1.1 研究背景
微电子技术、计算技术和无线网络通信等技术的发展，促进了低功耗多种类传感器的快速发展，使其在微小体积内能够实现信息收集、数据计算和无线网络传输等多种功能。无线传感器网络（Wireless Sensor Networks）就是由大量部署在监测区域内的廉价微型传感器节点组成的，通过无线网络传输方式形成的一个多跳的自组织、自适应的智能网络系统，其功能是合作地感知、收集并处理网络覆盖区域中各类对象（如温度、湿度、气压等）的信息，再发送给管理者。因此，组成一个传感器网络的3个主要要素是传感器节点、感知对象和管理者。如果说因特网构成了逻辑上的信息世界，改变了人与人之间的沟通方式，那么，无线传感器网络就是将客观上的物理世界与逻辑上的信息世界融合在一起，改变人类与自然界的交互方式。人们可以通过无线传感器网络直接感知物理世界中各类对象信息，从而极大地扩展现有网络的功能和人类认识物理世界的能力。美国商业周刊和MIT技术评论在预测未来技术发展的报告中，分别将无线传感器网络列为21世纪最有影响力的21项技术和改变世界的十大技术之一[1]。研究结果[2-5]表明，无线传感器网络具有十分广阔的应用前景，在工农业、城市管理、生物医疗、环境监测、军事等众多领域都有实际与潜在的实用价值。
无线传感器网络经历了一个长期的发展过程。在20世纪70年代，出现的第一代传感器网络主要利用点对点传输技术以及专门的控制器将传统的传感器连接起来，从而形成了无线传感器网络的雏形。随后，电子、计算机等学科的不断发展和进步，使传感器网络也具备了获取多种对象信息的综合处理能力，并采用串/并接口与传感控制器相连，构成了具有信息收集和综合处理能力的第二代传感器网络。第三代传感器网络形成于20世纪90年代后期和21世纪初，开始采用能够智能获取多种对象信息信号的传感器，通过现场总线连接传感控制器，形成局部智能化传感器网络。第四代传感器网络是目前科研工作者的研究热点之一，该网络采用大量具有多功能、多对象信号获取能力的传感器，尤其重要的变化是传感器之间采用可靠的无线网络传输协议进行连接，从而形成高效、健壮的无线传感器网络，这是传感器网络发展的一个巨大飞跃[6]。这将使传感器网络进一步发展，应用范围得到极大的扩展。
从科研的角度来看，无线传感器网络的研究起始于20世纪90年代末期。自1999年将中间件（Middleware）技术引入无线传感器网络中之后，就有很多科研院所开始从不同的侧面进行研究。那时，大多数开展的基于无线传感器网络特性的中间件研究和开发工作都主要集中在如何延长传感器网络的生命期以及如何充分提高传感器网络的有限资源利用等方面。在美国，康奈尔大学、加州大学伯克利分校等是较早开始无线传感器网络基础理论和关键技术研究的高校。此后，大家都认识到无线传感器网络具有巨大的实际应用价值，世界许多国家的军事部门、工业界和学术界都对这种网络表现出极大的关注。美国自然科学基金委员会（US National Science Foundation）于2003年制订了无线传感器网络的研究计划，大力支持无线传感器网络基础理论和关键技术的研究。由于无线传感器网络潜在的军事用途，美国国防部（US Department of Defense）对此也高度重视，把无线传感器网络作为一个重要的研究领域，设立了一系列的项目从事军事传感器网络的研究；美国英特尔（Intel）公司、微软（Microsoft）公司等信息业巨头也开始了无线传感器网络方面的研究工作；其他如意大利、俄罗斯、法国、日本、英国、德国等科技发达国家也对无线传感器网络表现出了极大的兴趣，纷纷展开了相关的科学研究工作[7]。
我国的中国科学院上海微系统研究所、计算所、软件研究所、沈阳自动化所、电子所和合肥智能技术研究所等科研机构，清华大学、北京大学、哈尔滨工业大学、西北工业大学、北京邮电大学、南京邮电大学、国防科技大学等高等院校在国内较早开展了传感器网络的研究，之后有更多的科研院所加入到无线传感器网络的基础研究和开发工作中来。
通常，典型的无线传感器网络包括传感器节点（Sensor Node）、汇聚节点（Sink Node）和管理节点[5]。大量的传感器节点以随机撒播的方式部署在监测区域内部或附近，能够通过自组织的方式互联成网络。各类传感器节点监测到的数据信息沿着其他传感器节点（如簇头）逐跳地进行传输，并在传输过程中不同节点的监测数据信息可能被多个节点进行处理，再经过多跳后传递到汇聚节点，最后通过互联网传输到管理节点。管理者可通过管理节点对传感器网络进行管理和配置，收集监测数据和发布监测信息等任务[8，9]。
但由于无线传感器网络感知、收集和传输数据的性能受到环境和节点自身特点的约束，在实际应用中存在诸多不足之处，主要体现在以下几个方面。
1．电源能量有限
传感器节点体积微小，通常携带能量十分有限的电池[10]。这些能量主要被传感器模块、处理器模块和无线通信模块等消耗。随着集成电路工艺的发展，传感器和处理器模块的功率消耗将会变得越来越低，绝大部分能量消耗在无线通信模块上。其中，无线通信模块具有接收、发送、睡眠、空闲4种状态。空闲状态意味着无线通信模块一直在监听无线信道的状况，检查是否有数据信息发送过来，而睡眠状态则意味着关闭无线通信模块。相比较而言，无线通信模块在数据发送时能量消耗最大，空闲时少于发送状态的能量消耗，而处于睡眠状态时能量消耗最少[1]。由于一个无线传感器网络中的传感器节点个数多、分布区域广，而且部署环境复杂，有些部署区域甚至人员都不能到达，所以通过更换电池的方式来补充能源往往不现实。这就对科研工作者提出了无线传感器网络多方面节能的需求。
2．通信能力有限
传感器节点能量有限的现状决定了它有限的通信能力。无线网络通信的能耗与通信距离的关系密切，随着通信距离的增加，能量消耗将成倍增加。考虑到传感器节点网络覆盖区域大的特点，无线传感器网络通常采用多跳路由传输机制。这就要求在满足无线传感器网络通信连通度的前提下应尽量减少单跳通信距离。另外，由于节点能量的不断变化，受障碍物等自然环境的影响，无线网络通信性能会经常变化，导致通信中断[1]。这就对科研工作者提出了多方面减少数据通信的需求。
3．计算和存储能力有限
作为一种微型嵌入式设备，传感器节点价格低、功耗小，这些限制必然导致其配备的微处理器能力比较弱，存储器容量比较小。而传感器节点需要完成监测数据的采集和转换、数据的管理和处理、应答汇聚节点的任务请求和节点控制等多种工作[1]。为了完成各种任务，这就对科研工作者提出了多方面减少数据计算和存储的需求。
因此，目前针对无线传感器网络的大量科研工作都是为了解决上述的不足进行展开。
实际上，无线传感器网络作为任务型的网络，不仅要进行数据的传输，而且要进行数据采集和融合、任务的协同控制等。如何保证任务执行的机密性、数据产生的可靠性、数据融合的高效性以及数据传输的安全性，就成为无线传感器网络安全需要全面考虑的内容。可以说，安全问题是制约无线传感器网络发展的一个非常关键因素[11-14]。
博弈论是研究两个或多个参与者谋略和决策问题的理论[15]，在我国古代故事如王戎辩李、孙膑赛马、破釜沉舟、空城计等中就充满了博弈论的思想。博弈论分析的目的是预测博弈的结果。不言而喻，每一个参与者要选择的策略必须是针对其他参与者选择战略的最优反应，每一个参与者都希望尽可能提高自己的利益所得[16]。因此，博弈论研究强调决策主体行为发生时的直接相互作用。例如，经常遇到的性别战博弈，这是一个两人决策问题，丈夫的决策依赖于妻子的决策；反过来，妻子的决策也依赖于丈夫的决策。
1944年，John Von Neumann和Oskar Morgenstern的巨著Theory of Games and Economic Behavior的出版为博弈论在经济学中系统的应用奠定了理论基础。1994年、1996年、2001年、2005年和2007年共5次诺贝尔经济学奖被分别授予了经济博弈论方向的学者。对一门学科给予如此高的褒奖，表明了博弈论的强大威力。正是国际经济学界对博弈论的这种肯定，推动了国内外博弈论研究及应用的发展，使得目前的博弈论已发展成一个内容丰富且完善的理论体系。更重要的是，博弈论的应用已逐步扩展到政治学、道德哲学、社会学、生物学和计算机科学等领域。
博弈论的应用需要根据不同的场合选择不同的博弈类型，本书主要利用非合作博弈、演化博弈、联盟博弈研究无线传感器网络安全中的若干关键问题。非合作博弈的核心问题是参与者的策略选择，即在参与人是完全理性的基础上研究参与者在利益相互影响的情况下选择最有利于自己的策略[17]。演化博弈建立在参与人是有限理性的基础上，以参与人种群为研究对象，认为参与人的行为是一个动态调整过程[18]。联盟博弈强调在联盟的内部建立信息的互通，以及具有约束力且可执行的契约。因此，非合作博弈适用于参与人存在竞争且需要探寻只对自身有利策略的场合，演化博弈适用于需要对参与人行为动态演化进行研究的场合，而联盟博弈适用于联盟是否可获得收益，以及获得的净收益如何在联盟内部公平分配的问题。
近些年来，在无线网络领域，包括Ad Hoc网络、Mesh网络、无线传感器网络等，博弈论的应用呈明显上升的趋势。研究涉及的内容包括无线传感器网络媒体接入控制、无线传感器网络安全路由、无线传感器网络MAC协议竞争接入控制、认知MIMO系统功率分配、毫微微蜂窝混合接入控制干扰管理、高速移动环境下快速动态无线资源优化、无线自组织网络用户合作激励、认知无线网络动态频谱拍卖、认知无线网络资源分配、智能绿色无线电资源分配、认知无线电动态频谱分配等。
国内外一些著名研究机构和学术团队都在致力于博弈论和无线网络相结合的研究，如中国科学院软件研究所信息安全国家重点实验室、上海交通大学系统控制与信息处理教育部重点实验室、东北大学计算机软件与理论研究所、华东交通大学智能传感器网络中心和网络与信息安全中心、武汉理工大学高性能网络研究中心、四川大学计算机网络与安全研究所、西安电子科技大学智能感知与图像理解实验室、哈尔滨工业大学通信技术研究所、美国佐治亚理工学院宽带无线网络实验室、美国马里兰大学K．J．Ray Liu团队、美国加州大学Mihaela van der Schaar团队、美国伊利诺大学Tamer Başar团队、美国范德堡大学Myrna Wooders团队、加拿大曼尼托巴大学Ekram Hossain团队、希腊西马其顿大学Athanasios V．Vasilakos团队等。与此同时，从近几年的网络通信领域顶级国际会议SIGCOMM、INFOCOM和MobiHoc上发表的论文可见，每年都有相关文献发表。通信领域国际顶级期刊IEEE Journal on Selected Areas in Communications在2011年的征稿中共有两次主要关注博弈论和无线网络相结合的主题，分别是Game Theory in Wireless Communications和Economics of Communication Networks and Systems。
事实上，博弈论为无线传感器网络安全的研究提供了新颖的思路。自组织、无控制中心、动态拓扑、资源有限是无线传感器网络的主要特点，这些特点决定了每一个节点在通信时会有自己的决策。那么，当节点需要做出决策时，哪一种是最优的？节点也许会表现自私而寻求只对自身有益的决策，甚至会表现恶意而选择破坏网络性能的决策。这些情况利用非合作博弈能找到很好的答案。当然，这里的非合作博弈包括了多种形式，如重复博弈、信号博弈、声明博弈、随机博弈等。另外，还可以选择演化博弈对节点行为的动态演化进行研究。因此，博弈论方法为无线传感器网络安全中多方面关键问题研究提供了可行的新思路和新技术，这是一个重要的充满前景的研究方向。