基于布隆過濾器的分簇式復制節點檢測協議研究

程俊

摘要：針對傳統的CBDM復制節點檢測協議中簇頭節點存儲開銷大，基站和基站附近節點通信開銷大的問題，文章提出了一種基于布隆過濾器的分簇式復制節點檢測協議。每一輪周期檢測，簇頭節點不再單純地利用自身的存儲空間來存儲節點信息，而是通過攜帶存儲空間利用率較高的布隆過濾器來儲存信息，減輕了簇頭節點的存儲開銷；與CBDM相比，該協議通過選擇能量較高的簇頭節點進行復制節點的判定、分析和廣播，減輕了基站和基站附近的網絡開銷。仿真實驗表明，該協議在保證網絡復制節點檢測率的情況下，提高了網絡的生命周期。

關鍵詞：復制節點；檢測率；存儲代價；網絡生命周期

中圖分類號：TP212，TN929文獻標志碼：A

0 引言

眾所周知，無線傳感網絡（Wireless Sensor Network，WSN）由大量的傳感器節點構成。復制節點就是攻擊者把捕獲的傳感器節點進行復制，再將復制節點放入網絡，進而偵聽網絡、收集網絡信息，甚至破壞網絡。

為了檢測WSN中的復制節點，防止復制節點對網絡的破壞，人們進行了大量的研究。常用的復制節點檢測協議有：集中式檢測協議、局部式檢測協議、分布式檢測協議。周暉等［1］在研究集中式、局部式復制節點檢測協議的基礎上，提出了CBDM協議。該協議先將網絡節點分簇并周期性地選擇簇頭，再通過先局部簇頭檢測，最后進行基站全局檢測的方式，緩解了集中式節點檢測協議中基站節點（BS）的數據開銷。分布式復制節點檢測協議［2］中的路徑選擇多播協議（LSM）原理是利用在轉發的兩條路徑上存在相交節點（證人節點）的方式。該方式利用證人節點來進行復制節點的判定。由于在LSM協議中證人節點存在儲存信息量較大的問題，Vishal Khanapure等［3］提出了證人節點攜帶布隆過濾器來儲存節點信息的方式。該方式借助布隆過濾器具有較高的存儲空間利用率、較快的查詢速度等優勢，延長了證人節點的網絡生命周期。

受上述相關文獻的啟發，本文提出了一種基于布隆過濾器的分簇式復制節點檢測協議（Bloom-Filter-Based Clustering Protocol，BFCP）。BFCP協議中，簇頭節點不再單純地利用自身的存儲空間來存儲節點信息，而是通過攜帶存儲空間利用率較高的布隆過濾器來儲存信息，減輕了簇頭節點的存儲開銷。與CBDM相比，該協議通過選擇能量較高的簇頭節點進行復制節點的判定、分析和廣播，減輕了基站、基站附近的網絡開銷。

1.2 BFCP協議原理

在了解了BFCP協議所用到的符號和其含義后，接下來介紹BFCP協議大致的兩個檢測階段：簇內局部檢測階段和簇間全網檢測階段。

1.2.1 簇內局部檢測階段

簇內局部檢測階段中，首先是簇的形成。對于一個周期性的WSN，每一個周期都會通過能量較高原則，概率性地選擇簇頭節點。假設一輪周期區域中選擇出了n個簇頭，用符號CHn表示。簇頭節點形成后，普通節點可以依據通信成本最優原則［4］加入某個簇頭節點中去。這樣，一輪周期網絡中的簇頭節點和普通節點就合成了n個簇，用符號Cn表示。

簇形成后，簇內普通節點發送自身的IDi，li給簇中的簇頭節點，簇頭節點采用BID（CHn），Bl（CHn）分別進行簇內ID和li的信息收集。若簇頭發現簇內有相同ID節點對應不同的地理位置信息，則可判定帶有此ID的節點為復制節點，然后簇頭將此ID信息進行全網廣播，隔離帶有該ID的所有節點。若簇頭節點收集完簇內所有節點（包括自身）信息后，沒有發現復制節點，則簇頭將分別用BID（CHn）和Bl（CHn）存儲簇內所有節點的ID，li信息。

1.2.2 簇間全網檢測階段

為了更好地描述BFCP協議全網檢測階段，本文畫出了幾個簇之間進行信息交流情況，圖中黑色節點為簇頭節點，白色節點為普通節點，如圖1所示。

當新的一輪周期到來后，BFCP協議將再次進入簇內局部檢測階段和簇間全網檢測階段，以判定網絡中復制節點的存在。

2 仿真實驗

為了評價BFCP協議的性能，本文選擇在C++的環境下進行仿真實驗，實驗選取一個80 m×80 m的正方形區域，假設在該區域部署了N個傳感器節點，每個傳感器節點的初始能量為2J，傳感器連接了天線，使得節點通信半徑為8 m，設置一輪周期檢測的時間為40 s，將BFCP協議進行仿真實驗10次并取平均值。

為了驗證協議的有效性，本仿真實驗將BFCP協議同集中式檢測協議BS、周輝等［1］提出的CBDM協議、路徑選擇多播協議LSM進行對比，得到如下結果。

2.1 檢測率

BS，CBDM，LSM，BFCP協議檢出率對比如圖2所示。由圖2可知，BS和CBDM協議檢測率最高，達到了100%。這是因為每一輪周期，BS和CBDM協議都采用基站進行復制節點的檢測、分析和廣播，所以檢測率很高。但由于每一次都采用基站進行分析和判定，所以存在基站和基站附近節點通信開銷過大的問題。本文提出的BFCP協議檢測率雖然沒有BS，CBDM高，但也在95%以上。這是因為BFCP協議利用簇頭節點進行信息的收集、判定和廣播，檢測率很高，但由于簇頭采用布隆過濾器的方式進行信息的收集，而布隆過濾器在存儲信息時存在假陽性［5］，所以BFCP協議會存在一些漏檢率。與BS，CBDM，BFCP相比，LSM協議的檢測率最低，這是因為LSM協議在轉發的兩條路徑上不一定存在相交的節點，如果不存在相交的節點，也就無法檢測出復制節點，所以其漏檢概率較大。

2.2 網絡生命周期

BS，CBDM，BFCP協議網絡生命周期對比如圖3所示。由圖3可知，在BS，CBDM，LSM三者中，BS協議的網絡生命周期最短。隨著網絡節點數的增加，BS協議的網絡生命周期呈指數下降，這是因為BS協議不但采用基站進行全網信息的搜集，而且采用基站進行復制節點的檢測、分析和判定。由于判斷、分析和廣播等都是采用基站，基站和基站附近的節點開銷過大，影響了網絡的生命周期。CBDM的網絡生命周期高于BS協議、低于BFCP協議，這是因為CBDM協議采用簇頭進行簇內信息的收集，減少了基站的通信開銷，但由于CBDM協議中還是采用基站來進行復制節點的分析和廣播，所以基站和基站附近通信開銷相對較大。BFCP協議的網絡生命周期最長，原因是：（1）每一輪周期檢測，簇頭節點不再單純地利用自身的存儲空間來存儲節點信息，而是通過攜帶存儲空間利用率較高的布隆過濾器來儲存信息，減輕了簇頭節點的存儲開銷；（2）相比于BS，CBDM，協議通過選擇能量較高的簇頭節點進行復制節點的判定、分析和廣播，減輕了基站、基站附近的網絡開銷。

3 結語

針對CBDM協議存在的問題，本文提出了BFCP協議。與CBDM協議相比，BFCP協議的優點為：每一輪檢測周期，簇頭節點通過攜帶存儲空間利用率較高的布隆過濾器來儲存信息，減輕了簇頭節點的存儲開銷；協議通過選擇能量較高的簇頭節點進行復制節點的判定、分析和廣播，減輕了基站、基站附近的網絡開銷。通過仿真實驗表明，BFCP協議在保證一定檢測率的情況下，提高網絡的生命周期。

參考文獻

［1］周暉，朱立慶，楊振，等.基于分簇的節點復制攻擊入侵檢測方法［J］.傳感器與微系統，2014（5）：129-132.

［2］張蕾.無線傳感網絡技術與應用［M］.北京：機械工業出版，2020.

［3］MING Z，VISHAL K，SHIGANG C，et al.Memory efficient protocols for detecting node replication attacks in wireless sensor networks：Proceedings of the 17th IEEE international conference on network protocols［C］.Plainsboro：Institute of Electrical and Electronic Engineers，2009.

［4］王海濤.數據融合技術及其在WSN中的應用研究［J］.數據通信，2022（2）：57-60.

［5］楊斐.學習型布隆過濾器優化方法研究與實現［D］.合肥：中國科學技術大學，2021.

（編輯 姚 鑫）