基于虛擬環(huán)的源位置隱私保護(hù)路由協(xié)議

孔祥雪， 袁少卿， 陳 夢(mèng)

(天津大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，天津 300072)

0 引 言

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor networks,WSNs)廣泛應(yīng)用于目標(biāo)監(jiān)測(cè)。在目標(biāo)監(jiān)測(cè)過(guò)程中，一旦源節(jié)點(diǎn)的位置隱私遭到暴露，將直接威脅監(jiān)測(cè)目標(biāo)的安全。因此，保護(hù)源節(jié)點(diǎn)的位置隱私顯得尤為重要，同時(shí)，兼顧保護(hù)策略的安全性和性能也是需要考慮的問(wèn)題[1]。

文獻(xiàn)[2]基于“熊貓—獵人”博弈模型首次提出了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中源位置隱私保護(hù)問(wèn)題。Kamat P等人[3]基于單一路徑和洪泛路由提出了幻影路由(phantom routing)協(xié)議，試圖通過(guò)完全隨機(jī)步的方式產(chǎn)生位置各異的幻象節(jié)點(diǎn)。為了使幻象節(jié)點(diǎn)盡可能遠(yuǎn)離真實(shí)源節(jié)點(diǎn)，姚劍波等人提出了定向隨機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)路由[4]。在此基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[5]提出了基于角度的定向隨機(jī)步路由協(xié)議。文獻(xiàn)[6]首次考慮具有更強(qiáng)視覺(jué)攻擊能力的敵人，提出了可視區(qū)的概念和基于定位角的幻影路由協(xié)議(phantom routing with locational angle,PRLA)協(xié)議。陳娟等人提出了基于源節(jié)點(diǎn)有限洪泛的源位置隱私保護(hù)協(xié)議(protocol in wireless sensor networks using source-based restricted flooding,PUSBRF)協(xié)議和增強(qiáng)性源位置保護(hù)協(xié)議(enhancement PUSBRF,EPUSBRF)協(xié)議避免了失效路徑的產(chǎn)生[7]。文獻(xiàn)[8]提出了迷惑區(qū)域方案，可以有效降低數(shù)據(jù)包被追蹤的幾率。文獻(xiàn)[9]提出了路徑擴(kuò)展方案(path extension method,PEM)，該方案雖然在源節(jié)點(diǎn)距離基站較近的情況下仍然可以提供很好的源位置隱私保護(hù)。但與其他假源方案[10]的缺點(diǎn)相似，產(chǎn)生的多條虛假路徑增加了網(wǎng)絡(luò)的通信開(kāi)銷。

針對(duì)源位置隱私保護(hù)策略中幻影節(jié)點(diǎn)分布區(qū)域過(guò)于集中、無(wú)法高效避免失效路徑產(chǎn)生等問(wèn)題，本文綜合考慮安全性與協(xié)議性能提出了基于隨機(jī)虛擬環(huán)的隱私保護(hù)路由協(xié)議 (protocol based on random virtual ring,PRVR)，該協(xié)議能夠在不增加任何網(wǎng)絡(luò)能耗的前提下避免失效路徑的產(chǎn)生。同時(shí)將路由路徑擴(kuò)展到源節(jié)點(diǎn)所在的虛擬環(huán)范圍，使得攻擊者難以實(shí)施高效的反向追蹤，從而顯著地提高了源位置隱私的安全性。此外，PRVR協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)能耗的均衡性方面亦具有明顯優(yōu)勢(shì)。

1 系統(tǒng)模型與相關(guān)定義

1.1 網(wǎng)絡(luò)模型

本文對(duì)整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)做如下假設(shè)：

1)傳感器節(jié)點(diǎn)均勻部署于正方形區(qū)域，且節(jié)點(diǎn)間通過(guò)多跳的方式通信。全網(wǎng)僅有一個(gè)位于網(wǎng)絡(luò)中心位置的基站。所有源節(jié)點(diǎn)發(fā)出的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均傳送至基站。

2)當(dāng)監(jiān)測(cè)目標(biāo)出現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)中的某一位置時(shí)，距離其最近的節(jié)點(diǎn)成為源節(jié)點(diǎn)，全網(wǎng)在任意時(shí)刻有且僅有一個(gè)源節(jié)點(diǎn)。當(dāng)監(jiān)測(cè)目標(biāo)移動(dòng)時(shí)，距離其新位置最近的節(jié)點(diǎn)成為新的源節(jié)點(diǎn)。

3)全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)安全通信協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)部署完成后建立。攻擊無(wú)法對(duì)數(shù)據(jù)包的內(nèi)容進(jìn)行破解，僅基站可以獲取這些關(guān)鍵信息。

1.2 攻擊模型

本文假定攻擊者具有如下特征：

1)攻擊硬件設(shè)施優(yōu)良，配備有頻譜分析儀、天線等設(shè)備可以用于監(jiān)聽(tīng)信息并確認(rèn)其發(fā)送位置。

2)攻擊初始狀態(tài)位于基站附近，監(jiān)聽(tīng)基站與其鄰居節(jié)點(diǎn)之間的通信，一旦監(jiān)聽(tīng)到某一節(jié)點(diǎn)向基站發(fā)送數(shù)據(jù)包，則迅速移至此節(jié)點(diǎn)處繼續(xù)監(jiān)聽(tīng)。依此方式反向追蹤，直至找到源節(jié)點(diǎn)位置為止。

3)攻擊只能進(jìn)行一定區(qū)域內(nèi)的被動(dòng)流量監(jiān)測(cè)，并不能篡改數(shù)據(jù)包內(nèi)容，也不能破壞傳感器節(jié)點(diǎn)或改變數(shù)據(jù)路由路徑。

1.3 相關(guān)定義

1)可視區(qū)和失效路徑：以源節(jié)點(diǎn)為中心，距離源節(jié)點(diǎn)r跳范圍內(nèi)的區(qū)域稱為可視區(qū)，其中r稱為可視區(qū)半徑。攻擊一旦追蹤到可視區(qū)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)即視為源節(jié)點(diǎn)暴露[6]，定義最短路階段經(jīng)過(guò)可視區(qū)的路徑為失效路徑。

2)虛擬環(huán)：將距離基站具有相同最小跳數(shù)的所有節(jié)點(diǎn)組成的集合稱為虛擬環(huán)。虛擬環(huán)的環(huán)半徑R定義為環(huán)上節(jié)點(diǎn)距離基站的最小跳數(shù)。

表1 本文使用的主要符號(hào)

2 路由協(xié)議設(shè)計(jì)

PRVR協(xié)議數(shù)據(jù)包的發(fā)送過(guò)程如圖1所示，由源節(jié)點(diǎn)發(fā)出的每個(gè)數(shù)據(jù)包均要經(jīng)歷3個(gè)階段：增強(qiáng)型定向隨機(jī)步，虛擬環(huán)路由階段和最短路路由階段。

為了便于進(jìn)一步闡述該協(xié)議，首先給出2個(gè)定義：

1)將PRVR協(xié)議中數(shù)據(jù)包經(jīng)過(guò)增強(qiáng)型定向隨機(jī)步后到達(dá)的節(jié)點(diǎn)稱為第一階段幻象節(jié)點(diǎn)。

2)將PRVR協(xié)議中數(shù)據(jù)包經(jīng)過(guò)虛擬環(huán)路由后到達(dá)的節(jié)點(diǎn)稱為第二階段幻象節(jié)點(diǎn)，也稱為幻象源節(jié)點(diǎn)。

圖1 路由協(xié)議總體過(guò)程

2.1 增強(qiáng)型定向隨機(jī)步

早期的定向隨機(jī)步[4]如圖2(a)所示。針對(duì)早期定向隨機(jī)步的數(shù)據(jù)收集時(shí)延和網(wǎng)絡(luò)能耗增加、無(wú)法避免失效路徑的產(chǎn)生等問(wèn)題，本文提出了增強(qiáng)型定向隨機(jī)步：1)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)僅沿靠近基站方向進(jìn)行；2)步長(zhǎng)h不再為固定值。如圖2(b)所示。增強(qiáng)型定向隨機(jī)步包括2個(gè)步驟：1)源節(jié)點(diǎn)在發(fā)送每個(gè)數(shù)據(jù)包前產(chǎn)生一個(gè)從r到L-3均勻分布的隨機(jī)數(shù)Rand1，并將此隨機(jī)數(shù)作為增強(qiáng)型定向隨機(jī)步跳數(shù)存入數(shù)據(jù)包內(nèi)。2)源節(jié)點(diǎn)從其父節(jié)點(diǎn)集中隨機(jī)選擇一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為數(shù)據(jù)包下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，且Rand1減1；轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)重復(fù)此過(guò)程，直至Rand1為0，數(shù)據(jù)包到達(dá)第一階段幻象節(jié)點(diǎn)。

增強(qiáng)型定向隨機(jī)步主要有以下優(yōu)勢(shì)：1)相當(dāng)于數(shù)據(jù)包提前進(jìn)行了Rand1跳最短路徑路由，有效地縮短數(shù)據(jù)包的收集時(shí)延。2)采用隨機(jī)步長(zhǎng)Rand1大幅增加了第一階段幻象源節(jié)點(diǎn)的位置多樣性，從而增加了敵人追蹤的難度。3)考慮到攻擊者的可視區(qū)問(wèn)題，規(guī)定Rand1≥r，這時(shí)數(shù)據(jù)包可以保證被路由至可視區(qū)以外且位于靠近基站的位置。因此，最短路徑路由階段不可能穿過(guò)可視區(qū)，亦即PRVR協(xié)議可以完全避免失效路徑的產(chǎn)生。

圖2 增強(qiáng)型定向隨機(jī)步路由過(guò)程

2.2 虛擬環(huán)路由階段

增強(qiáng)型定向隨機(jī)步可以保證第一階段幻象節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)離真實(shí)源節(jié)點(diǎn)且具有一定的位置多樣性。然而，第一階段幻象節(jié)點(diǎn)仍集中在圖2(b)所示的梯形區(qū)域內(nèi)，當(dāng)面對(duì)具有方向攻擊性的攻擊時(shí)，攻擊可以通過(guò)沿固定方向跳躍式追蹤的方法快速找到真實(shí)源節(jié)點(diǎn)所在范圍進(jìn)而捕獲監(jiān)測(cè)目標(biāo)。

為了改善以上不足，PRVR協(xié)議引入了虛擬環(huán)路由，如圖1所示：虛擬環(huán)路由開(kāi)始于第一階段幻象節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)P1在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包前，首先隨機(jī)指定一個(gè)環(huán)方向作為數(shù)據(jù)包的傳輸方向，逆時(shí)針?lè)较蚧蛘唔槙r(shí)針?lè)较?，圖中P1選擇逆時(shí)針?lè)较?。P1隨機(jī)生成一個(gè)均勻分布于(1,NR/2)的隨機(jī)整數(shù)Rand2作為數(shù)據(jù)包在虛擬環(huán)上路由的跳數(shù)。之后，數(shù)據(jù)包沿逆時(shí)針?lè)较蛟赗=5的虛擬環(huán)上進(jìn)行環(huán)路由，數(shù)據(jù)包每到達(dá)一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)更新Rand2=Rand2-1。重復(fù)此轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程直至Rand2=0，數(shù)據(jù)包到達(dá)第二階段幻象節(jié)點(diǎn)P2。

虛擬環(huán)路由階段，環(huán)半徑R虛擬環(huán)跳數(shù)Rand2的選取至關(guān)重要?？紤]到環(huán)半徑R過(guò)小時(shí)，虛擬環(huán)路由不能有效地延長(zhǎng)敵人的追蹤時(shí)間，因此,PRVR協(xié)議限制Rand≤L-3，即數(shù)據(jù)包不會(huì)沿半徑R≤3的虛擬環(huán)進(jìn)行環(huán)路由。此外，考慮到環(huán)半徑較大時(shí)過(guò)長(zhǎng)的虛擬環(huán)路由路徑可能帶來(lái)的高時(shí)延和高能耗，限制Rand2

總結(jié)PRVR協(xié)議的前兩個(gè)階段可以得出，虛擬環(huán)路由可以與增強(qiáng)型定向隨機(jī)步緊密配合，將幻象源節(jié)點(diǎn)可能出現(xiàn)的位置區(qū)域擴(kuò)展為由R=L-r和R=3的虛擬環(huán)所組成的環(huán)形區(qū)域。與以往的幻象路由協(xié)議相比，PRVR極大地增加了幻象源節(jié)點(diǎn)地理位置分布的多樣性。

為了驗(yàn)證上述結(jié)論，對(duì)PRVR協(xié)議前兩個(gè)階段進(jìn)行了仿真。分別從源節(jié)點(diǎn)發(fā)送50個(gè)和200個(gè)數(shù)據(jù)包，然后將每個(gè)數(shù)據(jù)包所對(duì)應(yīng)的幻象源節(jié)點(diǎn)的位置標(biāo)記于圖3中，仿真中設(shè)置L=10，r=1。

圖3 PRVR協(xié)議幻象源節(jié)點(diǎn)地理位置分布

仿真結(jié)果顯示，隨著源節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包數(shù)量的增加，PRVR協(xié)議幻象源節(jié)點(diǎn)的位置多樣性顯著增加。與分析結(jié)果一致。

2.3 最短路路由階段

數(shù)據(jù)包以最短路的方式從P2向基站路由，P2隨機(jī)從其父節(jié)點(diǎn)集中選擇一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為其下一跳節(jié)點(diǎn)，重復(fù)此過(guò)程，直至數(shù)據(jù)包到達(dá)基站。實(shí)現(xiàn)過(guò)程與第一階段中增強(qiáng)型定向隨機(jī)步相同，其優(yōu)勢(shì)在于：既保證了最短路傳輸時(shí)延和能量消耗小的優(yōu)勢(shì)，又在一定程度上增加了傳輸路徑的多樣性。

3 仿真結(jié)果對(duì)比與分析

本文利用MATLAB進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。將14 500個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)均勻部署于6 000 m×6 000 m的矩形區(qū)域，節(jié)點(diǎn)的通信半徑為80 m。基站位于網(wǎng)絡(luò)中心位置。仿真實(shí)驗(yàn)中，作為對(duì)照的其他路由協(xié)議的參數(shù)設(shè)置如下，Phantom single-path協(xié)議中的隨機(jī)步h=15，EPUSBRF協(xié)議中源節(jié)點(diǎn)有限洪泛跳數(shù)hw=10，特別地，當(dāng)L=10時(shí)，hw=5。

3.1 安全周期分析

定義安全周期為源節(jié)點(diǎn)被敵人捕獲前發(fā)送的數(shù)據(jù)包的數(shù)量。首先設(shè)置可視區(qū)半徑r=1。在距離基站為L(zhǎng)的虛擬環(huán)上均勻選取10節(jié)點(diǎn)作為源節(jié)點(diǎn)位置。源節(jié)點(diǎn)每次發(fā)送1 000個(gè)數(shù)據(jù)包，求出安全周期。重復(fù)進(jìn)行此反向追蹤實(shí)驗(yàn)100次，獲得平均安全周期如圖4(a)所示。從圖中可以看出，3種策略的安全周期隨L增加而增加，其中PRVR協(xié)議的增速明顯快于另外2種策略，在每個(gè)L處，其安全周期均高于另外2種策略。PRVR協(xié)議的平均安全周期較Phantom single-path策略增加了近2.3倍，較EPUSBRF策略增加了53.25 %。

圖4 安全周期與源節(jié)點(diǎn)距離Sink節(jié)點(diǎn)的距離

為了檢驗(yàn)PRVR協(xié)議是否可以有效應(yīng)對(duì)具有更大攻擊視野的攻擊者，設(shè)置可視區(qū)半徑r=5。重新對(duì)3種協(xié)議進(jìn)行仿真如圖4(b)所示。從圖中可以看出3種路由協(xié)議的平均安全周期相對(duì)于自身協(xié)議在可視區(qū)半徑r=1時(shí)的表現(xiàn)均有不同程度下降。這是因?yàn)楣粢曇白兇蠛罂梢栽诰嚯x源節(jié)點(diǎn)更遠(yuǎn)的位置發(fā)現(xiàn)源節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而捕獲源節(jié)點(diǎn)。另外，PRVR協(xié)議的安全周期最長(zhǎng)，且隨著L的增大，平均安全周期增速最快。PRVR協(xié)議的平均安全周期較Phantom single-path協(xié)議增加了近3倍，較EPUSBRF協(xié)議增加了41.55 %。由此可見(jiàn)，不論攻擊者是否擁有更大的攻擊視野，PRVR協(xié)議均可以為源節(jié)點(diǎn)提供較長(zhǎng)的安全周期。

3.2 數(shù)據(jù)收集時(shí)延分析

采用數(shù)據(jù)包路由路徑的平均長(zhǎng)度作為衡量數(shù)據(jù)收集時(shí)延的指標(biāo)。仿真實(shí)驗(yàn)中，設(shè)置可視區(qū)半徑r=1，分別從不同位置的源節(jié)點(diǎn)發(fā)送1 000個(gè)數(shù)據(jù)包，然后統(tǒng)計(jì)每個(gè)源節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的平均路徑長(zhǎng)度如圖5(a)所示。從圖中可以看出，當(dāng)源節(jié)點(diǎn)距離基站較近時(shí)，PRVR協(xié)議的傳輸時(shí)延小于其他2個(gè)策略，這主要是由于Rand1和Rand2的可取范圍較小，且本文對(duì)兩者的取值范圍進(jìn)行了很好的限制。但隨著源節(jié)點(diǎn)和基站間距離的增大，PRVR協(xié)議的傳輸時(shí)延呈現(xiàn)出線性增長(zhǎng)的趨勢(shì)。這主要是因?yàn)樘摂M環(huán)的引入改變了原有最短路徑傳輸?shù)那闆r，延長(zhǎng)了路由路徑。

圖5 數(shù)據(jù)收集時(shí)延與源節(jié)點(diǎn)距離Sink節(jié)點(diǎn)的距離

考慮到具有更大攻擊視野的攻擊者，設(shè)置可視區(qū)半徑r=5，對(duì)3種協(xié)議數(shù)據(jù)包的收集時(shí)延重新進(jìn)行仿真如圖5(b)所示。PRVR協(xié)議隨可視區(qū)半徑增加，數(shù)據(jù)收集時(shí)延反而減小。這是因?yàn)橐?guī)定Rand1必須大于等于可視區(qū)半徑r，當(dāng)可視區(qū)半徑r增大時(shí)Rand1也相應(yīng)增大，對(duì)應(yīng)的虛擬環(huán)路由的半徑則會(huì)減小，所以平均路由路徑長(zhǎng)度也會(huì)減少。當(dāng)源節(jié)點(diǎn)與基站之間的距離較近時(shí)，PRVR協(xié)議的數(shù)據(jù)包收集時(shí)延最小。但隨著L的增大，PRVR協(xié)議數(shù)據(jù)包的收集時(shí)延增速最快，與另外兩種協(xié)議之間的差距較r=1時(shí)已有很大改善。PRVR協(xié)議數(shù)據(jù)包的收集時(shí)延較EPUSBRF協(xié)議僅僅高出8.53 %。因此，PRVR協(xié)議在獲得相對(duì)較長(zhǎng)安全周期的前提下，其數(shù)據(jù)包的收集時(shí)延可接受。此外，在具體應(yīng)用時(shí)，可以通過(guò)調(diào)整Rand1的取值范圍，即虛擬環(huán)半徑來(lái)平衡安全時(shí)間和數(shù)據(jù)收集時(shí)延之間的矛盾以滿足實(shí)際需求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了目前在源位置隱私保護(hù)策略中存在的問(wèn)題，提出了一種基于隨機(jī)虛擬環(huán)的源位置隱私保護(hù)路由協(xié)議PRVR。通過(guò)合理地選擇Rand1的取值范圍可以完全避免失效路徑的產(chǎn)生。同時(shí)，Rand1和Rand2的配合使用，改變了以往幻影路由中幻影節(jié)點(diǎn)局限于網(wǎng)絡(luò)中某一區(qū)域的情況，將路由路徑擴(kuò)展到了源節(jié)點(diǎn)所在的環(huán)形區(qū)域，從而極大地增加了路由路徑的多樣性。仿真結(jié)果表明：相較于已有的源位置隱私保護(hù)策略，在有限時(shí)延的情況下，PRVR協(xié)議明顯地提高了源位置隱私的安全性。

[1] 陳 曦，姚劍波．WSNs中的位置隱私評(píng)述[J]．傳感器與微系統(tǒng)，2009，28(8)：1-4．

[2] Ozturk C,Zhang Y,Trappe W.Source-location privacy in energy-constrained sensor network routing[C]∥Proceedings of the 2nd ACM Workshop on Security of Ad Hoc and Sensor Networks,2004:88-93.

[3] Kamat P,Zhang Y,Trappe W,et al.Enhancing source-location privacy in sensor network routing [C]∥25th IEEE International Conference on Distributed Computing Systems,ICDCS’05,2005:599-608.

[4] 姚劍波，文光?。疅o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的位置隱私保護(hù)路由[J]．計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2008(8)：1437-1441．

[5] 黃北北，馮 勇，李修琪，等．無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于角度的定向隨機(jī)步幻影路由協(xié)議[J]．傳感器與微系統(tǒng)，2016，35(11)：123-127．

[6] Wang W P,Chen L,Wang J X.A source-location privacy protocol in WSNs based on locational angle[C]∥2008 IEEE International Conference on Communications,2008:1630-1634.

[7] 陳 娟，方濱興，殷麗華，等．傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于源節(jié)點(diǎn)有限洪泛的源位置隱私保護(hù)協(xié)議[J]．計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)， 2010，33(9)：1736-1747．

[8] Gurjar A,Patil A R B.Cluster-based anonymization for source location privacy in wireless sensor networks[C]∥2013 Internatio-nal Conference on Communication Systems and Network Techno-logies(CSNT),IEEE,2013:248-251.

[9] Tan W,Xu K,Wang D.An anti-tracking source-location privacy protection protocol in WSNs based on path extension[J].IEEE Internet of Things Journal,2014,1(5):461-471.

[10] Mehta K,Liu D,Wright M.Location privacy in sensor networks against a global Eavesdropper[C]∥2007 IEEE International Conference on Networks Protocols,IEEE,2007:314-323.