基于虛擬圓環的源節點位置隱私保護

文/于運杰

無線傳感器網絡是一個多跳的自組織網絡，具有巨大的發展前景與應用價值，受到社會各界廣泛關注。但因無線媒介具有開放性及廣播性等特征，導致其存在諸多安全隱患，尤其網絡節點干擾攻擊，嚴重者可導致整個網絡通信癱瘓。對于源節點位置來說，一旦其遭到暴露，會導致被監測對象安全遭到威脅，基于此，源節點位置隱私保護也成為該領域研究重點。為保護源節點位置隱私，本文提出了一種基于虛擬圓環的源節點位置隱私保護方案，以期改善傳統源節點位置隱私保護的局限性。

1 研究模型假設

1.1 網絡模型假設

為確保研究更加方便，需在網絡區域上展開一定假設，即假設其所包含的基站僅為一個，及假設其包含大量傳感器節點。從分布上來看，節點需相對均勻，從配置上來看所有節點都應相同。如兩節點間距離比通信范圍小，節點可相互通信，無法直接通信的節點能夠以多跳方式展開通信。當網絡開始工作后，同監測目標相距最近的節點能夠自動轉變成源節點。在對攻擊能力較強的敵人加以考慮基礎上，可視區設置為源節點r跳以內范圍。

1.2 攻擊者模型假設

假設攻擊者特征有三點：

（1）攻擊者在目標選擇上定位于捕獲源節點，對于網絡功能正常運行不會形成影響，且相對普通節點的通信半徑來說，在監聽半徑上具有一致性；

（2）從攻擊者的初始狀態來看，其位于基站附近，通過在基站同其鄰節點間的通信情況方面的有關觀察，對發送節點進行定位；

（3）攻擊者在硬件設施及能量和存儲空間上均優良，在 計算能力上較強。

2 基于虛擬圓環的源節點位置隱私保護方案

該方案主要包括以下四個階段：

2.1 幻象路由階段設計要點

該階段的路由策略，主要為了保證幻影節點在地理位置上更具有多樣性，通過增加這類幻影節點，讓敵人難以有效地進行反向追蹤攻擊。幻影節點見圖1中的P1。

2.2 同跳路由階段設計要點

對于該階段來說，幻影節點可避開源節點可視區實現轉發。當幻象路由階段終止情況發生時，根據其產生的幻影節點P1，可將一個重要夾角計算出來，這一夾角由兩個直線組成，一為幻影節點至sink節點的直線，二為直線同源節點至sink節點的直線，除了可計算這一夾角，同時看將其同可視區夾角β比較。如圖2所示，當α小于β，表明這一幻影節點發起跳有向同跳路由，可將數據包向第二幻象節點P2進行傳遞。為促使產生的幻象節點在地理位置上進一步多樣，方案對H值的選取指定在[Hmin，2Hmin]中。為確保數據包在轉發過程中能對源節點可視區進行有效避開，取Hmin=(h+L)tanβ。該策略下幻象節點具有隨機分布性，可增加攻擊者對源節點具體方位進行推出的難度，且可使路由路徑經過可視區這一問題得到有效避免。

2.3 定向路由階段設計要點

這一階段中，在數據包的傳輸方面，主要由路由以簡單的最短路徑方式進行，使其到達節點。不過，在本方案中，虛擬環的組成為以sink為中心的同跳節點，基于此，對于數據包傳輸至基站前的推測，可以確定其肯定會經過環節點。

2.4 環路路由階段設計要點

對于這一階段來說，

環節點對普通節點發送的數據包進行接收時，對數據包進行轉發前需做好兩件事：一為隨機對一個環方向進行指定，作為數據包的傳輸方向；二為生成一個隨機數Nrelay，且將其保存至數據包中。對于中繼環節點來說，其會對值進行檢測。當Nrelay為0時，該中繼環節點會將數據包推向sink節點進行轉發，而在Nrelay不為0的情況下，會以1遞減Nrelay并促進數據包向下一跳環節點自動轉發。為保證產生路徑具有更加明顯的隨機與分散性，本文對Nrelay進行選擇范圍進行假設，即[Nring/4,Nring]，Nring表示中繼環節點數量。

對于具體環路處理過程，可參照圖1。對于以sink節點為中心的虛擬環中R1、R2、Rk-1、Rk-2與Rn來說，其屬于5個中繼環節點，對于普通環節點來說，其部署于中繼環節點間。如從P節點進行發送的數據包進入R1節點時，R1以逆時針方向對數據包進行傳輸，且隨機數Nrelay=k。然后將數據包以環路由形式向R2傳輸，直至Rk接收到數據包，然后通過最短路徑向sink節點轉發。

在該方案中，以隨機行走后產生的幻影節點進行隨機發起H跳有向同跳路由，能夠對源節點可視區加以避開，同時借助以sink節點為中心的虛擬環路對路由路徑的多樣性進一步提升，能夠使數據包反向追蹤難度有所增加，可是失效路徑的產生得到有效避免，同時具有較好安全性能。相對傳統隱私保護方案來說，雖然這一方案對一些額外的時延加以引入，卻仍然擁有較高安全時間。

圖1：數據包發送流程中的幻影節點

圖2：同跳路由處理過程

參考文獻

[1]易險峰,樊曉平.基于冗余分支匯集螺線的源節點位置隱私路由保護策略[J].小型微型計算機系統,2015,36(02):244-251.

[2]孫美松.WSN中源節點隱私保護協議研究[J].數字技術與應用,2015(01):115.

[3]陳宜,蔣朝惠,郭春等.一種改進的WSN源位置隱私保護路由算法[J].傳感技術學報,2017,30(03):438-449.

[4]朱世照,薛善良.一種WSN中多幻影節點源位置隱私保護協議[J].計算機與現代化,2017(02):98-104.