无线传感器网络的源位置隐私保护策略研究

1、 无 线 传 感 器 网 络 的源位 置 隐 私保 护 策略研 究教 授 原创 性声 明本 人郑 重 声 明 ： 本 论 文 是在 导 师的指导 下， 独立 进行研 究 工 作 所 取 得的成果 ，刹 儒 碛文 全 文 数 据 库 保 密口在 年 解 密后 适 用本 授 权书。日 期 ： 月 日 猧 ， 琩 琫 琫 籹 目目 踩 阅 堋 璴模 型假设 目 点 带 来了信息感 知 的一场 变 革 。网 络 ， 实时 感 应 、 采 集所 监测对 象 的各 种 物 理信息缢 俣 取 露取 6鹊，通 过 无 线 信号相 互 交换信息数 据 并 利 用微 传 感 器 的嵌 入 式系 统 对 数 据 进

2、行处理；各 节点 通 过 相 互 合 作 协 调 共 同 完 成对 数 据 的采 集以及处理过 程 ， 最 后 以多条 路 由的方式将被 监测对 象 的相 关 信息传 送到基站菁 写 碇行或 用户 终 端 。由 于无 线 传 感 器 网 络 具 有 自组 织 性、 合 作 性、 低成本 性等 特 点 ， 使得其相 比传 统 综 上， 研 究 无 线 传 感 器 网 络 的源位 置 隐 私保 护 策略具 有 重 要 的理论 价 值和 现实传 感 器 节点监测区 域和 能 量供应 等 分 别 负责 不 同 任 务 的功 能 模 块构 成。 其中， 传 感 器 模 块的功 能 是采集监控区 域 内

3、的相 关 信息数 据 并 完 成数 据 的转 换操 作 ， 可 以采 集的数 据 包 括速 度、加 速 度、 温 度、 湿 度、 光 强度等 ； 处理器 模 块的功 能 是控制 所 在 节点 的处理操 作 、路 由 协 议、 定位 能 量管理、 任 务 管理、 同 步 以及数 据 融 合等 ； 无 线 通 信模 块的功能 是与 其他节点 通 过 无 线 通 信交换监测控制 信息和 收 发 相 关 数 据 ； 能 量供应 模 块 无 线 传 感 器 网 络 的源位 置 隐 私保 护 策略研 究传 感 器 模 块处理器 模 块 一 无 线 传 感 器 网 络 还在 矿 井 、 核 电厂 等 危 险

4、 的工 业 环 境 的安 全 监测、 产品 质 量监测、 库 存管理、 智 能 办 公 场 所 、 互 动 玩 具 、 互 动 博 物 馆 、 失窃 车 辆 跟 踪、 交通运输 、 机 器 人自动 化生 产环 境 的控制 和 指导 等 诸 多工 业 自动 化领 域 大 展 身 手 。 国际 上许 多技 术 领 先 的公 司 都已经在 自己的领 域 实现了无 线 传 感 器 网 络 的各 种 随着 际 醯 牟欢戏 梗 琖 被 应 用到越 来越 广 泛 的领 域 当中， 尤其涉及到人们 的日 常 生 活， 那么 对 降 挠 行 ； 愠晌 R桓鲋匾 N侍狻 中的隐 私包 括被 监控对 象 的隐 私和

5、 传 感 器 节点 的隐 私。 而 二 者的隐 私通 常 是绑定在 一起 的， 即一旦一方隐 私被 攻 击 破 坏 之后 ， 另一方也 会 很坏 受到破 坏 。无 线 传 感 器 网 络 的隐 私保 护 具 体 分 类见图 。图 无 线 传 感 器 网 络 的隐 私保 护 分 类 无 线 传 感 器 网 络 的源位 置 隐 私保 护 策略研 究增 强性源位 置 隐 私保 护 策略论 文 各 章 节的主 要 内 容如下： 网 络 中节点 发 送消息的情 况 。 后 者， 攻 击 者仅能 监听 其附 近 节点 发 送的消息。 图 攻 击 者反向逐 跳 追 踪过 程 无 线 传 感 器 网 络 的源

6、位 置 隐 私保 护 策略研 究图 谨慎的攻 击 者的追 踪过 样 无 线 传 感 器 网 络 的源位 置 隐 私保 护 策略研 究不 能 产生 地 理位 置 多样 性的幻 像路 由 ， 因此 不 能 有 效 误导 攻 击 者溯源的方向。等 人 发 现源节点 附 近 的节点 会 以较 高概 率转 发 来自源节点 的消息。 因此 ， 攻 击 者容易从 源节点 附 近 的节点 处追 踪至 源节点 。 基于此 ， 他定义 源节点 的附 近 区 域 为暴露区 并 认 为攻 击 者一旦追 踪到暴露区 内 的节点 即视为源节点 暴露。 配 置 环境 对 于无 线 传 感 器 网 络 生 存时间 的实际 限

7、 制 。为了抵 御全 局流 量分 析的攻 击 者利 用通 信流 量的改 变 找 到源节点 位 置 ， 周期采集策略所 采用的解 决办 法 就 是让 整 个 网 络 的通 信模 式不 会 因真实数 据 包 的出 现而 发 生 改 变 。 为了达 到这 个 目的， 我们 让 网 络 中的每个 节点 都以一个 适 当的频 率周期 性独立 向邻 居 节点 发 送数 据 包 ， 无 论 是否 真的存在 一个 真实数 据 需要 传 输 。为此 ， 每个 传 感 器 节点 需要 具 备 一个 计时器 ， 利 用计数 器 每形触 发 一个 事件实数 据 包 。 当节点 的计数 器 触 发 一个 事 件 即节点

8、 此 时 需要 发 送一个 数 据 包 时 ， 该节点 检查一下在 其缓冲 序 列中是否 有 真实数 据 包 等 待发 送。 如果 有 ， 最 先 接 收 到的数 据 包 出 列， 将其加 密褂枚耘济 茉恐 挥 胂 乱惶 诘 愎 蚕并 向前 发 送给 下一跳 节点 。 如果 没有 真实数 据 包 需要 发 送则发 送一次 携 带 下 跳 节点 无 法 正确识别 的载 荷的假包 。 由 于传 感 器 节点 只 接 收 能 正确识 别 的数 据 包 ， 所 以假包 不 会 进入 到下一跳 节点 的缓冲 接 收 序 列。 需要 说明 的是， 当一个 节点 的缓存序 列已经满了， 它将停 止 接 收

9、新 的数 据 包 。 随机 路 由 策略既 改 变 了转 发 节点 的选 择 也 改 变 了到达 基站可 能 路 径 的条 数 ， 从 而 改善 了传 统 路 由 策略的性能 。 其主 要 思想 是【 。 】 ： 每一跳 ， 都有 一组 可 以成功 接 收 数 据 包的下一跳 转 发 候选 节点 竞 争 成为下一跳 。 这 样 路 径 就 不 是单 一的提 前 预定好 固 定不 变的， 而 是在 数 据 包 在 网 络 中移动 的过 程 中才 动 态 确定的。 数 据 包 的传 输 路 径 的选 择 具 有了随机 性。 如此 ， 攻 击 者监测到无 线 信号的时 间 跨 度就 加 大 了， 需

10、要 等 待很长 的时 间 才能 采 集到无 线 信号、 定位 下一跳 节点 位 置 。 攻 击 者追 踪的难度加 大 了， 也 就 提 高了无 线传 感 器 网 路 的安 全 性。择 可 以提 高网 络 数 据 包 送达 率。 无 线 传 感 器 网 络 的源位 蓝 隐 私保 护 策略研 究则给 每个 节点 初始 化一个 超 时时间 为的计时 器 。 根 据 文 献 【 】 ： 琲 瓺 。 无 线 传 感 器 网 络 的源位 置 隐 私保 护 策略研 究定位 到基站的位 置 并 等 待在 基沾的附 近 ， 监听 基站的通 信情 况 ， 当监听 到基站的某个 邻居 节点 向其发 送了一个 数 据

11、 包 ， 便 可 以利 用无 线 射 频定位 技 术 监测出 数 据 包 发 送节点 的 在 简 单 随机 路 由 策略中， 攻 击 者追 踪算法 如图 所 示。 无 线 传 感 器 网 络 的源位 置 隐 私保 护 策略研 究 ；， ； ；图 算法 源宓 闼 惴 在 无 重 复 路 由 策略中源节点 的算法 不 发 生 改 变 ， 而 候选 转 发 节点 的算法 发 生 了改 好 了准 备 。甋 ； 辖 发 数 据 包 ， 将标 记 变 量改 无 线 传 感 器 网 络 的源位 置 隐 私保 护 策略研 究 。 ， ， 时间 朋 对 于位 于源节点 传 输 范 围边 界上的节点 响应 氖 亲

12、 愎 坏 摹 行时 源节点 利 用函数 随机 选 择 下一跳 转 发 节点 。 具 体 算法 如图 ；： ；分 析所 提 出 策略的路 由 算法 的有 效 性是位 置 隐 私保 护 研 究 中至 关 重 要 的一步 ， 传 统网 络 的算法 有 效 性分 析一般 采 用量化分 析、 物 理实验或 者仿 真实验三 种 方式。 由 于无 线传 感 器 网 络 需要 符 合低能 耗 、 高容错能 力和 分 布 式协 作 的要 求， 其路 由 和 安 全 算法 通 常比较 复 杂 ， 所 以如果 单 纯 地 采 用量化分 析的方法 ， 分 析结 果 可 能 不 够 精 确。 并 且无 线 传感 器 网

13、 络 需要 大 规 模 地 部署 传 感 器 节点 和 其它无 线 设 备 ， 网 络 代 价 昂 贵， 无 线 传 感 器 网络 也 无 法 采 用物 理实验的方法 。 因此 ， 对 于无 线 传 感 器 网 络 的路 由 算法 有 效 性的验证 通常 采 用计算机 仿 真方法 俊 疚难 【 作 为仿 真工 具 。 第 禄 鵢丁 随机 路 由 的源位 置 隐 私保 护 策略维 矩 形区 域 中， 节点 的通 信半径 ， 为 缰 写 蠖嗍 诘 愕 钠 骄 诰 咏 诘 闶 ，本 文 假设 在 网 络 完 成传 送份 数 据 包 之后 ， 被 监测对 象 将离 丌特 定的位 置 ， 因此 ， 各

14、方案 安 全 时间 仿 真结 果 重 复 随 机 路机 延 迟 路源节点 到基站的距 离 具 有 差 不 多的能 耗 。 这 两种 方案 仅在 转 发 节点 的选 择 过 程 上存在 不 同 。 无 重 复 策略避 免了连 续 的数 据 包 传 输 使用相 同 的节点 ， 从 而 导 致了朝 向基站的不 同 的路 径 。 然 而 ， 两种策略的能 耗 却 是几 乎 相 同 的。 这 是因为无 重 复 随机 路 由 只 是选 择 了距 离 基站的次 优 节点 。 经过 次 优 节点 的朝 向基站的路 径 同 经过 距 离 基站最 近 的节点 的路 径 相 比将产生 相 同数 量的节点 或 者多出

15、 一部分 额 外 的节点 。 这 种 情 况 会 在 每次 传 输 过 程 中发 生 ， 使用了一 无 线 传 感 器 网 络 的源位 置 隐 私保 护 策略研 究 无 线 传 感 器 网 络 的源位 置 隐 私保 护 策略研 究无 重 复 随机 路 由删岬弧铲 随机 转 发 路 由： 驿 士 随机延 迟路 由源节点 到基站的距 离 数 据 包 发 送频 率十 随机延 迟路 由源节点 到基站的距 离 源节点 到基站的距 离 随着 源节点 到基站的距 离 的加 大 ， 简 单 随机 路 由 策略和 无 重 复 随机 路 由 策略的数 据包 到达 概 率降 幅 表 现比其它两个 方案 要 更 严

16、重 。 这 两种 方案 更 容易在 数 据 包 的传 输 过 程中使用相 同 的节点 以至 于产生 更 多的节点 冲 突 。 随着 参 与 每次 传 输 过 程 的节点 数 量增加 ， 就 会 发 生 更 多的数 据 包 丢 失和 通 信冲 突 。 由 于对 于下一跳 转 发 节点 的选 择 采 用随机标 准 ， 所 以随机 延 迟路 由 的数 据 包 到达 概 率降 幅 稍微 轻微 一些。 而 与 之相 反， 更 大 可 能利 用不 同 节点 传 输 数 据 包 的随机 转 发 路 由 比其它各 方案 在 数 据 包 到达 概 率降 幅 上表 现更 小 的趋 势 。 第 禄 畆 随机 路 由

17、 的源位 置 隐 私保 护 策略 转 发 数 提 包 ， 将标 记 变 量改 蕖蕖藜印蕖奕纭藜觤 图 消息延 迟仿 真结 果 进一步 提 升策略的安 全 性能 ， 获 得更 大 的安 全 时间 。机 转 发 策略能 够 获 得最 多邻 居 节点 响应 的前 提 下， 又 在 候选 转 发 节点 的响应 时 间 上加 入 。 。源节点 到基站的距 离 根 据 之前 的仿 真实验结 果 ， 我们 可 以推 测： 基于延 迟转 发 的随机 路 由 策略消耗 的能 无 线 传 感 器 网 络 的源位 置 隐 私保 护 策略研 究 周期 采 集策略是利 用全 网 节点 周期 性地 发 送数 据 包 媸

18、凳 莅蛘 呒 偈莅均衡 全 网 的通 信流 量， 从 而 使得攻 击 者无 法 通 过 流 量模 式的改 变 定位 源节点 的位 置 。 周期采 集策略虽 然 能 够 获 得最 佳 的源节点 位 置 隐 私安 全 性， 但是在 消息延 迟要 求较 高的应 用中通 信开 销 过 大 ， 若 减 少 通 信开 销 则网 络 的消息延 迟过 大 ， 不 适 用于实时 应 用。 本 文 基于周期 采 集策略提 出 了一种 全 局流 量源位 置 隐 私保 护 策略 伪 源策略。被 监测对 象 的数 量不 唯 一并 且数 量随机 ， 物 理位 置 固 定。 在 伪 源策略中， 在 监测区 域 内 设 置 一组 伪 源节点 ， 每个 伪 源节点 会 产生 与 真实源节点 相 似 的