本發(fā)明涉及一種網(wǎng)絡技術，尤其是一種網(wǎng)絡與通信技術，具體地說是一種多幻影節(jié)點策略的源位置隱私保護方法。

背景技術：

無線傳感器網(wǎng)絡(wirelesssensornetwork，wsn)由于具有通過大面積部署的傳感器節(jié)點實時、精確地采集目標監(jiān)測環(huán)境相關數(shù)據(jù)的特點，目前已廣泛應用于智能家居、軍事國防、交通管理、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療衛(wèi)生、緊急救援、工業(yè)制造等領域。由于無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點常常部署在較為偏遠而無人看守的環(huán)境中，并且無線多跳通信方式容易受到攻擊者的攻擊，因此網(wǎng)絡安全一直是一個不容忽視的問題。因此，已有大量研究關注無線傳感器網(wǎng)絡的安全研究。

目前，無線傳感器網(wǎng)絡的安全研究方向眾多，主要可分為數(shù)據(jù)加密方法、身份認證、密鑰管理、攻擊檢測與抵御、安全路由協(xié)議和隱私問題等諸多研究方向。其中，無線傳感器網(wǎng)絡的隱私又包括位置隱私、時間隱私和數(shù)據(jù)隱私。其中，節(jié)點位置隱私，包括源節(jié)點位置隱私和基站節(jié)點位置隱私兩大類，是當前無線傳感器網(wǎng)絡隱私的重要關注對象之一。例如，部署在野生動物監(jiān)測環(huán)境中的傳感器網(wǎng)絡中，監(jiān)測對象(即環(huán)境中可能出現(xiàn)的野生動物)的位置信息極其重要，一旦泄露給威脅對象(如捕獵者)，監(jiān)測對象的安全將會存在巨大威脅。因此，研究無線傳感器網(wǎng)絡的源位置隱私保護技術對于傳感器網(wǎng)絡的大規(guī)模部署和應用具有重要意義。

ozturk等人首先提出了“熊貓-獵人”模型，該模型成為研究源節(jié)點位置隱私保護問題的基本模型。在此模型中，無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點部署在熊貓生活的環(huán)境中用于監(jiān)測熊貓的生活習性。監(jiān)測數(shù)據(jù)通過監(jiān)測到目標的節(jié)點通過節(jié)點間逐跳轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的方式發(fā)送至網(wǎng)絡中的基站。針對此模型，設計源位置隱私保護協(xié)議的目標是，改變原有最短路徑路由轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包方式，增加網(wǎng)絡中存在的攻擊者(即獵人)追蹤到源節(jié)點位置的時間，即源節(jié)點安全時間。此外，考慮到網(wǎng)絡性能的因素，相關隱私保護協(xié)議也應當考慮保證隱私保護強度的同時，優(yōu)化數(shù)據(jù)包傳輸時延以及網(wǎng)絡能耗，提高協(xié)議的性能。

當前已有的研究工作將存在于wsn中的攻擊者分為兩大類：攻擊能力較為局限的局部流量攻擊者和具有較強攻擊能力的全局流量攻擊者。針對較為普遍的局部流量攻擊者，ozturk等人首次提出幻影路由策略思想，并分別提出幻影路由協(xié)議pr(phantomrouting)以及幻影單路徑路由協(xié)議pspr(phantomsingle-pathrouting)。兩種路由策略的方法均是通過源節(jié)點的源數(shù)據(jù)包隨機游走指定跳數(shù)(如自定義的h跳)的方式產(chǎn)生一個虛假的源節(jié)點，稱為幻影源節(jié)點。然后幻影節(jié)點將源數(shù)據(jù)包發(fā)送至基站完成源節(jié)點監(jiān)聽事件數(shù)據(jù)的傳送。wang等人首次提出源節(jié)點可視區(qū)的概念，可視區(qū)的定義為：源節(jié)點位于攻擊者一定監(jiān)聽范圍內(nèi)即源節(jié)點位置暴露，而以源節(jié)點為中心并指定半徑為r的圓的范圍即稱作“可視區(qū)”。基于此定義，又將幻影單路徑階段經(jīng)過可視區(qū)范圍的路由路徑稱為失效路徑，針對這種具有可視能力局部攻擊者，普通基于幻影路由策略的源位置隱私保護方案效果較差，因此研究一種具有可視區(qū)避免能力的源位置隱私保護方案尤為重要。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的是針對現(xiàn)有的基于幻影路由策略的源位置隱私保護方案效果較差的問題，發(fā)明一種解決基于“熊貓-獵人”模型的多幻影節(jié)點策略的源位置隱私保護方法。

本發(fā)明的技術方案是：

一種基于多幻影節(jié)點策略的源位置隱私保護方法，其特征在于：它包括以下步驟：

步驟1：網(wǎng)絡進行初始化；基站向全網(wǎng)普通節(jié)點洪泛數(shù)據(jù)包的進行初始化，完成后每個節(jié)點通過消息數(shù)據(jù)包向基站sink報告自己的相關信息；初始化階段完成后，網(wǎng)絡中所有節(jié)點獲得到基站的最小跳數(shù)值，基站sink持有每個節(jié)點的地理位置信息，每個節(jié)點與基站的最短跳數(shù)值；

步驟2：節(jié)點三元組構造；根據(jù)初始化階段結束后基站獲得的網(wǎng)絡節(jié)點與基站的跳數(shù)值，基站創(chuàng)建一個跳數(shù)距離值表，根據(jù)表中跳數(shù)值將節(jié)點排序，依次創(chuàng)建節(jié)點三元組；路由工作階段，每個三元組中的任意兩個節(jié)點均可作為另一個節(jié)點的幻影源節(jié)點；

步驟3：路由工作階段在任意節(jié)點監(jiān)測到目標事件后開始，首先將監(jiān)測事件信息、源節(jié)點id、源節(jié)點坐標、目標節(jié)點id和目標節(jié)點坐標存儲于數(shù)據(jù)包，并進入路由工作階段；首先進行幻影節(jié)點交替選取過程，每一輪交替選取兩個備選幻影節(jié)點中的一個轉(zhuǎn)發(fā)源數(shù)據(jù)包；

步驟4：在步驟3完成后，進行源節(jié)點-幻影節(jié)點基于扇形區(qū)域劃分轉(zhuǎn)發(fā)；限定源數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)路徑范圍，同時保證路徑的隨機性，以應對攻擊者回溯攻擊；

步驟5：步驟4完成后，源數(shù)據(jù)包進行幻影節(jié)點-基站避開可視區(qū)轉(zhuǎn)發(fā)；通過計算中繼節(jié)點與源節(jié)點間距離選取下一跳節(jié)點避開可視區(qū)范圍。

步驟2中基站節(jié)點三元組構造過程中，通過計算確保備選幻影節(jié)點對均位于源節(jié)點可視區(qū)范圍外；假設源節(jié)點s的地理位置坐標為(xs,ys)，候選幻影節(jié)點坐標為(xp,yp)，為使幻影節(jié)點不落在可視區(qū)范圍內(nèi)，應滿足條件：

為了確保兩個幻影節(jié)點間的距離足夠大，分別避開對方的可視區(qū)范圍，候選幻影節(jié)點間應滿足條件：

公式(1)、(2)中，dp_min為網(wǎng)絡初始化設定的節(jié)點三元組種任意兩個節(jié)點間的距離最小極限值，ds_p為：幻影節(jié)點與源節(jié)點間距離dp_p為：兩個幻影節(jié)點間距離；rv為源節(jié)點可視區(qū)范圍半徑；通過以上計算以確保節(jié)點三元組中任意兩個節(jié)點互為幻影節(jié)點時，幻影節(jié)點距離源節(jié)點足夠遠，且完全避開可視區(qū)范圍。

步驟3中的幻影節(jié)點交替選取策略方法為：

網(wǎng)絡節(jié)點內(nèi)部存儲一個選擇標志位selectflag，在初始化時設為flase，源節(jié)點開始發(fā)送源數(shù)據(jù)包前，對選擇標志位進行判斷，如果標志位為false，則選擇源節(jié)點的幻影節(jié)點1選定為本輪發(fā)送數(shù)據(jù)的幻影節(jié)點，并將幻影節(jié)點1的id即idp1以及位置坐標即(xp1,yp1)加入數(shù)據(jù)包，設定為本輪發(fā)送目標幻影節(jié)點id及坐標，并將選擇標志位值設置為true；如果標志位為true，則選擇源節(jié)點的幻影節(jié)點2選定為本輪發(fā)送數(shù)據(jù)的幻影節(jié)點，并將幻影節(jié)點2的id即idp2以及位置坐標即(xp2,yp2)加入數(shù)據(jù)包，設定為本輪發(fā)送目標幻影節(jié)點id及坐標，并將標志位的值設置為false；通過以上標志位交替選取機制可以保證相鄰時序的數(shù)據(jù)包發(fā)送目標幻影節(jié)點不同，有效防止了幻影節(jié)點重復而導致路徑易重復的幾率。

步驟4中的各中繼節(jié)點采用的源節(jié)點-幻影節(jié)點基于扇形區(qū)域劃分轉(zhuǎn)發(fā)步驟為：

步驟4.1：設定參數(shù)扇形劃分角度β、劃分子扇形個數(shù)l以及通信半徑rt；

步驟4.2：從源數(shù)據(jù)包獲取本輪選定幻影節(jié)點坐標(xp,yp)；

步驟4.3：從當前節(jié)點內(nèi)部存儲獲取本節(jié)點坐標(xc,yc)；

步驟4.4：計算當前節(jié)點c與幻影節(jié)點p間距離dc_p；

步驟4.5：判斷dc_p是否小于等于通信半徑rt，若小于等于，則直接轉(zhuǎn)發(fā)給幻影節(jié)點p，本階段結束，進入避開可視區(qū)轉(zhuǎn)發(fā)階段；否則轉(zhuǎn)步驟4.6；

步驟4.6：利用參數(shù)l產(chǎn)生整數(shù)隨機數(shù)v；l為劃分的子扇形區(qū)域個數(shù)，v為自然數(shù)；

步驟4.7：以當前節(jié)點c與目標幻影節(jié)點p產(chǎn)生(-β,β)范圍的扇形角，并利用隨機數(shù)以及扇形角度劃分參數(shù)產(chǎn)生隨機子扇形區(qū)域角度范圍θ，作為當前選中的隨機子扇形區(qū)域vector；

步驟4.8：依次計算鄰居節(jié)點集中節(jié)點ni與當前節(jié)點c所成直線與c、p節(jié)點所成直線之間夾角；

步驟4.9：若存在節(jié)點ni坐落于子扇形區(qū)域vector，則交付源數(shù)據(jù)包給ni節(jié)點；若不存在，轉(zhuǎn)步驟4.6，重新產(chǎn)生隨機數(shù)v以選取隨機子扇形區(qū)域；

步驟4.10：重復以上步驟，直至交付源數(shù)據(jù)包至幻影節(jié)點p。

步驟5幻影節(jié)點-基站避開可視區(qū)轉(zhuǎn)發(fā)中，假設下一跳坐標為(xn,yn)，根據(jù)可視區(qū)范圍定義，下一跳節(jié)點應滿足公式：

式中：xs，ys為源節(jié)點s的地理位置坐標，ds_n為源節(jié)點s與下一跳坐標點n之間的距離；

每一個中繼節(jié)點將鄰居節(jié)點劃分為遠節(jié)點集以及近節(jié)點集兩個集合，近節(jié)點集中的節(jié)點距離基站的跳數(shù)值比當前節(jié)點要小，即距離基站更近，而遠節(jié)點集中的節(jié)點距離基站的跳數(shù)值比當前節(jié)點要大；為了控制傳輸時延，盡快將數(shù)據(jù)包發(fā)送到基站，將選取位于當前中繼節(jié)點的近節(jié)點集中的節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)。

本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明提出的源位置隱私保護方法，針對具有可視能力的攻擊者，不僅可以通過節(jié)點三元組構造等操作使得轉(zhuǎn)發(fā)路徑避開源節(jié)點可視區(qū)，從而有效增加源節(jié)點安全性，同時通過基于扇形區(qū)域劃分的方法較好優(yōu)化傳輸時延及路由能耗，增強了隱私保護方法的實用性。

附圖說明

圖1是多幻影節(jié)點方法emprp原理示意圖。

圖2是基于多幻影節(jié)點策略的源位置隱私保護協(xié)議emprp整體框架圖。

圖3是源節(jié)點-幻影節(jié)點基于扇形區(qū)域劃分轉(zhuǎn)發(fā)方法流程圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步的說明。

如圖1-3所示。

一種多幻影節(jié)點策略的源位置隱私保護方法，它包括以下步驟：

步驟一：網(wǎng)絡進行初始化。基站向普通節(jié)點洪泛數(shù)據(jù)包的進行初始化，完成后每個節(jié)點通過數(shù)據(jù)包向基站報告自己的相關信息。初始化階段完成后，網(wǎng)絡中所有節(jié)點獲得與基站的最小跳數(shù)值，基站持有每個節(jié)點的地理位置信息，每個節(jié)點與基站的最短跳數(shù)值。這一步驟為節(jié)點三元組構造過程提供足夠數(shù)據(jù)。

步驟二：節(jié)點三元組構造。根據(jù)初始化階段結束后，基站獲得的網(wǎng)絡節(jié)點與基站的跳數(shù)值，基站創(chuàng)建一個跳數(shù)距離值表，根據(jù)表中跳數(shù)值將節(jié)點排序，依次創(chuàng)建節(jié)點三元組。路由工作階段，每個三元組中的任意兩個節(jié)點均可作為另一個節(jié)點的幻影源節(jié)點。

步驟三：幻影節(jié)點交替選取。路由工作階段在任意節(jié)點監(jiān)測到目標事件后開始，首先將監(jiān)測事件信息，源節(jié)點id，源節(jié)點坐標，目標節(jié)點id，目標節(jié)點坐標存儲于數(shù)據(jù)包，并進入路由工作階段。首先進行幻影節(jié)點交替選取過程，每一輪交替選取兩個備選幻影節(jié)點中的一個轉(zhuǎn)發(fā)源數(shù)據(jù)包。交替選取過程保證相鄰時序的數(shù)據(jù)包發(fā)送往不同的幻影節(jié)點從而增加攻擊者回溯的難度以保證源位置隱私。

步驟四：源節(jié)點-幻影節(jié)點基于扇形區(qū)域劃分轉(zhuǎn)發(fā)。這一步驟確保了源數(shù)據(jù)包將沿著源節(jié)點和幻影節(jié)點間的一個扇形區(qū)域進行轉(zhuǎn)發(fā)從而避免了源數(shù)據(jù)包的無限制隨機游走，從而有效控制了傳輸時延及能耗。多個子扇形區(qū)域的劃分和隨機選取轉(zhuǎn)發(fā)保證了路由路徑的隨機性和多樣性，從而增加了攻擊者回溯的難度。

步驟5：幻影節(jié)點-基站避開可視區(qū)轉(zhuǎn)發(fā)。這一步驟通過中繼節(jié)點與源節(jié)點間的距離計算確保中繼節(jié)點位于可視區(qū)范圍之外，從而有效避免了失效路徑，增加源位置隱私保護強度。

詳述如下：

如圖1所示為本發(fā)明的原理示意圖，源節(jié)點s同時設定兩個幻影節(jié)點，分別為p1、p2，p1、p2與源節(jié)點兩兩節(jié)點間距離均大于可視區(qū)半徑，從而使得幻影節(jié)點有效避開可視區(qū)范圍；源數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)至基站過程分為兩個階段：幻影路由階段和避開可視區(qū)轉(zhuǎn)發(fā)階段?；糜奥酚呻A段隨機選取兩個幻影節(jié)點中的一個，并利用源節(jié)點-幻影節(jié)點間基于扇形區(qū)域轉(zhuǎn)發(fā)方法轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，候選下一跳節(jié)點局限在大小為2β的扇形區(qū)域范圍內(nèi)，并隨機選取子扇形區(qū)域選取下一跳節(jié)點；避開可視區(qū)轉(zhuǎn)發(fā)階段通過候選節(jié)點距離計算，確保避開可視區(qū)，避免失效路徑產(chǎn)生，從而增加源節(jié)點安全時間。

如圖2所示，本發(fā)明整體分為網(wǎng)絡配置和路由工作兩個階段。網(wǎng)絡配置分為網(wǎng)絡初始化、節(jié)點三元組構造兩個步驟。路由工作階段分為幻影節(jié)點交替選取、源節(jié)點-幻影節(jié)點基于扇形區(qū)域劃分轉(zhuǎn)發(fā)、幻影節(jié)點-基站避開可視區(qū)轉(zhuǎn)發(fā)三個步驟。

1.網(wǎng)絡初始化采用基站向普通節(jié)點洪泛數(shù)據(jù)包進行初始化，完成后每個節(jié)點通過數(shù)據(jù)包向基站報告自己的相關信息。初始化階段完成后，網(wǎng)絡中所有節(jié)點獲得與基站的最小跳數(shù)值，基站持有每個節(jié)點的地理位置信息，每個節(jié)點與基站的最短跳數(shù)值。

2.基站進行網(wǎng)絡節(jié)點三元組構造過程為源節(jié)點構造均位于可視區(qū)范圍之外的幻影節(jié)點對。該步驟為網(wǎng)絡中每個節(jié)點選取兩個幻影節(jié)點構成節(jié)點三元組triple(n1,n2,n3)，其中ni(i＝1,2,3)均表示傳感器節(jié)點，且三元組中任意兩個節(jié)點均可互為幻影節(jié)點，路由工作階段通過隨機數(shù)產(chǎn)生隨機選取其中一個幻影節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包?；竟?jié)點三元組具體實施方式為：

步驟2.1：初始化參數(shù)dp_min和rv。dp_min為網(wǎng)絡初始化設定的節(jié)點三元組種任意兩個節(jié)點間的距離最小極限值，rv為可視區(qū)半徑，以確保節(jié)點三元組中任意兩個節(jié)點互為幻影節(jié)點時，幻影節(jié)點距離源節(jié)點足夠遠，且完全避開可視區(qū)范圍。

步驟2.2：假設源節(jié)點s的地理位置坐標為(xs,ys)，候選幻影節(jié)點坐標為(xp,yp)，為使幻影節(jié)點不落在可視區(qū)范圍內(nèi)，根據(jù)二維平面內(nèi)節(jié)點間物理距離計算，應滿足條件：

為了確保兩個幻影節(jié)點間的距離足夠大，分別避開對方的可視區(qū)范圍，候選幻影節(jié)點間應滿足條件：

通過公式(1)(2)選取合適的幻影節(jié)點對，組成節(jié)點三元組。

步驟2.3：基站發(fā)送數(shù)據(jù)包通知節(jié)點三元組中節(jié)點其他兩個節(jié)點的id以及坐標,節(jié)點收到后，將幻影節(jié)點對的id以及坐標分別存儲于節(jié)點內(nèi)部，并作為該節(jié)點的備選幻影節(jié)點對。設兩個幻影節(jié)點id分別為idp1、idp2，相應坐標分別為(xp1,yp1)、(xp2,yp2)。路由工作階段中，每一輪數(shù)據(jù)包的發(fā)送將分別選取這兩個節(jié)點中的一個作為幻影節(jié)點并將相應id以及坐標信息加入數(shù)據(jù)包。

3.源節(jié)點向幻影節(jié)點發(fā)送源數(shù)據(jù)包進行幻影節(jié)點交替選取過程，確保相鄰時序的數(shù)據(jù)包發(fā)送往不同的幻影節(jié)點，以增加攻擊者攻擊的難度。具體實施方式為：

步驟3.1：網(wǎng)絡節(jié)點內(nèi)部存儲一個布爾型變量selectflag作為選擇標志位，在初始化時設為flase。

步驟3.2：源節(jié)點開始發(fā)送源數(shù)據(jù)包前，對選擇標志位進行判斷，如果標志位為false，則選擇源節(jié)點的幻影節(jié)點1選定為本輪發(fā)送數(shù)據(jù)的幻影節(jié)點，并將幻影節(jié)點1的id即idp1以及位置坐標即(xp1,yp1)加入數(shù)據(jù)包，設定為本輪發(fā)送目標幻影節(jié)點id及坐標，并將選擇標志位值設置為true；如果標志位為true，則選擇源節(jié)點的幻影節(jié)點2選定為本輪發(fā)送數(shù)據(jù)的幻影節(jié)點，并將幻影節(jié)點2的id即idp2以及位置坐標即(xp2,yp2)加入數(shù)據(jù)包，設定為本輪發(fā)送目標幻影節(jié)點id及坐標，并將標志位的值設置為false。

4.如圖3所示，源節(jié)點以及中繼節(jié)點采用的源節(jié)點-幻影節(jié)點基于扇形區(qū)域劃分具體實施方式為：

步驟4.1：設定參數(shù)扇形劃分角度β、劃分子扇形個數(shù)l以及通信半徑rt。

步驟4.2：從源數(shù)據(jù)包獲取本輪選定幻影節(jié)點坐標(xp,yp)。

步驟4.3：從當前節(jié)點內(nèi)部存儲獲取本節(jié)點坐標(xc,yc)。

步驟4.4：計算當前節(jié)點c與幻影節(jié)點p間距離dc_p。計算方法為：

步驟4.5：判斷dc_p是否小于等于通信半徑rt，若小于等于，則直接轉(zhuǎn)發(fā)給幻影節(jié)點p，本階段結束，進入避開可視區(qū)轉(zhuǎn)發(fā)階段；否則轉(zhuǎn)步驟4.6。

步驟4.6：利用參數(shù)l產(chǎn)生整數(shù)隨機數(shù)v，產(chǎn)生方法為：

步驟4.7：以當前節(jié)點c與目標幻影節(jié)點p產(chǎn)生(-β,β)范圍的扇形角，并利用隨機數(shù)v以及扇形角度劃分參數(shù)產(chǎn)生隨機子扇形區(qū)域角度范圍θ，作為當前選中的隨機子扇形區(qū)域vector，范圍為：

步驟4.8：依次計算鄰居節(jié)點集中節(jié)點ni與當前節(jié)點c所成直線與c、p節(jié)點所成直線之間夾角。計算方法為：

步驟4.9：若存在節(jié)點ni坐落于子扇形區(qū)域vector，則交付源數(shù)據(jù)包給ni節(jié)點；若不存在，轉(zhuǎn)步驟4.6，重新產(chǎn)生隨機數(shù)v以選取隨機子扇形區(qū)域。

步驟4.10：重復以上步驟，直至交付源數(shù)據(jù)包至幻影節(jié)點p。

5.幻影節(jié)點-基站避開可視區(qū)轉(zhuǎn)發(fā)中，假設下一跳坐標為(xn,yn)，下一跳節(jié)點選取具體實施方式為：

步驟5.1：每一個中繼節(jié)點將鄰居節(jié)點劃分為遠節(jié)點集以及近節(jié)點集兩個集合，近節(jié)點集中的節(jié)點距離基站的跳數(shù)值比當前節(jié)點要小，即距離基站更近，而遠節(jié)點集中的節(jié)點距離基站的跳數(shù)值比當前節(jié)點要大。為了控制傳輸時延，盡快將數(shù)據(jù)包發(fā)送到基站，將選取位于當前中繼節(jié)點的近節(jié)點集中的節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)。首先判斷候選節(jié)點是否屬于近節(jié)點集；如果是，則轉(zhuǎn)步驟5.2。

步驟5.2：根據(jù)可視區(qū)范圍定義，下一跳節(jié)點應滿足公式：

如果節(jié)點滿足公式(3)，則為下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點。

本發(fā)明未涉及部分與現(xiàn)有技術相同或可采用現(xiàn)有技術加以解決。