專利名稱：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，具體地本發(fā)明涉及一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 安全定位的方法，將網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的惡意節(jié)點逐步剔除，并利用錨節(jié)點對傳感器節(jié)點精確定位。
背景技術(shù)：
近年來，隨著微機(jī)電系統(tǒng)、無線通信和數(shù)字電子技術(shù)的發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò) (wireless sensor networks,WSN)在軍事及民用等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，傳感器節(jié)點精 確的位置信息對WSN的應(yīng)用具有至關(guān)重要的意義。目前，學(xué)者們提出了很多關(guān)于WSN的定 位算法，主要分為兩大類基于錨節(jié)點和非基于錨節(jié)點的WSN節(jié)點定位算法，但是在大多數(shù) 的應(yīng)用中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)被布置在無人看護(hù)甚至條件惡劣的環(huán)境中，節(jié)點的定位過程極 易受到各種攻擊，這些定位算法并不能抵御網(wǎng)絡(luò)中的惡意攻擊。因此，如何在存在惡意攻擊 的情況下，安全、有效地獲取節(jié)點位置信息，保證較高的定位精度是一個極具挑戰(zhàn)性的安全 問題。目前針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全定位的相關(guān)研究文獻(xiàn)如下l、Brands禾口Chaum在 1994年的《In Proceedings of the EUROCRYPT‘93fforkshop on the Theory and Application of Cryptographic Techniques on Advancesin Cryptology))上最早提出“時間綁定呼叫_響應(yīng)協(xié)議(time-boundedchallenge-response protocol)”，通過測量和計算驗證者(verifier)與被驗證者(claimant)之間距離的上界 來防止以縮小測量/估算距離為目的的測距欺騙攻擊，如蟲洞攻擊等。由于協(xié)議在驗證者 和被驗證者之間報文的雙向傳輸中同時采用了無線射頻信號(約3X108m/s)，因此需要驗 證者具有納秒級的時間測量能力、被驗證者具有納秒級的實時處理能力，這對硬件設(shè)備的 要求太高。并且此種協(xié)議只能得出節(jié)點間距離的上界，因而無法防止攻擊者發(fā)起的以擴(kuò)大 測量距離為目的的攻擊。另外，僅能驗證節(jié)點是否位于指定區(qū)域內(nèi)，不能驗證節(jié)點是否在一 個特定的位置。2、Lazos 等人在 2004 年的〈〈In Proceedings of the 3rd ACM Workshop onffireless Security))上發(fā)表的文章"Secure range-independent localization forwireless sensor networks”，文中提出SeRLoc協(xié)議，為每個信標(biāo)節(jié)點配置多個定向天 線，傳感器節(jié)點根據(jù)接收到的來自多個信標(biāo)節(jié)點的信標(biāo)報文確定所在的最小交叉區(qū)域，最 后通過質(zhì)心算法確定自己的坐標(biāo)。SeRLoc可以檢測出蟲洞攻擊和女巫攻擊，但難以防止位 置欺騙攻擊。而且，為了獲得最小交叉區(qū)域、提高定位精度，需要部署更多的信標(biāo)節(jié)點或者 為每個信標(biāo)節(jié)點安裝更多的定向天線，大大增加了硬件成本。為了改善SeRLoc協(xié)議的不 足，Lazos等人繼續(xù)提出HiRLoc協(xié)議，信標(biāo)節(jié)點通過不斷變換天線方向和傳輸范圍，實現(xiàn) 在不增加信標(biāo)節(jié)點或定位天線的情況下減小最小交叉區(qū)域、提高定位精度。然而，相比于 SeRLoc協(xié)議，HiRLoc增加了計算復(fù)雜度和通信開銷。3、Du 等人在 2005 年的《In Proceedings of the 19th IEEE International Parallel&Distributed Processing Symposium(IPDPS 2005)》上發(fā)表的文章“LAD Localization anomaly detection for wireless sensor networks，，中提出了一禾中LAD方 案來檢測定位過程中異常的信標(biāo)節(jié)點，該方法基于可以事先獲知的節(jié)點分布信息以及鄰居 節(jié)點間的組關(guān)系，檢測節(jié)點的估計位置是否與它的觀測位置一致，如果不一致的幾率超過 閾值，則LAD報告信標(biāo)節(jié)點異常。然而，LAD方案依賴于節(jié)點的分布信息，如果無法獲得精 確的分布信息，那么LAD的檢測結(jié)果將受到極大的影響。同時，該方案僅停留在對異常的檢 測階段，而沒有給出對異常信標(biāo)節(jié)點的處理方案。4、Li 等人在 2005 年的〈〈In Proceedings of the 4th International Symposium onlnformation Processing in Sensor Networks (IPSN)》上發(fā)表的文 章"Robuststatistical methods for securing wireless localization in sensor networks”提出基于LMS(least median ofsquares)的定位算法，其目的在于提高算法的 魯棒性，減少錯誤的位置參照信息對節(jié)點定位結(jié)果精度的影響。類似的具有一定容攻擊 會邑力的定位算法有 ARMMSE (attack-resistant minimum mean square estimate)算法禾口 EARMMSE(enhanced attack-resistant minimum mean square estimate)算法等。此類具 有一定容攻擊能力的節(jié)點定位算法旨在剔除錯誤的參考位置信息對定位的影響，可以在一 定程度上提高定位算法的安全性和可靠性，然而，并沒有對惡意攻擊采取有效的防范措施， 因此當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中存在大量惡意節(jié)點或者大量錯誤的參考位置信息，此類算法并不能有效保證 定位精度。5、Capkun 等人在 2008 年的《IEEE Transactions on Mobile Computing》上發(fā)表 的文章"Secure location verification with hidden and mobile base stations，，提出 基于 CBS(covert base station)和 MBS(mobile base station)的安全定位。CBS 監(jiān)聽傳 感器節(jié)點同時發(fā)送的射頻和聲波信號，根據(jù)不同信號到達(dá)的時間差估算CBS與傳感器節(jié)點 之間的估計距離，并將估算結(jié)果與由坐標(biāo)計算出的距離相比較，剔除誤差超過一定閾值的 估算結(jié)果。而MBS要求傳感器節(jié)點在發(fā)送射頻信號之后，待MBS移動至新的位置再發(fā)送聲 波信號，然后進(jìn)行與CBS類似的計算和比較。然而，該方案依賴于CBS和MBS位置保密的較 強(qiáng)假設(shè)，相關(guān)研究并不成熟。因此，目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全定位中普遍存在的問題是1.大多數(shù)安全定位算法的設(shè)計只是針對某種特定的惡意攻擊，例如蟲洞攻擊和女 巫攻擊，并不能有效的抵御更加復(fù)雜的惡意攻擊行為，例如共謀攻擊。2.需要較高的時鐘精度或者硬件支持(定向天線)，極大的增加了硬件成本和實 現(xiàn)的復(fù)雜度。依賴于特殊的位置參考信息(鄰居節(jié)點之間的相對位置)或者特定的某些節(jié) 點(假設(shè)絕對可信的節(jié)點)，極大程度上限制了安全定位算法的適用性和應(yīng)用范圍。3.傳感器節(jié)點的定位精度不高，受惡意行為的影響較大，大多數(shù)安全定位算法可 以有效抵御外部攻擊，而無法有效抵御內(nèi)部攻擊。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決目前安全定位算法在抵御共謀攻擊方面的不足，提出了 一種定位精度高、依賴因素少，而且不易受惡意節(jié)點的影響的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全定位方 法。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了分布式的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全定位方法，該方法包括三個階段可疑節(jié)點識別階段，惡意節(jié)點隔離階段和節(jié)點位置安全計算階段。為了減少惡意節(jié)點對定位過程的干擾，分布式安全定位方法采用在實際的位置計 算之前檢測并剔除惡意節(jié)點的方法，即可疑節(jié)點識別階段和惡意節(jié)點隔離階段?？梢晒?jié)點識別階段，假設(shè)所有未知自身位置信息的傳感器節(jié)點不參與檢測工作， 所有已知自身位置的錨節(jié)點在一跳范圍內(nèi)(即一個傳感器節(jié)點的通信半徑內(nèi)的范圍)向鄰 居廣播數(shù)據(jù)包，即錨節(jié)點不轉(zhuǎn)發(fā)來自鄰居的數(shù)據(jù)包。錨節(jié)點廣播的信息包中至少包含三種信息錨節(jié)點的坐標(biāo)信息，錨節(jié)點的ID信息 以及信息包的發(fā)送時間。利用這三種信息的異常與否檢測并記錄可疑節(jié)點?？梢晒?jié)點識別階段的具體步驟為步驟1.錨節(jié)點按照分配的每輪時間定期廣播信息包；步驟2.收到信息包的錨節(jié)點，根據(jù)錨節(jié)點的坐標(biāo)信息判斷信息包是否來自一跳 范圍以外，根據(jù)信息包的發(fā)送時間判斷信息包的傳輸時間是否超過最大的通信時間，若是 則記錄相對應(yīng)錨節(jié)點的ID號碼轉(zhuǎn)入步驟3，否則直接轉(zhuǎn)入步驟3 ； 步驟3.根據(jù)ID信息，判斷是否收到錨節(jié)點自身發(fā)出的信息包，判斷來自同一個錨 節(jié)點的信息包的個數(shù)是否超過一個，若是則記錄相對應(yīng)錨節(jié)點的ID號碼轉(zhuǎn)入步驟4，否則 直接轉(zhuǎn)入步驟4 ；步驟4.判斷是否超過規(guī)定的每輪時間，若是則清空記錄的ID信息并開始下一輪 信息的廣播。每輪時間Tp計算方法為，Tp = Tfflax+ Δ Τ。其中，Tfflax為一跳范圍內(nèi)錨節(jié)點之間的最大通信時間，包括數(shù)據(jù)處理時間和數(shù)據(jù)傳 輸時間。ΔΤ為錨節(jié)點廣播一次信息包之后的延遲時間，其計算方法為假設(shè)錨節(jié)點
權(quán)利要求
1.一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全定位方法，其特征在于包括三個階段(1)可疑節(jié)點識別階段由錨節(jié)點根據(jù)接收到的信息包檢測網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的可疑節(jié)點；(2)惡意節(jié)點隔離階段錨節(jié)點向基站報告可疑節(jié)點，由基站對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行 安全等級區(qū)域劃分，并隔離惡意節(jié)點；(3)節(jié)點位置安全計算階段在不同的網(wǎng)絡(luò)安全等級區(qū)域中，利用基于時間差的定位 方法進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有傳感器節(jié)點的位置計算。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全定位方法，其特征在于，所述的惡意節(jié) 點具有以下行為特征(1)惡意節(jié)點可以妥協(xié)合法節(jié)點，使合法節(jié)點具有與入侵惡意節(jié)點相同的惡意行為，彼 此協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)信息包并隨機(jī)任意修改其中的內(nèi)容，或者進(jìn)一步妥協(xié)其他的合法節(jié)點；(2)惡意節(jié)點可以偽裝成合法錨節(jié)點發(fā)送定位信息，或者偽裝成合法傳感器節(jié)點發(fā)送 定位請求信息，從而干擾正常的定位過程；(3)在網(wǎng)絡(luò)生命周期內(nèi)，惡意節(jié)點可隨時隨地發(fā)起上述惡意攻擊。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全定位方法，其特征在于，所述可疑節(jié)點 識別階段的檢測可疑節(jié)點的方法為所有錨節(jié)點相互協(xié)作，在一跳范圍內(nèi)彼此廣播信息包，各個錨節(jié)點根據(jù)收到的信息包 的特征以及數(shù)量檢測出可疑節(jié)點。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全定位方法，其特征在于，錨節(jié)點廣播的 信息包中至少包含三種信息錨節(jié)點的坐標(biāo)信息、錨節(jié)點的ID信息以及信息包的發(fā)送時 間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全定位方法，其特征在于，可疑節(jié)點識 別階段的具體步驟為步驟1.錨節(jié)點按照分配的每輪時間定期廣播信息包；步驟2.收到信息包的錨節(jié)點，根據(jù)錨節(jié)點的坐標(biāo)信息判斷信息包是否來自一跳范圍 以外，根據(jù)信息包的發(fā)送時間判斷信息包的傳輸時間是否超過最大的通信時間，若是則記 錄相對應(yīng)錨節(jié)點的ID號碼轉(zhuǎn)入步驟3，否則直接轉(zhuǎn)入步驟3 ；步驟3.根據(jù)錨節(jié)點的ID信息，判斷是否收到錨節(jié)點自身發(fā)出的信息包，判斷來自同一 個錨節(jié)點的信息包的個數(shù)是否超過一個，若是則記錄相對應(yīng)錨節(jié)點的ID號碼轉(zhuǎn)入步驟4， 否則直接轉(zhuǎn)入步驟4 ；步驟4.判斷是否超過規(guī)定的每輪時間，若是則清空記錄的ID信息并開始下一輪信息 的廣播。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全定位方法，其特征在于，所述每輪時間 的?。挥嬎惴椒?，！；二！^+八丁；其中，Tfflax為一跳范圍內(nèi)錨節(jié)點之間的最大通信時間，包括數(shù)據(jù)處理時間和數(shù)據(jù)傳輸時 間；ΔΤ為錨節(jié)點廣播一次信息包之后的延遲時間。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全定位方法，其特征在于，所述錨節(jié)點廣 播一次信息包之后的延遲時間ΔT的計算方法為假設(shè)錨節(jié)點(Xj，Yj)周圍的惡意節(jié)點(Xi，Yi)，在距離/ =批-Xj)2 + Cy, - y}f)的范圍內(nèi)符合高斯分布尸=其中μ和σ分別是均值和方差值； 每個錨節(jié)點通信范圍內(nèi)惡意節(jié)點個數(shù)
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全定位方法，其特征在于，所述惡意節(jié)點 隔離階段的步驟為基站根據(jù)每個錨節(jié)點記錄的ID信息，將網(wǎng)絡(luò)劃分為四個安全等級區(qū)域可信區(qū)域、不 確定區(qū)域、可疑區(qū)域和不可信區(qū)域。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全定位方法，其特征在于，在所述安全等 級的區(qū)域中，處于較高安全等級區(qū)域中的傳感器節(jié)點可以被優(yōu)先定位，因此處于可信區(qū)域 中的錨節(jié)點可優(yōu)先廣播定位信息，完成其范圍內(nèi)的傳感器節(jié)點的位置計算。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全定位方法，其特征在于，所述節(jié)點位置 安全計算階段的基于時間差的定位方法計算節(jié)點位置的步驟為步驟1.在安全等級區(qū)域為可信區(qū)域中，選擇至少一個主錨節(jié)點和兩個副錨節(jié)點； 步驟2.所有錨節(jié)點廣播定位信息，同時副錨節(jié)點進(jìn)一步轉(zhuǎn)發(fā)主錨節(jié)點的定位信息； 步驟3.接收到至少3個不同定位信息的傳感器節(jié)點判斷每個發(fā)送定位信息的錨節(jié)點 是否在通信范圍之外，由副錨節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)的主錨節(jié)點的定位信息是否被篡改，如果是則重新 選擇至少兩個副錨節(jié)點，否則開始進(jìn)行位置計算，完成對可信區(qū)域內(nèi)傳感器節(jié)點的定位；步驟4.在距離安全等級區(qū)域為不確定區(qū)域一跳范圍內(nèi)的可信區(qū)域中選擇至少一個主 錨節(jié)點和兩個副錨節(jié)點，判斷錨節(jié)點數(shù)目是否達(dá)到3個，如果是則按照步驟3的方法對不確 定區(qū)域中的傳感器節(jié)點定位，否則在不確定區(qū)域中繼續(xù)選擇足夠的錨節(jié)點完成傳感器節(jié)點 定位；如果不確定區(qū)域中的錨節(jié)點個數(shù)依然不足3個，則選擇已定位的鄰居傳感器節(jié)點作 為錨節(jié)點輔助完成定位；步驟5.按照步驟4中的方法依次對安全等級區(qū)域為可疑區(qū)域和不可信區(qū)域中的傳感 器節(jié)點定位。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全定位方法，包括三個階段，可疑節(jié)點識別階段錨節(jié)點相互協(xié)作，在一跳通信范圍內(nèi)廣播信息包，并根據(jù)信息包是否異常檢測出可疑節(jié)點，記錄相應(yīng)可疑節(jié)點的ID信息；惡意節(jié)點隔離階段錨節(jié)點向基站報告可疑節(jié)點的ID信息，由基站對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行安全等級區(qū)域劃分，并隔離惡意節(jié)點；節(jié)點位置安全計算階段優(yōu)先在具有更高安全等級的區(qū)域中選擇主錨節(jié)點和副錨節(jié)點，通過被動式的基于時間差的定位算法完成傳感器節(jié)點的計算。本發(fā)明有效的檢測并隔離惡意節(jié)點，減小定位過程被惡意攻擊的影響，提高定位的精度，節(jié)省定位的能量消耗，延長網(wǎng)絡(luò)生命周期。
文檔編號H04W84/18GK102123389SQ20111004737
公開日2011年7月13日 申請日期2011年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月28日
發(fā)明者劉同慶, 巢佳, 張娜, 朱川, 江金芳, 董玉慧, 韓光潔 申請人:河海大學(xué)常州校區(qū)