车载自组织和无线传感器网络中安全可靠的服务传输研究

【摘要】：车载自组织网络(Vehicular Ad Hoc Networks,VANETs)和无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSNs)能够提供多功能应用服务,如文件、音频和视频等,所以在智能城市中广泛使用。分布在网络中的无线设备相互配合,通过路由和速率控制将服务数据传输到接收端。这些多类型服务传输对可靠性、公平性和吞吐量有着服务质量(Quality of Service,QoS)要求。在现实的环境中,由于无线介质的基本特性,自组织网络易受各种攻击、故障、干扰和信道损伤等的影响,随之将其服务传输协议的性能显著降低。现有工作提出了许多服务传输策略来应对不同类型的行为不当节点。然而大多数方案存在以下两方面问题:1)这些工作大多只针对不同类型的故障或攻击提出对策,没有考虑实际环境的不确定性和动态性。假定行为不当节点采用不随时间变化的恒定策略;2)仅关注传统数据服务(简单文本消息)的单一类型数据流,而不是多种类型数据服务(医疗保健单元,流量监控器和视频监控)。在本论文中,我们为由潜在的动态攻击或不当行为造成对网络性能的影响进行建模,将动态影响信息纳入速率控制和路由选择问题,设计面向各种类型服务安全可靠的传输方案。本文利用定义的网络性能下降指数来定量评估我们提出的服务传输方案在安全性、可靠性、公平性和吞吐量等方面的性能。主要的研究成果如下:(1)VANETs“漏路径”下速率控制和多路径路由策略。在故障已知的车载自组织网络中通过联合设计速率控制和多路径路由来研究优化问题。通过每个无线链路上的统计信息来描述故障对网络性能的影响,并在这个基础上建立“漏路径”模型。还设计成本函数去衡量多路径间的故障相关性给有效流量带来的损失。基于“漏路径”模型和成本函数,本文提出一种故障相关的流量控制和路由(FC)2R机制,最大化以有效速率作为参数的网络效用。仿真结果表明在存在行为不当节点的情况下,我们的算法与标准最优流量控制算法相比,可以获得更高的网络吞吐量和更好的公平性。(2)WSNs中“可用性”感知的多类型服务传输策略。我们将一个重要的网络安全概念“可用性”引入延迟约束的网络效用最大化问题中,并将各个传感器的可用性估值集成到优化框架。为了能够处理多种类型的数据流服务,这些服务的性能被模拟为此优化框架中接收速率的效用函数。然后,我们提出一种速率、路由和延迟控制RRDC算法进行多类型服务传输,在实际效用、等待时间和效用公平性等方面适合无线传感器网络需求。为了定量评估不可靠传感器对网络性能的影响,我们定义了两个性能指标:效用降级指数UDI和效用公平指数UFI。仿真结果表明,无线传感器网络中RRDC算法能够使得多种类型服务在对抗环境下传输仍能达到预期的性能。(3)WSNs中故障活动感知的城市服务传输策略。无线传感器网络越来越多地应用于智慧城市,为智慧城市提供多类型城市服务。当存在行为不当的设备时,当前传送协议的性能显著降低。考虑到城市环境中不当行为的动态性和时变性,我们设计了利用故障动态活动为度量的安全路由和速率控制机制。为此,我们首先利用非确定性故障活动信息来评估不当行为的影响,并将这些评估纳入城市服务的分布式服务传输框架。然后提出了一个故障行为地理机会路由FAGOR算法来处理不同类型的攻击。我们开发了“漏跳”(Leaky Hop)模型,设计了基于故障活动的异构数据流资源分配算法,同时保证了多类型城市服务之间的效用公平性。最后,通过大量的仿真,证明了我们的方案在恶意攻击环境下仍能在路由性能、有效效用和效用公平性等方面保持显著性能。(4)VANETs中基于信任评估的多类型服务传输策略。我们将分布式测量和集中式上传/下载两种形式集成,设计一个车载网络中基于信任的多服务传输框架。附近车辆对评估车辆的行为监测与分析,并将属性参数上传到云端进行可信值评估。我们提出了一种方法使车辆能够描述其邻居车辆社交行为的属性参数,如传播敏感信息、接收信号强度模式的相似性、轨迹模式的相似性等。根据信任评估值,我们设计一种多路径路由选择方案,选择最可靠的中继车辆作为路径的中转节点。同时,在恶意车辆存在的环境下,我们使用信任已知的多路径流量分配来对安全路由进行补充以保证性能。实验结果展示了我们提出的框架在路由性能、可扩展性、效用增益和公平性方面的有效性。