一種魯棒性強的無線傳感器網絡位置隱私保護方案*

趙 春， 黃學彬

(1.四川大學 錦城學院 計算機科學與軟件工程系，四川 成都 611731；2.四川大學 錦城學院 教務部，四川 成都 611731)

一種魯棒性強的無線傳感器網絡位置隱私保護方案*

趙 春1， 黃學彬2

(1.四川大學 錦城學院 計算機科學與軟件工程系，四川 成都 611731；2.四川大學 錦城學院 教務部，四川 成都 611731)

傳統無線傳感器網絡(WSNs)位置隱私保護方案難以解決安全性與網絡能耗之間的均衡，為了提高網絡隱私信息的安全性，提出一種魯棒性強的無線傳感器網絡位置隱私保護方案。首先通過增加偽源節點和偽匯聚節點防止攻擊者獲得關鍵節點的位置信息；然后采用偽匯聚節點分組、概率丟棄冗余數據包降低網絡資源消耗；最后在Matlab 2012平臺下進行仿真對比實驗。結果表明：該方案可以提高網絡攻擊事件檢測率，降低網絡時延，有效地保護源節點和匯聚節點的位置隱私。

無線傳感器網絡； 位置隱私； 幻影路由； 通信安全

0 引 言

無線傳感器網絡(wireless sensor networks，WSNs)在危險環境數據采集、醫療健康監視和軍隊戰場等領域中得到了廣泛應用[1]。在無線傳感器網絡實際應用中，監測對象的物理位置是一種敏感信息，一旦暴露就會對監測對象造成安全威脅，比如:軍隊戰場上的軍隊位置信息，因此,保護無線傳感器網絡位置隱私具有十分重要的意義[2,3]。

無線傳感器網絡位置隱私保護主要是指對關鍵節點位置隱私的保護，攻擊者可通過對數據者分析獲得關鍵節點的位置信息，因此,無線傳感器網絡位置隱私保護主要有：源節點和匯聚節點位置隱私的保護[4,5]。相對于傳統網絡，無線傳感器網絡的節點能量有限，常部署的環境惡劣，與傳統網絡隱私問題差異很大，導致傳統隱私保護機制不能適用于無線傳感器網絡的位置隱私保護，為此，國內外專家和學者設計一些無線傳感器網絡位置隱私保護機制[6]。文獻[7]提出基于熊貓—獵人模型(panda hunter model)的無線傳感器網絡位置隱私保護方案，其將攻擊者當作“獵人”，關鍵節點當作“熊貓”，根據惡意攻擊方的“獵人”希望通過對無線傳感器網絡中信號監測追蹤獲取“熊貓”出現的位置的思想，利用偽源節點達到保護真實源節點的位置隱私的目的。許多學者對熊貓—獵人模型進行擴展，如文獻[8]提出了幻影路由的無線傳感器網絡位置隱私保護技術，首先直接隨機漫步，將報文隨機漫步到網絡中的一個偽源節點；然后采用洪泛路由將數據傳輸到基站，但是隨機漫步方式不能保護源節點的位置隱私，使得攻擊者能很快地收集位置資源的信息。針對該問題，有學者提出一些改進幻影路由，如姚劍波等人提出了定向隨機幻影路由，其采用定向隨機漫步方式路由到基站[9]；楊朔等人提出了基于有限洪泛的源位置隱私保護機制[10];文獻[11]提出基于陷阱路由的無線傳感器網絡位置隱私保護方案，利用網絡中的垃圾包環路來迷惑攻擊者，但消耗能量大，并且消息在環上傳送的過程中可能會在距離源節點很近的位置被捕獲，不能有效地保護源節點的位置隱私安全。

為了提高無線傳感器網絡的位置隱私安全性，本文提出一種魯棒性強的無線傳感器網絡位置隱私保護方案，并通過仿真對本文方案進行實驗。仿真結果表明：本方案具有較高的安全性，可以較好地保護源節點和匯聚節點的位置隱私保護。

1 位置隱私保護問題分析

假設無線傳感器網絡的位置隱私攻擊者有如下特點：

1)攻擊者知道基站的位置，且了解到傳感器網絡信源的多種途徑，可以進行多種多攻擊。

2)攻擊者配備優質的追蹤設備，具有足夠大的存儲空間和強大的計算能力，能夠通過無線射頻定位技術檢測出消息的發送者并迅速移動至發送方的位置。

3)攻擊者不能解密數據包并篡改數據包內容，不能毀壞傳感器節點，但可以監聽某個區域內的全網的流量信息，節點收發數據包比值[12]。

4)攻擊者的監測半徑等于傳感器節點的發射半徑。

在一段時間內，攻擊者可監測到節點i流向節點j的流量值，則有

(1)

式中Di為第i只傳感器節點產生的流量。

根據式(2)可知，當攻擊者監測到傳感器節點i發送的流量大于接收的流量，則表示該傳感器節點i為源節點，即

(2)

傳感器節點i發送的流量小于接收的流量，則表示該傳感器節點i為匯聚節點，即

(3)

通過式(2)和式(3)可知，攻擊者主要通過對流量進行分析實現無線傳感器網絡的隱私保護，從而實現攻擊，為此，本文通過增加偽裝傳感器節點迷惑攻擊者，使攻擊者難分辨出真實的源和匯聚節點，以提高位置信息的安全性。

2 位置隱私保護方案

無線傳感器網絡的隱私即包括被監測對象的隱私，也涉及到基站和傳感器節點的隱私，被監測對象的隱私通常是和基站或者傳感器節點的隱私綁定在一起的，當一方的隱私被破壞后，另一方的隱私很快就會被攻擊。通常情況下，無線傳感器網絡會受到多方式的聯合攻擊，攻擊者可以對數據包進行追蹤攻擊，也可以對源節點和匯聚節點進行攻擊，為此，無線傳感器網絡的隱私保護應該可以多種方式，以提高無線傳感器網絡的安全性。無線傳感器的網絡模型如圖1所示。

圖1 無線傳感器網絡模型Fig 1 Model of WSNs

為了更好地保護無線傳感器節點位置隱私信息，本文將偽匯聚節點分類：一類用于接收有用數據，一類用于來接收冗余數據，具體如圖2所示。

圖2 偽匯聚節點的分類Fig 2 Classification of pseudo sink node

2.1 初始化階段

1)從無線傳感器網絡隨機選擇r個傳感器節點作為偽匯聚節點，它們與實際匯聚節點Nsink組成一個匯聚節點集合(FS)，每一個節點都有一個唯一的ID，組成ID集合FS_ID。

2)將FS劃分2個子集，分別為G0和G1。

3)在整個無線傳感器網絡，匯聚節點廣播FS的信息。

2.2 路由發現階段

1)檢查匯聚節點生成的廣播包唯一標識符packet_id，若該數據包被處理過，則丟棄;否則,轉發廣播包。

2)如果節點ID是存在于FS_ID中，FS集合節點廣播其位置信息和所屬分組。

3)當前全部無線傳感器網絡節點接收到廣播的數據包后，無線傳感器路由建立完成。

2.3 數據傳輸階段

1)根據源節點數設置偽源節點位置和個數，并選取相應偽源節點{Nsource1,Nsouce2,…,Nsouce k}。

2)源節點和偽源節點向FS中的節點發送數據包。

3)發送至G0的數據包利用鄰居節點間共享的密鑰進行重加密后轉發；發送至G1的數據包，利用隨機數R進行哈希變換后以概率p轉發；當網絡發生擁塞時，節點優先丟棄發送至G1的數據包。

4)偽匯聚節點收到數據包后直接丟棄數據包，并利用匯聚節點的鄰居節點共享密鑰對數據包進行解密，獲得事件發生位置對應節點標識Source_ID和M。

5)利用匯聚節點與網絡節點共享的密鑰對M進行解密，得到源節點采集到的數據。

3 仿真實驗

3.1 仿真場景

為了測試本文提出無線傳感器節點位置隱私保護方案的性能，在P4 雙核心2.65GHz CPU，2GRAM，Windows 7的計算機上，采用VC++實現仿真實驗。仿真實驗的參數設置見表1。為了使本文方案的優化結果具有可比性，選擇未經優化方案、文獻[13]與文獻[14]的無線傳感器位置隱私保護方案進行對比實驗，從丟包概率、能量消耗、事件檢測率和網絡包延時等方面進行對比分析。

表1 仿真實驗參數Tab 1 Parameters of simulation experiment

3.2 結果分析

3.2.1 丟包概率對比

不同偽源節點的情況下，所有無線傳感器網絡位置隱私保護方案的丟包率如圖3所示。從圖3可以清楚地看出:隨著偽源節點的增加，網絡的丟包概率下降，這主要是由于隨著偽源節點的增多，攻擊者越來越以辯識無線傳感器中真正的源節點和匯聚節點，無線傳感器網絡處于一種安全狀態，在所有方案中，本文方案的丟包概率更小，優勢比較顯著。

圖3 不同方案的方案丟包概率對比Fig 3 Comparison of packet loss probability of different schemes

3.2.2 能量消耗對比

不同偽源節點的條件下，不同無線傳感器網絡位置隱私保護方案的能量消耗曲線如圖4所示。從圖4可知，隨著偽源節點數的不斷增加，所有方案的無線傳感器網絡能量消耗相應增加，這是因為隨著偽源節點數的增加，無線傳感器網絡通信過程所消耗能量上升。在所有方案中，未經優化位置隱私方案的能量增加幅度最大，而文獻[14,15]的方案次之，本文位置隱私方案能量相對增加比較緩慢，大幅度降了無線傳感器網絡的能量消耗。

圖4 不同方案的網絡能量消耗變化曲線Fig 4 Curve of energy consumption change of network of different schemes

3.2.3 網絡時延對比

不同傳感器節點數情況下，不同無線傳感器網絡位置隱私保護方案的網絡時延變化曲線如圖5所示。從圖5可知，隨著節點數增加，所有方案的網絡時延變化增加，這主要是由于隨著網絡規模增加，偽匯聚節點沒有對冗余數據包進行處理，網絡通信質量下降，數據時相應延長，但是在相同條件下，本文方案網絡時延增加比較緩慢，幅度比較小，具有一定的優勢。

圖5 不同方案的網絡時延變化曲線Fig 5 Network time delay change curve of different schemes

3.2.4 事件檢測率對比

不同節點數下，不同無線傳感器網絡位置隱私保護方案的攻擊事件檢測率變化曲線如圖6所示。從圖6可知，隨著節點數增加，所有方案的攻擊事件檢測率下降，這主要是由于節點數增加，偽匯聚節點的冗余數據包對整個網絡產生不利影響，網絡丟包率的上升，然而在相同條件下，本方案改善了網絡攻擊事件數據概率，獲得了更加理想的網絡位置隱私保護結果。

圖6 不同方案的事件檢測率變化曲線Fig 6 Event detection rate change curve of different schemes

4 結束語

無線傳感器網絡進行重要信息監測時，攻擊者可以追蹤消息到信息源，而且攻擊行為具有多樣性和復雜性，為了提高位置信息安全性，提出一種魯棒性強的無線傳感器網絡位置隱私保護方案，并通過仿真對比實驗測試其有效性有優越性，仿真結果表明：相對于當前的無線傳感器位置隱私保護方案，本方案不僅可以獲得更高的攻擊事件檢測率，而且大幅度了減少網絡時延和數據丟包率，極大地減少了能耗，為無線傳感器網絡位置隱私提供了一種新的保護機制。

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A location privacy protection scheme with strong robustness for WSNs*

ZHAO Chun1, HUANG Xue-bin2

(1.Computer Science Department,Jincheng College,Sichuan University,Chengdu 611731，China；2.Academic Department,Jincheng College,Sichuan University,Chengdu 611731,China)

Traditional location privacy protection scheme for wireless sensor networks(WSNs)can not get well balance between security and network energy consumption,in order to improve safety of privacy information of WSNs,a robust location privacy protection scheme for WSNs is proposed.Firstly ,by increasing pseudo source node and pseudo sink node to prevent attacker to obtain position information of key nodes;secondly,pseudo sink node are divided into two groups,throw redundant packets probabilistically to reduce network source consumption;finally,simulation comparison experiments are carried out on Matlab 2012 platform.Results show that this proposed scheme can improve attack detection rate of network and reduce network delay,effectively protect location privacy of source node and sink node.

wireless sensor networks(WSNs); location privacy; phantom routing; communication security

10.13873/J.1000—9787(2014)12—0027—04

2014—09—17

國家自然科學基金資助項目(F020513)

TP 393

A

1000—9787(2014)12—0027—04

趙 春(1978-)，男，四川渠縣人，碩士，講師，主要研究領域為軟件工程、互聯網應用。