物联网安全：M2M通信中受损节点检测算法解析

### 物联网安全：M2M 通信中受损节点检测算法解析 #### 1. 系统模型 在 M2M 通信里，检测受损节点的算法在控制中心执行，因为该算法资源消耗大，无法在节点层面运行。此解决方案基于以下假设： - 所有传感器节点是静态的，即传感器位置坐标预先已知。 - 传感器节点未配备防篡改硬件。 - 节点与网关间的通信假定为双向。 算法的实现分两个阶段： - 怀疑受损节点。 - 运用社会选择理论确认可疑节点。 #### 2. 操作流程 ##### 2.1 怀疑受损节点 怀疑受损节点的过程，是计算每个节点与预期值的偏差。预期值通常是网络中“n”个节点数据的中位数。假设有“n”个为特定目的部署的节点或设备（如地表温度读取、森林火灾报警系统、车辆速度跟踪），每个节点有唯一标识，传输的数据为 D1, D2…, Dn。数据值的众数被假定为计算偏差值的预期值，借助这些偏差水平，使用算法 1 识别可疑节点。 **算法 1：识别可疑节点** ```plaintext Inputs: • Di: 每个节点对应的数据值 • Db: 节点数据值的均值 • Threshold: 系统的阈值，用于将节点判定为可疑节点 Output: suspect[1..n]: 一维布尔数组，用于表示可疑节点。 1: for i = 1 to n do 2: diff = Db – Di 3: if diff > Threshold then 4: suspect[i] = true 5: else 6: suspect[i] = false 7: end if 8: end for ``` ##### 2.2 确认可疑节点 识别出可疑节点后，网络中其余节点启动投票流程。设可疑节点数量为 k，剩余 t = n - k 个节点对可疑节点进行投票决策。定义 Mean[t] 为一维实数组，包含节点“i”在 t 个时刻的值的众数或均值；Rank[k][t] 为二维数组，包含映射值，表明可疑节点相对于其余非可疑节点均值的偏差水平。排名矩阵的范围是一种映射，定义了与其中位数的偏差级别，可描述为： \[ Rank[i][j] = \begin{cases} 1, & \text{if deviation} \leq \Delta \\ 2, & \text{if } \Delta < \text{deviation} \leq 2\Delta \\ 3, & \text{if } 2\Delta < \text{deviation} \leq 3\Delta \end{cases} \] 一旦在 Rank 矩阵中映射了选择顺序，社会聚合函数（SAF）就会接收其余节点的投票。SAF 的输出表明了关于行为不当节点的聚合决策，其表达式如下： \[ F(i) = SAF(Rank[i][1], Rank[i][2], \cdots, Rank[i][n]) \] SAF 的工作按以下步骤进行：获取排名级别后，为每个可疑节点计算排名的加权均值，权重因子是节点的剩余电池电量。若得到的均值与排名的众数相同，则聚合决策将其判定为受损节点；若出现平局，则将节点移至安全状态（即在某个阈值时间段内忽略其存在）。因此有： \[ F(i) = \begin{cases} 1, & \text{if aggregated decision is faulty} \\ 0, & \text{otherwise} \end{cases} \] #### 3. 定量结果 上述算法在一个传感器网络中实现并执行，该网络用有限数量的传感器（n 个节点）监测特定区域的温度。网络配置为 n 个节点中有 k 个开始行为异常（k << n），节点有唯一标识，温度读数以摄氏度记录。考虑表 12.3 中的实验数据进行性能分析。 | Node ID | t10 | t20 | t30 | t40 | t50 | t70 | t85 | t100 | | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | | N1 | 27° | 29° | 24° | 21° | 25° | 27° | 24° | 29° | | N2 | 47° | 42° | 14° | 22° | 9° | 15° | 67° | 52° | | N3 | 25° | 26° | 27° | 24° | 26° | 27° | 26° | 26° | | N4 | 24° | 27° | 26° | 25° | 25° | 26° | 26° | 29° | | N5 | 27° | 24° | 27° | 23° | 25° | 27° | 26° | 25° | | N6 | 26° | 25° | 22° | 24° | 25° | 26° | 24° | 25° | | N7 | 9° | 3° | 5