無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于位置追蹤的源節(jié)點(diǎn)隱私保護(hù)方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于位置追蹤的源節(jié)點(diǎn)隱私保護(hù)方法，其步驟包括：首先，在源節(jié)點(diǎn)周圍確定幻影源節(jié)點(diǎn)的選擇方法與分布；其次，根據(jù)在滿足隱私保護(hù)條件的區(qū)域內(nèi)選擇的幻影節(jié)點(diǎn)，采用最短路由的隨機(jī)路由兩種路由策略，并用切線方法選擇下一跳節(jié)點(diǎn)；接著，為了增加攻擊者追蹤到源節(jié)點(diǎn)的時(shí)間，采用基于追蹤成本的方案，給不同的地勢(shì)不同的追蹤難度系數(shù)，增加攻擊者的追蹤成本；最后，為了改變數(shù)據(jù)包的傳輸方向，采用在sink周圍構(gòu)建一個(gè)環(huán)。本發(fā)明能夠在野外復(fù)雜環(huán)境中阻礙攻擊者的逐條回溯，增加攻擊者的追蹤難度，增強(qiáng)了源節(jié)點(diǎn)的位置隱私。
【專利說明】
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于位置追蹤的源節(jié)點(diǎn)隱私保護(hù)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于位置追蹤的源節(jié)點(diǎn)隱私保護(hù)方法，屬于無線傳 感器網(wǎng)絡(luò)通信支持技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的位置隱私保護(hù)經(jīng)歷了一定的發(fā)展，主要分為三個(gè)方面的保護(hù)： (1)對(duì)于源節(jié)點(diǎn)的位置隱私保護(hù)；（2)對(duì)于基站的位置隱私保護(hù)；（3)同時(shí)對(duì)源節(jié)點(diǎn)和基站進(jìn) 行保護(hù)。這三個(gè)方面有一些共同的地方。首先，攻擊者的分類和攻擊方式都是差不多的，攻 擊者主要分為局部攻擊者和全局攻擊者，局部攻擊者只能夠監(jiān)聽到部分傳感器區(qū)域，這類 攻擊者能量有限，在網(wǎng)絡(luò)中隨機(jī)游走，當(dāng)監(jiān)聽到一個(gè)數(shù)據(jù)包的時(shí)候，通過逐條回溯的方法找 到基站或者源節(jié)點(diǎn)，攻擊者可分為有耐心的攻擊者和謹(jǐn)慎的攻擊者。有耐心的攻擊者在一 個(gè)地方一直監(jiān)聽，直到下一跳的數(shù)據(jù)到來;謹(jǐn)慎的攻擊者對(duì)經(jīng)過的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記，一旦在一 個(gè)地方長(zhǎng)時(shí)間沒聽到數(shù)據(jù)，就會(huì)回到一開始的地方。全局攻擊者能量充沛，有著優(yōu)良的監(jiān)聽 設(shè)備，攻擊方法也多樣，對(duì)付這類的攻擊者比較困難。在攻擊手段上主要分為單純監(jiān)聽、逐 跳回溯追蹤、時(shí)間關(guān)聯(lián)分析、流量分析、ID分析、節(jié)點(diǎn)俘獲、數(shù)據(jù)篡改等等。
[0003]在經(jīng)典的熊貓-獵人模型中，當(dāng)某個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)感知到熊貓的位置時(shí)，立即作為源 節(jié)點(diǎn)周期性地將觀察到的熊貓生活習(xí)性數(shù)據(jù)以多跳傳輸?shù)男问桨l(fā)送到基站；同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中 存在一個(gè)具備移動(dòng)能力和局部無線通信監(jiān)聽能力的獵人，獵人采用逐跳回溯追蹤數(shù)據(jù)包的 方式來確定源節(jié)點(diǎn)的位置，從而確定熊貓的位置并進(jìn)行盜獵活動(dòng)。在該模型中，位置隱私保 護(hù)技術(shù)的目標(biāo)就是在保證熊貓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r(shí)，防止獵人確定數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)的位置。
[0004] 為了增強(qiáng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)位置隱私保護(hù)性，國(guó)內(nèi)外許多研究者提出了許多隱私保 護(hù)方案，相關(guān)文獻(xiàn)如下：
[0005] 1、陳娟等在《Hiding the Source Based on Limited Flooding for Sensor Networks》提出了一種基于源節(jié)點(diǎn)有限洪泛方法HJESRF和增強(qiáng)型改進(jìn)方法EPUSBRF。在 PUSBRF協(xié)議中，當(dāng)源節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到熊貓的活動(dòng)就向其h跳范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)發(fā)送廣播，h跳范圍內(nèi) 的每個(gè)節(jié)點(diǎn)就都得到該節(jié)點(diǎn)及其鄰居節(jié)點(diǎn)距離源節(jié)點(diǎn)的最小跳數(shù)值。在h跳范圍的廣播結(jié) 束后，源節(jié)點(diǎn)每隔T時(shí)間產(chǎn)生一個(gè)數(shù)據(jù)包并向基站發(fā)送。在數(shù)據(jù)包h跳有向路由階段，當(dāng)前節(jié) 點(diǎn)把數(shù)據(jù)包隨機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)到距離源節(jié)點(diǎn)跳數(shù)較大的鄰居節(jié)點(diǎn)。經(jīng)過h跳路由后產(chǎn)生的幻影源節(jié) 點(diǎn)均勻分布在遠(yuǎn)離源節(jié)點(diǎn)的各個(gè)方向上。最后通過最短路徑路由把數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到基站。但 是PUSBRF協(xié)議有一個(gè)缺點(diǎn)，當(dāng)源節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到目標(biāo)后采用有限洪泛，但目標(biāo)移動(dòng)過快，需要多 次洪泛，能量消耗會(huì)變大。為此提出了 EPUSBRF協(xié)議，通過排除選擇可視區(qū)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)，完全避 免了失效路徑的產(chǎn)生。EPUSBRF協(xié)議與PUSBRF協(xié)議主要有三點(diǎn)不同。（1)在網(wǎng)絡(luò)安全初始化 階段，不進(jìn)行全網(wǎng)廣播，僅實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的部署與網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的載入。（2)在進(jìn)行源節(jié)點(diǎn)h跳有限廣 播的同時(shí)標(biāo)記出可視區(qū)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)。（3)在完成源節(jié)點(diǎn)有限洪泛后，網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行避開可視區(qū)的全 網(wǎng)廣播。這樣EPUSBRF協(xié)議不會(huì)增加額外的開銷，而且能完全避免產(chǎn)生失效路徑，有效增強(qiáng) 了源位置隱私保護(hù)。但是在傳輸?shù)倪^程中會(huì)產(chǎn)生傳輸路徑重疊的問題。
[0006] 2、趙澤茂等在《Research on source location privacy routing based onangle and probability in wireless sensor networks》提出了一種基于角度和概率 的WSN源位置隱私保護(hù)路由RAPFPR。在RAPFPR協(xié)議中主要包括兩個(gè)方面的內(nèi)容：（1)真實(shí)源 節(jié)點(diǎn)根據(jù)隨機(jī)角度和距離的有向路由階段，（2)幻影節(jié)點(diǎn)到基站的概率轉(zhuǎn)發(fā)路由階段。在隨 機(jī)角度選擇幻影源節(jié)點(diǎn)中，考慮可視區(qū)的問題，將幻影源節(jié)點(diǎn)區(qū)域確定在一個(gè)圓環(huán)中，將圓 環(huán)按照一定的角度進(jìn)行劃分，得到許多扇形。每次選擇幻影源節(jié)點(diǎn)的時(shí)候，為了使產(chǎn)生的幻 影源節(jié)點(diǎn)更加均勻地分布，同時(shí)使得連續(xù)產(chǎn)生的多個(gè)幻影源節(jié)點(diǎn)不會(huì)集中于某塊區(qū)域，當(dāng) 真實(shí)源節(jié)點(diǎn)在一次數(shù)據(jù)包傳輸中選擇區(qū)域A內(nèi)的節(jié)點(diǎn)作為幻影源節(jié)點(diǎn)，那么在下一次數(shù)據(jù) 包傳輸中就不會(huì)選擇區(qū)域A相鄰區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)作為幻影源節(jié)點(diǎn)，而且在隨后的數(shù)據(jù)包傳輸 也不會(huì)選擇區(qū)域A中的節(jié)點(diǎn)作為幻影源節(jié)點(diǎn)。在數(shù)據(jù)包路由階段根據(jù)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)因子 來判斷節(jié)點(diǎn)是否轉(zhuǎn)發(fā)該數(shù)據(jù)包，減少重疊路徑。
[0007] 3Nffei Tan等在〈〈An anti-tracking source-location privacy protection protocol in WSNs based on path extension》提出了一種路徑延伸方案來針對(duì)逐條回溯 的方法(PEM)，在PEM中加入了虛假數(shù)據(jù)包，但是與其他虛假數(shù)據(jù)包機(jī)制不同，PEM是在發(fā)送 消息后動(dòng)態(tài)生成虛假數(shù)據(jù)包，而不是固定的產(chǎn)生數(shù)據(jù)包。并且當(dāng)真實(shí)數(shù)據(jù)包發(fā)送，虛假路徑 就生成。虛假數(shù)據(jù)包以不同的速率發(fā)送，每個(gè)路徑都不一定指向源節(jié)點(diǎn)，目的是將攻擊者引 向遠(yuǎn)離源節(jié)點(diǎn)的路徑。PEM采用的主要技術(shù)有：（1)初始虛假節(jié)點(diǎn)的生成。當(dāng)real path上的 節(jié)點(diǎn)得到一個(gè)數(shù)據(jù)包時(shí)，就生成一個(gè)隨機(jī)數(shù)，這個(gè)隨機(jī)數(shù)與系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行比較，若小于系統(tǒng) 參數(shù)，這個(gè)節(jié)點(diǎn)就成為初始虛假源節(jié)點(diǎn)。（2)路徑延伸。在選完初始虛假源后，從鄰居節(jié)點(diǎn)中 選擇一個(gè)新的虛假節(jié)點(diǎn)，每隔一定的間隔發(fā)送消息，新選擇的節(jié)點(diǎn)不能在reaI path上，也 不能是real path上其他節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)。（3)虛假路徑聚合。在一些特殊的情況下，虛假路 徑可以合并成公用一個(gè)虛假節(jié)點(diǎn)的路徑，減少能量消耗。
[0008] 4、Di Tang等在《Cost-Aware SEcure Routing(CASER)Protocol Design for Wireless Sensor Networks》提出了一種節(jié)點(diǎn)可以意識(shí)到能耗的模型，可以較好的控制能 量的消耗。并在能耗模型中，采用了將兩種路由策略結(jié)合在一起，節(jié)點(diǎn)每次隨機(jī)選擇該用哪 種策略轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。雖然這種方法結(jié)合了最短路由和隨機(jī)路由兩種路由策略，但是由于缺 少對(duì)路由策略的控制，導(dǎo)致數(shù)據(jù)包有可能永遠(yuǎn)到達(dá)不了基站。
[0009] 5、Mohamed等在《A Cloud-Based Scheme for Protecting Source-Location Privacy against Hotspot-Locating Attack in Wireless Sensor Networks》提出了一 種針對(duì)熱點(diǎn)定位攻擊的基于云的方案。在基于云的方案中，首先提出了熱點(diǎn)現(xiàn)象，所謂的熱 點(diǎn)就是在一個(gè)小的區(qū)域中，節(jié)點(diǎn)向sink傳遞了大量的數(shù)據(jù)包，造成了網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)流量明 顯的不一致。接著根據(jù)實(shí)際情況，提出了一種可以分布多個(gè)監(jiān)聽設(shè)備的攻擊者。攻擊者可以 根據(jù)熱點(diǎn)定位和逐條回溯找到源節(jié)點(diǎn)，最后提出了基于云的方案來應(yīng)對(duì)這種攻擊。通過加 入虛假數(shù)據(jù)流量和K匿名的方法，將源節(jié)點(diǎn)隱藏在一群節(jié)點(diǎn)當(dāng)中，通過虛假流量隱藏真實(shí)流 量，并且數(shù)據(jù)包逐跳加密，增強(qiáng)源節(jié)點(diǎn)位置隱私保護(hù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是:對(duì)幻影源節(jié)點(diǎn)進(jìn)行新的劃分選擇方式，選擇合適 的幻影源節(jié)點(diǎn)的位置。并在幻影源節(jié)點(diǎn)到Sink之間的路由中，采前幾跳采取有偏向的最短 路由策略和隨機(jī)路由策略結(jié)合的方式。同時(shí)，考慮到增加攻擊者的追蹤成本，在路由的后幾 跳選擇追蹤系數(shù)大的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。在sink周圍的環(huán)上，數(shù)據(jù)包經(jīng)過一定跳數(shù)的環(huán) 路由，改變數(shù)據(jù)包的發(fā)送方向。
[0011]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0012] 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于位置追蹤的源節(jié)點(diǎn)隱私保護(hù)方法，包括以下步驟：
[0013] 步驟一:幻影源節(jié)點(diǎn)的選擇?？紤]到傳統(tǒng)的幻影源節(jié)點(diǎn)的選擇不能很好的遠(yuǎn)離真 實(shí)源節(jié)點(diǎn)，往往集中于真實(shí)源節(jié)點(diǎn)周圍幾跳內(nèi)，并且集中于某一個(gè)區(qū)域內(nèi)。所以需要采取一 種新的選擇方式，使得幻影源節(jié)點(diǎn)在遠(yuǎn)離真實(shí)源節(jié)點(diǎn)的同時(shí)，又可以保證分布的均勻。
[0014] 步驟二:路由策略的規(guī)劃。考慮到采用單一路由策略的隱私保護(hù)性不全面，并且伴 隨著高延遲、高能耗等問題，采取將最短路徑路由和隨機(jī)路由兩種路由策略結(jié)合在一起，為 了減小延遲，在兩種路由策略上偏重最短路徑路由，輔之以一定的隨機(jī)路由，在步驟一中產(chǎn) 生的幻影源節(jié)點(diǎn)將消息路由到s i nk。
[0015] 初始的幾跳內(nèi)采用切線傳輸，沿著源節(jié)點(diǎn)的可視區(qū)和sink周圍的環(huán)做一個(gè)切線， 目的是為了防止幻影源節(jié)點(diǎn)每次傳輸選擇的節(jié)點(diǎn)有可能會(huì)落入可視區(qū)范圍內(nèi)。隨后的多跳 傳輸中，采用基于追蹤成本的策略。
[0016] 步驟三:增加攻擊者追蹤成本與追蹤成本計(jì)算。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)源節(jié)點(diǎn)位置 隱私無法達(dá)到完全的保護(hù)，在一段時(shí)間后，攻擊者總是能夠找到源節(jié)點(diǎn)，所以這時(shí)候就需要 考慮如何增加攻擊者的追蹤時(shí)間。這里引入追蹤成本問題，使得攻擊者為了尋找到源節(jié)點(diǎn) 需要經(jīng)過大量的復(fù)雜地形，增加反向追蹤的困難度。在網(wǎng)絡(luò)的安全期內(nèi)，更多的數(shù)據(jù)包傳輸 至Ijsink，降低攻擊者的追蹤速度，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的安全期。
[0017] 步驟四：基站周圍環(huán)的選擇。為了應(yīng)對(duì)攻擊者可能采取方向攻擊和逐跳回溯，在 sink周圍構(gòu)建一個(gè)環(huán)路由。所有的消息都先傳輸?shù)江h(huán)上的環(huán)節(jié)點(diǎn)，在環(huán)上按照時(shí)鐘方向進(jìn) 行一定跳數(shù)的環(huán)路由，然后再傳輸?shù)絪ink。
[0018] 上述步驟一中，幻影源節(jié)點(diǎn)的選擇方式如下：
[0019] 首先確定一個(gè)幻影源區(qū)域，半徑為Rmax。同時(shí)在真實(shí)源節(jié)點(diǎn)周圍有一個(gè)可視區(qū)，可 視區(qū)的大小為半徑為5-6跳。接著，將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)劃分成一個(gè)個(gè)有著相同角度的扇形，每個(gè)扇 形對(duì)應(yīng)的角度為Θ，這樣一共可以產(chǎn)生2π/θ個(gè)小扇形。Θ反映扇形的面積，也反映失效區(qū)域占 整個(gè)傳感區(qū)域的比值，將Θ設(shè)定為30°。每次選擇幻影源節(jié)點(diǎn)的時(shí)候，首先進(jìn)行h跳定向隨機(jī) 步，h代表幻影源節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)離真實(shí)源節(jié)點(diǎn)的程度，設(shè)定為大于10跳，這樣可以保證幻影源節(jié)點(diǎn) 可以遠(yuǎn)離真實(shí)源節(jié)點(diǎn)。每次選擇幻影源節(jié)點(diǎn)的時(shí)候，按照等間隔選取。為了避免幻影源節(jié)點(diǎn) 選擇的下一跳節(jié)點(diǎn)會(huì)經(jīng)過可視區(qū)，本方案采用沿著基站周圍的環(huán)和源節(jié)點(diǎn)的可視區(qū)做兩條 切線，兩條切線所圍成的區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)都不會(huì)作為幻影源節(jié)點(diǎn)的候選區(qū)域?；糜霸垂?jié)點(diǎn)可 選的區(qū)域只在這兩條切線外和幻影源圍城的區(qū)域內(nèi)。
[0020] 上述步驟二中，路由節(jié)點(diǎn)的選擇方式如下：
[0021] 采用最短路徑路由和隨機(jī)路由兩種策略，兩種路由策略通過一個(gè)0-1之間的隨機(jī) 數(shù)結(jié)合在一起。同時(shí)，為了減小傳輸延遲，這兩種路由策略中采取偏向方法使得整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中 的路由策略偏向于最短路由，輔之以一定的隨機(jī)路由，這樣安全性和實(shí)時(shí)性都可以得到一 定的保證。在方案中，將隨機(jī)數(shù)大于0.7的情況下，選擇采用最短路徑路由傳播，在隨機(jī)數(shù)小 于〇. 7的情況下，選擇隨機(jī)路由策略傳播。
[0022]初始的幾跳內(nèi)采用切線傳輸，沿著源節(jié)點(diǎn)的可視區(qū)和sink周圍的環(huán)做一個(gè)切線， 目的是為了防止幻影源節(jié)點(diǎn)每次傳輸選擇的節(jié)點(diǎn)有可能會(huì)落入可視區(qū)范圍內(nèi)。隨后的多跳 傳輸中，采用基于追蹤成本的策略。
[0023]上述步驟三中，增加攻擊者追蹤成本與追蹤成本計(jì)算方法如下：
[0024] 將幻影源節(jié)點(diǎn)和s ink之間的傳感區(qū)域劃分網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)有著一定數(shù)量的節(jié) 點(diǎn)。由于傳感器節(jié)點(diǎn)分布在環(huán)境惡劣的野外環(huán)境，所以每個(gè)節(jié)點(diǎn)所處的地理環(huán)境會(huì)不一樣。 這就無形的增加了攻擊者反向追蹤的難度。在方案中通過將不同地形設(shè)置不同的追蹤難度 系數(shù)，使得在路由路徑選擇的時(shí)候，盡量選擇追蹤難度系數(shù)較高的區(qū)域，這樣可以進(jìn)一步降 低攻擊者的追蹤速度。
[0025] 在成本計(jì)算上，采用擬合的方法，將河流擬合成兩條近似平行的直線，將森林和山 近似看成是方格，這樣便于計(jì)算追蹤成本。通過計(jì)算傳輸路徑經(jīng)過多少個(gè)方格，乘以相對(duì)應(yīng) 的難度系數(shù)，這樣追蹤成本就可以通過數(shù)學(xué)公式展現(xiàn)出來。
[0026] 上述步驟四中，基站周圍環(huán)的選擇方法如下：
[0027] 通過在基站周圍產(chǎn)生一個(gè)環(huán)，數(shù)據(jù)包每次到達(dá)環(huán)的時(shí)候，都先在環(huán)上進(jìn)行一定跳 數(shù)的環(huán)路由。環(huán)路由跳數(shù)根據(jù)環(huán)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)確定。并且當(dāng)環(huán)路由結(jié)束后，數(shù)據(jù)包就沿著最短路 徑路由到基站。每次環(huán)路由的方向都是交替的，順時(shí)針和逆時(shí)針每次交替著分配，這樣可以 在一定程度上應(yīng)對(duì)方向攻擊。同時(shí)為了減少能量消耗，網(wǎng)格內(nèi)的節(jié)點(diǎn)可以輪流代替成為環(huán) 節(jié)點(diǎn)，環(huán)的大小也需要進(jìn)行計(jì)算得出一個(gè)最佳的半徑大小。
[0028]以sink為中心建立坐標(biāo)軸，將環(huán)8等分。假設(shè)節(jié)點(diǎn)密度為λ，環(huán)的半徑為e，坐標(biāo)軸范 圍為[-S，s]，系統(tǒng)常數(shù)為α，能量消耗與距離的平方成正比。
[0029]
[0030]
[0031]
[0032]
[0033]
[0034]本發(fā)明的有益效果是：
[0035] 1.幻影源節(jié)點(diǎn)分布更均勻，選擇幻影區(qū)域更合理；
[0036] 2.兩種路由策略結(jié)合在一起，隱私保護(hù)性更強(qiáng)；
[0037] 3.提出追蹤成本概念，增加攻擊者的攻擊時(shí)間，更加符合實(shí)際情況；
[0038] 4.Sink周圍采用環(huán)路由，可以改變數(shù)據(jù)包的反向傳輸方向。
【附圖說明】
[0039] 圖1為本發(fā)明幻影源節(jié)點(diǎn)選擇方法示意圖；
[0040] 圖2為本發(fā)明路由策略方案示意圖；
[0041 ]圖3為本發(fā)明追蹤成本方案與計(jì)算示意圖；
[0042] 圖4為本發(fā)明sink周圍環(huán)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0043] 以下結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0044] 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于位置追蹤的源節(jié)點(diǎn)隱私保護(hù)研究，其步驟包括：
[0045] 步驟一：如圖1所示，幻影源節(jié)點(diǎn)的選擇方案。首先確定一個(gè)幻影源區(qū)域，半徑為 Rmax，源節(jié)點(diǎn)和sink之間距離為H。同時(shí)在真實(shí)源節(jié)點(diǎn)周圍有一個(gè)可視區(qū)，可視區(qū)的大小為半 徑為5-6跳，用r表示。接著，將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)劃分成一個(gè)個(gè)有著相同角度的扇形，每個(gè)扇形對(duì)應(yīng) 的角度為Θ，這樣一共可以產(chǎn)生2π/θ個(gè)小扇形。Θ反映扇形的面積，也反映失效區(qū)域占整個(gè)傳 感區(qū)域的比值，將Θ設(shè)定為30°。每次選擇幻影源節(jié)點(diǎn)的時(shí)候，首先進(jìn)行h跳定向隨機(jī)步，h代 表幻影源節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)離真實(shí)源節(jié)點(diǎn)的程度，設(shè)定為大于10跳，這樣可以保證幻影源節(jié)點(diǎn)可以遠(yuǎn) 離真實(shí)源節(jié)點(diǎn)。每次選擇幻影源節(jié)點(diǎn)的時(shí)候，按照等間隔選取，如圖1中幻影源節(jié)點(diǎn)1、2、3、 4、5、6的選擇方法。當(dāng)然，并不是所有的幻影源節(jié)點(diǎn)區(qū)域都能夠成為幻影源節(jié)點(diǎn)的區(qū)域，在 沿著sink和可視區(qū)作切線的后面區(qū)域就無法成為幻影源節(jié)點(diǎn)的選擇區(qū)域。同時(shí)，為了避免 幻影源節(jié)點(diǎn)選擇的下一跳節(jié)點(diǎn)會(huì)經(jīng)過可視區(qū)，采用沿著基站周圍的環(huán)和源節(jié)點(diǎn)的可視區(qū)做 兩條切線，兩條切線所圍成的區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)都不會(huì)作為幻影源節(jié)點(diǎn)的候選區(qū)域?；糜霸垂?jié) 點(diǎn)可選的區(qū)域只在這兩條切線外和幻影源圍城的區(qū)域內(nèi)。所以在圖1中，幻影源節(jié)點(diǎn)4不滿 足條件，不能選擇。
[0046] 只考慮可視區(qū)的情況，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的失效幻影源節(jié)點(diǎn)的區(qū)域占整個(gè)傳感區(qū)域的比例 為：
[0047；
[0048] 當(dāng)考慮到切線傳輸?shù)臅r(shí)候，這個(gè)比例會(huì)更大，增強(qiáng)了源節(jié)點(diǎn)的位置隱私保護(hù)。
[0049] 步驟二：如圖2所示，路由節(jié)點(diǎn)的選擇方式。采用最短路徑路由和隨機(jī)路由兩種策 略，兩種路由策略通過一個(gè)0-1之間的隨機(jī)數(shù)結(jié)合在一起。同時(shí)，為了減小傳輸延遲，這兩種 路由策略中采取偏向方法使得整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的路由策略偏向于最短路由，輔之以一定的隨機(jī) 路由，這樣安全性和實(shí)時(shí)性都可以得到一定的保證。在方案中，將隨機(jī)數(shù)大于0.7的情況下， 選擇采用最短路徑路由傳播，在隨機(jī)數(shù)小于0.7的情況下，選擇隨機(jī)路由策略傳播。
[0050] 初始的幾跳內(nèi)采用切線傳輸，沿著源節(jié)點(diǎn)的可視區(qū)和Sink周圍的環(huán)做一個(gè)切線， 目的是為了防止幻影源節(jié)點(diǎn)每次傳輸選擇的節(jié)點(diǎn)有可能會(huì)落入可視區(qū)范圍內(nèi)。隨后的多跳 傳輸中，采用基于追蹤成本的策略。
[0051] 步驟三:如圖3所示，增加攻擊者的追蹤成本與追蹤成本的計(jì)算。將幻影源節(jié)點(diǎn)和 s ink之間的傳感區(qū)域劃分網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)有著一定數(shù)量的節(jié)點(diǎn)。由于傳感器節(jié)點(diǎn)分布在 環(huán)境惡劣的野外環(huán)境，所以每個(gè)節(jié)點(diǎn)所處的地理環(huán)境會(huì)不一樣。這就無形的增加了攻擊者 反向追蹤的難度。在方案中通過將不同地形設(shè)置不同的追蹤難度系數(shù)，使得在路由路徑選 擇的時(shí)候，盡量選擇追蹤難度系數(shù)較高的區(qū)域，這樣可以進(jìn)一步降低攻擊者的追蹤速度。 [0052]在成本計(jì)算上，采用擬合的方法，將河流擬合成兩條近似平行的直線，將森林和山 近似看成是方格，這樣便于計(jì)算追蹤成本。通過計(jì)算傳輸路徑經(jīng)過多少個(gè)方格，乘以相對(duì)應(yīng) 的難度系數(shù)，這樣追蹤成本就可以通過數(shù)學(xué)公式展現(xiàn)出來。比如圖3中平原地區(qū)節(jié)點(diǎn)的追蹤 難度系數(shù)為0.2,河流附近的節(jié)點(diǎn)追蹤難度系數(shù)是0.4,森林里面的節(jié)點(diǎn)追蹤難度系數(shù)為 0.6,高山中的節(jié)點(diǎn)追蹤難度系數(shù)為0.8。通過計(jì)算數(shù)據(jù)包經(jīng)過的小格，乘上相對(duì)應(yīng)的系數(shù)， 就能夠大致的估計(jì)出攻擊者發(fā)現(xiàn)源節(jié)點(diǎn)所需要的追蹤成本，公式為：
[0053] C = 0 · 2hfli+0 · 4hM；f+0 · 6h|?+0 · 8haij。
[0054] 其中hfli為經(jīng)過平原地區(qū)需要的跳數(shù);hM?為經(jīng)過河流區(qū)域需要的跳數(shù);hi*為穿越 森林需要的跳數(shù);h高山為跨越高山需要的跳數(shù)。
[0055] 步驟四：如圖4所示，基站周圍環(huán)的選擇方法。通過在基站周圍產(chǎn)生一個(gè)環(huán)，數(shù)據(jù)包 每次到達(dá)環(huán)的時(shí)候，都先在環(huán)上進(jìn)行一定跳數(shù)的環(huán)路由。環(huán)路由跳數(shù)根據(jù)環(huán)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)確定。 并且當(dāng)環(huán)路由結(jié)束后，數(shù)據(jù)包就沿著最短路徑路由到基站。每次環(huán)路由的方向都是交替的， 順時(shí)針和逆時(shí)針每次交替著分配，這樣可以在一定程度上應(yīng)對(duì)方向攻擊。同時(shí)為了減少能 量消耗，網(wǎng)格內(nèi)的節(jié)點(diǎn)可以輪流代替成為環(huán)節(jié)點(diǎn)，環(huán)的大小也需要進(jìn)行計(jì)算得出一個(gè)最佳 的半徑大小。
[0056]以sink為中心建立坐標(biāo)軸，將環(huán)8等分。假設(shè)節(jié)點(diǎn)密度為λ，環(huán)的半徑為e，坐標(biāo)軸范 圍為[-S，s]，系統(tǒng)常數(shù)為α，能量消耗與距離的平方成正比。
[0057]
[0058]
[0059]
[0060]
[0061]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于位置追蹤的源節(jié)點(diǎn)隱私保護(hù)方法，其特征在于:包括W 下步驟： 步驟一:幻影源節(jié)點(diǎn)的選擇 首先確定一個(gè)幻影源區(qū)域，半徑為Rmax;同時(shí)在真實(shí)源節(jié)點(diǎn)周圍有一個(gè)可視區(qū)，可視區(qū) 的大小為半徑為5-6跳； 接著，將整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)劃分成一個(gè)個(gè)有著相同角度的扇形，每個(gè)扇形對(duì)應(yīng)的角 度為0，運(yùn)樣一共產(chǎn)生化/0個(gè)小扇形。0反映扇形的面積，也反映失效區(qū)域占整個(gè)傳感區(qū)域的 比值，每次選擇幻影源節(jié)點(diǎn)的時(shí)候，首先進(jìn)行h跳定向隨機(jī)步，h代表幻影源節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)離真實(shí)源 節(jié)點(diǎn)的程度，每次選擇幻影源節(jié)點(diǎn)的時(shí)候，按照等間隔選??； 采用沿著基站周圍的環(huán)和源節(jié)點(diǎn)的可視區(qū)做兩條切線，兩條切線所圍成的區(qū)域內(nèi)的節(jié) 點(diǎn)都不會(huì)作為幻影源節(jié)點(diǎn)的候選區(qū)域，幻影源節(jié)點(diǎn)可選的區(qū)域只在運(yùn)兩條切線外和幻影源 圍城的區(qū)域內(nèi)； 步驟二:路由策略的規(guī)劃 采取將最短路徑路由和隨機(jī)路由兩種路由策略結(jié)合在一起，為了減小延遲，在兩種路 由策略上偏重最短路徑路由，輔之W-定的隨機(jī)路由，在步驟一中產(chǎn)生的幻影源節(jié)點(diǎn)將消 息路由到S ink; 初始的幾跳內(nèi)采用切線傳輸，沿著源節(jié)點(diǎn)的可視區(qū)和sink周圍的環(huán)做一個(gè)切線，使得 數(shù)據(jù)包朝著sink方向移動(dòng)，減小傳輸延遲，在隨后到sink的過程中，采用基于追蹤成本的策 略； 步驟=:增加攻擊者追蹤成本與追蹤成本計(jì)算 在網(wǎng)絡(luò)的安全期內(nèi)，更多的數(shù)據(jù)包傳輸?shù)絪ink,降低攻擊者的追蹤速度，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的安 全期； 步驟四：基站周圍環(huán)的選擇 在sink周圍構(gòu)建一個(gè)環(huán)路由，所有的消息都先傳輸?shù)江h(huán)上的環(huán)節(jié)點(diǎn)，在環(huán)上按照時(shí)鐘 方向進(jìn)行一定跳數(shù)的環(huán)路由，然后再傳輸?shù)絪ink。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于位置追蹤的源節(jié)點(diǎn)隱私保護(hù)方法，其 特征在于:所述步驟一中，0設(shè)定為30%h設(shè)定為大于10跳。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于位置追蹤的源節(jié)點(diǎn)隱私保護(hù)方法，其 特征在于:所述步驟二中，路由策略的選擇方法如下： 將隨機(jī)數(shù)大于0.7的情況下，選擇采用最短路徑路由傳播，在隨機(jī)數(shù)小于0.7的情況下， 選擇隨機(jī)路由策略傳播。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于位置追蹤的源節(jié)點(diǎn)隱私保護(hù)方法，其 特征在于:所述步驟=中，增加攻擊者追蹤成本與追蹤成本計(jì)算方法如下： 將幻影源節(jié)點(diǎn)和sink之間的傳感區(qū)域劃分網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)有著一定數(shù)量的節(jié)點(diǎn)；通 過將不同地形設(shè)置不同的追蹤難度系數(shù)，使得在路由路徑選擇的時(shí)候，選擇追蹤難度系數(shù) 較高的區(qū)域，降低攻擊者的追蹤速度； 在成本計(jì)算上，采用擬合的方法，將河流擬合成兩條近似平行的直線，將森林和山近似 看成是方格，通過計(jì)算傳輸路徑經(jīng)過多少個(gè)方格，乘W相對(duì)應(yīng)的難度系數(shù)，追蹤成本通過數(shù) 學(xué)公式展現(xiàn)出來。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于位置追蹤的源節(jié)點(diǎn)隱私保護(hù)方法，其 特征在于:所述步驟四中，基站周圍環(huán)的選擇如下： 通過在基站周圍產(chǎn)生一個(gè)環(huán)，數(shù)據(jù)包每次到達(dá)環(huán)的時(shí)候，都先在環(huán)上進(jìn)行一定跳數(shù)的 環(huán)路由； 環(huán)路由跳數(shù)根據(jù)環(huán)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)確定，并且當(dāng)環(huán)路由結(jié)束后，數(shù)據(jù)包就沿著最短路徑路由 到基站，每次環(huán)路由的方向都是交替的，順時(shí)針和逆時(shí)針每次交替著分配，在一定程度上應(yīng) 對(duì)方向攻擊，同時(shí)為了減少能量消耗，網(wǎng)格內(nèi)的節(jié)點(diǎn)輪流代替成為環(huán)節(jié)點(diǎn)，環(huán)的大小通過計(jì) 算得出一個(gè)最佳的半徑大小，計(jì)算公式如下： Wsink為中屯、建立坐標(biāo)軸，將環(huán)8等分。假設(shè)節(jié)點(diǎn)密度為A，環(huán)的半徑為e，坐標(biāo)軸范圍為 [-S，S ]，系統(tǒng)常數(shù)為a，能量消耗與距離的平方成正比。求導(dǎo)得： 最終得到：
【文檔編號(hào)】H04W84/18GK105916118SQ201610539358
【公開日】2016年8月31日
【申請(qǐng)日】2016年7月8日
【發(fā)明人】韓光潔, 王皓, 江金芳, 周麗娜, 劉立
【申請(qǐng)人】河海大學(xué)常州校區(qū)