基于虚拟环的源位置隐私保护路由协议

Ｒ ｏｕｔｉｎｇ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ ｏｆ ｓｏｕｒｃｅ－·ｌｏｃａｔｉｏｎ ｐｒｉｖａｃｙ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ
１ｂ ａＳｅｃ１ ０ｎ ｖｉ● ｒｔ· ｕａｌ ’ ｒｉ● ｎｇ
ＫＯＮＧ Ｘｉａｎｇ—ｘｕｅ，ＹＵＡＮ Ｓｈａｏ—ｑｉｎｇ， ＣＨＥＮ Ｍｅｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｔｉａｎｊｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ ３０００７２，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｉｎｇ ａｔ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｓｏｕｒｃｅ ｎｏｄｅ ｌｏｃａｔｉｏｎ ｐｒ ｉｖａｃｙ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｉｎ ｗｉｔ ｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋｓ（ＷＳＮｓ），ａ
ｒｏｕｔｉｎｇ ｐｒｏｔｏｃｏｌ ｆｏｒ ｓｏｕｒｃｅ－ｌｏｃａｔｉｏｎ ｐｒｉｖａｃｙ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｒａｎｄｏｍ ｖｉｒｔｕａｌ ｒｉｎｇ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｅ ｐｒｏｔｏｃｏｌ ａｖｏｉｄｓ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｆａｉｌｕｒｅ ｐａｔｈ ａｎｄ ｅｘｔｅｎｄｓ ｒｏｕｔｉｎｇ ｐａｔｈ ｔｏ ｔｈｅ ａｎｎｕｌａｒ ｒｅｇｉｏｎ ｗｈｉｃｈ ｓｏｕｒｃｅ ｎｏｄｅ ｒｅｓｉｄｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｒａｎｄｏｍ ｖｉｒｔｕａｌ ｒｉｎｇ．Ｉｔ ｇｒｅａｔｌｙ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ｔｈｅ ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ ａｎｄ ｒａｎｄｏｍｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｕｔｉｎｇ ｐａｔｈ，ａｎｄ ｍａｋｅ ｉｔ ｈａｒｄ ｆｏｒ ａｎ ａｔｔａｃｋｅｒ ｔｏ ｅｓｔｉｍａｔｅ ｔｈｅ ｌｏｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｏｕｒｃｅ ｎｏｄｅ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｒｏｕｔｉｎｇ ｐａｔｈ．Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｕｎｄｅｒ ｌｉｍｉｔｅｄ ｔｉｍｅ ｄｅｌａｙ，ｔｈｅ ａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｓｏｕｒｃｅ—ｌｏｃａｔｉｏｎ ｐｒｉｖａｃｙ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｉｓ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｏｂｖｉｏｕｓｌｙ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｐｒｏｔｏｃｏ１．
ｓｏｕｒｃｅ－ｂａｓｅｄ ｒｅｓｔｒｉｃｔｅｄ ｆｌｏｏｄｉｎｇ，ＰＵＳＢＲＦ）协 议 和 增 强 性 源 位 置保护协议 （ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ ＰＵＳＢＲＦ，ＥＰＵＳＢＲＦ）协议 避免 了 失效路径的产生” 。文献 ［８］提 出 了迷 惑 区域方案 ，可 以 有效降低数 据包被追踪 的几率 。文 献［９］提 出了路径扩 展 方案（ｐａｔｈ ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ，ＰＥＭ），该方案虽然在源节点 距 离基站较近的情 况下 仍然可 以提 供很 好 的源 位置 隐私 保 护 。但 与其 他假 源方案 的缺点相似 ，产生的多条 虚假 路 径增加 了网络的通信 开销 。
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋｓ（ＷＳＮｓ）；ｒｏｕｔｉｎｇ ｐｒｏｔｏｃｏｌ；ｐｒｉｖａｃｙ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ；ｖｉｒｔｕａｌ ｒｉｎｇ
０ 引 言 无线传感器 网络 （ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋｓ，ＷＳＮｓ）广泛
应用于 目标监测 。在 目标 监测 过程 中 ，一旦源 节点 的位置 隐 私 遭 到 暴 露 ，将 直 接 威 胁 监 测 目标 的 安 全 。 因 此 ，保 护 源 节点的位置隐私显得尤为重要 ，同时 ，兼顾保护策略的安全 性 和性 能 也 是 需 要 考 虑 的 问 题 。
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传 感 器 与 微 系 统 （Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ ａｎｄ Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ）
２０１８年 第 ３７卷 第 １期
ＤＯＩ：１０．１３８７３／Ｊ．１０００－－９７８７（２０１８）０１－００６６－０４
基 于虚 拟 环 的源位 置 隐私 保 护 路 由协 议
孔祥 雪 ，袁 少卿 ，陈 梦
（天津大学 电气与 自动化工程学院，天津 ３０００７２）
摘 要 ：针对无线传感器网络（ＷＳＮｓ）中源节点位置 隐私保护 问题 ，提 出了基于随机虚拟环的源位 置隐私 保 护路由协议 ，可以避免失效 路径 的产生 ，同时 ，形 区域内 ，极大地增加 了路 由路径的随机性 和多样性 ，使得攻击 者难 以根 据路 由路 径推测 出源节 点所在 位 置 。仿真结果表 明 ：在有限时延的情况下 ，协议 明显提高了源位置 隐私保护能力 。 关键词 ：无线传 感器网络 ；路 由协议 ；隐私保护 ；虚拟环 中 图分 类 号 ：ＴＰ３９３ 文 献 标 识 码 ：Ａ 文章 编 号 ：１０００－９７８７（２０１８）０１－００６６－０４
文献 ［２］基 于“熊猫一猎人 ”博弈模 型首 次提 出了无线 传感器 网络 中源位置隐私保护 问题。Ｋａｍａｔ Ｐ等人 基于 单一路径和洪泛路 由提 出了幻 影路 由（ｐｈａｎｔｏｍ ｒｏｕｔｉｎｇ）协 议 ，试 图通过 完全 随机步 的方式产生位置各异的幻象节点。 为了使幻象节点尽可 能远离真实 源节点 ，姚剑波 等人 提 出 了定 向随机转 发路 由［４１。在此基 础上 ，文献 ［５］提 出 了基 于角度 的定 向随机步路 由协议 。文献 ［６］首次考 虑具有更 强视觉攻击 能力 的敌人 ，提 出了可视 区的概念和基 于定位 角的幻 影 路 由协 议 （ｐｈａｎｔｏｍ ｒｏｕｔｉｎｇ ｗｉｔｈ ｌｏｃａｔｉｏｎａｌ ａｎｇｌｅ， ＰＲＬＡ）协议 。陈娟等人提 出了基于源节 点有 限洪泛 的源 位 置隐私保 护 协议 （ｐｒｏｔｏｃｏｌ ｉｎ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋｓ ｕｓｉｎｇ
针对源位置隐私保护策 略中幻影节点分布区域过于集 中、无法高效避免失效路径产生等问题 ，本文综合考虑安 全 性与协议性能提出了基于随机虚拟环 的隐私保护路 由协议 （ｐｒｏｔｏｃｏｌ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｒａｎｄｏｍ ｖｉｒｔｕａｌ ｒｉｎｇ，ＰＲＶＲ），该协 议能 够 在不增加任何网络能耗的前提下避免失效路径的产生 。同 时将路 由路径扩展到源节 点所在 的虚拟环范 围 ，使得攻 击 者难 以实施高效的反 向追 踪 ，从 而显著地 提高 了源 位置隐 私 的安全性 。此外 ，ＰＲＶＲ协议 在 网络能耗 的均 衡性 方面 亦具有 明显优势 。