CN104811933A - 一种无线传感器网络中增强源节点安全性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线传感器网络中增强源节点安全性的方法，所述方法包括如下步骤：S101：将距离监测目标最近的节点确定为源节点；S102：所述源节点从网络中的节点中选出对应的代理源节点和伪源节点；S103：所述源节点通知所述伪源节点发送假消息；S104：所述源节点将事件消息周期性的发送给基站；所述伪源节点将假消息周期性的发送给基站；S105：若所述被监测的目标离开所述源节点监测范围，执行步骤S106，否则执行步骤S104；S106：所述源节点和所述伪源节点分别停止发送所述事件消息和所述假消息。该方法能够增加攻击者被假消息诱导至伪源节点的概率，使得攻击者远离源节点，增强源节点的安全性。

Description

一种无线传感器网络中增强源节点安全性的方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体的说是涉及一种无线传感器网络中增强源节点安全性的方法。

背景技术

线传感器网络是由大量部署在被监测区域内的传感器节点和一个基站组成，节点间通过无线通信方式形成一个多跳、自组织的网络，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给基站，最终由基站发送给用户。

在传感器网络中，由于节点在计算能力、节点供电能力等方面的影响，传统的安全机制无法适用于其低功耗、低运算的工作方式。而传感器网络节点又大多部署在无人坚守的区域，使得传感器网络容易受到各种攻击。

在基于事件的无线传感器网络中，一旦监测到事件，节点便持续产生事件消息并发送给基站。距离被监测目标最近的节点被称为源节点。例如，监测军队的无线传感器网络中，节点u在时刻t_s监测到军队出现，此时，u周期性的产生事件消息并发送给基站。若军队在时刻t_e离开u的监测区域，此时，u停止向基站发送事件消息。在时间区间(t_s,t_e)内，u被称为源节点。

同时在传感器网络中，对源节点位置的隐藏即意味着对被监测目标如军队的隐藏，从而防止攻击者通过定位源节点而定位被监测目标如军队。因此，源位置隐私的保护具有重要意义。由于共享的无线传输媒介使得敌方很容易定位消息的发送者，敌方虽然不能获取加密后消息的内容，却能够逐跳、逆向追踪到源节点，最终定位目标，实现对目标(如军队或珍贵保护动物)的打击。如图1所示，源节点s产生的事件消息经过节点u₂和u₁转发后到达基站B。攻击者A一般位于基站的位置，当事件消息从u₁发送至基站时，攻击者A可监听并定位消息的发送方即u₁的位置并移动至u₁。当源节点持续产生事件消息并发送给基站B，攻击者即可从u₁追踪至u₂，最终追踪至源节点s。

在实现本发明的过程中，发明人发现已有源节点安全保护技术至少存在以下问题：

现有技术中，通过伪源节点诱导攻击者远离源节点，然而，伪源节点的选择方案并不保证被选伪源节点远离源节点，因此不能保证攻击者被诱导至伪源节点时能够远离源节点。

另，现有技术中，首先，通过转发事件消息的节点发送假消息，诱导攻击者远离真实的源节点。然而，假消息的发送徘徊于源节点至基站的最短路径附近，使得攻击者徘徊在该最短路径附近，容易通过该最短路径追踪至源节点，对源节点的安全性保护较差；其次，真、假消息因未加密或长度不一致而容易被区分，进一步降低假消息诱导攻击者远离源节点的概率。

发明内容

鉴于已有技术存在的缺陷，本发明的目的是要提供一种无线传感器网络中增强源节点安全性的方法,该方法能够增加攻击者被假消息诱导至伪源节点的概率，使得攻击者远离源节点，增强源节点的安全性。

为了实现上述目的，本发明的技术方案：

一种无线传感器网络中增强源节点安全性的方法，其特征在于：

包括如下步骤

步骤S101、若被监测目标出现，则将距离该监测目标最近的节点确定为源节点；

步骤S102、所述源节点从网络各个节点中选出对应的代理源节点和伪源节点；

步骤S103、所述源节点通知所述伪源节点发送假消息；

步骤S104、所述源节点将事件消息周期性的发送给基站，所述伪源节点将假消息周期性的发送给基站；

步骤S105、若所述被监测目标离开所述源节点的监测范围，执行步骤S106，否则返回执行步骤S104；

步骤S106、所述源节点停止发送所述事件消息；所述伪源节点停止发送所述假消息。

进一步的，所述方法在所述被监测的目标出现之前包括：将每个节点预先部署至指定地点，且每个节点均预先载入一个位置表T，在该位置表T中存储整个网络节点和基站的位置信息。

进一步的，所述方法在完成上述部署以及预载入过程后，还包括：

在所述被监测目标出现之前，每个节点均预先载入一个可与该节点对应的各个邻节点共享的密钥，所述密钥称为单跳密钥；

每个节点通过与各自对应的邻节点进行通信，并交换彼此的单跳密钥，从而获得一个密钥表K，该密钥表K中存储所述节点与其对应的每个邻节点对应的单跳密钥。

进一步的，所述方法在完成上述部署以及预载入过程后，还包括：

在所述被监测目标出现之前，每个节点将其邻节点划分为近集合和远集合；所述划分原则为：任意节点u，所述节点u根据节点u与基站的距离以及节点u的邻节点与基站的距离划分近集合和远集合，若节点u的某个邻节点与基站的距离小于节点u与基站的距离，则该邻节点加入节点u的近集合；若节点u的某个邻节点与基站的距离不小于节点u与基站的距离，则该邻节点加入节点u的远集合。

进一步的，所述步骤S102包括：

所述源节点从网络中随机选择k个远离源节点的节点；在所述远离源节点的节点中选择距离源节点最远的节成点为代理源节点，其余k-1个节点成为伪源节点，其中，若随机选择的节点与源节点的距离大于阈值d，则确定该节点为远离源节点的节点。

进一步的，所述步骤S103包括：

所述源节点产生伪源节点通知消息，所述伪源节点通知消息包括伪源节点通知消息特征字段、伪源节点编号字段和消息填充字段；

所述源节点将所述伪源节点通知消息加密后发送至所述伪源节点，所述伪源节接收到所述伪源节点通知消息后开始发送假消息。

进一步的，所述步骤S104中包括：

所述源节点周期性的产生事件消息，对所述事件消息加密后通过代理源节点发送给所述基站；

所述伪源节点周期性产生假消息，对所述假消息加密后通过最短路径路由发送给所述基站。

优选的，在所述源节点将事件消息周期性的发送给基站或者所述伪源节点将假消息周期性的发送给基站的过程中，当前获得事件消息或者假消息的节点总是从所述节点的近集合中随机选择一个邻节点作为下一跳节点。

进一步的，所述步骤S106中包括：

所述源节点停止向所述基站发送所述事件消息；

所述源节点产生一个停止消息，加密所述停止消息并发送给所述伪源节点，所述伪源节点接收所述停止消息后，停止发送所述假消息。

所有传输中的消息包括所述伪源节点通知消息、所述事件消息、所述假消息、所述停止消息，其长度均为L且均被加密后在网络中进行传输。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明的有益效果是：

首先，该方法中的所有消息均被加密且长度一致，攻击者通过被动窃听无法区分假消息和其他消息，增加攻击者被假消息诱导至伪源节点的概率，增强源节点的安全性；其次，该方法选择远离源节点的节点作为伪源节点和代理源节点，诱导攻击者因为追踪假消息或事件消息而追踪至伪源节点或代理源节点，从而致使攻击者远离源节点；最后，当且仅当源节点因监测到目标而存在时产生假消息，在增强源节点安全性的同时降低通信开销，具有轻量级的特征。

本发明可广泛用于野外战场中传感器网络对我方军队的安全监测，防止敌军通过追溯源节点而追踪至我方军队所在的位置；也能够用于对珍稀动物的安全监测领域，防范猎人通过追溯源节点而追踪至珍贵动物继而捕获动物等。

附图说明

图1是本发明中攻击者逆向追踪源节点的示意图；

图2是邻节点加入远集合或近集合示意图；

图3是本发明的流程图；

图4是本发明对应的实施例流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。

实施例1

本发明实施例中，在系统初始化时，每个节点预先部署至指定地点，每个节点均预先载入一个位置表T，T中存储整个网络节点和基站的位置信息。其中，T中包括N条表项，每条表项对应一个节点的位置信息，每条表项包括两个字段：节点编号和节点位置。例如，一条表项为<M，l>，该表项表示编号为M的节点，其位置为l。

本发明实施例中，在系统初始化时，每个节点均预先载入两个预先设定的值k和d。其中，k表示所选择的伪源节点和代理源节点的数量总和。d为阈值，用于选择伪源节点和代理源节点，使得伪源节点与源节点距离、代理源节点与源节点距离均大于阈值d。

本发明实施例中，在系统初始化时，每个节点均预先载入一个与其邻节点共享的密钥，称为单跳密钥。例如，对于节点u,节点u的单跳密钥为ku。

本发明实施例中，在系统初始化时，每个节点均预先载入一个密钥表K，K中存储该节点的每个邻节点对应的单跳密钥。其中，K中包括m条表项(m为该节点的邻节点数量)，每条表项存储一个邻节点的单跳密钥信息，每条表项包括两个字段：节点编号和节点单跳密钥。例如，对于节点u,若节点u具有两个邻节点v和g，则K中包括两条表项：<v,kv>和<g,kg>。如，v和kv分别表示节点v的编号和对应的单跳密钥。

本发明实施例中，在系统初始化时，对于任意节点u,节点u根据节点u与基站的距离以及节点u的邻节点与基站的距离，将节点u的邻节点划分为两个集合：近集合和远集合。若节点u的某个邻节点与基站的距离小于节点u与基站的距离，则该邻节点加入近集合；若节点u的某个邻节点与基站的距离不小于节点u与基站的距离，则该邻节点加入远集合。例如，参见图2，节点u具有四个邻节点：C1、C2、C3和C4，基站为B。由于D(C1,B)>D(u,B),则C1加入节点u的远集合。其中，D(C1,B)表示C1与基站B的距离，D(u,B)表示节点u与基站B的距离。同理，C2加入节点u的远集合，C3和C4加入节点u的近集合。

本发明实施例中，为使得攻击者无法区分如下消息：源节点发送的事件消息、广播消息以及假消息，所有消息均被加密后再经由网络传输至基站。

基于上述设计，参看图3、图4，本实施例提供了一种无线传感器中增强源节点安全性的方法，该方法包括如下步骤：

步骤S101、将距离监测目标最近的节点确定为源节点；

若监测目标出现在传感器网络的监测范围内，则将距离监测目标最近的节点确定为源节点。

步骤S102、源节点从传感器网络中选择代理源节点和伪源节点；

具体的，源节点从传感器网络中随机选择k个远离源节点的节点，k个被选择的节点中距离源节点最远的节成点为代理源节点，其余k-1个节点成为伪源节点；因此，步骤S102还包括如下步骤：

步骤S102a、源节点逐个选择远离源节点的节点，直至选出k个远离源节点的节点；

第i(i＝1,2,…,k)个远离源节点的节点选择方法存在如下两种情况：

第一种、如果i＝1，则源节点执行如下步骤：

步骤a1)、源节点通过随机数产生器，产生一个随机数，该随机数对应所选择节点的编号；

步骤b1)、源节点查找T表，通过该节点的编号字段获得所选择节点的位置信息；

步骤c1)、源节点根据所选择节点的位置信息计算所选择节点与源节点的距离，若所选择节点与源节点的距离不小于d，则所选择节点被选中，加入选中节点集合E；否则，所选择节点未被选中，源节点执行步骤a1)。

第二种、如果i≥1,则源节点执行如下步骤：

步骤a2)、源节点通过随机数产生器，产生一个随机数，该随机数对应所选择节点的编号；

步骤b2)、源节点查找T表，通过所选择节点的编号字段获得所选择节点的位置信息；

步骤c2)、源节点根据所选择节点的位置信息计算所选择节点与源节点的距离，若所选择节点与源节点的距离不小于d且不属于E，则所选择节点被选中，加入选中节点集合E；否则，所选择节点未被选中，源节点执行步骤a2)。

步骤S102b、源节点分别计算k个被选中的节点与源节点的距离，选择距离最大的节点作为代理源节点，其余k-1个节点作为伪源节点。

步骤S103、源节点通知伪源节点发送假消息；

具体的，步骤S103还包括如下步骤：

步骤S103a、源节点产生伪源节点通知消息Mf，伪源节点通知消息Mf包括伪源节点通知消息特征字段、伪源节点编号字段和消息填充字段，消息填充字段对该消息进行填充使得该消息长度为L；

步骤S103b、源节点将伪源节点通知消息Mf加密后发送至伪源节点。

具体的，步骤S103b还包括如下步骤：

步骤S103b-1、源节点将伪源节点通知消息Mf加密后，转发给其某个邻节点；

具体的，步骤S103b-1还包括如下步骤：

步骤S103b-1a、源节点用密钥ks加密Mf，加密后的消息为E(k,Mf)。其中，E(k,Mf)表示用密钥k加密Mf，此处k为源节点与其邻节点的共享单跳密钥ks。

步骤S103b-1b、源节点计算其每个邻节点到伪源节点的距离，找出距离伪源节点最近的邻节点作为下一跳节点；

步骤S103b-1c、源节点将消息ID||E(k,Mf)转发给下一跳节点。ID||E(k,Mf)表示该消息由两个字段组成：ID和E(k,Mf)。其中，ID为发送节点的编号字段，E(k,Mf)为加密消息字段，||是连接符。此处，ID为源节点的编号IDs。

步骤S103b-2、对于任意节点u，若节点u接收到消息ID||E(k,Mf)，节点u执行如下步骤：

步骤S103b-2a、节点u根据消息ID||E(k,Mf)中的ID从密钥表K中找到与编号ID对应的密钥；

步骤S103b-2b、节点u使用找到的密钥解密E(k,Mf)并获得消息Mf；

步骤S103b-2c、节点u根据Mf中的伪源节点编号字段判断自身是否为伪源节点，若节点u不是伪源节点，则执行步骤S103b-2d；否则，节点u为伪源节点，准备发送假消息，执行步骤S104；

步骤S103b-2d、节点u从位置表T中找到与伪源节点编号对应的伪源节点位置，分别计算节点u的每个邻节点与伪源节点的距离，找到与伪源节点距离最小的邻节点作为下一跳节点；

步骤S103b-2e、节点u加密Mf并将消息ID||E(k,Mf)转发给找到的下一跳节点。其中,ID为u的编号IDu，k为ku,ku为u与其邻节点共享的单跳密钥。

步骤S104、所述源节点将事件消息周期性的发送给基站，所述伪源节点将假消息周期性的发送给基站；

所述源节点周期性的产生事件消息，同时加密后的事件消息首先发送给代理源节点，代理源节点再将事件消息发送给基站；伪源节点周期性产生假消息并将假消息加密后，通过最短路径路由发送给基站；

具体的，根据产生事件消息和假消息的节点不同，步骤S104分别在如下两种节点中发起执行：

第一种、源节点周期性的产生事件消息，源节点产生事件消息之后，源节点将加密后的事件消息经由代理源节点发送给基站。具体步骤包括：

步骤a)、源节点将事件消息加密后，转发给其某个邻节点；

具体的，步骤a)还包括如下步骤：

步骤a-1)、源节点每隔时间t产生一个事件消息Mevent，该事件消息包括事件消息特征字段、数据字段、标志字段、代理源节点编号字段、消息填充字段。其中，事件消息特征字段表示该消息的特质；数据字段记录消息的内容；标志字段用于区分如下两个过程：该事件消息正从源节点发送至代理源节点(标志字段为0)；该事件消息正从代理源节点发送至基站(标志字段为1)，标志字段初始化为0；代理源节点编号字段表示代理源节点的ID号；消息填充字段对该消息进行填充使得该消息长度为L；

步骤a-2)、源节点用密钥ks加密消息，加密后的消息为E(k,Mevent)。其中，ks为源节点与其邻节点的共享单跳密钥。E(k,Mevent)表示用密钥k加密Mevent，此处k为ks。

步骤a-3)、源节点计算其邻节点到代理源节点的距离，找出距离代理源节点最近的邻节点；

步骤a-4)、源节点将消息ID||E(k,Mevent)转发给步骤a-3)中所找到的邻节点。此处，ID为源节点的ID。

步骤b)、对于任意节点u，若节点u接收到消息ID||E(k,Mevent)，节点u执行如下步骤：

步骤b-1)、节点u根据消息ID||E(k,Mevent)中的ID从密钥表K中找到与编号ID对应的密钥；

步骤b-2)、节点u使用步骤b-1)中获得的密钥解密E(k,Mevent)并获得消息Mevent；

步骤b-3)、节点u根据Mevent中的代理源节点字段判断节点u是否为代理源节点。若节点u为代理源节点，则节点u更新标志字段为1，执行步骤b-6)；若节点u不是代理源节点且标志字段为0，节点u执行步骤b-4)；若节点u不是代理源节点且标志字段为1，节点u执行步骤b-6)；

步骤b-4)、节点u从位置表T中找到与代理源节点字段对应的代理源节点位置。节点u根据代理源节点位置，计算每个邻节点与代理源节点的距离，找到与代理源节点距离最小的邻节点；

步骤b-5)、节点u将消息ID||E(k,Mevent)转发给步骤b-4)中所找到的邻节点，结束。其中,ID更新为节点u的编号IDu，k更新为ku,ku为节点u与其邻节点共享的单跳密钥；

步骤b-6)、节点u从其近集合中随机选取的一个节点并将ID||E(k,Mevent)发送给该节点。其中,ID更新为节点u的编号IDu，k更新为ku,ku为节点u与其邻节点共享的单跳密钥。

第二种、伪源节点周期性产生假消息。伪源节点周期性产生假消息之后，伪源节点加密该假消息并将加密后的假消息发送给基站；具体步骤如下：

步骤a)、对于伪源节点而言，伪源节点每隔时间t(源节点向基站发送事件消息的时间周期也为t)产生一个假消息Mfake，假消息包括假消息特征字段和消息填充字段，消息填充字段对该消息进行填充使得该消息长度为L。首先，伪源节点采用与步骤S103b-1a相同的方法对假消息Mfake进行加密，得到ID||E(k,Mfake)；其次，伪源节点从其近集合中随机选择某个节点作为下一跳节点；最后，伪源节点采用与步骤S103b-1c相同的方法将加密后的假消息转发给下一跳节点。

步骤b)、对于任意节点u而言，首先，节点u采用与步骤S103b-2a和S103b-2b相同的方法解密E(k,Mfake)；其次，节点u从其近集合中随机选择某个节点作为下一跳节点；最后，节点u采用与步骤S103b-2e相同的方法加密Mfake并将加密后的消息转发给下一跳节点。

步骤S105、若被监测的目标离开源节点监测范围，执行步骤S106，否则返回执行步骤S104；

步骤S106、源节点停止发送事件消息；伪源节点停止发送假消息；

具体的，步骤S106还包括如下步骤：

步骤S106a、源节点停止向基站发送事件消息

步骤S106b、源节点通知伪源节点停止假消息的发送；

首先，源节点产生一个停止消息Mstop。Mstop包括停止消息特征字段和消息填充字段，消息填充字段对该消息进行填充使得该消息长度为L；其次，源节点采用与S103b相同的方法对Mstop进行加密并发送给k-1个伪源节点，各所述伪源节点接收Mstop后，停止发送假消息。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种无线传感器网络中增强源节点安全性的方法，其特征在于：

包括如下步骤

步骤S101、若被监测目标出现，则将距离该监测目标最近的节点确定为源节点；

步骤S102、所述源节点从网络各个节点中选出对应的代理源节点和伪源节点；

步骤S103、所述源节点通知所述伪源节点发送假消息；

步骤S104、所述源节点将事件消息周期性的发送给基站，所述伪源节点将假消息周期性的发送给基站；

步骤S105、若所述被监测目标离开所述源节点的监测范围，执行步骤S106，否则返回执行步骤S104；

步骤S106、所述源节点停止发送所述事件消息；所述伪源节点停止发送所述假消息。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法在所述被监测的目标出现之前包括：将每个节点预先部署至指定地点，且每个节点均预先载入一个位置表T，在该位置表T中存储整个网络节点和基站的位置信息。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法在完成上述部署以及预载入过程后，还包括：

在所述被监测目标出现之前，每个节点均预先载入一个可与该节点对应的各个邻节点共享的密钥，所述密钥称为单跳密钥；

每个节点通过与各自对应的邻节点进行通信，并交换彼此的单跳密钥，从而获得一个密钥表K，该密钥表K中存储所述节点与其对应的每个邻节点对应的单跳密钥。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法在完成上述部署以及预载入过程后，还包括：

在所述被监测目标出现之前，每个节点将其邻节点划分为近集合和远集合；所述划分原则为：任意节点u，所述节点u根据节点u与基站的距离以及节点u的邻节点与基站的距离划分近集合和远集合，若节点u的某个邻节点与基站的距离小于节点u与基站的距离，则该邻节点加入节点u的近集合；若节点u的某个邻节点与基站的距离不小于节点u与基站的距离，则该邻节点加入节点u的远集合。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S102包括：

所述源节点从网络中随机选择k个远离源节点的节点；在所述远离源节点的节点中选择距离源节点最远的节成点为代理源节点，其余k-1个节点成为伪源节点，其中，若随机选择的节点与源节点的距离大于阈值d，则确定该节点为远离源节点的节点。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S103包括：

所述源节点产生伪源节点通知消息，所述伪源节点通知消息包括伪源节点通知消息特征字段、伪源节点编号字段和消息填充字段；

所述源节点将所述伪源节点通知消息加密后发送至所述伪源节点，所述伪源节接收到所述伪源节点通知消息后开始发送假消息。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S104中包括：

所述源节点周期性的产生事件消息，对所述事件消息加密后通过代理源节点发送给所述基站；

所述伪源节点周期性产生假消息，对所述假消息加密后通过最短路径路由发送给所述基站。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述源节点将事件消息周期性的发送给基站或者所述伪源节点将假消息周期性的发送给基站的过程中，当前获得事件消息或者假消息的节点总是从所述节点的近集合中随机选择一个邻节点作为下一跳节点。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S106中包括：

所述源节点停止向所述基站发送所述事件消息；

所述源节点产生一个停止消息，加密所述停止消息并发送给所述伪源节点，所述伪源节点接收所述停止消息后，停止发送所述假消息。

10.根据权利要求1、6、7、9任一项所述的方法，特征在于：

所有传输中的消息包括所述伪源节点通知消息、所述事件消息、所述假消息、所述停止消息，长度均为T；

所有传输中的消息包括所述伪源节点通知消息、所述事件消息、所述假消息、所述停止消息，均被加密后在网络中进行传输。