基于布隆过滤器的分簇式复制节点检测协议研究

程俊

摘要：针对传统的CBDM复制节点检测协议中簇头节点存储开销大，基站和基站附近节点通信开销大的问题，文章提出了一种基于布隆过滤器的分簇式复制节点检测协议。每一轮周期检测，簇头节点不再单纯地利用自身的存储空间来存储节点信息，而是通过携带存储空间利用率较高的布隆过滤器来储存信息，减轻了簇头节点的存储开销；与CBDM相比，该协议通过选择能量较高的簇头节点进行复制节点的判定、分析和广播，减轻了基站和基站附近的网络开销。仿真实验表明，该协议在保证网络复制节点检测率的情况下，提高了网络的生命周期。

关键词：复制节点；检测率；存储代价；网络生命周期

中图分类号：TP212，TN929文献标志码：A

0 引言

众所周知，无线传感网络（Wireless Sensor Network，WSN）由大量的传感器节点构成。复制节点就是攻击者把捕获的传感器节点进行复制，再将复制节点放入网络，进而侦听网络、收集网络信息，甚至破坏网络。

为了检测WSN中的复制节点，防止复制节点对网络的破坏，人们进行了大量的研究。常用的复制节点检测协议有：集中式检测协议、局部式检测协议、分布式检测协议。周晖等［1］在研究集中式、局部式复制节点检测协议的基础上，提出了CBDM协议。该协议先将网络节点分簇并周期性地选择簇头，再通过先局部簇头检测，最后进行基站全局检测的方式，缓解了集中式节点检测协议中基站节点（BS）的数据开销。分布式复制节点检测协议［2］中的路径选择多播协议（LSM）原理是利用在转发的两条路径上存在相交节点（证人节点）的方式。该方式利用证人节点来进行复制节点的判定。由于在LSM协议中证人节点存在储存信息量较大的问题，Vishal Khanapure等［3］提出了证人节点携带布隆过滤器来储存节点信息的方式。该方式借助布隆过滤器具有较高的存储空间利用率、较快的查询速度等优势，延长了证人节点的网络生命周期。

受上述相关文献的启发，本文提出了一种基于布隆过滤器的分簇式复制节点检测协议（Bloom-Filter-Based Clustering Protocol，BFCP）。BFCP协议中，簇头节点不再单纯地利用自身的存储空间来存储节点信息，而是通过携带存储空间利用率较高的布隆过滤器来储存信息，减轻了簇头节点的存储开销。与CBDM相比，该协议通过选择能量较高的簇头节点进行复制节点的判定、分析和广播，减轻了基站、基站附近的网络开销。

1.2 BFCP协议原理

在了解了BFCP协议所用到的符号和其含义后，接下来介绍BFCP协议大致的两个检测阶段：簇内局部检测阶段和簇间全网检测阶段。

1.2.1 簇内局部检测阶段

簇内局部检测阶段中，首先是簇的形成。对于一个周期性的WSN，每一个周期都会通过能量较高原则，概率性地选择簇头节点。假设一轮周期区域中选择出了n个簇头，用符号CHn表示。簇头节点形成后，普通节点可以依据通信成本最优原则［4］加入某个簇头节点中去。这样，一轮周期网络中的簇头节点和普通节点就合成了n个簇，用符号Cn表示。

簇形成后，簇内普通节点发送自身的IDi，li给簇中的簇头节点，簇头节点采用BID（CHn），Bl（CHn）分别进行簇内ID和li的信息收集。若簇头发现簇内有相同ID节点对应不同的地理位置信息，则可判定带有此ID的节点为复制节点，然后簇头将此ID信息进行全网广播，隔离带有该ID的所有节点。若簇头节点收集完簇内所有节点（包括自身）信息后，没有发现复制节点，则簇头将分别用BID（CHn）和Bl（CHn）存储簇内所有节点的ID，li信息。

1.2.2 簇间全网检测阶段

为了更好地描述BFCP协议全网检测阶段，本文画出了几个簇之间进行信息交流情况，图中黑色节点为簇头节点，白色节点为普通节点，如图1所示。

当新的一轮周期到来后，BFCP协议将再次进入簇内局部检测阶段和簇间全网检测阶段，以判定网络中复制节点的存在。

2 仿真实验

为了评价BFCP协议的性能，本文选择在C++的环境下进行仿真实验，实验选取一个80 m×80 m的正方形区域，假设在该区域部署了N个传感器节点，每个传感器节点的初始能量为2J，传感器连接了天线，使得节点通信半径为8 m，设置一轮周期检测的时间为40 s，将BFCP协议进行仿真实验10次并取平均值。

为了验证协议的有效性，本仿真实验将BFCP协议同集中式检测协议BS、周辉等［1］提出的CBDM协议、路径选择多播协议LSM进行对比，得到如下结果。

2.1 检测率

BS，CBDM，LSM，BFCP协议检出率对比如图2所示。由图2可知，BS和CBDM协议检测率最高，达到了100%。这是因为每一轮周期，BS和CBDM协议都采用基站进行复制节点的检测、分析和广播，所以检测率很高。但由于每一次都采用基站进行分析和判定，所以存在基站和基站附近节点通信开销过大的问题。本文提出的BFCP协议检测率虽然没有BS，CBDM高，但也在95%以上。这是因为BFCP协议利用簇头节点进行信息的收集、判定和广播，检测率很高，但由于簇头采用布隆过滤器的方式进行信息的收集，而布隆过滤器在存储信息时存在假阳性［5］，所以BFCP协议会存在一些漏检率。与BS，CBDM，BFCP相比，LSM协议的检测率最低，这是因为LSM协议在转发的两条路径上不一定存在相交的节点，如果不存在相交的节点，也就无法检测出复制节点，所以其漏检概率较大。

2.2 网络生命周期

BS，CBDM，BFCP协议网络生命周期对比如图3所示。由图3可知，在BS，CBDM，LSM三者中，BS协议的网络生命周期最短。随着网络节点数的增加，BS协议的网络生命周期呈指数下降，这是因为BS协议不但采用基站进行全网信息的搜集，而且采用基站进行复制节点的检测、分析和判定。由于判断、分析和广播等都是采用基站，基站和基站附近的节点开销过大，影响了网络的生命周期。CBDM的网络生命周期高于BS协议、低于BFCP协议，这是因为CBDM协议采用簇头进行簇内信息的收集，减少了基站的通信开销，但由于CBDM协议中还是采用基站来进行复制节点的分析和广播，所以基站和基站附近通信开销相对较大。BFCP协议的网络生命周期最长，原因是：（1）每一轮周期检测，簇头节点不再单纯地利用自身的存储空间来存储节点信息，而是通过携带存储空间利用率较高的布隆过滤器来储存信息，减轻了簇头节点的存储开销；（2）相比于BS，CBDM，协议通过选择能量较高的簇头节点进行复制节点的判定、分析和广播，减轻了基站、基站附近的网络开销。

3 结语

针对CBDM协议存在的问题，本文提出了BFCP协议。与CBDM协议相比，BFCP协议的优点为：每一轮检测周期，簇头节点通过携带存储空间利用率较高的布隆过滤器来储存信息，减轻了簇头节点的存储开销；协议通过选择能量较高的簇头节点进行复制节点的判定、分析和广播，减轻了基站、基站附近的网络开销。通过仿真实验表明，BFCP协议在保证一定检测率的情况下，提高网络的生命周期。

参考文献

［1］周晖，朱立庆，杨振，等.基于分簇的节点复制攻击入侵检测方法［J］.传感器与微系统，2014（5）：129-132.

［2］张蕾.无线传感网络技术与应用［M］.北京：机械工业出版，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］王海涛.数据融合技术及其在WSN中的应用研究［J］.数据通信，2022（2）：57-60.

［5］楊斐.学习型布隆过滤器优化方法研究与实现［D］.合肥：中国科学技术大学，2021.

（编辑 姚 鑫）