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基于改进信号博弈的WSNs最优防御策略选取研究 ——以高铁为例

基于改进信号博弈的WSNs最优防御策略选取研究 ——以高铁为例

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作者：仇莫然中国民用航空飞行学院

学位级别：硕士

电池供电型无线传感器(后简称“无线传感器”)常部署于高速铁路轨道沿线,用于监测形变、温度、降水量等,该类数据将用于高铁列车的安全运行监控,其准确性要求较高。在面临网络攻击时,无防护的无线传感器常出现宕机、数据失真等现象,严... 详细信息

电池供电型无线传感器(后简称“无线传感器”)常部署于高速铁路轨道沿线,用于监测形变、温度、降水量等,该类数据将用于高铁列车的安全运行监控,其准确性要求较高。在面临网络攻击时,无防护的无线传感器常出现宕机、数据失真等现象,严重威胁列车组的安全运行。为拒止攻击、保障安全,无线传感器需长期运行入侵检测系统(Intrusion Detection System,IDS)。基于无线传感器的IDS组件需从无线传感器运行时启动,在提供持续入侵检测的同时导致不必要的电量消耗,造成无线传感器整体运行时间显著缩短。如何兼顾无线传感器业务运行与网络攻击防护能力的平衡,最终延长无线传感器网络的运行时间成为亟待解决的问题之一。为应对上述问题,众多学者从多方面进行了各类研究,但仍存在以下问题:(1)既有单阶段信号博弈模型未将无线传感网实际运用场景、无线传感网布设的空间分布特征、使用频率特征、剩余电量特征等信息融入模型的构建。(2)既有多阶段信号博弈模型通常将折扣系数设定为固定常数,未考虑攻守策略、博弈阶段等因素对均衡点的动态影响。(3)既有信号博弈存在对先验概率的人为赋值行为,主观性的引入将造成博弈均衡点的不确定性。因此,本文提出了一种基于多阶段改进信号博弈的高铁无线传感器网络(High Speed Railway-Wireless Sensor Networks,HSR-WSNs)最优防御策略选取方法,主要研究内容包括:以HSR-WSNs的空间分布、使用频率、剩余电量为载体,提出了无线传感器网络中各节点重要程度模型,即“空间分布-使用频率-剩余电量”融合权重模型;从此着手,构建了基于单阶段改进信号博弈的HSR-WSNs最优防御策略选取模型;针对网络攻防多次交互的现实问题,在单阶段模型的基础上,构建了基于多阶段改进信号博弈HSR-WSNs最优防御策略选取模型;此外,引入了LSTM模型和UNSW-NB15公开数据集,消除了单阶段与多阶段模型中先验概率人为赋值产生的主观性。实验结果表明:无论博弈参与方采用文中所述的何种攻防策略,符合本文提出模型的无线传感器簇均会采用{恶意节点攻击,成员节点合作,簇头节点防御}的行为集合。此外,多次交互后,攻守双方的收益都将趋近于0。与传统攻防手段相比,簇头节点更省电而恶意节点更耗电,双方都倾向于结束这场博弈,即系统的安全性得以保障。

关键词：高铁无线传感器网络网络攻防策略多阶段改进信号博弈融合权重混合策略贝叶斯均衡

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