基于博弈論的能量合作安全機(jī)制

劉宣 汪峰坤

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；能量合作；安全；博弈論；一報(bào)還一報(bào)

0 引言

作為物聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks，WSN）在日常生活中具有廣泛的應(yīng)用[1-2]。WSN是由大量傳感器節(jié)點(diǎn)組成的，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都具備收集和處理信息的能力，并將信息通過多跳網(wǎng)絡(luò)傳送給匯聚節(jié)點(diǎn)。由于傳感器節(jié)點(diǎn)通常由不可替換的電池供電，網(wǎng)絡(luò)的生命期隨著節(jié)點(diǎn)能量的耗盡而結(jié)束。

為解決此類網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)能量耗盡問題，近年來，人們開始關(guān)注并研究能量收集型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（En?ergy Harvesting Wireless Sensor Networks，EH-WSN） [3]。在EH-WSN中，傳感器節(jié)點(diǎn)具備從周圍環(huán)境中收集能量的能力。能量收集技術(shù)的引入徹底改變了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，傳感器節(jié)點(diǎn)可用的能量不一定會(huì)減少，反而有可能隨著時(shí)間增加，極大地延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命期和減少維護(hù)開銷。目前，人們已經(jīng)探索了不同的收集技術(shù)，如太陽能、風(fēng)能、機(jī)械能等，這些被廣泛應(yīng)用于能量收集。

然而，能量收集技術(shù)存在不確定性，而且WSN中存在能量不均衡問題[4]。為了進(jìn)一步延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期，基于無線能量傳輸?shù)哪芰亢献骷夹g(shù)引起了人們的關(guān)注。作為一種新興的技術(shù)，能量合作技術(shù)在延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命期、均衡節(jié)點(diǎn)能量方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。然而，能量合作技術(shù)也面臨著能量合作背叛、能量狀態(tài)偽造、能量抵賴等攻擊，可能會(huì)造成信息和能量的損失。因此，我們需要針對(duì)上述攻擊提出一些可行的防范策略。

1 國內(nèi)外研究成果

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在軍事、工業(yè)監(jiān)控、智能交通、物流領(lǐng)域、生態(tài)環(huán)境等方面具有廣泛的應(yīng)用，然而，在實(shí)際應(yīng)用中由于面臨著節(jié)點(diǎn)能量耗盡的風(fēng)險(xiǎn)，由此制約了傳感器網(wǎng)絡(luò)作用的發(fā)揮。

隨著無線傳輸技術(shù)的進(jìn)步，節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行能量共享成為可能。文獻(xiàn)[5]基于磁諧振耦合式無線能量傳輸技術(shù)，提出了一種基于無線能量傳輸?shù)哪芰烤饴酚伤惴?，?shí)現(xiàn)了不同節(jié)點(diǎn)間的能量補(bǔ)充。Gurakan[6]提出了能量合作的概念。Ni[7]設(shè)計(jì)了一個(gè)能量合作儲(chǔ)存- 傳輸機(jī)制，減少了系統(tǒng)中斷概率并提高了吞吐量。GAMBIN[8]研究了能量合作在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用，并提出一種能量分配優(yōu)化策略，延長(zhǎng)了系統(tǒng)的生命期。能量合作技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)必將在日常生活中發(fā)揮更大作用。

然而，新技術(shù)的引入存在一定的安全隱患，盡管人們對(duì)能量合作技術(shù)做了一些研究，卻忽視了能量合作技術(shù)本身的安全風(fēng)險(xiǎn)。文獻(xiàn)[9]介紹了無線能量傳輸中常見的攻擊類型并提出了一些可能的對(duì)策。文獻(xiàn)[10]提出了通過在合作網(wǎng)絡(luò)中添加人工噪聲來實(shí)現(xiàn)信息安全的方案。在能量合作中，還存在能量狀態(tài)不可見、能量不可加密、能量不可備份等安全隱患，對(duì)能量合作構(gòu)成嚴(yán)重的安全威脅。

2 能量合作的風(fēng)險(xiǎn)

2.1 能量合作技術(shù)簡(jiǎn)介

能量合作指在能量收集型傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)之間以無線能量傳輸?shù)姆绞綄?shí)現(xiàn)能量共享，如圖1所示為能量收集型合作網(wǎng)絡(luò)模型。該網(wǎng)絡(luò)主要有三種類型的節(jié)點(diǎn)：源節(jié)點(diǎn)（S） 、合作節(jié)點(diǎn)（C）和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)（D），所有的節(jié)點(diǎn)都具備從周圍環(huán)境中收集能量的能力。節(jié)點(diǎn)由兩大模塊組成：

1） 能量收集模塊：該模塊主要用于節(jié)點(diǎn)能量的收集和存儲(chǔ)。

2） 信息傳輸模塊：該模塊主要功能是節(jié)點(diǎn)之間信息傳輸。

圖2-圖4所示為常見的能量合作模型：能量預(yù)支付直接傳輸、能量租借合作傳輸和能量租借直接傳輸[11]。

能量預(yù)支付直接傳輸（Cooperative Relay with En?ergy Prepayment，CREP） 。如圖2所示，在能量預(yù)支付直接傳輸中，源節(jié)點(diǎn)與合作節(jié)點(diǎn)共同完成信息的傳輸。作為源節(jié)點(diǎn)S到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)D的中繼，合作節(jié)點(diǎn)C 不僅接收來自源節(jié)點(diǎn)的信息，也接受來自源節(jié)點(diǎn)的能量。在傳輸開始前，源節(jié)點(diǎn)S根據(jù)路由協(xié)議選擇適當(dāng)?shù)墓?jié)點(diǎn)C作為合作節(jié)點(diǎn)，并向C咨詢所需能量，將信息與能量傳輸給C，合作節(jié)點(diǎn)C在傳輸過程中并不消耗自身能量。然后，S向節(jié)點(diǎn)D發(fā)送一個(gè)提示信息，提醒D準(zhǔn)備接收來自節(jié)點(diǎn)C信息。D收到來自C的信息后，向節(jié)點(diǎn)S發(fā)送一個(gè)確認(rèn)信息，作為本次能量合作結(jié)束的標(biāo)志。

能量租借合作傳輸（Cooperative Relay with EnergyDebt，CRED）。如圖3所示，在CRED中，若節(jié)點(diǎn)S沒有足夠的能量用于支付給合作節(jié)點(diǎn)C，節(jié)點(diǎn)間將采用能量租借直接傳輸?shù)姆绞竭M(jìn)行合作。節(jié)點(diǎn)S首先將自己的剩余能量傳輸給C，C收到來自S的信息和能量后，拿出自己的一部分能量幫助節(jié)點(diǎn)S進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并收到來自節(jié)點(diǎn)S的能量欠條。當(dāng)節(jié)點(diǎn)S空閑時(shí)，它從周圍環(huán)境中收集能量，并根據(jù)能量欠條將能量?jī)斶€給節(jié)點(diǎn)C。節(jié)點(diǎn)C收到足夠的償還能量后將節(jié)點(diǎn)S的能量欠條銷毀。

能量租借直接傳輸（Direct Transmission with En?ergy Debt，DTED） 。如圖4所示，當(dāng)節(jié)點(diǎn)S接近目標(biāo)節(jié)點(diǎn)D但沒有足夠的能量進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，S將向周圍的合作節(jié)點(diǎn)C請(qǐng)求能量傳輸，并給C一個(gè)能量欠條。S 收到來自C的能量后直接將數(shù)據(jù)傳輸?shù)紻，當(dāng)其能量充足時(shí)對(duì)C進(jìn)行能量?jī)斶€。

2.2 能量合作的脆弱性

與信息不同，能量有個(gè)顯著的特征：一旦攻擊者獲得其他節(jié)點(diǎn)的能量，它可以直接使用。因此，在能量合作中存在新的安全挑戰(zhàn)。能量合作面臨如下的安全風(fēng)險(xiǎn)：

能量不可加密：不同于傳統(tǒng)的信息傳輸，能量不能通過加密的方式來保證僅給合法的節(jié)點(diǎn)使用，攻擊者可以以非法方式竊取并利用節(jié)點(diǎn)能量。

能量不可備份：傳輸?shù)男畔⒖梢酝ㄟ^備份和復(fù)制得到恢復(fù)，然而能量不同，惡意節(jié)點(diǎn)攻擊造成的能量損失無法恢復(fù)。

能量狀態(tài)不可見：某個(gè)節(jié)點(diǎn)的能量狀態(tài)對(duì)其他節(jié)點(diǎn)是不可見的，惡意節(jié)點(diǎn)可能偽造自身能量狀態(tài)以欺騙其他節(jié)點(diǎn)。

這些風(fēng)險(xiǎn)不僅會(huì)導(dǎo)致能量的損失，還可能會(huì)造成信息傳輸延遲或信息丟失，甚至?xí)瓜到y(tǒng)因大量的冗余信息而崩潰。

2.3 典型的能量合作攻擊

由于能量的脆弱性，在能量合作中可能面臨以下攻擊：

能量狀態(tài)偽造（Energy State Forgery，ESF） ：能量狀態(tài)偽造指攻擊者偽造自身能量狀態(tài)，在通信過程中向合作者發(fā)送錯(cuò)誤的能量信息。有三種主要的攻擊場(chǎng)景：

1） 受害者節(jié)點(diǎn)v向攻擊者節(jié)點(diǎn)a請(qǐng)求能量合作，節(jié)點(diǎn)a能量充足，卻謊稱自己能量不足，拒絕向節(jié)點(diǎn)v 提供幫助，能量合作無法完成。

2） 攻擊者v能量充足，卻向合作節(jié)點(diǎn)a謊稱能量不足，不斷向a請(qǐng)求能量幫助，消耗了a大量的能量。

3） 受害者v向附近節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求能量合作，攻擊者節(jié)點(diǎn)a能量不足，卻謊稱自身有足夠的能量，與v建立了無效的能量合作連接。

能量合作背叛（Energy Cooperation Betrayal，ECB）：能量合作背叛指攻擊者假意合作或因自私而拒絕合作。如在DTED中，S（受害者）向C（攻擊者）請(qǐng)求能量傳輸，自私節(jié)點(diǎn)C出于自身利益拒絕向S傳輸能量。在CREP中，C（攻擊者）同意S（受害者）的合作請(qǐng)求并接收來自S的能量，隨后拒絕將S的信息轉(zhuǎn)發(fā)到D。

能量抵賴（Energy Repudiation of Reception，ERR）：能量抵賴指攻擊者否認(rèn)接收能量。如在CRED中，C （攻擊者）與S（受害者）完成能量合作后收到了來自S 的補(bǔ)償能量，卻否認(rèn)接收過來自S的能量?jī)斶€。在DTED中，S（攻擊者）收到了來自C（受害者）的能量傳輸，卻聲稱自身未得到來自C的幫助。

能量相關(guān)的信息攻擊（Energy- Related Informa?tion Attack，ERID）：能量相關(guān)的信息攻擊通常與節(jié)點(diǎn)的串通合謀有關(guān)。如在CREP或CRED中，S（攻擊者）與D（攻擊者）串通欺騙節(jié)點(diǎn)C（受害者），D已收到卻聲稱未收到來自C轉(zhuǎn)發(fā)的來自S的信息，C不得不重傳信息，損失了自身的能量。

表1揭示了在能量合作模型中可能出現(xiàn)的能量攻擊。

3 重復(fù)囚徒困境博弈模型

3.1 重復(fù)囚徒困境博弈模型

參與者：這里的參與者指網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，而所有節(jié)點(diǎn)構(gòu)成了參與者集合。本章研究傳感器網(wǎng)絡(luò)鄰居節(jié)點(diǎn)之間的博弈。

策略空間：策略空間就是節(jié)點(diǎn)所采取策略及行為方式的集合。所有的節(jié)點(diǎn)都包括兩種行為，一種為合作策略，即愿意提供能量傳輸或數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)；另一種為背叛策略，即拒絕為其他節(jié)點(diǎn)提供能量傳輸或數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

收益：對(duì)于參與能量合作的節(jié)點(diǎn)來說，鄰居節(jié)點(diǎn)之間相互依存，收益通常體現(xiàn)為數(shù)據(jù)包的傳輸和能量的變化。若B是A的下一跳節(jié)點(diǎn)，則A需要B為其轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，而由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量的不均衡性，B需要A的能量補(bǔ)充。因此，正常合作下節(jié)點(diǎn)雙方是互利共贏的。重復(fù)囚徒困境中節(jié)點(diǎn)關(guān)心的不是眼前利益，而是長(zhǎng)期利益。

在能量合作中，各傳感器節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)期共存，相互依存，有多次合作機(jī)會(huì)，且對(duì)于各節(jié)點(diǎn)來說，背叛總比合作收益大。因此，能量合作中的節(jié)點(diǎn)符合重復(fù)囚徒困境模型。

3.2 合作的進(jìn)化——“一報(bào)還一報(bào)”策略的應(yīng)用

研究表明，在重復(fù)囚徒困境博弈中，最好的策略是“一報(bào)還一報(bào)”策略[12]。一報(bào)還一報(bào)策略中，博弈雙方首先選擇合作，接下來，重復(fù)對(duì)方的上一個(gè)回合的策略。在能量合作中，節(jié)點(diǎn)A首先選擇與節(jié)點(diǎn)B進(jìn)行能量合作，若節(jié)點(diǎn)B選擇合作，下一回合節(jié)點(diǎn)A仍然會(huì)重復(fù)B的合作策略，若無背叛，合作將一直持續(xù)下去。若節(jié)點(diǎn)B在某一回合背叛了A，在下一回合節(jié)點(diǎn)A將會(huì)背叛節(jié)點(diǎn)B作為懲罰，即拒絕與B進(jìn)行能量合作。它具有善良性、寬容性、明晰性和可激怒性。善良性使它不首先背叛；寬容性使得它在別人背叛之后只報(bào)復(fù)一次；明晰性使得這種策略易于被識(shí)別；可激怒性限制了對(duì)方的背叛。因此，在能量合作中，節(jié)點(diǎn)之間采用一報(bào)還一報(bào)的合作策略有利于減少節(jié)點(diǎn)的背叛行為，形成長(zhǎng)期穩(wěn)定的合作關(guān)系。

4 能量合作的安全機(jī)制

4.1 定期能量報(bào)告

定期能量報(bào)告（Periodic Energy State Report，PER） 指節(jié)點(diǎn)的信任模塊將節(jié)點(diǎn)的能量狀態(tài)信息定期發(fā)送給認(rèn)證機(jī)構(gòu)，報(bào)告的內(nèi)容為節(jié)點(diǎn)的身份、地理位置、能量狀態(tài)并用數(shù)據(jù)簽名技術(shù)實(shí)現(xiàn)身份認(rèn)證。出于隱私保護(hù)的需要，節(jié)點(diǎn)的身份可以匿名。為了防止能量狀態(tài)偽造，合法節(jié)點(diǎn)可以申請(qǐng)認(rèn)證機(jī)構(gòu)對(duì)其他節(jié)點(diǎn)的能量狀態(tài)進(jìn)行認(rèn)證，根據(jù)認(rèn)證機(jī)構(gòu)的反饋結(jié)果選擇合作對(duì)象。定期能量報(bào)告可以有效地避免節(jié)點(diǎn)能量狀態(tài)偽造。

4.2 能量雙重簽名

如圖5所示，為了實(shí)現(xiàn)能量傳輸?shù)牟豢傻仲囆?，我們可以仿照?shù)據(jù)簽名技術(shù)實(shí)現(xiàn)能量傳輸?shù)拇_認(rèn)。首先，能量的發(fā)送者i將待傳輸?shù)哪芰考?xì)分為若干個(gè)小的能量單元，并按照時(shí)間順序?yàn)槊恳粋€(gè)能量單元加上數(shù)據(jù)簽名。數(shù)據(jù)簽名包括發(fā)送者和接收者的身份、時(shí)間戳、合作記錄、傳輸?shù)哪芰靠偭亢彤?dāng)前事件的序列號(hào)。在T1時(shí)刻i將能量與數(shù)據(jù)簽名發(fā)送到接收者j。

接收者j收到來自i的能量單元和相應(yīng)的數(shù)據(jù)簽名后，證實(shí)了事件的有效性，在T2時(shí)刻仿照i的數(shù)據(jù)簽名產(chǎn)生一個(gè)雙重簽名并發(fā)送給i。i收到來自j的確認(rèn)后，即可以模仿上述過程在T3時(shí)刻繼續(xù)開始能量和簽名的傳輸，直到本次能量合作的完成。

4.3 能量合作安全算法

下面結(jié)合“一報(bào)還一報(bào)”的合作策略和定期能量報(bào)告及能量簽名技術(shù)提出能量合作安全算法。

假設(shè)在能量雙重簽名中，每份能量被等分為t個(gè)能量單元（E1，E2...Et） 。節(jié)點(diǎn)當(dāng)前可用能量為Eavali?able，節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)包（package）能量消耗為Ep。為了避免能量狀態(tài)偽造，定期能量報(bào)告須貫穿于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)生命期。在數(shù)據(jù)傳輸之前，節(jié)點(diǎn)首先根據(jù)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置選擇合作方式。若目標(biāo)節(jié)點(diǎn)就是自己的下一跳節(jié)點(diǎn)，則根據(jù)自身能量狀態(tài)選擇是否需要能量合作。當(dāng)節(jié)點(diǎn)能量不足以傳輸數(shù)據(jù)到下一跳節(jié)點(diǎn)時(shí)選擇DTED的合作方式，即請(qǐng)求附近鄰居節(jié)點(diǎn)為其提供能量補(bǔ)充，獲得足夠能量后直接將數(shù)據(jù)傳輸?shù)侥繕?biāo)節(jié)點(diǎn)。若目標(biāo)節(jié)點(diǎn)不是自身鄰居節(jié)點(diǎn)，則需要以中繼轉(zhuǎn)發(fā)的方式進(jìn)行能量合作，節(jié)點(diǎn)根據(jù)自身能量狀態(tài)選擇恰當(dāng)?shù)暮献髂Ｐ汀?/p>

如算法1所示，節(jié)點(diǎn)根據(jù)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)位置和自身能量狀態(tài)選擇能量合作方式。當(dāng)節(jié)點(diǎn)需要其中繼轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)，節(jié)點(diǎn)間以CREP的方式進(jìn)行能量合作，在能量合作的同時(shí)要確保安全，改進(jìn)的CREP 的實(shí)現(xiàn)方式如下：

如算法2所示，在S-CREP中引入能量簽名技術(shù)可以保證能量的不可抵賴性，減少能量損失。當(dāng)節(jié)點(diǎn)自身能量不足以支付給中繼節(jié)點(diǎn)時(shí)，節(jié)點(diǎn)可以先請(qǐng)求其周圍鄰居節(jié)點(diǎn)以DTED的方式為其提供能量補(bǔ)充，然后執(zhí)行S-CREP進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在執(zhí)行DTED時(shí)要考慮能量的安全問題，改進(jìn)的DETD算法如下：

如算法3所示，在S-DTED中通過引入能量簽名實(shí)現(xiàn)了能量的不可抵賴性，此外，定期能量報(bào)告技術(shù)的引入避免了節(jié)點(diǎn)的能量狀態(tài)偽造。

4.4 算法分析

下面結(jié)合上述所描述的能量合作的脆弱性和典型的能量攻擊對(duì)所提算法有效性進(jìn)行分析。

針對(duì)能量合作中可能出現(xiàn)的節(jié)點(diǎn)能量合作背叛，TFT策略通過對(duì)背叛合作的節(jié)點(diǎn)予以懲罰，讓節(jié)點(diǎn)失去背叛的動(dòng)機(jī)，促進(jìn)了節(jié)點(diǎn)之間的合作。此外，由于TFT策略是集體穩(wěn)定的，其他策略難以在TFT策略中生存下去。

針對(duì)能量合作中節(jié)點(diǎn)能量不可加密的弱點(diǎn)可能造成能量損失，算法中的能量簽名技術(shù)通過“化整為零”，將能量塊劃分成若干能量單元，并為每份能量單元加上數(shù)字簽名，實(shí)現(xiàn)了收發(fā)雙方身份的認(rèn)證。非法節(jié)點(diǎn)在取得第一份能量單元后難以偽造合法節(jié)點(diǎn)的身份向發(fā)送方提供正確的能量雙重簽名。發(fā)送方得不到正確的反饋后停止發(fā)送能量單元，避免了更大的能量損失。

針對(duì)能量狀態(tài)不可見以及因此造成的能量狀態(tài)偽造攻擊，算法中應(yīng)用的定期能量報(bào)告技術(shù)使得節(jié)點(diǎn)的信任模塊定期將節(jié)點(diǎn)的能量狀態(tài)發(fā)送給認(rèn)證機(jī)構(gòu)。

由于認(rèn)證機(jī)構(gòu)是可信的，節(jié)點(diǎn)可以請(qǐng)求認(rèn)證機(jī)構(gòu)驗(yàn)證其他節(jié)點(diǎn)的能量狀態(tài)，偽造的能量狀態(tài)可以被其他節(jié)點(diǎn)識(shí)別。

針對(duì)能量合作中的能量抵賴攻擊，能量簽名技術(shù)通過將能量與數(shù)據(jù)簽名“綁定”在一起，使數(shù)據(jù)簽名技術(shù)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟豢傻仲囆?，也相?yīng)地保證了能量傳輸?shù)牟豢傻仲囆浴?/p>

5 仿真實(shí)驗(yàn)

下面用matlab仿真平臺(tái)評(píng)估所提安全算法的有效性。假設(shè)在100min內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)中有100個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，其中一部分為惡意節(jié)點(diǎn)，數(shù)目為n。它們隨機(jī)向其鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)起攻擊，攻擊強(qiáng)度隨著攻擊概率的提高而增加。節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包到達(dá)速率服從泊松分布，節(jié)點(diǎn)之間請(qǐng)求和回復(fù)信息包大小為10字節(jié)，消耗4μJ的能量[6]。能量包的到達(dá)隊(duì)列服從獨(dú)立同分布隨機(jī)變量，從集合δ={0.25，0.50，0.75，1}中等概率取值。數(shù)據(jù)簽名大小為140字節(jié)，消耗節(jié)點(diǎn)120μJ的能量[13]。

圖6和圖7揭示了不同數(shù)據(jù)包傳輸率下的能量損失。由圖6和圖7可知，隨著數(shù)據(jù)包傳輸速率的增加，無安全防護(hù)下能量損失增幅超過80%，然而安全防護(hù)時(shí)能量損失增幅不超過20%，這說明我們的安全算法對(duì)數(shù)據(jù)包傳輸速率的增加并不敏感。此外，由圖6可知，無防護(hù)時(shí)的能量損失是防護(hù)狀態(tài)下的10倍以上，這是由于安全防范算法是綜合手段，能同時(shí)防御多種能量合作攻擊。同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中的惡意節(jié)點(diǎn)比例對(duì)無防護(hù)的網(wǎng)絡(luò)影響較大，然而對(duì)安全防護(hù)下的網(wǎng)絡(luò)影響較小。因此，能量安全算法可以有效地避免能量攻擊造成的能量損失。

如圖8所示，能量消耗隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸率的增加而增加。此外，雖然能量安全算法的引入增加了2-3倍的能量消耗，然而這些消耗低于安全算法挽回的能量損失。因此，安全算法可以有效抵御能量合作攻擊。

下面來評(píng)估安全算法對(duì)數(shù)據(jù)包傳輸率的影響，這里的數(shù)據(jù)包傳輸率指被成功轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包總數(shù)與發(fā)送的數(shù)據(jù)包總數(shù)之比。能量合作中節(jié)點(diǎn)可能因能量合作背叛而降低其數(shù)據(jù)包傳輸率。

如圖9和圖10所示，數(shù)據(jù)包傳輸率隨著攻擊強(qiáng)度的增加而降低。此外，在同樣的攻擊強(qiáng)度下，隨著惡意節(jié)點(diǎn)數(shù)量的成倍增加，數(shù)據(jù)傳輸率降低幅度超過50%。然而采用安全算法可以將降低惡意節(jié)點(diǎn)的危害降低為原來的1/3左右，因此，安全算法可以有效減弱能量合作攻擊對(duì)數(shù)據(jù)包傳輸?shù)挠绊憽?/p>

6 總結(jié)與展望

本文首先引入博弈論重復(fù)囚徒困境模型解決了節(jié)點(diǎn)的合作問題，確保節(jié)點(diǎn)之間能夠形成長(zhǎng)期穩(wěn)定的合作關(guān)系。然后利用定期能量報(bào)告技術(shù)解決了節(jié)點(diǎn)的能量狀態(tài)偽造問題，使用能量雙重簽名技術(shù)實(shí)現(xiàn)了能量的不可抵賴性，并提出了相應(yīng)的安全算法，最后用matlab仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提算法的有效性。