一種基於數學形態學的無線網絡攻擊檢測方法
2023-05-31 08:45:16
一種基於數學形態學的無線網絡攻擊檢測方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於數學形態學的無線網絡攻擊檢測方法，包括：採用預設的採樣速率分別採集無線網絡的每個節點在傳輸數據時產生的鏈路質量指示參數；將獲得的每個節點的鏈路質量指示參數依次繪製在二維坐標系上形成階梯曲線圖；採用數學形態學中的侵蝕運算，逐步侵蝕每個節點的階梯曲線圖，同時計算獲得每次侵蝕時的微粒分數；計算每個節點的所有微粒分數的累積分布函數並將獲得的累積分布函數繪製在二維坐標系上得到微粒分布階梯曲線；根據獲得的每個節點的微粒分布階梯曲線，實時判斷該節點是否受到攻擊。本發明可以實時監測到對無線網絡的攻擊，安全性高，而且計算方式簡單，降低了檢測成本，可廣泛應用於無線網絡的安全監控領域。
【專利說明】一種基於數學形態學的無線網絡攻擊檢測方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及網絡攻擊檢測領域，特別是涉及一種基於數學形態學的無線網絡攻擊檢測方法。
【背景技術】
[0002]目前解決無線傳感網絡安全問題通常採用的方法是加密或認證。加密可以保證攻擊者即使獲得傳輸的密文消息也不能破解得出明文消息，而認證可以保證消息來自合法的節點以及驗證消息是否被修改過。但是採用加密方法，密鑰的分配往往能耗較大，可擴展性和適應性較低，需要的布置成本和計算開銷太大，而採用認證方法，節點的計算能力有限，共享密鑰相對脆弱。總的來說，採用目前技術中的加密或認證的方法來保證數據傳輸的安全，其計算複雜度和能耗較高，系統成本高昂，而且以上兩種方法均不能實現對入侵攻擊的檢測，當一個無線傳感網絡中出現「間諜」節點時，無法實時地監測到此節點的攻擊，因而其安全性受到限制。
【發明內容】
[0003]為了解決上述的技術問題，本發明的目的是提供一種計算方式簡單、低成本且安全性高的基於數學形態學的無線網絡攻擊檢測方法。
[0004]本發明解決其技術問題所採用的技術方案是:
一種基於數學形態學的無線網絡攻擊檢測方法，包括:
51、採用預設的採樣速率分別採集無線網絡的每個節點在傳輸數據時產生的鏈路質量指示參數；
52、將獲得的每個節點的鏈路質量指示參數依次繪製在二維坐標系上形成階梯曲線
圖；
53、採用數學形態學中的侵蝕運算，逐步侵蝕每個節點的階梯曲線圖，同時計算獲得每次侵蝕時的微粒分數；
54、計算每個節點的所有微粒分數的累積分布函數並將獲得的累積分布函數繪製在二維坐標系上得到微粒分布階梯曲線；
55、根據獲得的每個節點的微粒分布階梯曲線，實時判斷該節點是否受到攻擊。
[0005]進一步,所述步驟S3,包括:
531、計算每個節點的階梯曲線圖的子圖區域的總面積，並採用邊長為I的單位正方形作為結構元素；
532、基於數學形態學中的侵蝕運算，使用結構元素去侵蝕每個節點的階梯曲線圖中與結構元素長度相同的子圖區域，同時計算被侵蝕的子圖區域的面積；
533、計算被侵蝕的子圖區域的面積與子圖區域的總面積之比，並將其作為該次侵蝕的微粒分數；
534、判斷該節點的階梯曲線圖是否侵蝕完畢，若是，則結束，反之在結構元素的水平方向上增加一個單位正方形後作為新的結構元素，並返回步驟S32。
[0006]進一步，所述步驟S4，包括:
541、將每個節點的所有微粒分數按照結構元素的長度依次排列後計算其累積分布函
數；
542、以結構元素的長度作為橫坐標，累積分布函數值作為縱坐標，將獲得的累積分布函數繪製在二維坐標系上得到微粒分布階梯曲線。
[0007]進一步，所述步驟S2，其具體為:
以採樣序號作為橫坐標，鏈路質量指示參數作為縱坐標，將獲得的每個節點的所有鏈路質量指示參數依次繪製在二維坐標系上形成階梯曲線圖。
[0008]進一步，所述步驟S5，其具體為:
將獲得的每個節點的微粒分布階梯曲線與標準資料庫中該節點對應的標準微粒分布階梯曲線進行比對，從而根據比對結果實時判斷該節點是否受到攻擊，若比對結果一致，則判斷該節點未受到攻擊，若比對結果不一致，則判斷該節點受到攻擊。
[0009]本發明的有益效果是:本發明的一種基於數學形態學的無線網絡攻擊檢測方法，採用預設的採樣速率分別採集無線網絡的每個節點在傳輸數據時產生的鏈路質量指示參數後，將獲得的每個節點的鏈路質量指示參數依次繪製在二維坐標系上形成階梯曲線圖，然後採用數學形態學中的侵蝕運算，逐步侵蝕每個節點的階梯曲線圖，同時計算獲得每次侵蝕時的微粒分數，進而計算每個節點的所有微粒分數的累積分布函數並將獲得的累積分布函數繪製在二維坐標系上得到微粒分布階梯曲線，最後根據獲得的每個節點的微粒分布階梯曲線，實時判斷該節點是否受到攻擊，本方法可以實時監測到對無線網絡的攻擊，安全性高，而且計算方式簡單，降低了布置成本和計算開銷，即降低了檢測成本。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010]下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。
[0011]圖1是本發明的一種基於數學形態學的無線網絡攻擊檢測方法的流程圖；
圖2是本發明的一具體實施例中侵蝕一節點的階梯曲線圖的示意圖；
圖3是本發明的一具體實施例中一節點的微粒分布階梯曲線圖。
【具體實施方式】
[0012]為了便於下文的描述，首先給出以下名詞解釋:
LQI:Link Quality Indicator,代表鏈路質量指示,用來指示通信連接強度的高低,單位是dBm。LQI可以在接收到的每個數據包中的頭文件中直接讀取到，是發送數據時默認發送的參數，其數據便於收集和提取，是0-255之間的整數。
[0013]參照圖1，本發明提供了一種基於數學形態學的無線網絡攻擊檢測方法，包括:
51、採用預設的採樣速率分別採集無線網絡的每個節點在傳輸數據時產生的鏈路質量指示參數；
52、將獲得的每個節點的鏈路質量指示參數依次繪製在二維坐標系上形成階梯曲線
圖；
53、採用數學形態學中的侵蝕運算，逐步侵蝕每個節點的階梯曲線圖，同時計算獲得每次侵蝕時的微粒分數；
54、計算每個節點的所有微粒分數的累積分布函數並將獲得的累積分布函數繪製在二維坐標系上得到微粒分布階梯曲線；
55、根據獲得的每個節點的微粒分布階梯曲線，實時判斷該節點是否受到攻擊。
[0014]進一步作為優選的實施方式，所述步驟S3，包括:
531、計算每個節點的階梯曲線圖的子圖區域的總面積，並採用邊長為I的單位正方形作為結構元素；
532、基於數學形態學中的侵蝕運算，使用結構元素去侵蝕每個節點的階梯曲線圖中與結構元素長度相同的子圖區域，同時計算被侵蝕的子圖區域的面積；
533、計算被侵蝕的子圖區域的面積與子圖區域的總面積之比，並將其作為該次侵蝕的微粒分數；
534、判斷該節點的階梯曲線圖是否侵蝕完畢，若是，則結束，反之在結構元素的水平方向上增加一個單位正方形後作為新的結構元素，並返回步驟S32。
[0015]進一步作為優選的實施方式，所述步驟S4，包括:
541、將每個節點的所有微粒分數按照結構元素的長度依次排列後計算其累積分布函
數；
542、以結構元素的長度作為橫坐標，累積分布函數值作為縱坐標，將獲得的累積分布函數繪製在二維坐標系上得到微粒分布階梯曲線。
[0016]進一步作為優選的實施方式，所述步驟S2，其具體為:
以採樣序號作為橫坐標，鏈路質量指示參數作為縱坐標，將獲得的每個節點的所有鏈路質量指示參數依次繪製在二維坐標系上形成階梯曲線圖。
[0017]進一步作為優選的實施方式，所述步驟S5，其具體為:
將獲得的每個節點的微粒分布階梯曲線與標準資料庫中該節點對應的標準微粒分布階梯曲線進行比對，從而根據比對結果實時判斷該節點是否受到攻擊，若比對結果一致，則判斷該節點未受到攻擊，若比對結果不一致，則判斷該節點受到攻擊。
[0018]下面結合具體實施例對本發明做進一步說明，本發明的一實施例如下:
參照圖1，一種基於數學形態學的無線網絡攻擊檢測方法，包括:
S1、採用預設的採樣速率分別採集無線網絡的每個節點在傳輸數據時產生的鏈路質量指示參數。
[0019]S2、將獲得的每個節點的鏈路質量指示參數依次繪製在二維坐標系上形成階梯曲線圖，其具體為:
以採樣序號作為橫坐標，鏈路質量指示參數作為縱坐標，將獲得的每個節點的所有鏈路質量指示參數依次繪製在二維坐標系上形成階梯曲線圖。
[0020]S3、採用數學形態學中的侵蝕運算，逐步侵蝕每個節點的階梯曲線圖，同時計算獲得每次侵蝕時的微粒分數，具體包括以下步驟:
531、計算每個節點的階梯曲線圖的子圖區域的總面積，並採用邊長為I的單位正方形作為結構元素；
532、基於數學形態學中的侵蝕運算，使用結構元素去侵蝕每個節點的階梯曲線圖中與結構元素長度相同的子圖區域，同時計算被侵蝕的子圖區域的面積；侵蝕是數學形態學中較為常見的一種運算，可以理解為「擦除」，本步驟中使用結構元素去侵蝕每個節點的階梯曲線圖中與結構元素長度相同的子圖區域可以理解為:以結構元素為單元，擦除每個節點的階梯曲線圖中與結構元素長度相同的子圖區域，參照圖2所示，圖2中虛線部分表示該階梯曲線圖被單位正方形的結構元素擦除的子圖區域，即被侵蝕的子圖區域；
533、計算被侵蝕的子圖區域的面積與子圖區域的總面積之比，並將其作為該次侵蝕的微粒分數；需要注意的是，這裡子圖區域的總面積是指每個節點的階梯曲線圖的初始狀態下的子圖區域的總面積；由圖2可知，該節點的階梯曲線圖的初始狀態下的子圖區域的總面積為57，圖2中被侵蝕的子圖區域共5個單位正方形，即此次被侵蝕的子圖區域的面積為5，因此，計算得到對應的微粒分數為5/57 ；
534、判斷該節點的階梯曲線圖是否侵蝕完畢，若是，則結束，反之在結構元素的水平方向上增加一個單位正方形後作為新的結構元素，並返回步驟S32;若判斷階梯曲線圖未侵蝕完畢，則在結構元素的水平方向上增加一個單位正方形後作為新的結構元素，繼續侵蝕該節點的階梯曲線，例如對圖2中被單位正方形的結構元素侵蝕後的階梯曲線圖，採用一個長度為2，寬為I的矩形的結構元素繼續侵蝕，依次類推，直到該階梯曲線圖侵蝕完畢；
這裡是通過計算階梯曲線圖的侵蝕後剩下的子圖區域的總面積來判斷該節點是否侵蝕完畢的，若該節點剩下的子圖區域的總面積為O，則表示侵蝕完畢。
[0021]S4、計算每個節點的所有微粒分數的累積分布函數並將獲得的累積分布函數繪製在二維坐標系上得到微粒分布階梯曲線:
541、將每個節點的所有微粒分數按照結構元素的長度依次排列後計算其累積分布函數；這裡獲得的某個結構元素的長度對應的微粒分數的累積分布函數值是長度小於等於該結構元素的長度的幾個結構元素對應的微粒分數之和，例如對應長度為2的累積分布函數值等於長度為I的結構元素的微粒分數和長度為2的結構元素的微粒分數之和；
542、以結構元素的長度作為橫坐標，累積分布函數值作為縱坐標，將獲得的累積分布函數繪製在二維坐標系上得到微粒分布階梯曲線，參照圖3所示，圖3為對圖2的階梯曲線圖侵蝕後獲得的微粒分布階梯曲線，圖3中結構元素的長度為6至8時，微粒分布階梯曲線的值沒有變化，表示圖2的階梯曲線圖中沒有與這些長度的結構元素長度相同的子圖區域；圖3中對應11處的加粗的線段表示，用長度為11的結構元素侵蝕該階梯曲線圖後侵蝕完畢。
[0022]S5、根據獲得的每個節點的微粒分布階梯曲線，實時判斷該節點是否受到攻擊，其具體為:
將獲得的每個節點的微粒分布階梯曲線與標準資料庫中該節點對應的標準微粒分布階梯曲線進行比對，從而根據比對結果實時判斷該節點是否受到攻擊，若比對結果一致，則判斷該節點未受到攻擊，若比對結果不一致，則判斷該節點受到攻擊。因為對一個已知拓撲結構的無線網絡來說，其各個節點的鏈路質量指示參數是固定的，因此可以採集每個節點的鏈路質量指示參數之後，執行步驟S2至S4，獲得每個節點的標準微粒分布階梯曲線，並根據無線網絡的所有節點的標準微粒分布階梯曲線建立標準資料庫，從而在無線網絡的實際傳輸數據中，參照該標準資料庫，根據獲得的每個節點的微粒分布階梯曲線判斷該節點是否受到攻擊。因為若已知拓撲結構中的某節點受到同一地理區域的其他拓撲結構中的「間諜」節點的攻擊例如數據竊取或複製時，其鏈路質量指示參數會因受到幹擾而相應改變，因而最終得到的微粒分布階梯曲線波形也會發生明顯的變化。需要注意的是，因為鏈路質量指示參數的數據量很大，目前技術很難從採集到的鏈路質量指示參數的原始數據的波形或其它特徵來判斷節點是否受到攻擊，本發明通過將採集的鏈路質量指示參數轉換為微粒分布階梯曲線，可以在不對採集的原始數據做任何改變的前提下，直觀、快捷地獲知鏈路質量指示參數的變化，從而及時地判斷出節點是否受到攻擊，大大提高了無線網絡的安全性。
[0023]以上是對本發明的較佳實施進行了具體說明，但本發明創造並不限於所述實施例，熟悉本領域的技術人員在不違背本發明精神的前提下還可做出種種的等同變形或替換，這些等同的變型或替換均包含在本申請權利要求所限定的範圍內。
【權利要求】
1.一種基於數學形態學的無線網絡攻擊檢測方法，其特徵在於，包括: 51、採用預設的採樣速率分別採集無線網絡的每個節點在傳輸數據時產生的鏈路質量指示參數； 52、將獲得的每個節點的鏈路質量指示參數依次繪製在二維坐標系上形成階梯曲線圖； 53、採用數學形態學中的侵蝕運算，逐步侵蝕每個節點的階梯曲線圖，同時計算獲得每次侵蝕時的微粒分數； 54、計算每個節點的所有微粒分數的累積分布函數並將獲得的累積分布函數繪製在二維坐標系上得到微粒分布階梯曲線； 55、根據獲得的每個節點的微粒分布階梯曲線，實時判斷該節點是否受到攻擊。
2.根據權利要求1所述的一種基於數學形態學的無線網絡攻擊檢測方法，其特徵在於，所述步驟S3，包括: 531、計算每個節點的階梯曲線圖的子圖區域的總面積，並採用邊長為I的單位正方形作為結構元素； 532、基於數學形態學中的侵蝕運算，使用結構元素去侵蝕每個節點的階梯曲線圖中與結構元素長度相同的子圖區域，同時計算被侵蝕的子圖區域的面積； 533、計算被侵蝕的子圖區域的面積與子圖區域的總面積之比，並將其作為該次侵蝕的微粒分數； 534、判斷該節點的階梯曲線圖是否侵蝕完畢，若是，則結束，反之在結構元素的水平方向上增加一個單位正方形後作為新的結構元素，並返回步驟S32。
3.根據權利要求1所述的一種基於數學形態學的無線網絡攻擊檢測方法，其特徵在於，所述步驟S4，包括: 541、將每個節點的所有微粒分數按照結構元素的長度依次排列後計算其累積分布函數； 542、以結構元素的長度作為橫坐標，累積分布函數值作為縱坐標，將獲得的累積分布函數繪製在二維坐標系上得到微粒分布階梯曲線。
4.根據權利要求1所述的一種基於數學形態學的無線網絡攻擊檢測方法，其特徵在於，所述步驟S2，其具體為: 以採樣序號作為橫坐標，鏈路質量指示參數作為縱坐標，將獲得的每個節點的所有鏈路質量指示參數依次繪製在二維坐標系上形成階梯曲線圖。
5.根據權利要求1所述的一種基於數學形態學的無線網絡攻擊檢測方法，其特徵在於，所述步驟S5，其具體為: 將獲得的每個節點的微粒分布階梯曲線與標準資料庫中該節點對應的標準微粒分布階梯曲線進行比對，從而根據比對結果實時判斷該節點是否受到攻擊，若比對結果一致，則判斷該節點未受到攻擊，若比對結果不一致，則判斷該節點受到攻擊。
【文檔編號】H04W12/12GK103763703SQ201410010848
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2014年1月9日 優先權日:2014年1月9日
【發明者】王硯文, 吳曉鴒, 陳海南, 曾德文, 王慰 申請人:廣州中國科學院先進技術研究所