李萬(wàn)高

摘 要：為提高無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中源節(jié)點(diǎn)位置隱私的安全性和節(jié)點(diǎn)能量利用率，提出了一種基于層次和節(jié)點(diǎn)功率控制的源位置隱私保護(hù)協(xié)議。該協(xié)議主要在徑向路由階段和圓周路由階段，完成數(shù)據(jù)包從源節(jié)點(diǎn)到基站的數(shù)據(jù)傳送過(guò)程。同時(shí)，在路由過(guò)程中，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率，打破以往發(fā)送距離為一跳的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)方式。仿真實(shí)驗(yàn)表明，與已有的基于幻影源路由協(xié)議相比，該協(xié)議在提高安全性的同時(shí)，可以有效利用網(wǎng)絡(luò)中的剩余能量，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)壽命與能耗的均衡。

關(guān)鍵詞：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；源位置；隱私保護(hù)；幻影源

DOIDOI：10.11907/rjdk.162248

中圖分類號(hào)：TP309

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)文章編號(hào)：16727800（2016）011018604

0 引言

加快物聯(lián)網(wǎng)、傳感網(wǎng)發(fā)展已經(jīng)上升為國(guó)家戰(zhàn)略。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks，WSN）是當(dāng)下備受關(guān)注的前沿?zé)狳c(diǎn)研究領(lǐng)域之一[1]，它能夠通過(guò)無(wú)線形式將采集到的感知對(duì)象信息以多跳自組網(wǎng)方式發(fā)送至用戶終端[2]。其涉及技術(shù)很廣，包括微波、高頻、嵌入式設(shè)計(jì)、自組網(wǎng)技術(shù)、無(wú)線技術(shù)和加密技術(shù)等。

源節(jié)點(diǎn)位置隱私保護(hù)是WSN網(wǎng)絡(luò)安全的重要分支，在學(xué)術(shù)界也越來(lái)越受關(guān)注。在目標(biāo)追蹤型和監(jiān)測(cè)類的WSN應(yīng)用中，所監(jiān)測(cè)對(duì)象的物理位置是一項(xiàng)敏感信息，一旦暴露就會(huì)對(duì)監(jiān)測(cè)對(duì)象造成安全威脅[34]。因此，如何保護(hù)源節(jié)點(diǎn)的位置隱私值得研究。另外，WSN不同于一般的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，其網(wǎng)絡(luò)環(huán)境開放，無(wú)線信號(hào)容易被監(jiān)聽，這使得WSN網(wǎng)絡(luò)更容易遭受安全威脅；同時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)的能量、計(jì)算能力、存儲(chǔ)能力均受限，所以，在設(shè)計(jì)安全策略時(shí)要兼顧WSN網(wǎng)絡(luò)性能。

1 相關(guān)研究

WSN思想起源于上世紀(jì)70年代。美國(guó)軍方最先開始對(duì)WSN技術(shù)進(jìn)行研究，我國(guó)對(duì)WSN的研究正式出現(xiàn)在1999年中科院的“信息與自動(dòng)化領(lǐng)域研究報(bào)告”中。

對(duì)于WSN中源位置隱私安全保護(hù)研究，學(xué)術(shù)界推出了一系列解決方案。2004年，Ozturk C等[5]首次提出WSN中源節(jié)點(diǎn)位置隱私安全問題。2005年，Kamat P等[6]提出“熊貓—獵人”博弈模型，對(duì)研究源位置安全保護(hù)影響巨大。此后，幾乎每年都有針對(duì)該問題的研究成果出現(xiàn)。2010年，陳娟等[7]提出基于有限洪泛的保護(hù)協(xié)議PUSBRF，能夠有效分散幻影源節(jié)點(diǎn)，使攻擊者難以逆向追蹤至源節(jié)點(diǎn)位置，加大了源位置隱私保護(hù)的安全力度。但在利用洪泛方式傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)較重負(fù)載，對(duì)網(wǎng)絡(luò)壽命影響較大。

2 基于層次的源位置隱私保護(hù)協(xié)議

2.1 模型定義

本文網(wǎng)絡(luò)模型、攻擊者模型、節(jié)點(diǎn)感知模型等同于源位置保護(hù)協(xié)議中的模型定義[68]。大量的傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)且均勻地部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)以監(jiān)測(cè)目標(biāo)對(duì)象，在任何時(shí)間全網(wǎng)只有一個(gè)基站，在某個(gè)確定時(shí)刻也只有一個(gè)源節(jié)點(diǎn)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都知道自己的相對(duì)位置，并周期性地睡眠和蘇醒，以儲(chǔ)存能量?；疚恢霉_，全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)都有基站的位置信息。在通信半徑內(nèi)的節(jié)點(diǎn)可以互相通信，否則以多跳短距離方式進(jìn)行通信。

2.2 基本協(xié)議描述

基于層次的源位置隱私保護(hù)協(xié)議（Source location privacy protection protocol based on hierarchy，HSP）在網(wǎng)絡(luò)模型定義下，以基站為中心將網(wǎng)絡(luò)劃分成等寬層次，節(jié)點(diǎn)與基站的距離在某個(gè)相同范圍內(nèi)位于同一層次，同一層次內(nèi)的節(jié)點(diǎn)充分連接。當(dāng)源節(jié)點(diǎn)要向基站發(fā)送消息時(shí)，先判斷源節(jié)點(diǎn)所處的網(wǎng)絡(luò)層次。若源節(jié)點(diǎn)位于遠(yuǎn)層次，則在其同圓周方向路由一定跳數(shù)后到達(dá)幻影節(jié)點(diǎn)。若源節(jié)點(diǎn)位于近層次，則依據(jù)本文的選取規(guī)則先到達(dá)徑向節(jié)點(diǎn)，再由徑向節(jié)點(diǎn)路由一定跳數(shù)到達(dá)幻影節(jié)點(diǎn)。最終，由幻影節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包至基站。因此，本文提出的HSP協(xié)議分為3個(gè)階段：徑向路由階段、圓周路由階段和最短路徑路由階段。

2.3 網(wǎng)絡(luò)初始化

網(wǎng)絡(luò)初始化階段是源節(jié)點(diǎn)位置隱私保護(hù)協(xié)議的基礎(chǔ)，初始化方法同文獻(xiàn)[8]，主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)協(xié)議的基本安全信息，其中包括密鑰建立、鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)以及每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)到基站的最小跳數(shù)信息發(fā)現(xiàn)。

2.4 徑向路由階段

如圖1所示，網(wǎng)絡(luò)按照各節(jié)點(diǎn)到基站B的距離進(jìn)行分層，由內(nèi)而外分別為第1層、第2層……第M層。距離基站最近的層次稱為近層次，其它稱為遠(yuǎn)層次。這里遠(yuǎn)與近的確定，依據(jù)具體網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中對(duì)目標(biāo)的保護(hù)強(qiáng)度。若保護(hù)強(qiáng)度要求較高，則擴(kuò)大近層次，選擇網(wǎng)絡(luò)外層為遠(yuǎn)層次。當(dāng)把最外層看作遠(yuǎn)層次時(shí)，網(wǎng)絡(luò)具有最高的保護(hù)強(qiáng)度。

若S位于近層次，則需要有徑向路由過(guò)程。所謂徑向路由，就是沿著網(wǎng)絡(luò)的向心或者離心方向路由，路由過(guò)程中所有中繼節(jié)點(diǎn)位于同一條直線上，到達(dá)的最后一個(gè)節(jié)點(diǎn)稱為徑向節(jié)點(diǎn)。如圖1中的SK之間的路由就是徑向路由，節(jié)點(diǎn)K為S的一個(gè)徑向節(jié)點(diǎn)。K確定方法：若S位于近層次，則徑向節(jié)點(diǎn)K在遠(yuǎn)層次的所有節(jié)點(diǎn)中隨機(jī)產(chǎn)生，即先隨機(jī)選取一個(gè)遠(yuǎn)層次，再在選取的層次中隨機(jī)選取一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為徑向節(jié)點(diǎn)。從S將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)至K，則完成徑向路由階段。

若源節(jié)點(diǎn)S位于遠(yuǎn)層次，則直接進(jìn)行下一階段路由，圖2中，源節(jié)點(diǎn)S并不進(jìn)行徑向路由過(guò)程。

2.5 圓周路由階段

這一階段路由過(guò)程是：在S或K的圓周方向上保持TCircle跳到幻影節(jié)點(diǎn)P。在圓周方向上路由跳數(shù)為：

3 節(jié)點(diǎn)功率控制

通信過(guò)程中的功率控制對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)的生存時(shí)間影響很大。在WSN中，可以通過(guò)功率控制技術(shù)調(diào)整節(jié)點(diǎn)的發(fā)射半徑，使節(jié)點(diǎn)在不影響網(wǎng)絡(luò)正常通信的基礎(chǔ)上減少能量消耗，從而延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間、優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能。典型的網(wǎng)絡(luò)層功率控制方法如表1所示。

一個(gè)節(jié)點(diǎn)的度數(shù)指網(wǎng)絡(luò)中所有距離該節(jié)點(diǎn)為一跳的鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)目，基于節(jié)點(diǎn)度的功率控制算法如局部均值算法（Local Mean Algorithm，LMA）和局部鄰居均值算法（Local Mean Neighbors，LMN），是周期性動(dòng)態(tài)調(diào)整節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率，在保證網(wǎng)絡(luò)連通的同時(shí)，通過(guò)少量的局部信息使網(wǎng)絡(luò)性能達(dá)到一定程度的優(yōu)化。它們的主要區(qū)別在于計(jì)算節(jié)點(diǎn)度的策略不同。在LMA算法中，節(jié)點(diǎn)定期檢測(cè)鄰居數(shù)量，并根據(jù)鄰居數(shù)量來(lái)調(diào)節(jié)發(fā)射功率；而在LMN算法中，節(jié)點(diǎn)將鄰居數(shù)的平均值作為自己的鄰居數(shù)。此外，文獻(xiàn)[12]還指出LMA算法比LMN算法性能更好。

4 仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)比

本文采用MATLAB對(duì)協(xié)議安全性和通信開銷進(jìn)行仿真對(duì)比，所分析的協(xié)議包括新提出的HSP協(xié)議、經(jīng)典的phantom single-path和PUSBRF協(xié)議。WSN靜態(tài)部署參照文獻(xiàn)[6]，仿真環(huán)境參數(shù)設(shè)置見表2。

4.1 安全性

攻擊者要想追蹤到真實(shí)的源節(jié)點(diǎn)位置，首先需要找到真實(shí)源附近的幻影源節(jié)點(diǎn)。更多的幻影源節(jié)點(diǎn)可以帶來(lái)更多的路由選擇，多樣化的路徑會(huì)加大攻擊者的追蹤難度，為真實(shí)源節(jié)點(diǎn)提供更長(zhǎng)的安全時(shí)間。圖3展示了3種協(xié)議安全時(shí)間對(duì)比情況，從中可以看出，新提出的HSP協(xié)議安全時(shí)間最長(zhǎng)，PUSBRF協(xié)議次之，Phantom single-path協(xié)議的安全性能較差。

攻擊時(shí)間是指攻擊者從開始攻擊到捕獲其中某個(gè)源節(jié)點(diǎn)花費(fèi)的時(shí)間。攻擊時(shí)間越長(zhǎng)，源節(jié)點(diǎn)位置的安全時(shí)間就越長(zhǎng)。從圖4可以看出，本文的HSP協(xié)議攻擊時(shí)間最長(zhǎng)，相應(yīng)地，源節(jié)點(diǎn)位置就越難被攻擊者發(fā)現(xiàn)。

4.2 通信開銷

通信開銷即節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的次數(shù)。本文通過(guò)從源節(jié)點(diǎn)傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)包到基站所需的平均轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)來(lái)衡量通信開銷。圖5顯示了各協(xié)議的通信開銷對(duì)比情況，其中，通信開銷較大的是HSP協(xié)議，其次是PUSBRF協(xié)議，然后是Phantom single-path協(xié)議。這說(shuō)明，HSP協(xié)議延長(zhǎng)了源位置的安全時(shí)間，同時(shí)也增加了額外開銷，因?yàn)槊總€(gè)數(shù)據(jù)包都是沿不同路徑抵達(dá)基站的。對(duì)重點(diǎn)關(guān)注源位置隱私安全應(yīng)用來(lái)說(shuō)，為了延長(zhǎng)源節(jié)點(diǎn)安全時(shí)間，有效保護(hù)監(jiān)測(cè)目標(biāo)，會(huì)酌情放開通信開銷要求。所以，本文的通信開銷對(duì)一般的網(wǎng)絡(luò)而言是可以接受的。

5 結(jié)語(yǔ)

源節(jié)點(diǎn)位置隱私安全問題對(duì)WSN的廣泛應(yīng)用是一大挑戰(zhàn)。本文提出的HSP協(xié)議可延長(zhǎng)源節(jié)點(diǎn)的安全時(shí)間，提高源節(jié)點(diǎn)位置隱私的保護(hù)強(qiáng)度?？紤]到傳感器節(jié)點(diǎn)有限的能量?jī)?chǔ)備，在協(xié)議路由過(guò)程中，節(jié)點(diǎn)能根據(jù)自身情況靈活調(diào)整發(fā)射半徑，加大了攻擊難度，在提供安全保護(hù)的同時(shí)，有效利用了網(wǎng)絡(luò)剩余能量。仿真驗(yàn)證表明，本文策略在安全性能和網(wǎng)絡(luò)壽命方面都有提高，具有良好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1] R RIOS，J LOPEZ.Analysis of location privacy solutions in wireless sensor networks[J].Journal of IET Communications，2011，5（17）：1832.

[2] 錢志鴻，王義君.面向物聯(lián)網(wǎng)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜述[J].電子與信息學(xué)報(bào)，2013，35（1）：215227.

[3] 康林.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)位置隱私保護(hù)方案研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2013.

[4] R KAUR，P S KAMAL.An efficient multipath dynamic routing protocol for mobileWSNs[J].Procedia Computer Science，2015，46（1）：10321040.

[5] C OZTURK，Y ZHAN，W TRAPPE.Sourcelocation privacy in energy constrained sensor networks routing[J].ACM Workshop on Security of Ad Hoc and Sensor Networks，2004（5）：8893.

[6] P KAMAT，Y ZHANG，W TRAPPE，et al.Enhancing sourcelocation privacy in sensor network routing[C].International Conference on Distributed Computing Systems，2005（8）：599608.

[7] 陳娟，方濱興.傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于源節(jié)點(diǎn)有限洪泛的源位置隱私保護(hù)協(xié)議[J].計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)，2010，33（9）：17361747.

[8] 賈宗璞，魏曉娟，彭維平.WSN中基于隨機(jī)角度和圓周路由的源位置隱私保護(hù)策略研究[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2016，33（3）：886890.

[9] PARK S，SIVAKUMAR R.Loadsensitive transmission power control in wireless adhoc networks[C].In：Park J，ed.Proc.of the GlobeCom.Taipei：IEEE Press，2002：4246.

[10] NARAYANASWAMY S，KAWADIA V，SREENIVAS RS.Power control in adhoc networks：theory，architecture，algorithm and implementation of the COMPOW protocol[C].In：Lenzini L，ed.Proc.of the European Wireless Conf.Florence，2002：156162.

[11] KAWADIA V，KUMAR PR.Power control and clustering in ad hoc networks[C].In：Bauer F，ed.Proc.of the INFOCOM 2003.San Francisco：IEEE Press，2003：459469.

[12] KUBISCH M，KARL H，WOLISZ A，et al.Distributed algorithms for transmission power control in wireless sensor networks[C].IEEE WCNC 2003，New Orleans，Louisiana，2003.

（責(zé)任編輯：杜能鋼）