动态序列计算在网连续位置的隐私保护协议研究

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摘要 源位置隐私保护问题已经成为制约无线传感器网络大规模应用的一个关键问题。为更好的保护源位置隐私，该文提出了一种无重复有向随机步路由策略。在无重复有向随机步路由策略中，引入了无重复的策略，数据包以无重复有向随机步的方式转发到汇聚节点。仿真结果显示所提路由能提供很好的安全时间，有效的保护源位置隐私。最后，提出了需要进一步研究的问题。

【关键词】无线传感器网络 源位置隐私 无重复有向随机步

无线传感器网络一般部署在野外无人值守的区域，外部环境比较恶劣，并且传感节点资源受限，所以无线传感器网络安全问题相当突出。本文关注的是源位置隐私保护问题，源节点在很多传感器网络应用中是关键节点，其位置保护非常重要。

1 WSN 源位置隐私保护系统模型

本文考虑的系统模型和文献 4 里介绍的熊猫-捕猎者模型是类似的。假设要对一大片自然保护区内的珍稀动物进行监测，并且在区域内预先部署了一个由很多随机分布的传感器节点组成的无线传感器网络。这个网络对区域内监测目标的活动和位置进行持续监测。当监测目标被发现时，相应的传感器节点就成了网络的源节点。源节点会持续不断的向汇聚节点发送数据包直到攻击者发现它，或是监测目标从它的监测区域消失。

1.1 网络模型关于网络模型，本了下面的假设:

（1）在任何时间网络中只有一个汇聚节点( 基站) ，也只有一个源节点;

（2）网络中的任何节点都可以成为源节点;

（3）网络中的每一个节点都知道汇聚节点的位置信息，汇聚节点的位置信息是公开的;

（4）网络里每个节点都知道自己的相对位置，每个节点的相对位置信息也可以在整个网络进行广播，用来更新路由选择信息。

1.2 攻击者模型攻击者会利用良好的装备和一些超过传感器节点的优势，努力去寻找源节点的位置。假设攻击者有以下特点:

（1）攻击者知道汇聚节点的位置，并且可以通过它监听到的即时数据包确定数据包发送方的位置，最初，攻击者在汇聚节点附近进行监视;

（2）攻击者可以从一个传感节点迅速移动到另一个节点，而且它的能量不受限制;

（3）为了不会触发其它网络安全机制，攻击者不会去干涉网络的正常运行，例如破坏传感节点或者篡改数据包。

2 无重复有向随机步

根据本文假设的模型，在网络初始化完成后，网络中的每个节点都知道汇聚节点的位置信息，也知道邻居节点的位置信息。根据这些位置信息，节点可以计算出自己与汇聚节点的距离以及其邻居节点到汇聚节点的距离。节点根据其邻居节点离汇聚节点的距离和自己的相比较，把邻居节点分为近邻居节点集合、等邻居节点集合和远邻居节点集合。所有等邻居节和近邻居节点就形成一个候选节点集合。节点从候选节点中选择随机选择一个节点作为下一跳转发节点。当一个节点被选中参与了这一次的数据包传输过程，它就把标志位设置为 NR。NR 表示该节点在随后的 NR 次数据包传输过程中，不会参与数据包的转发。数据包就以这种无重复有向随机步的方式从源节点一直转发到汇聚节点。NR 可以根据隐私保护要求设定，隐私保护要求高就设置一个较大的 NR，反之可以设置一个小的 NR 值。

3 仿真与分析

利用 MATLAB 作为仿真平台，通过比较安全时间、能量消耗，对本文所提的 NDRW 路由和定向步幻影路由、最短路径路由进行了仿真对比。

仿真环境设置：在 2 000m ×2 000m 的区域内随机部署 1 500 个传感节点，节点的无线传输半径为120m，汇聚节点位于坐标( 120，120) 。在仿真中，定向步幻影路由第一阶段采用的是基于跳数的定向随机步路由，其中随机步跳数 hwalk设置为 12 跳，第二阶段是最短路径路由。另外，NDRW 路由中的 NR 设置为 3。假设攻击者通过逐跳反向追踪数据包来定位源位置，最大追踪半径等于传感器节点的传输半径，开始位于汇聚节点附近。另外，仿真中不考虑数据包冲突。

安全时间指的是在攻击者成功找到源位置之前，源节点传输的数据包个数。进行100 次的反向追踪实验得到的平均结果。显然，最短路径路由的安全时间是最小的，因为它的传输路径是固定不变的，所以攻击者很容易就能定位源节点。幻影路由通过定向随机步制造随机的幻影源，避免真实源位置被攻击者发现，所以能比最短路径路由提供更长的安全时间。NDRW 路由的安全时间最大，因为在 NDRW 路由中数据包的传输路径在动态的变化，而且数据包传输过程中避免连续使用相同的节点，攻击者就不可能连续偷听到数据包传输，而不得不在同一个节点等待更长的时间。

通信开销即为节点转发数据包的次数，本文用从源节点传输一个数据包到汇聚节点所需要的平均转发次数来衡量能量消耗。对于不同的源节点到汇聚节点的距离，进行 500 次数据包传输实验得到的平均结果。最短路径路由消耗能量是最小的，因为它总是沿最短路径传输。而幻影路由消耗了较多的能量，因为幻影路由在制造幻影源的随机步阶段要消耗额外的能量。当源节点与汇聚节点之间距离比较小时，NDRW 路由的能量消耗要小于幻影路由，因为幻影路由在随机步阶段有可能把数据包传往远离汇聚节点的方向，而 NDRW 路由中节点只会把数据包转发给近邻居和等邻居节点。不过随着距离的增大，NDRW 路由的传输路径就会比幻影路由更长更多变，所以能量消耗也比幻影路由更多。NDRW 路由在延长安全时间的同时也引入了额外的延时，因为每个数据包都沿着不同的路径发送到汇聚节点，而不是沿着最短路径转发。但是有向随机步并不会把数据包传往远离汇聚节点的方向，所以引入的延时不会太大，能满足一般的网络应用对数据延时的要求。为了延长安全时间，NDRW 路由带来的延时是值得的。

4 结束语

无线传感器网络要想成功实现大规模的部署应用，解决好源位置隐私保护问题是一个关键，特别是对用于监测敏感目标的无线传感器网络来说。本文基于随机步的思想，提出了一种无重复有向随机步路由策略，以更好的保护源位置隐私。针对逐跳反向追踪数据包的攻击者，本文分析了无重复有向随机步的隐私性能。进一步的，本文对所提的策略进行了仿真，并与典型的源位置保护策略进行比较。仿真结果表明 NDRW 策略比幻影单路径路由和最短路径路由能更好的保护源位置隐私。在进一步的工作中，我们将研究源位置以一定规律发生变化和网络中同时存在多个源节点的情况下的源位置保护策略。

作者单位

渭南职业技术学院陕西省渭南市714000