CN113259932B - 一种WSNs中的源节点位置隐私保护策略 - Google Patents

Abstract

针对目前无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSNs）中基于幻影节点的源节点位置隐私安全方案中存在的幻影节点与源节点之间传输路径不够多样化、幻影节点分布区域靠近源节点、通信开销大等问题，本文提出一种基于扇形域幻影路由的源节点位置隐私保护方案。该方案利用扇形域与中心节点V的坐标位置，增加幻影节点位置选取多样性，实现幻影节点分布区域远离源节点，并且完全避开攻击者的可视区，从而保护源节点的位置安全。理论分析和仿真实验表明，本协议在降低通信开销的同时，保证了源节点位置更高的安全性。

Description

一种WSNs中的源节点位置隐私保护策略

技术领域：

本发明属于无线传感器网络安全技术领域，涉及源节点位置安全的策略。

背景技术：

源节点位置隐私安全问题在无线传感网络中广受人们的关注。在无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSNs)中大量的微型传感器节点被广泛应用于交通管理、灾难预警、医疗卫生、国防军事、环境监测、工业制造等诸多领域，收集有效信息。源节点信息如果无法得到保护，那么目标的安全性也随之受到威胁。甚至会对网络带来毁灭性的打击。

现有的大部分基于幻影节点的源节点位置隐私保护方案中，大部分以牺牲通信开销为代价来换取源节点的位置安全，这种方式会降低网络的效率。由于无线传感网络的节点资源十分受限，因此在兼顾网络节点性能的同时对提高源节点位置安全是首要考虑的。为此，本文在现有的源节点保护策略的基础上，提出了WSNs中基于扇形域幻影路由的源位置隐私保护策略，方案在路由的过程中数据包能够完全避开源节点的可视区，避免了产生失效路径的产生加大了攻击者回溯到源节点的难度。同时利用中心节点V筛选幻影节点，确定幻影节点域，保证幻影节点位置多样性，并以较小的通信开销保证了源节点的位置安全。

发明内容：

本发明的目的是利用扇形域与中心节点V的坐标位置，增加幻影节点位置选取区域范围和多样性，并且完全避开攻击者的可视区，从而保护源节点的位置安全。其具体过程如下：

1)以基站为中心进行网络初始化，实现网络中的每个节点记录自己和邻居节点距离基站的跳数以及邻居节点的坐标信息；

2)源节点R_max跳有限洪泛,利用中心节点V坐标，将P_Area1均匀分成ω份扇形区域并定义这些扇形区域为Domain1，Domain 2，…，Domainω。

3)源节点随机选择一个扇形区域Domainλi，并计算角度β；

4)判断幻影节点横坐标P_X与中心节点V_X的横坐标大小，若P_X<V_X,则先经过h跳(h∈[R_min,R_max])跳后到达幻影节点P，随后继续进行有向路由，直到跳数到达R_max跳停止。反之，则根据幻影节点P的位置找到其所在域Domainλi中A_λi的坐标，并计算A_λi”的坐标，回滚到可变夹角路由阶段；

5)利用角度β计算同跳数路由跳数h_m,转发节点开始按靠近x轴方向规则进行h_m跳到A_λi节点或A_λi”节点；

6)向量内积法来计算夹角

选定夹角

值最小的节点作为下一跳节点。直到转发节点为基站或者A_λi节点或A_λi”节点为止。

为了证明该发明的安全性，WSNs中基于扇形域幻影路由的源位置隐私保护方案和PUSBRF算法、HBDRW算法在通信开销和安全性等不同的衡量指标之间进行了对比。实验结果表明，本方案在降低通信开销的同时，保证了源节点位置更高的安全性。

附图说明

图1详细描述了安全时间和有向路由跳数关系。

图2详细描述了安全时间和源节点距离基站跳数关系。

图3详细描述了通信开销和有向路由跳数关系。

图4详细描述了通信开销和源节点距离基站跳数关系。

具体实施方式：

(1)进行网络初始化，基站全网洪泛：

(1.1)基站以自身为圆心建立水平的直角坐标系；

(1.2)向全网洪泛式广播Sink_Msg{ID，Hop_count,Info}消息，其中ID为发送节点的ID；Hop_count为发送节点距离基站的跳数，初始值定为0，Hop_count的值随着消息的转发次数而增加；Infor表示传感器网络中每一个节点的坐标信息。对于首次接收到Sink_Msg的节点，该节点将Hop_count值更新为Hop_count＝Hop_count+1，对于每一个接收到Sink_Msg信息的节点都要储存ID、Infor、Hop_count到自己的邻居表中；

(2)源节点R_max跳有限洪泛,利用中心节点V坐标，将P_Area1均匀分成ω份扇形区域；

(3)源节点随机选择一个扇形区域Domainλi，并计算角度β；

(4)判断幻影节点横坐标P_X与中心节点V_X的横坐标大小；

(4.1)若P_X<V_X,则先经过h跳(h∈[R_min,R_max])跳后到达幻影节点P，随后继续进行有向路由，直到跳数到达R_max跳停止。

(4.1)反之，则根据幻影节点P的位置找到其所在域Domainλi中A_λi的坐标，并计算A_λi”的坐标，回滚到可变夹角路由阶段；

(5)根据角度β计算同跳数路由跳数h_m,转发节点开始按靠近x轴方向规则进行h_m跳到A_λi节点或A_λi”节点；

(6)利用向量内积法来计算夹角

选定夹角

值最小的节点作为下一跳节点。直到转发节点为基站或者A_λi节点或A_λi”节点为止。

Claims (1)

1.一种WSNs中源节点位置隐私保护策略的方法及具体过程如下：

第一步：无线传感器网络节点于一定范围内被均匀部署，基站位于水平的直角坐标系的圆心向全网洪泛广播信息，接收节点更新并存储邻居节点的相关信息和距离基站的最小跳数；

第二步：源节点于R_max跳范围内发起的有限洪泛从而获得此范围内节点的位置信息、距离源节点的最小跳数；以源节点和基站坐标位置计算中心节点v(v_x,v_y)坐标；

第三步划分扇形域，将位于以源节点为圆心、最大距离R_max为外圆半径、最小距离R_min为内圆半径，形成的封闭半圆环区域称为幻影区域P_Area1，P_Area1均匀分成ω份扇形区域，ω为偶数，则每份扇形区域的角度为

分别定义扇形区域为Domain₁,Domain₂,…,Domainω.幻影区域P_Area1与中心节点(v_x,v_y)相对应的区域为幻影区域P_Area2，同理，将P_Area2均匀分成ω份扇形区域，分别定义这些扇形区域为Domain1”，Domain 2”，…，Domainω”；

第四步源节点于某一幻影区域内随机选择一个扇形区域Domain_λi，λi∈[1,ω]且随机分布，源节点作为顶点分别与幻影节点和A_λi节点的连线组成的夹角或基站作为顶点分别与幻影节点和A_λi”节点间的连线产生的夹角β∈[(λi-1)θ,λiθ]，其中A_λi节点λi∈[1,ω]与源节点的距离为R_max跳；若选定的幻影节点P位于幻影区域P_Area1；

反之，

第五步若幻影节点P(p_x,p_y)位于幻影区域P_Area1，数据包先经过h跳有向路由送至幻影节点P，其中R_min≤h≤R_max；计算角度β，基于角度β将数据包送至R_max跳位置的节点，再经由同跳数路由将数据送至A_λi节点为止；反之，则根据幻影节点P的位置找到其所在域Domain_λi中A_λi”的坐标，并计算A_λi”的坐标，此节点与基站的连线与y轴构成的夹角为λiθ，A_λi节点或A_λi”节点互为中心节点对称，最后通过可变夹角路由将数据包送至A_λi”；

第六步：后续完成同跳数路由，计算同跳数路由跳数h_m，发送节点向靠近x轴方向完成同跳路由从而将数据包传送至A_λi节点或A_λi”节点；

第七步：可变角路由即为节点i需先选取位于靠近中间点和汇聚连线或中间点和源节点连线的邻节点M_i，后利用向量内积法来计算夹角

即选定最小数值夹角

的节点作为下一跳节点，直到转发节点为基站、A_λi、A_λi”节点；其中夹角

是由源节点与基站之间的连线与任意转发节点i与其邻居节点M_i之间的连线构成；

其中V_i,Mi、V_S,Sink分别表示节点i到Mi,源节点S与基站Sink的向量。

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