基于层次和节点功率控制的源位置隐私保护策略研究

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1、基于层次和节点功率控制的源位置隐私保护策略研究　　摘要：为提高无线传感器网络中源节点位置隐私的安全性和节点能量利用率，提出了一种基于层次和节点功率控制的源位置隐私保护协议。该协议主要在径向路由阶段和圆周路由阶段，完成数据包从源节点到基站的数据传送过程。同时，在路由过程中，动态调节节点发射功率，打破以往发送距离为一跳的数据包转发方式。仿真实验表明，与已有的基于幻影源路由协议相比，该协议在提高安全性的同时，可以有效利用网络中的剩余能量，实现网络寿命与能耗的均衡。　　关键词：无线传感器网络；源位置；隐私保护；幻影源　　DOIDOI：10.11907/rjdk.162248　　中图分类号：TP30

2、9　　文献标识码：A文章编号文章编号：16727800（2016）011018604　　0引言　　加快物联网、传感网发展已经上升为国家战略。无线传感器网络（WirelessSensorNetworks，WSN）是当下备受关注的前沿热点研究领域之一[1]，它能够通过无线形式将采集到的感知对象信息以多跳自组网方式发送至用户终端[2]。其涉及技术很广，包括微波、高频、嵌入式设计、自组网技术、无线技术和加密技术等。8　　源节点位置隐私保护是WSN网络安全的重要分支，在学术界也越来越受关注。在目标追踪型和监测类的WSN应用中，所监测对象的物理位置是一项敏感信息，一旦暴露就会对监测对象造成安全威胁[3

3、4]。因此，如何保护源节点的位置隐私值得研究。另外，WSN不同于一般的无线网络，其网络环境开放，无线信号容易被监听，这使得WSN网络更容易遭受安全威胁；同时，传感器节点的能量、计算能力、存储能力均受限，所以，在设计安全策略时要兼顾WSN网络性能。　　1相关研究　　WSN思想起源于上世纪70年代。美国军方最先开始对WSN技术进行研究，我国对WSN的研究正式出现在1999年中科院的“信息与自动化领域研究报告”中。　　对于WSN中源位置隐私安全保护研究，学术界推出了一系列解决方案。2004年，OzturkC等[5]首次提出WSN中源节点位置隐私安全问题。2005年，KamatP等[6]提出“熊猫

4、―猎人”博弈模型，对研究源位置安全保护影响巨大。此后，几乎每年都有针对该问题的研究成果出现。2010年，陈娟等[7]提出基于有限洪泛的保护协议PUSBRF，能够有效分散幻影源节点，使攻击者难以逆向追踪至源节点位置，加大了源位置隐私保护的安全力度。但在利用洪泛方式传输数据时，会给系统带来较重负载，对网络寿命影响较大。　　2基于层次的源位置隐私保护协议　　2.1模型定义8　　本文网络模型、攻击者模型、节点感知模型等同于源位置保护协议中的模型定义[68]。大量的传感器节点随机且均匀地部署在监测区域内以监测目标对象，在任何时间全网只有一个基站，在某个确定时刻也只有一个源节点。每个节点都知道自己的相

5、对位置，并周期性地睡眠和苏醒，以储存能量。基站位置公开，全网节点都有基站的位置信息。在通信半径内的节点可以互相通信，否则以多跳短距离方式进行通信。　　2.2基本协议描述　　基于层次的源位置隐私保护协议（Sourcelocationprivacyprotectionprotocolbasedonhierarchy，HSP）在网络模型定义下，以基站为中心将网络划分成等宽层次，节点与基站的距离在某个相同范围内位于同一层次，同一层次内的节点充分连接。当源节点要向基站发送消息时，先判断源节点所处的网络层次。若源节点位于远层次，则在其同圆周方向路由一定跳数后到达幻影节点。若源节点位于近层次，则依据本文

6、的选取规则先到达径向节点，再由径向节点路由一定跳数到达幻影节点。最终，由幻影节点转发数据包至基站。因此，本文提出的HSP协议分为3个阶段：径向路由阶段、圆周路由阶段和最短路径路由阶段。　　2.3网络初始化　　网络初始化阶段是源节点位置隐私保护协议的基础，初始化方法同文献[8]，主要负责实现协议的基本安全信息，其中包括密钥建立、邻居节点发现以及每个传感器节点到基站的最小跳数信息发现。　　2.4径向路由阶段　　如图1所示，网络按照各节点到基站B的距离进行分层，由内而外分别为第1层、第2层……8第M层。距离基站最近的层次称为近层次，其它称为远层次。这里远与近的确定，依据具体网络应用中对目标的保护

7、强度。若保护强度要求较高，则扩大近层次，选择网络外层为远层次。当把最外层看作远层次时，网络具有最高的保护强度。　　若S位于近层次，则需要有径向路由过程。所谓径向路由，就是沿着网络的向心或者离心方向路由，路由过程中所有中继节点位于同一条直线上，到达的最后一个节点称为径向节点。如图1中的SK之间的路由就是径向路由，节点K为S的一个径向节点。K确定方法：若S位于近层次，则径向节点K在远层次的所有节点中随机产生，即先随机选取一个