抵抗欺骗攻击的 DV－Hop定位算法

抵抗欺骗攻击的 DV－Hop定位算法
杨小莹;张万礼
【摘要】In the traditional DV-Hop localization algorithm , when the unknown nodes estimate distance from the anchor nodes , they using only the average distance per hop of its recent anchor , so there is a greater positioning errors.To solve this problem, On the basis of the traditional
DV-Hop algorithm, the average distance per hop of multiple anchor nodes are taken into account in this paper .The average distance per-hop of unknown nodes are weighted according to error of the average distance per hop of each anchor node and hops to bring it closer to the ac -tual value .Estimation distance between the unknown node and the anchor node is more accurate , thus positioning error reduced .Simulation results show that positioning accuracy of the improved algorithm is significantly higher than the traditional DV-Hop localization under the same network environment .%由于无线传感器网络处于开放性的环境中，很容易受到欺骗攻击，即难以利用DV－Hop算法进行有效定位。

针对此问题，本文在分析欺骗攻击模型和DV－Hop算法易受攻击原因的基础上，提出了一种新的抵抗欺骗攻击的DV－Hop定位算法。

该算法能对参与未知节点的信标节点进行分组，并根据各个分组
的加权平均残差平方和，排除可能含有恶意节点的分组，并通过利用没有恶意节点分组中的所有信标节点进行定位，从而有效抵抗了欺骗攻击。

仿真结果表明，当网络中存在欺骗攻击时， DV－Hop算法仍然能够有效地定位。

【期刊名称】《洛阳师范学院学报》
【年(卷),期】2015(000)002
【总页数】3页(P79-81)
【关键词】无线传感器网络;DV-Hop定位算法;欺骗攻击;恶意节点
【作者】杨小莹;张万礼
【作者单位】宿州学院智能信息处理实验室，安徽宿州234000;宿州学院智能信息处理实验室，安徽宿州234000
【正文语种】中文
【中图分类】TP312
无线传感器网络(Wireless Sensor Networks, WSN)已广泛应用于军事和民用领域[1]. 而节点定位算法已成为WSN中非常重要的研究问题[2]. 目前广泛应用的WSN节点定位的DV-Hop算法[3]以及相关的改进算法[4-6]均假定DV-Hop工作在可信的环境中. 但实际应用中，由于WSN具有开放性部署和无人看守等特点[7]，易导致节点有可能被攻击或被捕获成为恶意节点，进而可能导致欺骗其他节点或报告虚假的定位参数的情况发生[8]. 这样会破坏DV-Hop算法的正确定位甚至导致其无法定位，更严重情况下甚至会导致整个网络应用的无效.
在开放的WSN网络中，如何使DV-Hop算法在欺骗攻击下仍然能有效地定位节点，成为一个急待解决的问题. 为了有效解决该问题，借鉴文献[9]的方法，提出了一种能抵抗欺骗攻击的DV-Hop定位算法. 通过仿真实验证明，当出现恶意节点的欺骗攻击后，该算法仍然能够有效地定位节点.
欺骗攻击是无线传感器网络中常见的攻击方式, 是攻击者通过恶意节点(被攻击者捕获的良好节点或攻击者植入的节点)改变节点定位过程中的一些定位参数而进行的
网络攻击. 常见欺骗攻击如下：
(1)如图1所示，恶意信标节点M向网络广播虚假位置信息. 节点M的真实坐标为(x,y)，但其广播的坐标变为(x′,y′). 这样，所有利用信标节点M进行定位的未知节点的定位精度均会受到影响, 即恶意节点通过改变坐标位置参数达到攻击的目的.
(2)如图2所示，恶意节点通过篡改接收数据包的时刻，延长处理时间等方式，从而改变节点之间的测量距离，以达到攻击的目的.
2.1 DV-Hop算法受攻击原因
DV-Hop算法根据节点间的跳数和平均每跳距离来估算待定位节点与信标节点的距离，找到3个或3个以上的距离后，通过三边测量法估算自身的坐标位置.
在平均每跳距离的计算中，采用公式(1)进行.
其中(xi,yi)(xj,yj)为信标节点的i,j的坐标， hop为两节点间的最小跳数.
如果i为恶意节点，则(xi,yi)为错误的位置信息，由此估算出的平均每跳距离就会偏离真实的距离. 恶意节点越多，平均每跳距离的偏离就会被累积，从而致使未知节点在估算与信标节点间的距离时就会出现偏差.
设三个信标节点的坐标分别为(xa,ya)， (xb,yb)， (xc,yc)，与未知节点的估算距离分别为da， db， dc，根据三边测量法，利用式(2)计算未知节点的坐标(x,y). 在式(2)中，如果信标节点a为恶意节点， (xa,ya)为篡改后的坐标位置而非真实的坐标位置，计算出的da也偏离了真实的距离，而未知节点事先并不知道，仍然利用式(2)估算自身的坐标位置，从而进一步增加了估算坐标位置的误差. 因此，在DV-Hop算法定位过程中，首先要排除恶意节点，避免使用篡改过的位置信息进行定位.
2.2 改进算法
为了保证DV-Hop算法在存在欺骗攻击的情况下，仍然能够有效地进行节点的定
位，本文提出了抗欺骗的DV-Hop定位算法.
算法的主要思想是：待定位节点不用全部的信标节点M进行定位，取而代之的是从M这锚节点中选取N个锚节点进行定位，并且选择的这N个锚节点尽最大可能的不包含恶意信标节点. 因此，本算法的关键是在这M个锚节点中，如何排除恶意节点，从而使节点能实行有效地定位.
为了排除恶意节点，将所有的信标节点进行分组，计算每个分组的定位结果，并根据定位结果推断该分组中含有恶意节点的可能性，从而决定采用哪些节点的信标对未知节点进行定位. 假设参与未知节点定位的信标节点数为M,恶意节点占总信标节点的最大比率为ω,则每个分组中信标节点数n应满足条件，这样能保证至少一个分组没有恶意节点.
假设所有参与定位的信标节点共被分为p组，第p组的定位结果为p)，利用公式(3)求出该分组定位结果的加权平均残差平方和ξp.
当求出所有分组的加权平均残差平方和之后，计算出所有加权平均残差平方和的均值avgξ. 若分组的加权平均残差平方和满足条件ξi<avgξ，其中i=1,…,p)，则将该分组所包含的信标节点加进用于定位的信标节点中，从而去除了用于未知节点定位的信标节点中的恶意节点，最终能获得未知节点的坐标位置.
2.3 定位精度分析
本文通过MATLAB仿真工具对DV-Hop算法和改进算法进行仿真，比较两种算法的定位精度. 仿真环境设置如下：区域400m×400m，节点总数为200个，信标节点比率为20%，节点通信半径为20m. 依据平均定位误差衡量算法的定位精度, 定位误差是未知节点真实位置(xt,yt)与估算位置(xe,ye)的距离与通信半径的比值，计算公式如式(4)所示.
仿真结果如图3所示. 从图中可以看出，在相同环境中，恶意节点数相同的情况下，本文提出的算法的平均定位误差明显小于原来的DV-Hop定位算法. 证明了
改进算法在抵抗欺骗攻击的有效性. 但是，随着恶意节点数目的增多，两种算法定位误差均增加，并且恶意节点超过一定数目时，抵抗欺骗攻击的DV-Hop定位算法误差也迅速增加，原因是过多的恶意信标节点无法保证至少一个分组不含有恶意节点.
DV-Hop定位算法是WSN定位中应用最广泛的算法之一，但当网络中出现欺骗攻击时，该算法无法进行有效定位. 本文针对性地提出了一种抵抗欺骗攻击的DV-Hop定位算法，该算法通过排除信标节点中恶意节点的方式达到有效抵抗欺骗攻击的目的. 仿真结果表明, 本文改进算法能够在存在恶意节点的攻击中，仍然能够进行较为有效地定位.
【相关文献】
[1] Chen T M， Sanchez-Aarnoutse J C， Buford J.Petri netmodeling of cyber-physical attacks on smart grid[J].IEEE Transactions on Smart Grid， 2011， 2(4)：741-749.
[2] 王福豹，史龙，任丰原.无限传感器网络中的自身定位系统和算法[J].软件学报， 2003， 16(5): 857-868.
[3] Niculescu D， Nath B.DV based positioning in ad hoc networks[J].Kluwer Journal of Telecommunication Systems， 2003， 22：267-280.
[4] 王颖，石昊旸.改进的无线传感器网络 DV-Hop 定位算法[J].计算机工程,2012,38(7):66-69.
[5] 杨磊，张政保，谢桂海，明亮，王新锋.基于角度阈值的改进型 DV-Hop 定位算法[J].计算机工程,2008,34(20):96-98.
[6] 冯江,朱强,吴春春.改进的 DV-Hop 定位算法研究[J].计算机工程,2012,38(19):74-77.
[7] 杨智锋,裴腾达,裴炳南,陈微微.基于代数重建法的 DV-Hop 定位算法[J].计算机工
程,2010,36(15):117-119.
[8] 毛建兵,田永春,姜永广.无线传感器网络抗欺骗的节点定位算法[J].通信技术,2012,7(45):28-31.
[9] 孙言强.无线传感器网络中干扰攻击关键技术研究[D].长沙：国防科技大学， 2012.。