;m表示節(jié)點通信半徑。

2.1 漏洞區(qū)域的通信執(zhí)行

基于提取出的傳感網(wǎng)漏洞,以無線傳感網(wǎng)絡結構為基礎,構建漏洞區(qū)域的通信執(zhí)行模型。在無線傳感網(wǎng)絡實際運行中,無線傳感網(wǎng)絡的節(jié)點負載受到隨機部署機制的影響,存在節(jié)點負載不均勻的問題。當同一傳感器節(jié)點被反復激活,該節(jié)點就會因為負載過盈而提早耗盡初始能量。無能量的傳感器節(jié)點又稱休眠節(jié)點,與能量充足的傳感器節(jié)點不同,這類節(jié)點喪失通信能力,成為無線傳感網(wǎng)絡中零信息支持的無效節(jié)點,多個休眠節(jié)點所處的無線傳感網(wǎng)絡區(qū)域被視為零信息支持的無效網(wǎng)絡區(qū)域,即覆蓋漏洞。節(jié)點負載的計算公式如下

Q=1-[(ρ-tconfidentiality)×(c2-tint egrity)×(c3-tavailability)]

(6)

式中,ρ表示傳感器節(jié)點部署密度;tconfidentiality表示無線傳感網(wǎng)絡的空間平滑性;c2表示鄰近節(jié)點的相對位置;tint egrity表示傳感器節(jié)點的初始能量;c3表示單純激活序列;tavailability表示一次通信激活的網(wǎng)絡半徑。

利用節(jié)點負載設置隨機部署機制為

(7)

隨機部署機制下的休眠節(jié)點的表達式如下

(8)

式中,τ表示休眠節(jié)點的單位向量;Vres表示節(jié)點中已丟失的通信數(shù)據(jù);υj表示節(jié)點中未丟失的通信數(shù)據(jù);Vo表示休眠節(jié)點最大特征值;αj表示休眠節(jié)點占總節(jié)點的比例。

覆蓋漏洞的表達式如下

(9)

式中,γ表示攻防雙方在單個節(jié)點上的博弈策略;rα表示網(wǎng)絡漏洞信息;umax表示攻防對峙時長;γn+1表示傳感網(wǎng)漏洞安全應急響應的時間成本;b表示攻擊復雜度。

在無線傳感網(wǎng)絡多重連通覆蓋漏洞中,不僅傳感器節(jié)點喪失基本通信能力,該區(qū)域的控制器和通信執(zhí)行裝置也無法發(fā)揮正常作用。相較于通信活躍的已覆蓋區(qū)域,覆蓋漏洞由于失去傳感器節(jié)點、控制器、通信執(zhí)行裝置的支持,極易受到惡意軟件[11]或黑客的攻擊,這些攻擊所造成的后果并不僅僅是網(wǎng)站權限被盜取、數(shù)據(jù)被篡改,還可能是隱私信息泄露、身份盜用、目標群體接收到大量垃圾信息或用戶服務器被劫持等,但無論覆蓋漏洞在惡意攻擊下表現(xiàn)為哪種危害性后果,一旦源代碼[12]丟失,無線傳感網(wǎng)絡將陷入無法解決的長期癱瘓狀態(tài)。覆蓋漏洞區(qū)域的控制器和通信執(zhí)行模型

(10)

式中,ai表示傳輸?shù)刂钒踩┒?aj表示通信芯片權限移除;ζ表示節(jié)點間通信傳輸?shù)臄M態(tài)距離;i′表示傳感器節(jié)點牽引阻力;φ表示一次攻擊動作帶來的阻擊增益。

2.2 漏洞提取的實現(xiàn)

通常情況下,無線傳感網(wǎng)多重連通覆蓋漏洞是由弧形邊界組成的一個或多個不規(guī)則的泰森多邊形[13],根據(jù)覆蓋漏洞形成的原因,可知泰森多邊形內部能量缺失,且節(jié)點間通信關系不成立。想要通過修復無線傳感網(wǎng)多重連通覆蓋漏洞的方式提高網(wǎng)絡通信能力,需要優(yōu)先發(fā)現(xiàn)無線傳感網(wǎng)絡內存在能量缺失、通信失效的覆蓋漏洞,并獲取該漏洞的位置信息和面積信息。由于已覆蓋區(qū)域的傳感器節(jié)點能量明顯超過覆蓋漏洞的傳感器節(jié)點能量,因此可以通過計算鄰域節(jié)點能量差,篩選出能量缺失明顯的網(wǎng)絡區(qū)域,以達到發(fā)現(xiàn)無線傳感網(wǎng)多重連通覆蓋漏洞的目的。鄰域節(jié)點能量差的計算公式如下

(11)

式中,j′表示鄰域節(jié)點的給定約束條件;ε2表示鄰域節(jié)點在水平方向上的距離;αm表示鄰域節(jié)點在垂直方向上的距離;βm表示單個節(jié)點能量。

將傳感器節(jié)點映射至二維平面圖中,通過確定節(jié)點在平面圖中的地理位置[14],推測覆蓋漏洞在平面圖中的位置信息。鄰域節(jié)點在平面圖中的位置關系和覆蓋漏洞在平面圖中的位置信息如圖2所示。

圖2 鄰域節(jié)點在平面圖中的位置關系和覆蓋漏洞在平面圖中的位置信息

以二維平面圖中覆蓋漏洞的幾何結構為基礎,計算覆蓋漏洞的實際面積。覆蓋漏洞的面積公式如下

(12)

式中,Δs表示弧形邊界的周長;s1表示覆蓋漏洞的幾何結構;A表示不規(guī)則區(qū)域的重疊面積;A表示以傳感器節(jié)點為中心的感知圓面積;s2表示鄰域感知圓的圓心距。

3 漏洞修復

考慮到節(jié)點失效存在概率抽樣特征,因此無法在覆蓋漏洞出現(xiàn)前確定其位置信息和面積信息。為了應對無線傳感網(wǎng)多重覆蓋漏洞的多樣性,提出三種覆蓋漏洞修復策略,即平均修復、偏好修復、重點修復。

1)平均修復

平均修復針對鏈路[15]和鏈路交換環(huán)全部故障的小面積網(wǎng)狀覆蓋漏洞,主要通過將修復因子平均分配到各鏈路和鏈路交換環(huán),實現(xiàn)覆蓋漏洞的修復。平均修復的表達式如下

(13)

式中,ns表示節(jié)點鏈路聚集系數(shù);pz表示鏈路交換環(huán)網(wǎng)絡拓撲結構;l2表示單向路徑網(wǎng)絡交換;ki表示雙向路徑網(wǎng)絡交換。

2)偏好修復

偏好修復針對沒有涉及網(wǎng)絡本身流量的短路徑小面積樹狀覆蓋漏洞,主要通過將修復因子分配到各樹狀分支,實現(xiàn)覆蓋漏洞的修復。偏好修復的表達式如下

W=bm·lnSij

(14)

式中,bm表示單個樹狀分支包含的修復因子數(shù);Sij表示網(wǎng)絡流量波動范圍。

3)重點修復

重點修復針對對網(wǎng)絡安全構成嚴重威脅的大面積連通片覆蓋漏洞,主要通過將修復因子按照節(jié)點連通度大小依次分配,實現(xiàn)覆蓋漏洞的修復。重點修復的表達式如下

(15)

4 實驗與結果

采用Web服務器訪問無線傳感網(wǎng)絡,并利用DMZ外設裝置拆除該網(wǎng)絡自帶的防火墻。通過向無線傳感網(wǎng)絡發(fā)送惡意攻擊代碼,增加網(wǎng)絡內傳感器節(jié)點負載,使部分節(jié)點能量耗盡,達到人為制造無線傳感網(wǎng)多重連通覆蓋漏洞的目的。以存在覆蓋漏洞的無線傳感網(wǎng)絡為實驗對象,網(wǎng)格區(qū)域為9m×9m,節(jié)點部署與多邊形覆蓋漏洞的示意圖如圖3所示:

圖3 節(jié)點部署與多邊形覆蓋漏洞的示意圖

根據(jù)圖3可知,在實驗設置的無線傳感網(wǎng)區(qū)域內,出現(xiàn)了兩個覆蓋漏洞,采用所提方法、文獻[3]提出的基于補丁代碼的傳感網(wǎng)絡漏洞修復方法和文獻[4]提出的基于有向概率感知的傳感網(wǎng)絡漏洞修復方法來修復實驗對象的覆蓋漏洞,判斷不同方法的應用性能,具體所得結果如圖4所示。

圖4 不同方法的修復效果

如圖4可見,采用所提方法修復無線傳感網(wǎng)多重連通覆蓋漏洞,其覆蓋漏洞修復完善,無空洞殘留,說明所提方法的修復性能較強。利用文獻方法修復傳感網(wǎng)絡漏洞時,網(wǎng)絡仍然存在覆蓋空洞區(qū)域。由此可知所提方法對無線傳感網(wǎng)多重連通覆蓋漏洞的修復性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)方法。

為了進一步驗證所提方法的實用性,引入均方根誤差作為判斷不同方法修復精確度的評估指標。均方根誤差越小,說明該方法的修復數(shù)據(jù)與真實數(shù)據(jù)的匹配程度越高,該方法的精確度越高。設置實驗迭代次數(shù)為1000次,統(tǒng)計不同方法每次迭代的均方根誤差,并對其求取平均值,結果如下表1所示。

表1 不同方法的均方根誤差

如表1可見,在1000次迭代實驗后,所提方法的均方根誤差平均值低至0.1%,說明所提方法對覆蓋漏洞的修復精確度較高。文獻方法的均方根誤差與所提方法存在較大差距,說明其應用效果不夠理想。

5 結束語

覆蓋漏洞作為無線傳感網(wǎng)絡主動或被動防御不足所產(chǎn)生的零通信網(wǎng)絡區(qū)域,不僅會降低無線傳感網(wǎng)絡的通信能力,還威脅網(wǎng)絡用戶的操作安全。為了及時修復覆蓋漏洞,提出無線傳感網(wǎng)多重連通覆蓋漏洞修復方法。如何在保證覆蓋漏洞修復性能的同時,對覆蓋漏洞的修復過程實時監(jiān)控,是研究人員下一步工作的重點。