网络多维信息安全融合技术的研究与仿真

2022-03-15林逢春刘承启

计算机仿真 2022年2期

林逢春，刘承启

(1.江西工程学院土木工程学院，江西新余 338000；2.南昌大学网络中心，江西南昌 330027)

1 引言

网络具有开放性的特征，导致其易遭受攻击，降低多维信息融合的精准性，损害用户利益，解决该问题的最佳途径为信息安全融合方法，令攻击者无法利用恶意节点发起攻击[1]。网络属于逻辑信息和客观物理信息的连接纽带，将物理、计算机与现实生活串联起来，帮助人们及时获取所需的可靠信息。网络中各传感器节点的能量消耗最高的步骤为信息传输，各传感器采集的信息具备一定的相似性[2]，但维度存在较大差异，传感器节点具备计算与储存等性能，这些性能所需的能量具有局限性，为缩减能源消耗，提高网络生命周期，需深入研究数据融合方法[3]。数据融合方法能够将各传感器采集的信息融合到一起，降低信息传输量，节约能量消耗，使得所有信息处于同一维度，方便操作[4]。

傅文博等人[5]以信息聚类划分方式，分割信息集形成数个数据簇，提取每个数据簇的特征向量，初步融合各特征向量，求解节点的不可信度，并去掉可信度低节点对应的数据，通过灰色关联矩阵获取余下数据间的关联度，得到最佳数据序列，展开时空融合，融合初步融合结果与时空融合结果，实现数据的精准融合。王哲等人[6]通过多元判别和局部切空间排列方法提取数据特征，剔除多余数据，结合T-S模糊系统模型与BP神经网络融合余下的数据特征，提升数据融合的精准性。隐含灰色关联度为按照因素间的类似程度，挖掘因素间的隐含关系，适用于动态的数据分析。但是，上述传统方法仅能实现信息的精准融合，无法确保信息融合的安全性。黑客会利用恶意节点窃取机密信息，甚至会威胁国土安全，因此，区分正常节点与恶意节点对于信息融合至关重要，排除恶意节点，便可提升信息融合的安全性与可靠性。

为此，本研究提出基于隐含关联度的网络多维信息安全融合方法。依据各节点的综合信任值区分正常与恶意节点，剔除异常数据，仅融合可信任值高的信息，确保信息融合的安全性，并降低信息融合时的能量消耗。

2 网络多维信息安全融合仿真

2.1 基于隐含灰色关联度的信任模型构建

2.1.1 直接信任

直接信任为主体S经由和客体O的直接共享以往经验获取的对O的评价，直接信任值DTSO表达公式如下

(1)

式中，Vn表示兴趣向量；H表示节点；E(Vn)表示服务质量属性评价向量；T表示信任更新时间；w表示权重向量；n表示交易总次数；η表示记忆因子；且η的取值范围为

(2)

式中，α、β代表常数。按照式(2)的取值范围可确保模型求解信任值过程中，令成功交易降低信任值扩展速度，失败交易提升HTSO扩展速度，避免出现恶意节点破坏的现象[7]，促进节点不间断地共享性。恶意节点为先依据少量的优越服务积攒适量HTSO，再展开破坏行为。η的取值较大会提升HTSO下降速度，较小会提升节点积攒HTSO的难度，在实际应用中需要为节点设置适当的初始值。

2.1.2 推荐信任

网络多维信息的推荐信任获取步骤如下：

步骤1：S和O准备交互，询问和O的交互历史，获取S对O的HTSO；

步骤2：若S和O并不存在交互历史，或某一阈值超过S对O的HTSO，那么S传递有关O的推荐信任询问信息至本身熟识的节点；

步骤3：推荐节点集按照本地信任表，传递询问结果至S；

步骤4：S按照接收的信息，在域名管理员处，询问和本身与推荐节点存在关联的一组公用节点，获取该公用节点的HTSO；

步骤5：域管理员传递询问结果至S；

步骤6：S按照接受的询问结果，利于隐含灰色关联度的方法，为每个推荐节点的推荐信任设置对应的权值[8]，获取对O的推荐信任值QTSO。

令推荐服务的节点集合是{Q1，Q2，…，Qk}；S与{Q1，Q2，…，Qk}存在关联的公用节点集合是{C1，C2，…，Cn}；图1为信任关系示意图。

图1 信任关系实体图

QTSO的计算公式如下

(3)

式中，Wi为推荐权值；k为节点数量。

令S偏向信任和本身评估类似的节点，代表相同节点的评估结果与S越类似，该节点供给的推荐值在全体评估内的权值占比较高[9]，利用隐含灰色关联度判断节点和S的类似程度。

S对{C1，C2，…，Cn}内每个节点的直接信任构建的向量为(HTSC1，HTSC2，…，HTSCn)，S与{Q1，Q2，…，Qk}内每个节点对{C1，C2，…，Cn}内每个节点的直接信任构建的矩阵如下

(4)

将(HTSC1，HTSC2，…，HTSCn)当成最优评估指标集，利用隐含灰色关联度均值化处理

(5)

(6)

2.1.3 综合信任值的求解与更新

综合信任值QSO共包含两部分，分别是HTSO与QTSO，QSO的求解公式如下：

(7)

式中，h为成功交易的次数；在成功次数足够大时，σ的值无限接近于1。

利用混合时间-事件(Mixed Time-Event，MTE)更新策略更新QTSO，MTE的以时间驱动为前提，评估在一定时间步长中出现的事件，通过事件驱动更新严重影响信任评估结果的综合信任值，若对信任评估结果影响较小的综合信任值[10]，则仅需在一定时间步长来临时，更新综合信任值。

MTE更新策略的精准性更高，该策略要先评估需评价事件，衡量该事件对综合信任值的影响程度。令某一实体的综合信任值为QSOold，评价事件为ei，出现时对该实体的评价为QSOnew；ei的影响程度为δ(ei)，公式如下

(8)

式中，令综合信任值为不间断的值，其取值区间是[1，100]，则δ(ei)的取值区间为[0，1]；δ(ei)的值与ei的影响程度成正比；函数为f。若δ(ei)的值超过事先设置的阈值δ，那么更新综合信任值。

2.2 网络多维信息安全融合

在网络检测范围中，传感器节点的数量庞大，节点获取的信息包含很多无效信息。融合多维信息可剔除网络内的无效信息，缩短数据流量与处理的时间，减少节点能量消耗，提升网络生存周期时间。仅融合QSO高的传感器节点获取的信息，剔除QSO低的传感器节点获取的信息，实现多维信息安全融合。预设节点信任阈值是τ，簇头节点依据QSO划分节点，形成正常节点与恶意节点，随即对节点的信任状态展开标记，令节点i的信任状态是Pi，那么：

(9)

式中，i为正常节点时Pi=1；i为恶意节点时Pi=0。

为确保融合后的多维信息可靠性与安全性高，剔除恶意节点的信息后，多维信息安全融合结果的表达公式如下

(10)

式中，xi为i获取的信息；ωi为多维信息融合时的权重，其计算公式如下

(11)

3 仿真分析

利用MATLAB对本文方法信息融合效果展开仿真。仿真网络中共包含80个传感器节点，分布于80m×80m的正方形范围内，如图2所示，该网络中存在64个正常节点，16个恶意节点，其中，综合信任值低的恶意节点与恶意成员节点各8个。仿真内节点通信轮次是80轮次。

图2 仿真的传感器节点分布情况

图2中实心圆点代表正常节点，空心圆点代表恶意节点。

记忆因子η的取值直接影响本文方法求解节点综合信任值的精度，综合信任值的求解精度直接影响多维信息融合的安全性。测试在不同的取值时，综合信任值的求解精度，为η选取合理的数值，使综合信任值的求解精度达到最高，测试结果如图3所示。

图3 综合信任值求解精度测试结果

根据图3可知，随着记忆因子取值的增加，本文方法求解综合信任值的精度呈先下降再上升后下降的趋势，当记忆因子取值较小时，因其很难积攒综合信任值，导致求解精度呈下降趋势，当记忆因子超过0.3时，求解精度逐渐提升，当取值为0.5时，求解精度达到最高，当记忆因子超过0.5时，求解精度呈先快速下降趋势，原因是记忆因子过大会提升综合信任值的下降速度。仿真证明：在记忆因子取值为0.5时，本文方法求解综合信任值的精度最高，为后续多维信息安全融合提供保障。

利用本文方法求解正常与恶意节点的综合信任值，获取不同通信轮次时，两种节点平均综合信任值的变化情况，如图4所示。

图4 两种节点平均综合信任值的变化情况

根据图4可知，通信轮次的增加，正常节点的平均综合信任值呈先上升趋势，当轮次为50次时，平均综合信任值趋于稳定，恶意节点的平均综合信任值呈下降趋势，当轮次为30次时，平均综合信任值趋于稳定。实验证明：文方法能够有效获取节点的综合信任值。

两种节点划分结果如表1所示。

表1 两种节点的划分结果

根据表1可知，本文方法能够有效划分正常与恶意节点，划分结果与实际结果一致。仿真证明：本文方法能够精准划分正常与恶意节点，即综合信任值求解精度高。

剔除恶意节点获取的信息后，测试本文方法在不同通信轮次时的多维信息安全融合效果，依据式(10)获取多维信息安全融合结果如图5所示。

图5 多维信息安全融合结果

根据图5可知，本文方法可有效安全融合多维信息，本文方法获取的融合结果与理想结果差距很小，融合精度较高。这是因为本文方法可精准划分恶意节点，剔除异常数据，所以可确保数据融合的安全性，提升融合结果的精度。

将文献[5]的多层次划分信息融合方法与文献[6]的多平台信息融合方法作为对比方法，测试三种方法在融合多维信息时的抗干扰性与可信度，共展开5次实验，测试结果表2所示。

表2 三种方法信息融合的抗干扰性与可信度测试结果

根据表2可知，在不同实验次数时，本文方法信息融合的抗干扰性与可信度均高于其余两种方法，且抗干扰性与可信度变化幅度较小，原因是本文方法在信息融合前会剔除恶意节点采集的信息，提升信息融合的抗干扰性与可信度；其余两种方法的抗干扰性与可信度波动起伏较大；本文方法的平均抗扰性为97.2%，平局可信度为97.88%；多层次划分信息融合方法的平均抗干扰性为88.4%，平均可信度为82.34%；多平台信息融合方法的平均抗干扰性为84.48%，平均可信度为78.88；本文方法的平均抗干扰性分别比其余两种方法高出8.8%与12.72%，平均可信度分别高出15.54%与19%。仿真结果证明：本文方法在信息融合时具备较高的抗干扰性与可信度，即信息融合效果较优。

在不同轮次时，三种方法融合信息时的节点剩余能量如图6所示。

图6 三种方法的节点平均剩余能量

根据图6可知，通信轮次的增加，三种方法的节点剩余能量均呈下降趋势，本文方法的节点剩余能量高于其余两种方法，在通信轮次结束时，本文方法的节点能量消耗仅有50%，其余两种方法的节点能量消耗基本相同，均为87.5%，具体原因是本文方法在信息融合中已剔除恶意节点，降低节点间信息通信量，缩减节点的能量消耗。仿真结果证明：本文方法在信息融合过程中的能量消耗最低。