陳立建，金洪波，毛科技*，苗春雨，鄔錦彬，陳慶章

（1.浙江廣播電視大學(xué)蕭山學(xué)院，杭州311201；2.浙江工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，杭州310023）

抵御蟲洞攻擊的無線傳感器網(wǎng)安全定位算法*

陳立建1，2，金洪波2，毛科技2*，苗春雨2，鄔錦彬2，陳慶章2

（1.浙江廣播電視大學(xué)蕭山學(xué)院，杭州311201；2.浙江工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，杭州310023）

節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的支撐技術(shù)之一，節(jié)點(diǎn)位置信息是很多基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用的基礎(chǔ)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)，每隔一段時(shí)間需要進(jìn)行重新定位，并且在重定位過程中易受到攻擊節(jié)點(diǎn)攻擊。針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中無需測(cè)距的定位技術(shù)，分析蟲洞攻擊對(duì)DV-Hop定位的影響，提出了一種基于信譽(yù)模型的抵御蟲洞攻擊的分布式輕量級(jí)DV-Hop安全定位算法TMDV-Hop（Trust-Model-based DV-Hop Localization Against Wormhole Attack）。仿真表明，在無需額外硬件輔助下，TMDV-Hop算法能有效降低蟲洞攻擊對(duì)定位過程的影響，驗(yàn)證了該算法的有效性。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，安全定位，DV-Hop，蟲洞攻擊，信譽(yù)模型

無線傳感器網(wǎng)絡(luò) WSNs（Wireless Sensor Networks）由大量傳感器節(jié)點(diǎn)組成，已經(jīng)廣泛的應(yīng)用在軍事和生產(chǎn)生活中，例如戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)視、環(huán)境監(jiān)測(cè)和衛(wèi)生醫(yī)療方面［1］。大量無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用都是基于傳感器節(jié)點(diǎn)位置信息的，沒有位置信息的傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)是毫無價(jià)值的。因此，節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的支持技術(shù)之一。

傳感器節(jié)點(diǎn)可以通過GPS或者人為部署等方式獲取自身位置信息，但是節(jié)點(diǎn)通過上述方式獲取位置信息成本太高，不適合低成本大規(guī)模的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。因此，通常無線傳感器網(wǎng)絡(luò)存在2種節(jié)點(diǎn)：信標(biāo)節(jié)點(diǎn)和普通節(jié)點(diǎn)。其中，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)為網(wǎng)絡(luò)中預(yù)設(shè)位置信息的節(jié)點(diǎn)；普通節(jié)點(diǎn)則是依據(jù)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)提供的位置參考，通過定位算法求解自身位置。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位算法可分為基于測(cè)距的（Range-Based）定位算法和無需測(cè)距的（Range-Free）定位算法［2］，基于測(cè)距的定位算法，未知節(jié)點(diǎn)通過其與信標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間的距離信息或者角度信息，結(jié)合信標(biāo)節(jié)點(diǎn)位置信息計(jì)算自身坐標(biāo)，包括基于TDoA［3］、ToA［4］、RSSI［5］以及AOA［6］，這些算法往往能夠提供較高的定位精度，但硬件成本較高，因此應(yīng)用于對(duì)位置精度要求較高的場(chǎng)景?；诜菧y(cè)距的定位算法，利用網(wǎng)絡(luò)的特性，比如節(jié)點(diǎn)間跳數(shù)或節(jié)點(diǎn)中心等，常見的方法有DV-Hop［7］、APIT8］等。

在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中，由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)經(jīng)常部署在無人職守的環(huán)境中，傳感器節(jié)點(diǎn)會(huì)發(fā)生位置偏移且易受到外部攻擊，其中傳感器節(jié)點(diǎn)的位置偏移可以通過重新定位來解決；但如果在重定位過程中受到外部攻擊的影響，會(huì)嚴(yán)重的降低定位精度，影響網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量。因此，安全定位問題成為了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位重要研究方向。本文主要針對(duì)蟲洞攻擊在DV-Hop重定位過程的影響，提出了一種基于信譽(yù)模型的抵御蟲洞攻擊的分布式輕量級(jí)安全定位算法，通過仿真來驗(yàn)證該算法的有效性。

1 相關(guān)工作

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全定位技術(shù)成為研究熱點(diǎn)之一，并且取得了很多研究成果。很多研究的安全定位的方法采用的技術(shù)有添加額外的硬件［9-10］，信息加密［11］，節(jié)點(diǎn)位置驗(yàn)證［1，12，13］等。文獻(xiàn)［14］運(yùn)用剛性理論排除定位參考位置中的異常值，以此來提供可信的定位結(jié)果，但一方面剛性理論本身對(duì)測(cè)距精度要求很高，另一方面運(yùn)算量較大。Kuo等人提出了信標(biāo)移動(dòng)檢測(cè)算法［12］，主要用來識(shí)別網(wǎng)絡(luò)中的位置發(fā)生被動(dòng)改變的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，其思路在網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置一個(gè)BMD引擎來收集全網(wǎng)絡(luò)的RSSI信息并進(jìn)行處理，在一定容錯(cuò)范圍內(nèi)能夠判斷出信標(biāo)節(jié)點(diǎn)是否發(fā)生移動(dòng)；Ravi Garg等人［13］采用排除在節(jié)點(diǎn)位置計(jì)算過程中提供了較大的下降梯度的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，來提高定位可信性。

其中蟲洞攻擊是安全定位技術(shù)的一個(gè)重要研究方向。蟲洞通過兩個(gè)2個(gè)合作的攻擊節(jié)點(diǎn)對(duì)定位過程進(jìn)行干擾，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)定位精度嚴(yán)重下降，是網(wǎng)絡(luò)定位安全的研究問題之一。目前有很多相關(guān)的研究來抵御蟲洞攻擊在定位過程中的影響。文獻(xiàn)［15］針對(duì)受到蟲洞攻擊后的跳數(shù)異常進(jìn)行處理，采用非線性公式來計(jì)算合理的跳數(shù)替換不合理的跳數(shù)從而抵御蟲洞攻擊。陳鴻龍等［16］通過受到蟲洞攻擊網(wǎng)絡(luò)中的傳輸距離受限特性和數(shù)據(jù)分組唯一特性，檢測(cè)受到蟲洞攻擊的節(jié)點(diǎn)，隨后引入沖突集剔除受蟲洞攻擊節(jié)點(diǎn)，從而抵御蟲洞攻擊，這種方法會(huì)使受到蟲洞攻擊的區(qū)域的節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積下降。文獻(xiàn)［17］針對(duì)蟲洞攻擊，將鄰居節(jié)點(diǎn)劃分為3類鄰居節(jié)點(diǎn)可疑鄰居節(jié)點(diǎn)，假鄰居節(jié)點(diǎn)和真實(shí)鄰居節(jié)點(diǎn)，通過LBDV-Hop算法，每個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)其鄰居節(jié)點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記分類，此算法在信標(biāo)節(jié)點(diǎn)密度低的情況下，定位效果不佳。Lazos L等人基于添加額外硬件的思想先后提出了SeRLoc［9］和HiRLoc［10］等算法來抵御蟲洞攻擊并提高定位的精度，但增加了額外硬件開銷。本文針對(duì)DV-Hop重定位過程，提出一種分布式輕量級(jí)的抵御蟲洞攻擊的方法，并且無需剔除受到蟲洞攻擊的節(jié)點(diǎn)，保障網(wǎng)絡(luò)覆蓋度。

2 問題描述

2.1 網(wǎng)絡(luò)模型

假設(shè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中有3類節(jié)點(diǎn)：信標(biāo)節(jié)點(diǎn)、未知節(jié)點(diǎn)和攻擊節(jié)點(diǎn)。其中，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置信息是已知，為網(wǎng)絡(luò)中的未知節(jié)點(diǎn)的定位提供參考；未知節(jié)點(diǎn)是位置未知的節(jié)點(diǎn)，需要基于信標(biāo)節(jié)點(diǎn)位置參考通過定位算法來估算位置信息；攻擊節(jié)點(diǎn)，本文指的是蟲洞攻擊的節(jié)點(diǎn)，往往成對(duì)出現(xiàn)，通過合作的方式發(fā)起攻擊，干擾網(wǎng)絡(luò)中的未知節(jié)點(diǎn)的定位過程。此外，假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中的所有的節(jié)點(diǎn)的通信均為R，且在兩節(jié)點(diǎn)在通信半徑范圍內(nèi)能相互通信。

網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)，假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)均會(huì)發(fā)生漂移，其中信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置信息可通過GPS再次獲得，而未知節(jié)點(diǎn)的位置信息需要重新定位來獲取。基于實(shí)際的情況，節(jié)點(diǎn)發(fā)生漂移的距離并不遠(yuǎn)，因此，假設(shè)本文中節(jié)點(diǎn)漂移的最大距離不大于i≠j。

2.2 DV-Hop定位算法

Niculescu等人［18］利用距離矢量路由的原理提出DV-Hop算法。DV-Hop算法的實(shí)現(xiàn)過程可分為以下3步：

①網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)起洪泛，使得其他節(jié)點(diǎn)能夠獲得到其到達(dá)其他信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的最小跳數(shù)；

②每個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)在得到其到達(dá)其他信標(biāo)的最小跳數(shù)后，就能估計(jì)出平均每跳的距離，并將該平均每跳距離廣播給其鄰居未知節(jié)點(diǎn)。假設(shè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)Bi計(jì)算其達(dá)到其他信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的平均每跳的距離的計(jì)算公式如式1所示。其中為Bi的坐標(biāo)，hij為信標(biāo)節(jié)點(diǎn)Bi和Bj的最小跳數(shù)；

③未知節(jié)點(diǎn)在得到其到達(dá)每個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的最小跳數(shù)和鄰居信標(biāo)節(jié)點(diǎn)估計(jì)的平均每跳的距離，估算出其與每個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的距離，利用三邊法或者極大似然法估計(jì)自身位置。

2.3 蟲洞攻擊模型

蟲洞攻擊通常是由兩個(gè)攻擊節(jié)點(diǎn)合謀共同發(fā)起的，一個(gè)攻擊節(jié)點(diǎn)部署在網(wǎng)絡(luò)中的一端，監(jiān)聽周圍節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)分組，通過蟲洞鏈路（wormhole link）發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)另一端的攻擊節(jié)點(diǎn)，該攻擊節(jié)點(diǎn)將這些數(shù)據(jù)廣播給其周圍節(jié)點(diǎn)，并且假設(shè)蟲洞鏈路是雙向?qū)ΨQ的，即數(shù)據(jù)可以從一個(gè)攻擊節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)到另一個(gè)。如果蟲洞鏈路長(zhǎng)度小于R，則會(huì)形成環(huán)路。此處，蟲洞鏈路越長(zhǎng)，對(duì)定位的影響越到，本文假設(shè)蟲洞攻擊的鏈路長(zhǎng)度大于2R。

蟲洞攻擊的過程非常簡(jiǎn)單，但受到蟲洞攻擊的信標(biāo)會(huì)對(duì)定位產(chǎn)生很惡劣的影響，尤其是對(duì)基于節(jié)點(diǎn)之間跳距的定位算法。其過程如圖1所示，網(wǎng)絡(luò)中存在一對(duì)蟲洞攻擊節(jié)點(diǎn)A1和A2，在沒有蟲洞攻擊時(shí)，未知節(jié)點(diǎn)S1到信標(biāo)節(jié)點(diǎn)B1的最小跳距為3跳（S1→B6→B5→B3），當(dāng)受到蟲洞攻擊后，S1到B1的最小跳距為1跳（S1→A1→A2→B3）。由于蟲洞攻擊的存在，S1到B1的最小跳距比實(shí)際的要小，應(yīng)此會(huì)錯(cuò)誤的估計(jì)S1到B1的距離，使最終的定位結(jié)果被嚴(yán)重干擾。

圖1 蟲洞攻擊對(duì)DV-Hop定位過程的影響

2.4 問題建模

對(duì)于受到蟲洞攻擊的節(jié)點(diǎn)Si來說其鄰居節(jié)點(diǎn)集合Nei(i)可以分為兩類：第一類，真實(shí)鄰居節(jié)點(diǎn)，即在Si通信范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)，定義為Neitrue(i)；第二類，受攻擊鄰居節(jié)點(diǎn)，即在網(wǎng)絡(luò)另一端受到攻擊節(jié)點(diǎn)攻擊的節(jié)點(diǎn)，定義為Neiattack(i)。如圖1所示，S1的真實(shí)鄰居節(jié)點(diǎn)集合為B4、B7和B6，受到蟲洞攻擊鄰居節(jié)點(diǎn)集合為B2和B3。

因此，本文的研究目標(biāo)是通過已有的定位數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)重定位之前，設(shè)計(jì)鄰居節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證算法g(?)對(duì)Si的鄰居節(jié)點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證為算法確認(rèn)的合理鄰居節(jié)點(diǎn)。本文研究目標(biāo)為設(shè)計(jì)g(?)，使得盡量接近于Nei(i)，即：

3 抵御蟲洞攻擊安全定位算法

針對(duì)蟲洞攻擊對(duì)DV-Hop定位過程的影響，本文提出了一種基于信譽(yù)模型的抵御蟲洞攻擊的安全算法。本小節(jié)首選介紹下算法采用信譽(yù)模型的設(shè)計(jì)，然后介紹下基于信譽(yù)模型獲取到信譽(yù)度來進(jìn)行蟲洞過濾，最后給出整個(gè)算法的流程。

3.1 信譽(yù)模型

“信譽(yù)”這一概念最初來源于社會(huì)科學(xué)，表示對(duì)于某個(gè)客觀實(shí)體的信任度［19］。信譽(yù)模型因其分布式和易計(jì)算的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于各類網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)評(píng)級(jí)和數(shù)據(jù)融合過程。本模型中，用［0，1］之間的值來代表節(jié)點(diǎn)對(duì)其信任度評(píng)估，1代表完全信任，0代表完全不信任。每個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)所有鄰居節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信任度評(píng)估，參考信任度較高的鄰居的跳數(shù)信息，從而不接收受到蟲洞攻擊的鄰居節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)信息，從而排除受到蟲洞攻擊的鄰居節(jié)點(diǎn)。下面給出構(gòu)建信譽(yù)模型的所要使用到的3個(gè)組成參數(shù)：直接信任度，推薦信任度和綜合信任度。

直接信任度：直接信任度是基于鄰居間的直接觀察計(jì)算所得，反映的兩鄰居之間的信任程度。算法通過主觀節(jié)點(diǎn)Si與客觀節(jié)點(diǎn)Sj的估計(jì)距離計(jì)算所得，將直接信任度定義為，表示在t時(shí)刻，Si對(duì)Sj的直接信任度，其計(jì)算公式如式（2）所示。其中，是一個(gè)誤差補(bǔ)償函數(shù)，其中hop1對(duì)于1跳節(jié)點(diǎn)時(shí)取值為1。

間接信任度：間接信任度獲得其他節(jié)點(diǎn)的行為間接提高節(jié)點(diǎn)對(duì)其鄰居節(jié)點(diǎn)的信任估計(jì)。主觀節(jié)點(diǎn)Si通過觀察客觀節(jié)點(diǎn)Sj的鄰居節(jié)點(diǎn)即Si基于Sj的二跳鄰居節(jié)點(diǎn)的合理性計(jì)算所得。假設(shè)Sj在t時(shí)刻的鄰居集合為Nei(j)t，其基于Sj的二跳鄰居節(jié)點(diǎn)的合理二跳節(jié)點(diǎn)計(jì)算如式（4）和式（6）所示下，其中hop2Nei(i,j,m)t表示在t時(shí)刻時(shí)，記錄Sj每個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)對(duì)于主觀節(jié)點(diǎn)Si的合理性，如果是合理二跳節(jié)點(diǎn)則標(biāo)記為1，否則標(biāo)記為0；conhop2Nei(i,j)t即統(tǒng)計(jì)在t時(shí)刻時(shí)，主觀節(jié)點(diǎn)Si觀察客觀節(jié)點(diǎn)Sj的合理鄰居節(jié)點(diǎn)的總數(shù)。本文將間接信任度定義為IDT(i,j)t，計(jì)算方法如式（7）所示，其中并且hop2取值為2。

綜合信任度：根據(jù)得到的鄰居節(jié)點(diǎn)間的直接信任度和間接信任度計(jì)算得到，主觀節(jié)點(diǎn)對(duì)客觀節(jié)點(diǎn)的總體信任度，定義為T(i,j)t，計(jì)算如式（8）所示。

其中 weight(j)=0.25，當(dāng)節(jié)點(diǎn)受到蟲洞攻擊時(shí)，節(jié)點(diǎn)的真實(shí)鄰居節(jié)點(diǎn)存在受到蟲洞攻擊節(jié)點(diǎn)并且此類情況出現(xiàn)地概率較大，對(duì)于這類受到蟲洞攻擊的鄰居節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)中大部分屬于網(wǎng)絡(luò)另一端的受蟲洞攻擊的節(jié)點(diǎn)，因此，此類鄰居節(jié)點(diǎn)的間接信任度并不可靠。綜合考慮此類情況，直接信任度的權(quán)值應(yīng)大于間接信任度，本文取值為0.25。

3.2 蟲洞過濾

通過4.1小節(jié)的計(jì)算，每個(gè)節(jié)點(diǎn)計(jì)算其與鄰居節(jié)點(diǎn)的信任度關(guān)系，當(dāng)兩個(gè)信任度高于設(shè)定的閾值時(shí)，則判斷該節(jié)點(diǎn)是其真實(shí)鄰居節(jié)點(diǎn)，否則不接收鄰居節(jié)點(diǎn)的信息。在動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)中存在漂移節(jié)點(diǎn)，對(duì)于漂移節(jié)點(diǎn)來說，由于位置被動(dòng)的發(fā)生改變，導(dǎo)致該節(jié)點(diǎn)通過上述信任度評(píng)價(jià)后，其鄰居節(jié)點(diǎn)的信任度都不可靠。因此，出現(xiàn)無鄰居節(jié)點(diǎn)時(shí)，取鄰居節(jié)點(diǎn)信任度最高的k個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)作為其鄰居，k=0.1D，D表示網(wǎng)絡(luò)的連通度，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)大于k值時(shí)，網(wǎng)絡(luò)定位有所下降。

3.3 TMDV-Hop算法流程

本小節(jié)通過TMDV-Hop算法偽代碼如表（1）所示來描述算法流程。TMDV-Hop算法主要分為3個(gè)步驟，首先，每個(gè)節(jié)點(diǎn)計(jì)算其與鄰居節(jié)點(diǎn)的直接信任度，間接信任度和綜合信任度；其次，每個(gè)節(jié)點(diǎn)基于其鄰居節(jié)點(diǎn)的信任度進(jìn)行劃分，若大于一定閾值th的鄰居節(jié)點(diǎn)劃分為真實(shí)鄰居節(jié)點(diǎn)向量，若真實(shí)鄰居節(jié)點(diǎn)向量個(gè)數(shù)少于k時(shí)，為保證算法定位精度，將信任度最大的前k的節(jié)點(diǎn)劃分到真實(shí)鄰居節(jié)點(diǎn)向量中；最后，基于每個(gè)節(jié)點(diǎn)的真實(shí)鄰居向量，完成DV-Hop定位。

表1 TMDV-Hop Pseudocode

4 仿真實(shí)驗(yàn)與性能分析

本仿真實(shí)驗(yàn)的主要目的是驗(yàn)證在蟲洞攻擊存在的情況下，本文提出的算法對(duì)抵御蟲洞攻擊的效果，本文主要使用相對(duì)定位誤差來體現(xiàn)算法的性能。本文主要探討網(wǎng)絡(luò)連通度變化，蟲洞鏈路的長(zhǎng)度變化，錨節(jié)點(diǎn)密度變化來驗(yàn)證算法的執(zhí)行效果。仿真實(shí)驗(yàn)中參數(shù)配置默認(rèn)如下：將150個(gè)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署在150 m×150 m的正方形區(qū)域中，其中信標(biāo)節(jié)點(diǎn)15個(gè)和傳感器節(jié)點(diǎn)135個(gè)，節(jié)點(diǎn)通信距離R，蟲洞攻擊節(jié)點(diǎn)的通信范圍也為R，漂移的傳感器節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為15個(gè)，最大漂移距離設(shè)為MD。

圖2是在改變通信網(wǎng)絡(luò)連通度和最大漂移距離，即R取值20～40和MD分別取值為0.5R、075R和R時(shí)，蟲洞鏈路長(zhǎng)度為3R時(shí)的相對(duì)定位誤差曲線圖。

圖2 相對(duì)定位誤差隨網(wǎng)絡(luò)連通度變化圖

由圖2可以看出，隨著網(wǎng)絡(luò)的連通度的增加，5條曲線都呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。相對(duì)與受到蟲洞攻擊下的DV-Hop算法而言，TMDV-Hop算法能有效的抵御蟲洞攻擊，并且隨著網(wǎng)絡(luò)連通的上升，TMDV-Hop的定位精度趨近于正常的情況下的DV-Hop的定位精度，從圖中可以看出，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)連通度大于20時(shí)，定位精度下降趨勢(shì)減弱，3條TMDV-Hop曲線都接近于DV-Hop曲線。此外，在連通度較低的時(shí)候，偏移距離越大，對(duì)網(wǎng)絡(luò)定位精度的影響較大。

圖3是在設(shè)置節(jié)點(diǎn)通信半徑R=32情況下（網(wǎng)絡(luò)連通度為19），改變漂移節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，比較在節(jié)點(diǎn)最大漂移距離分別取值為0.5R、075R和R時(shí)，相對(duì)定位誤差曲線。從圖中可以看出，3條曲線隨著漂移節(jié)點(diǎn)的增多呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，但上升趨勢(shì)并不明顯，漂移節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)對(duì)TMDV-Hop算法的穩(wěn)定性的影響相對(duì)較少。此外，從圖中可以看出漂移節(jié)點(diǎn)的最大漂移距離，影響這算法的性能，當(dāng)移動(dòng)距離越大，TMDV-Hop的平均定位誤差越大，因此本文只探討，漂移節(jié)點(diǎn)漂移距離較短的情形，該模型也比較符合實(shí)際情況。

圖3 相對(duì)定位誤差隨漂移節(jié)點(diǎn)變化圖

圖4是在設(shè)置節(jié)點(diǎn)通信半徑R=32（網(wǎng)絡(luò)連通度為19），漂移節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為15且最大漂移距離MD=R的情況下，改變蟲洞鏈路長(zhǎng)度時(shí)的相對(duì)定位誤差曲線圖。從圖中可以看出，蟲洞攻擊對(duì)DV-Hop定位過程的影響嚴(yán)重，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于正常DV-Hop定位的定位精度，且蟲洞鏈路越長(zhǎng)，平均定位誤差就越大。本文提出TMDV-Hop算法隨著蟲洞鏈路長(zhǎng)度的增加，其相對(duì)定位誤差有所減小但幅度不大，并且接近于正常情況下的DV-Hop的定位精度。說明，在網(wǎng)絡(luò)連通度較好的情況下，TMDV-Hop抵御蟲洞攻擊的魯棒性較強(qiáng)。

圖4 相對(duì)定位誤差隨蟲洞鏈路長(zhǎng)度變化圖

圖4是在設(shè)置通信半徑為32 m且蟲洞鏈路長(zhǎng)度為3R的情況下，比較信標(biāo)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)變化時(shí)的相對(duì)定位誤差曲線圖。很明顯在蟲洞攻擊下的DV-Hop算法相對(duì)定位誤差較大。此外，從圖4中也能看出，在節(jié)點(diǎn)最大漂移距離為R的情況下，本文所提出的TMDV-Hop定位算法的相對(duì)誤差接近于正常的DV-Hop算法。相比較于文獻(xiàn)［17］提出LBDV-Hop算法，TMDV-Hop算法在信標(biāo)節(jié)點(diǎn)稀疏的條件下的定位效果更佳，魯棒性較好。

圖5 相對(duì)定位誤差隨信標(biāo)節(jié)點(diǎn)變化圖

5 總結(jié)

本文針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的無需測(cè)距的定位算法，分析了蟲洞攻擊對(duì)DV-Hop算法定位過程具有非常大的影響。接著本文提出了一種基于信譽(yù)模型的分布式輕量級(jí)的抵御蟲洞攻擊的安全定位算法，主要包括鄰居節(jié)點(diǎn)間信任度評(píng)估，蟲洞過濾即真實(shí)鄰居節(jié)點(diǎn)選取，以及DV-Hop算法定位。仿真結(jié)果表明，在漂移節(jié)點(diǎn)移動(dòng)范圍較小的場(chǎng)景下，算法在重定位過程中的定位效果與DV-Hop算法基本相同，且在信標(biāo)節(jié)點(diǎn)稀疏的場(chǎng)景下定位效果也非常不錯(cuò)。當(dāng)漂移節(jié)點(diǎn)發(fā)生很嚴(yán)重的移動(dòng)時(shí)，算法對(duì)此類節(jié)點(diǎn)的定位效果不佳。因此，今后研究工作方向是提高發(fā)生嚴(yán)重移動(dòng)的漂移節(jié)點(diǎn)的定位效果，使算法適用更多的場(chǎng)景。

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陳立建（1973-），男，漢族，浙江廣播電視大學(xué)蕭山學(xué)院副教授，碩士，主要研究方向?yàn)闊o線傳感器網(wǎng)絡(luò)；

金洪波（1991-），男，漢族，浙江工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)研究所研究生，主要研究方向?yàn)闊o線傳感網(wǎng)絡(luò)，le_blanc@126.com；

毛科技（1979-），男，漢族，浙江工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院副教授，博士，主要研究方向?yàn)闊o線傳感網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)挖掘，maokeji@zjut.edu.cn。

Secure Localization Algorithm Against Wormhole Attack in WSN*

CHEN Lijian1，2，JIN Hongbo2，MAO Keji2*，MIAO Chunyu2,WU Jinbin2,CHEN Qingzhang2
（1.College of Xiaoshan，Zhejiang Radio and Television University，Hangzhou311201，China；2.College of Computer Science and Technology，Zhejiang University of Technology，Hangzhou310014，China)

Localization is a pivotal technology in wireless sensor networks and location information of sensor nodes is essential to location-based applications.Wireless sensor network is a dynamic network，which is re-localized for a time.However，attackers are invaded easily and influence the re-localization.In this paper，we analyze the influence of wormhole attack on DV-Hop firstly.Then，a Trust-Model-based DV-Hop localization against wormhole attack is proposed.The simulation results shows that the proposed TMDV-Hop can efficiently reduce the effects of the wormhole attack on the DV-Hop re-localization without extra-hardware，which validates the effectiveness of the proposed algorithm.

wireless sensor networks；secure localization；DV-Hop；wormhole attack；trust model

TP393

A

1004-1699（2016）12-1882-06

??7230

10.3969/j.issn.1004-1699.2016.12.017

項(xiàng)目來源：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61379023，61401397，61302129）；浙江省公益性技術(shù)應(yīng)用研究計(jì)劃項(xiàng)目（2015C31066）

2016-05-30修改日期：2016-07-09