黃北北，馮 勇，李修琪，黃 祺

(昆明理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650504)

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無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于角度的定向隨機(jī)步幻影路由協(xié)議*

黃北北，馮 勇，李修琪，黃 祺

(昆明理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650504)

為了更好地保護(hù)源位置隱私，提出了一種新的源位置隱私保護(hù)方法，通過(guò)使用相鄰節(jié)點(diǎn)的斜率的反正切值來(lái)確定幻影路徑上下一跳節(jié)點(diǎn)選擇范圍，使得幻影源的選取在不暴露源位置方向信息的情況下能夠遠(yuǎn)離真實(shí)源，且能夠生成更多不重復(fù)的幻影源，更靈活地控制幻影源的選取，使幻影源的分布較為均勻，從而能夠更好地提高源位置隱私保護(hù)的性能。仿真實(shí)驗(yàn)表明：相比傳統(tǒng)的基于跳數(shù)的定向隨機(jī)步方法和完全隨機(jī)步方法，該方法在能耗與安全周期上有著相對(duì)明顯的優(yōu)勢(shì)，因而該方法能夠更好地保護(hù)源位置隱私。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)； 源位置； 幻影源； 角度； 安全周期

0 引 言

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs)[1,2]由大量低成本、低功耗的傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)自組織方式組成，廣泛應(yīng)用于軍事、醫(yī)療、環(huán)境保護(hù)等各個(gè)領(lǐng)域。因其特殊通信方式，導(dǎo)致很容易受到信息截獲、篡改、隱私信息泄露等各種威脅。通常使用加密解密[3]以及數(shù)字簽名等技術(shù)來(lái)確保數(shù)據(jù)的機(jī)密性和完整性，但該方法無(wú)法阻止通過(guò)信號(hào)逐跳追蹤、流量分析來(lái)定位網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵位置的攻擊手段。對(duì)此需位置隱私[4]保護(hù)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)被監(jiān)測(cè)和被保護(hù)實(shí)體的位置隱私保護(hù)。

位置隱私保護(hù)技術(shù)分為源位置和基站位置隱私保護(hù)，常采取偽裝真實(shí)源或基站[5]、隨機(jī)路由策略、隨機(jī)延遲轉(zhuǎn)發(fā)策略[6]、垃圾包策略[7]、概率泛洪策略[8]等方法。在基于隨機(jī)路由策略的隱私保護(hù)中，Kamat P等人首次提出了幻影路由協(xié)議[9]，該協(xié)議分為兩個(gè)步驟，首先源節(jié)點(diǎn)隨機(jī)行走h(yuǎn)跳生成一個(gè)幻影源，隨后幻影源通過(guò)洪泛或者單路徑路由將信息傳送至匯聚節(jié)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)顯示此方法所產(chǎn)生的幻影源離源節(jié)點(diǎn)的距離在h/5跳內(nèi)的概率非常高，這不僅消耗了大量能源，還不能達(dá)到預(yù)期的隱私保護(hù)效果。為此作者又提出了基于區(qū)域或跳數(shù)的定向隨機(jī)步。在基于跳數(shù)的定向隨機(jī)步中，首先通過(guò)匯聚節(jié)點(diǎn)的廣播信息，節(jié)點(diǎn)獲得其鄰居節(jié)點(diǎn)離匯聚節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)并據(jù)此將鄰居分為兩個(gè)集合，隨后源節(jié)點(diǎn)隨機(jī)決定一個(gè)方向?qū)⑿畔l(fā)送給其中一個(gè)集合中的某個(gè)節(jié)點(diǎn)，方向信息將被存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)包頭部，接下來(lái)隨機(jī)行走路徑上的每個(gè)節(jié)點(diǎn)會(huì)將信息傳送給源節(jié)點(diǎn)所決定的那個(gè)方向上的某一隨機(jī)鄰居節(jié)點(diǎn)。由于數(shù)據(jù)包中攜帶了方向信息，一旦攻擊者捕獲數(shù)據(jù)包就能夠獲得方向信息，大大降低了追蹤到源位置的難度。

文獻(xiàn)[10]中提出了一種基于傾斜角度的幻影路由協(xié)議，并首次提出了可視區(qū)域概念，當(dāng)攻擊者追蹤至可視區(qū)域內(nèi)就能捕獲源節(jié)點(diǎn)。該方法根據(jù)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的傾斜角度大小決定其成為幻影路徑節(jié)點(diǎn)的概率，使路徑盡可能繞過(guò)可視區(qū)域，但此方法使得某一條路徑或某些節(jié)點(diǎn)始終被選擇的幾率較大，會(huì)降低攻擊者追蹤到幻影源的難度。

文獻(xiàn)[11]中提出了一種通過(guò)強(qiáng)制限定幻影源必須在距離真實(shí)源大于規(guī)定的最小距離dmin之外選舉，任何滿足條件的節(jié)點(diǎn)均可成為幻影源，但該方法產(chǎn)生的幻影源經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)在以真實(shí)源為原點(diǎn),dmin為半徑到3dmin為半徑的圓環(huán)上，致使幻影源不能均勻分布在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，容易被攻擊者追蹤至大致區(qū)域范圍。此外文獻(xiàn)[12]中提出了一種通過(guò)角度尋找幻影源的方法，此方法生成的幻影源遠(yuǎn)離真實(shí)源且分布較均勻，但此方法并沒(méi)考慮可視區(qū)域的影響。

本文提出了一種基于角度的定向隨機(jī)步幻影路由協(xié)議(angle-based directed random walk privacy enhanced routing protocol,ABDRW)，通過(guò)使用相鄰節(jié)點(diǎn)斜率的反正切值選擇下一跳幻影路徑節(jié)點(diǎn)。仿真結(jié)果表明該協(xié)議具有較好的隱私保護(hù)性能。

1 基于角度的定向隨機(jī)步幻影路由策略

1.1 模型與假設(shè)

本文采用熊貓獵人模型[9]，假設(shè)在熊貓棲息地部署大量傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)該區(qū)域內(nèi)熊貓進(jìn)行監(jiān)測(cè)，一旦節(jié)點(diǎn)偵測(cè)到目標(biāo)，該節(jié)點(diǎn)便成為源節(jié)點(diǎn)，并持續(xù)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送給基站。攻擊者通過(guò)分析傳輸信號(hào)，逐跳反向追蹤，直至追蹤到目標(biāo)。

網(wǎng)絡(luò)模型：

1)被監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)只有一個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)，其位置信息被所有節(jié)點(diǎn)以及攻擊者所知。

2)所有傳感器節(jié)點(diǎn)將感知數(shù)據(jù)最終傳遞給匯聚節(jié)點(diǎn)。

3)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中所傳播的數(shù)據(jù)都是經(jīng)過(guò)加密的，攻擊者不能在短時(shí)間內(nèi)解密這些數(shù)據(jù)。

4)每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都知道自己和鄰居節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)。

攻擊者模型：

1)無(wú)惡意的：攻擊者不會(huì)干涉整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，不會(huì)修改數(shù)據(jù)包的內(nèi)容，也不會(huì)修改傳輸路徑，更不會(huì)破壞傳感器節(jié)點(diǎn)。

2)資源豐富：攻擊者配備先進(jìn)設(shè)備，并可以迅速移動(dòng)至節(jié)點(diǎn)附近。攻擊者還具備無(wú)限的能源和足夠的存儲(chǔ)以及強(qiáng)大的計(jì)算能力。另外，當(dāng)攻擊者移動(dòng)到可視區(qū)域之內(nèi)就能捕捉熊貓。

3)算法可知性：攻擊者和目標(biāo)之間遵循Kerckhoff準(zhǔn)則[13]，在本文中即攻擊者知道系統(tǒng)所采用的安全算法。

可視區(qū)域：

圖1 可視區(qū)域Fig 1 Visible area

1.2 幻影源的選擇

根據(jù)假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都知道自己坐標(biāo)以及鄰居節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，當(dāng)某一節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到數(shù)據(jù)時(shí)，便成為源節(jié)點(diǎn)S(xs,ys)，該節(jié)點(diǎn)從自己的鄰居節(jié)點(diǎn)集合Φs中隨機(jī)選擇一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為幻影源路徑上的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)；當(dāng)非源節(jié)點(diǎn)A從自己的鄰居節(jié)點(diǎn)集合Φa中隨機(jī)選擇鄰居節(jié)點(diǎn)B轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)，需參考其上一跳節(jié)點(diǎn)C(xc,yc)坐標(biāo)信息：若xa>xc，則xb必須滿足xb>xa和式(1)；若xa≤xc，則xb必須滿足xb≤xa和公式(1)

(1)

圖2(a)中黃色區(qū)域即為節(jié)點(diǎn)B的選擇區(qū)域。參數(shù)θ取值范圍(0,π/2)，之所以確定其最大值為π/2，是因?yàn)楫?dāng)前節(jié)點(diǎn)平行于x軸的方向發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，鄰居節(jié)點(diǎn)下一跳的選擇區(qū)域剛好完全在該節(jié)點(diǎn)的右半?yún)^(qū)域或左半?yún)^(qū)域。若節(jié)點(diǎn)A的鄰居集合Φa中不存在滿足上述條件的節(jié)點(diǎn)，則從Φa中選擇滿足條件(2)和(3)的節(jié)點(diǎn)作為幻影路徑節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，如圖2(b) 中所示黃色區(qū)域中節(jié)點(diǎn)。若Φa中仍不存在滿足上述條件的點(diǎn)，則當(dāng)前節(jié)點(diǎn)選擇滿足條件(2)的節(jié)點(diǎn)作為幻影路徑節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)

(xa-xc)(xb-xa)≥0

(2)

(ya-yc)(yb-ya)≥0

(3)

圖2 幻影路徑上下一跳節(jié)點(diǎn)選擇Fig 2 Selection of the next hop on phantom path

圖3 幻影路徑上下一跳節(jié)點(diǎn)選擇流程圖Fig 3 Flow chart of selection of next hop node on phantom path

1.3 安全性分析

通過(guò)這種算法所得幻影源，可以更好地提供源位置保護(hù)性能，因?yàn)樗哂幸韵聝?yōu)點(diǎn)：

1)傳輸信息中不包含方向信息：節(jié)點(diǎn)在選擇下一跳幻影路徑節(jié)點(diǎn)時(shí)只需參考其上一跳坐標(biāo)信息，不需要將方向信息或者選擇方法包含在數(shù)據(jù)包中。

2)幻影源選擇多樣性：若每個(gè)節(jié)點(diǎn)平均有2個(gè)鄰居在圖2(a)中灰色區(qū)域內(nèi)，隨機(jī)行走10跳的情況下，將會(huì)產(chǎn)生210個(gè)不同幻影源，此外由于幻影路徑上節(jié)點(diǎn)選取有多種情況，因此會(huì)產(chǎn)生更多不同的幻影源。攻擊者在已知算法情況下進(jìn)行反向追蹤時(shí)，也很難判斷當(dāng)前幻影路徑上節(jié)點(diǎn)是由第幾種情況生成的，因此追蹤到源節(jié)點(diǎn)非常困難。

3)幻影源遠(yuǎn)離真實(shí)源：該方法采用定向隨機(jī)步路由，幻影路徑節(jié)點(diǎn)朝著某一確定的方向選擇，使得幻影源能夠遠(yuǎn)離真實(shí)源，從而能夠增加攻擊者追蹤到源節(jié)點(diǎn)的時(shí)間。

2 實(shí)驗(yàn)仿真與性能分析

仿真場(chǎng)景采用6 000 m×6 000 m的網(wǎng)絡(luò)區(qū)域內(nèi)隨機(jī)均勻散布10 000個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)通信半徑為100 m。

2.1 幻影源

本文將ABDRW(θ=π/6)與完全隨機(jī)步幻影路由(completely random walk phantom routing,CRWPR)以及基于跳數(shù)的定向隨機(jī)步(hop-based directed random walk,HBDRW)幻影路由就產(chǎn)生的幻影源距真實(shí)源距離做了比較，結(jié)果如圖4所示。從圖4中可以看出，隨著隨機(jī)步跳數(shù)的增加三種協(xié)議所得幻影源離真實(shí)源的距離都逐漸增加，CRWPR則增幅緩慢，其產(chǎn)生的幻影源始終在源節(jié)點(diǎn)附近，而ABDRW則在不透露源方向信息的情況下隨著隨機(jī)步跳數(shù)的增大離源節(jié)點(diǎn)距離更遠(yuǎn)，更有利于保護(hù)源位置的隱私。

圖4 源節(jié)點(diǎn)與幻影源的距離Fig 4 Distance between source node and phantom source

同等條件下對(duì)100個(gè)數(shù)據(jù)包產(chǎn)生的無(wú)重復(fù)幻影源個(gè)數(shù)做了對(duì)比，數(shù)據(jù)結(jié)果顯示如圖5所示。HBDRW中選擇用鄰居節(jié)點(diǎn)到匯聚節(jié)點(diǎn)跳數(shù)大于當(dāng)前節(jié)點(diǎn)到匯聚節(jié)點(diǎn)跳數(shù)的集合。隨著隨機(jī)步跳數(shù)的增加，可選節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)也就增多，所產(chǎn)生的不重復(fù)的幻影源個(gè)數(shù)也就隨之增大，而ABDRW跟CRWPR能得到更多不重復(fù)的幻影源，且前者又能產(chǎn)生離源節(jié)點(diǎn)更遠(yuǎn)的幻影源，因此，其在隱私保護(hù)性能上有更好的表現(xiàn)。

圖5 不同幻影步數(shù)下產(chǎn)生不重復(fù)幻影源個(gè)數(shù)Fig 5 Number of none-duplicate phantom source with different phantom steps

2.2 通信開(kāi)銷(xiāo)和安全周期

為了進(jìn)一步驗(yàn)證ABDRW性能,本文對(duì)三種協(xié)議的能耗和安全周期做了對(duì)比,對(duì)比中采用平均每個(gè)數(shù)據(jù)包被轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)來(lái)衡量能耗,用攻擊者捕獲源節(jié)點(diǎn)時(shí)源節(jié)點(diǎn)所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)表示安全周期。實(shí)驗(yàn)中ABDRW采用θ=π/6。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 平均能耗和平均安全周期Fig 6 Average energy consumption and average safety period

從圖6(a)中可以看出隨著隨機(jī)步數(shù)增加，三種協(xié)議的能耗都隨之增大，開(kāi)銷(xiāo)最大的是HBDRW，因?yàn)槠渌x下一跳節(jié)點(diǎn)是到匯聚節(jié)點(diǎn)跳數(shù)大于自身到匯聚節(jié)點(diǎn)跳數(shù)的鄰居，這樣會(huì)導(dǎo)致幻影源遠(yuǎn)離匯聚節(jié)點(diǎn)，因此，將數(shù)據(jù)傳送給匯聚節(jié)點(diǎn)就會(huì)消耗較高的能量。而CRWPR生成的幻影源位于源節(jié)點(diǎn)附近，相比而言離匯聚節(jié)點(diǎn)更近，所以，具有最小的能耗，而ABDRW產(chǎn)生的幻影源分布較為均勻，能耗與其它二者相比則相對(duì)居中。

圖6(b)中隨著隨機(jī)步數(shù)的增大，三種協(xié)議平均安全周期逐漸增大，而HBDRW的最小，這是因?yàn)槠洳捎玫氖沁h(yuǎn)離匯聚節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)作為幻影路徑節(jié)點(diǎn)，產(chǎn)生的幻影源通過(guò)最短路徑到達(dá)匯聚節(jié)點(diǎn)時(shí)穿過(guò)可視區(qū)域概率較大，同時(shí)其在尋找幻影源過(guò)程中透露了方向信息，一旦攻擊者追蹤到此方向信息，就會(huì)大大降低捕獲難度，因此HBDRW具有最低的安全周期；CRWPR產(chǎn)生的幻影源因不能遠(yuǎn)離真實(shí)源，而不能達(dá)到很好的效果； ABDRW由于產(chǎn)生的幻影源離真實(shí)源更遠(yuǎn)，重復(fù)度更小因而具有更高的安全周期。

2.3 參數(shù)θ的影響

ABDRW協(xié)議中參數(shù)θ的大小可以控制幻影節(jié)點(diǎn)選擇，因而對(duì)整個(gè)幻影路由性能產(chǎn)生重大影響。本文在源節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)相距隨機(jī)跳數(shù)的多種場(chǎng)景下將真實(shí)源隨機(jī)行走20跳時(shí)θ對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)安全周期以及平均能耗的影響用圖7表示。

從圖7中可以看出當(dāng)參數(shù)θ從0增大到π/2過(guò)程中，網(wǎng)絡(luò)平均安全周期和平均能耗都先增大后減小。圖7(a)中由于角度過(guò)小時(shí)幻影源重復(fù)度較高，因此源節(jié)點(diǎn)比較容易被捕獲，角度過(guò)大時(shí)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)在選擇幻影路徑節(jié)點(diǎn)時(shí)會(huì)有更多選擇，這樣在x軸或y軸上的分量會(huì)相互抵消，導(dǎo)致幻影源離真實(shí)源距離會(huì)隨著參數(shù)θ的增大而減小，因此,安全周期會(huì)隨著角度變化出現(xiàn)如圖7(a)所示的結(jié)果，而當(dāng)角度θ=π/4時(shí)，網(wǎng)絡(luò)具有更好的安全性能。同樣如圖7(b)所示，當(dāng)θ較小或較大時(shí)，網(wǎng)絡(luò)都具有較小能耗，這是由于當(dāng)θ較小時(shí)，圖2(a) 中可能沒(méi)有滿足條件的幻影路徑節(jié)點(diǎn)，因此,幻影路徑下一跳節(jié)點(diǎn)的選擇傾向于圖2(b)中區(qū)域，幻影路徑節(jié)點(diǎn)傾向選擇當(dāng)前節(jié)點(diǎn)某一象限的鄰居，產(chǎn)生的幻影源離源節(jié)點(diǎn)相對(duì)較近；而當(dāng)θ很大時(shí)傾向于某一大范圍內(nèi)完全隨機(jī)步，因此,能耗會(huì)有如圖7(b)所示的結(jié)果。通過(guò)調(diào)整參數(shù)θ的大小可以控制不重復(fù)幻影源的個(gè)數(shù)、幻影源離真實(shí)源距離，從而影響著整個(gè)網(wǎng)絡(luò)性能。因此,可以通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)膮?shù)在低能耗情況下實(shí)現(xiàn)更高的隱私保護(hù)性能。

圖7 角度對(duì)安全周期和能耗的影響Fig 7 Influence of angle on safety period and energy consumption

3 結(jié) 論

本文針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)源位置隱私問(wèn)題，提出一種基于角度的定向隨機(jī)步幻影路由，在不透露源節(jié)點(diǎn)方向信息的前提下，極大地提高了幻影源與真實(shí)源之間的距離，減小了生成的幻影源的重復(fù)度，使得其分布相對(duì)較為均勻，經(jīng)過(guò)仿真試驗(yàn)驗(yàn)證能夠?yàn)闊o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)提供更高的源位置隱私保護(hù)性能。

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Angle-based directed random walk phantem routing protocol for WSNs*

HUANG Bei-bei,FENG Yong,LI Xiu-qi,HUANG Qi

(Yunnan Key Laboratory of Computer Technology Application,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650504,China)

To protect source location privacy,a novel angle-based directed random walk (ABDRW) routing protocol is proposed,which use the arctangent value of the slope of the adjacent nodes to determine the scope of the next phantom nodes on phantom path,this approach can generate more different phantom sources that are far away from the real source,and thus enhances the source location privacy protection.Comparing with several existing typical methods，such as hop-based directed random walk(HBDRW)and the completely random walk phantom routing(CRWPR),ABDRW protocol can reach higher source location privacy protection performance on safety period and energy consumption，through flexible selection and more uniform distribution of phantom source,so it can protect the source location privacy better.

wireless sensor networks(WSNs);source location;phantom source;angle;safety period

10.13873/J.1000—9787(2016)11—0123—05

2016—01—07

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61262081)

TP 212

A

1000—9787(2016)11—0123—05

黃北北(1988-)，男，河南周口人，碩士研究生，研究方向?yàn)闊o(wú)線傳感器網(wǎng)源位置隱私保護(hù)。