專利名稱：無線傳感器網(wǎng)絡的多維途中過濾方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種無線傳感器網(wǎng)絡中的過濾方法，尤其涉及一種無線傳感器網(wǎng)絡的
多維途中過濾方法。
背景技術：
無線傳感器網(wǎng)絡是一項有望將無線網(wǎng)絡、現(xiàn)代傳感器和嵌入式系統(tǒng)三大核心工業(yè) 技術集成融合的新興交叉學科技術。它可以廣泛應用于實時自主監(jiān)控和目標遠程追蹤等軍 事與民用的各個領域。其應用場景有些是對人具有危險性(如化工領域)的環(huán)境，有些是 具有敵對性(如交戰(zhàn)雙方的戰(zhàn)場)的場景。因此，對于自主運行的無線傳感器網(wǎng)絡來說，安 全性是非常關鍵也是必不可少的特性。 由于無線傳感器網(wǎng)絡一般具有遠程部署、自主運行等特點，所以傳感器節(jié)點容易 被攻擊者所俘獲并用來發(fā)動各類攻擊，其中就包括虛假數(shù)據(jù)注入攻擊與虛假數(shù)據(jù)報告攻 擊。虛假數(shù)據(jù)注入攻擊是指被俘獲的傳感器節(jié)點發(fā)送大量虛假數(shù)據(jù)包以便耗盡網(wǎng)絡資源， 虛假數(shù)據(jù)報告攻擊是指被俘獲的傳感器節(jié)點發(fā)送虛假數(shù)據(jù)報告以便誤導匯聚節(jié)點做出錯 誤判斷。虛假數(shù)據(jù)注入攻擊類似于互聯(lián)網(wǎng)中的拒絕服務攻擊，而互聯(lián)網(wǎng)中應對拒絕服務攻 擊的方法主要包括出口過濾與溯源追蹤等。因為溯源追蹤需要收集到大量的數(shù)據(jù)報，所以 目前無線傳感器網(wǎng)絡領域應對此兩類攻擊的方案主要為一維途中過濾，即密鑰庫被劃分為 多個組，每個節(jié)點選擇加入一個組，然后在該組中選擇部分密鑰存儲。 一個合法的數(shù)據(jù)包必 須獲得T個監(jiān)測節(jié)點的標記，節(jié)點利用其所存儲的密鑰標記它所監(jiān)測到的事件對應的數(shù)據(jù) 包，或者對轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包進行認證與過濾。 覆蓋性能、過濾效率、抗俘獲性是衡量途中過濾解決方案的三大指標。網(wǎng)絡中任意 位置一個事件發(fā)生后，該事件所對應的數(shù)據(jù)包能夠攜帶T個合法標記的概率為p，則p代表 了網(wǎng)絡的覆蓋性。假設一個虛假數(shù)據(jù)包平均在被轉(zhuǎn)發(fā)h步后被過濾掉，則h代表了方案的 過濾效率。假設網(wǎng)絡中共有N個節(jié)點，網(wǎng)絡區(qū)域面積為A，當有n個節(jié)點被俘獲的情況下，攻 擊者可以偽造An面積內(nèi)的虛假數(shù)據(jù)而不被發(fā)現(xiàn)，則An/A表示網(wǎng)絡的抗俘獲性。
目前存在三類典型的途中過濾方案SEF，LBRS，GBSEF。其中SEF是最早提出的途 中過濾方案，在該方案中每個節(jié)點隨機地在密鑰庫中選擇小部分密鑰存儲，每個節(jié)點用自 己的密鑰加密和過濾數(shù)據(jù)包，但是SEF方案抗俘獲性較差，攻擊者俘獲大約2T個節(jié)點，便 可以極高的概率偽造發(fā)生于網(wǎng)絡中任何區(qū)域的事件。為了解決SEF抗俘獲性較差的問題， LBRS提出了基于地理位置信息的密鑰分配方案，即攻擊者俘獲一定數(shù)目的節(jié)點，則只能偽 造這些節(jié)點對應區(qū)域所發(fā)生的事件，同時，為了提高方案的覆蓋性能，LBRS將網(wǎng)絡密鑰庫分 為L組，其中L遠大于T，但是由于途中節(jié)點可能存儲了大量無效分組的密鑰，所以降低了過 濾效率，雖然LBRS通過光束模型緩解了此問題，但是光束模型要求匯聚節(jié)點不能移動，并 且系統(tǒng)必須采用特定的基于地理位置信息的路由機制，造成了方案通用性不足。GBSEF解決 方案將網(wǎng)絡密鑰庫僅分為T組，這樣可以在不依賴靜態(tài)匯聚節(jié)點與特定路由機制的前提下 顯著提高過濾效率，但是因為網(wǎng)絡密鑰庫僅僅被分為T組，通過計算可知，發(fā)生在網(wǎng)絡區(qū)域內(nèi)的事件恰好被來自T組的T個節(jié)點探測到的概率將降低，因此，該方案的覆蓋性能較低。通過理論分析與實驗驗證可以得到結(jié)論一維途中過濾方案或者不能保證抗俘獲性，或者在保證抗俘獲性的前提下，不能同時提高覆蓋性能與過濾效率。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了解決現(xiàn)有技術中存在的上述問題，提供一種無線傳感器網(wǎng)絡的多維途中過濾方法 本發(fā)明的目的通過以下技術方案來實現(xiàn) 無線傳感器網(wǎng)絡的多維途中過濾方法，其包括以下步驟 步驟①，將整體密鑰庫被分為兩層，設有M個密鑰集合與G個密鑰組，且每個密鑰組包含S個密鑰； 步驟②，采用坐標軸旋轉(zhuǎn)方式，令整個網(wǎng)絡區(qū)域內(nèi)存在M條坐標軸，每條坐標軸在網(wǎng)絡區(qū)域內(nèi)的投影被等距離劃分為S段； 步驟③，節(jié)點在部署之前都被預置了參數(shù)DT，表示分組算法運行的時段；節(jié)點被
部署后，通過定位算法確定自身位置，每個節(jié)點選擇自己在每個集合中需要加入的密鑰組。 步驟④，節(jié)點在部署時，其隨機在每個坐標軸上選擇"分段"作為其"驗證分段"，即
獲得這些分段所對應的密鑰，以便對發(fā)生在遠處的事件所形成的報告進行驗證。 步驟⑤，對節(jié)點計算其在每條坐標軸上的投影位置，根據(jù)其所加入的組及每條坐
標軸上的投影位置，確定其需要存儲的每個密鑰集合中的密鑰； 步驟⑥，當發(fā)生事件時，探測此事件的多個節(jié)點，共同標記此事件，形成報告并向匯聚節(jié)點傳送，轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點收到報告時，利用其所存儲的密鑰對此報告進行驗證，如果驗證不通過則丟棄此節(jié)點，否則轉(zhuǎn)發(fā)此節(jié)點；匯聚節(jié)點收到報告后，對其進行最后的驗證，根據(jù)驗證結(jié)果確定接受或丟棄此報告。 上述的無線傳感器網(wǎng)絡的多維途中過濾方法，其中在步驟③所述的每個節(jié)點在部署之前都被分配了一個哈希函數(shù)H，用于獲得其自身需要存儲的密鑰，以便對發(fā)生在其探測區(qū)域內(nèi)的事件進行標記。 進一步地，上述的無線傳感器網(wǎng)絡的多維途中過濾方法，其中步驟③所述的節(jié)點在部署后，首先通過一個隨機數(shù)生成算法，在每個集合中隨機選擇一個組作為本節(jié)點預備加入的組，即{&， G2， . . GM}，其中&表示其在集合i中預備加入的組，然后節(jié)點運行一定的定位算法獲得其自身的位置，如果DT耗盡，則跳轉(zhuǎn)至步驟⑤。 更進一步地，上述的無線傳感器網(wǎng)絡的多維途中過濾方法，其中步驟③所述的節(jié)點v生成其準備廣播的信息〈v， Lv， {Gvl， Gv2，. . . GvM} >，其中v表示節(jié)點id， Lv表示節(jié)點v的位置，Gvi表示節(jié)點v在集合i中選擇加入的組，節(jié)點采用CSMA/CA協(xié)議廣播信息，如果信道不產(chǎn)生沖突，則發(fā)送成功，否則隨機退避一定的時間再次選擇發(fā)送；并且任意節(jié)點v維護一個鏈表，其中鏈表元素是〈dist， {GnG2，. . . GJ〉，鏈表元素按照dist降序排列，假設有m個節(jié)點在集合i中預備加入組Gi，dist表示節(jié)點v距這m個節(jié)點中之間的最短距離；節(jié)點v收到任意節(jié)點u (即節(jié)點v收到了某一個節(jié)點廣播的信息，則稱這個節(jié)點點為節(jié)點u，只是為了表述方便)的廣播〈u， Lu， {Gul， Gu2， . . . GJ >后，將進行如下步驟首先計算節(jié)點v與節(jié)點u之間的距離，設計算結(jié)果為Lvu，節(jié)點v更新本身所維護的鏈表，如果{G^G^.^GJ在以前
5的鏈表中存在并假設其對應的dist為dis^ ;如果LTO < dist"則用Lvu替換distl，否則保持dis^不變；如果{Gul， Gu2， . . GJ在以前的鏈表中不存在，則將〈LTO， {Gul， Gu2， . . . GJ >插入鏈表；節(jié)點v更新其分組的信息及廣播信息；對于任意一個密鑰集合j (例如集合1 ，集合2等，對于每一個集合，都是采用這樣的方式來確定)，節(jié)點v按照如下的方法更新其所需要加入的組節(jié)點v遍歷并記錄其鏈表中節(jié)點在集合j中加入的組，如果還有i個組沒有節(jié)點加入，則節(jié)點v在這i個組中隨機選擇一個加入，如果所有的組都已經(jīng)有節(jié)點加入，則節(jié)點v從這些節(jié)點中選擇距離最選的節(jié)點，并加入其所加入的組；對于其他任意集合，節(jié)點v按照同樣方法確定其所需要加入的組；如果DT未耗盡，跳轉(zhuǎn)至步驟②。
再進一步地，上述的無線傳感器網(wǎng)絡的多維途中過濾方法，其中步驟⑥所述的驗證為，假設原始數(shù)據(jù)報為D，同時D攜帶有一個消息認證碼MAC(k， D);其中MAC是一個全局函數(shù)，所有的節(jié)點都知道，k是密鑰；如果節(jié)點i恰好存儲有密鑰k(在本發(fā)明中，密鑰是與地理位置相對應的，節(jié)點i可以通過獲得數(shù)據(jù)報所發(fā)生的地理位置來判斷自己是否掌握密鑰k)，則節(jié)點i也計算MAC (k， D)，如果與數(shù)據(jù)報中攜帶的MAC (k， D) —致，則驗證通過，否則不通過。 本發(fā)明技術方案的優(yōu)點主要體現(xiàn)在可以有效地應對無線傳感器網(wǎng)絡中的拒絕服務攻擊與虛假報告攻擊，解決了傳統(tǒng)途中過濾方法中覆蓋性能與過濾性能不可以同時提高的問題，同時仍然保持了較高的抗俘獲性。
本發(fā)明的目的、優(yōu)點和特點，將通過下面優(yōu)選實施例的非限制性說明進行圖示和
解釋。這些實施例僅是應用本發(fā)明技術方案的典型范例，凡采取等同替換或者等效變換而
形成的技術方案，均落在本發(fā)明要求保護的范圍之內(nèi)。這些附圖當中， 圖1是網(wǎng)絡結(jié)構的示意圖； 圖2是密鑰組成的示意圖； 圖3是生成數(shù)據(jù)報的示意圖； 圖4是節(jié)點廣播認證數(shù)據(jù)報的示意圖； 圖5是途中過濾的示意圖。
具體實施例方式
無線傳感器網(wǎng)絡的多維途中過濾方法，其特別之處在于包括以下步驟步驟①，將整體密鑰庫被分為兩層，設有M個密鑰集合與G個密鑰組，且每個密鑰組包含S個密鑰；步驟②，采用坐標軸旋轉(zhuǎn)方式，令整個網(wǎng)絡區(qū)域內(nèi)存在M條坐標軸，每條坐標軸在網(wǎng)絡區(qū)域內(nèi)的投影被等距離劃分為S段；步驟③，節(jié)點在部署之前都被預置了參數(shù)DT，表示分組算法運行的時段；節(jié)點被部署后，通過定位算法確定自身位置，每個節(jié)點選擇自己在每個集合中需要加入的密鑰組。步驟④，節(jié)點在部署時，其隨機在每個坐標軸上選擇"分段"作為其"驗證分段"，即獲得這些分段所對應的密鑰，以便對發(fā)生在遠處的事件所形成的報告進行驗證。步驟 ，對節(jié)點計算其在每條坐標軸上的投影位置，根據(jù)其所加入的組及每條坐標軸上的投影位置，確定其需要存儲的每個密鑰集合中的密鑰；步驟⑥，當發(fā)生事件時，探測此事件的多個節(jié)點，共同標記此事件，形成報告并向匯聚節(jié)點傳送，轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點收到報告時，利用其所存儲的密鑰對此報告進行驗證，如果驗證不通過則丟棄此節(jié)點，否則轉(zhuǎn)發(fā)此節(jié)點；匯聚節(jié)點收到報告后，對其進行最后的驗證，根據(jù)驗證結(jié)果確定接受或丟棄此報告。
進一步來看，在步驟③所述的每個節(jié)點在部署之前都被分配了一個哈希函數(shù)H，用于獲得其自身需要存儲的密鑰，以便對發(fā)生在其探測區(qū)域內(nèi)的事件進行標記。并且，在步驟③所述的節(jié)點在部署后，首先通過一個隨機數(shù)生成算法，在每個集合中隨機選擇一個組作為本節(jié)點預備加入的組，即{&， G2， . . GM}，其中&表示其在集合i中預備加入的組，然后節(jié)點運行一定的定位算法獲得其自身的位置，如果DT耗盡，則跳轉(zhuǎn)至步驟⑤。
再進一步來看，步驟③所述的節(jié)點v生成其準備廣播的信息〈v， Lv， {Gvl，Gv2， . . . GvM} >，其中v表示節(jié)點id， Lv表示節(jié)點v的位置，Gvi表示節(jié)點v在集合i中選擇加入的組，節(jié)點采用CSMA/CA協(xié)議廣播信息，如果信道不產(chǎn)生沖突，則發(fā)送成功，否則隨機退避一定的時間再次選擇發(fā)送；并且任意節(jié)點v維護一個鏈表，其中鏈表元素是〈dist， {&，G2，. . . GJ〉，鏈表元素按照dist降序排列，假設有m個節(jié)點在集合i中預備加入組Gi， dist表示節(jié)點v距這m個節(jié)點中之間的最短距離。 并且，節(jié)點v收到任意節(jié)點u的廣播〈u， Lu， {Gul， . . . Gj >后，將進行如下步驟首先計算節(jié)點v與節(jié)點u之間的距離，設計算結(jié)果為Lw節(jié)點v更新本身所維護的鏈表，如果{Gul， Gu2， . . . GJ在以前的鏈表中存在并假設其對應的dist為dis^ ;如果Lvu < dist"則用Lvu替換distl，否則保持dis^不變；如果{Gul， Gu2， . . . 在以前的鏈表中不存在，則將〈LVU， {Gul， . . . GJ >插入鏈表；節(jié)點v更新其分組的信息及廣播信息；對于任意集合j，節(jié)點v按照如下的方法更新其所需要加入的組節(jié)點v遍歷并記錄其鏈表中節(jié)點在集合j中加入的組，如果還有i個組沒有節(jié)點加入，則節(jié)點v在這i個組中隨機選擇一個加入，如果所有的組都已經(jīng)有節(jié)點加入，則節(jié)點v從這些節(jié)點中選擇距離最選的節(jié)點，并加入其所加入的組；對于其他任意集合，節(jié)點v按照同樣方法確定其所需要加入的組；如果DT未耗盡，跳轉(zhuǎn)至步驟②。 結(jié)合本發(fā)明的實際應用來看，其系統(tǒng)模型如下采用本領域的通用假設，即普通傳感器節(jié)點被部署后即不再移動，但是匯聚節(jié)點(即數(shù)據(jù)采集點)可以移動，這符合常用的無線傳感器網(wǎng)絡模型。換句話說，探測數(shù)據(jù)的普通節(jié)點不需要移動，而數(shù)據(jù)采集點有可能移動以便更好地采集其所感興趣的數(shù)據(jù)。同時，不對路由方式做任何假設，即本方法可以與各類路由協(xié)議并存。
進一步結(jié)合本發(fā)明的工作流程來看 設A為能覆蓋節(jié)點部署區(qū)域的最小區(qū)域，在A中選擇適當?shù)奈恢米鳛閰⒖嘉恢茫畲宋恢玫淖鴺藶?。同時在該區(qū)域內(nèi)設置一條參考坐標軸，稱為坐標軸l，坐標軸1旋轉(zhuǎn)一定角度形成坐標軸2。并且依此類推，坐標軸i旋轉(zhuǎn)一定角度后形成坐標軸i+l。每條坐標軸都以參考位置為原點，設坐標軸的單位長度為l，則網(wǎng)絡管理員可以根據(jù)具體情況設定坐標軸的實際長度。由此，每個節(jié)點在每條坐標軸上都有一個投影位置，如果此位置位于該坐標軸的第k段(節(jié)點)，則稱該節(jié)點在該坐標軸上的投影位置為k。 同時，假設整個網(wǎng)絡的密鑰庫由M個密鑰集合(Set)組成，其中每個密鑰集合包含G個密鑰組(Group)。設坐標軸i在網(wǎng)絡區(qū)域內(nèi)的投影長度為Lit)則集合i的每個密鑰組都包含Li個密鑰，其中每個密鑰對應于坐標軸中單位長度(segment)。由此，每個節(jié)點都在每個集合中選擇一個密鑰組加入，使相鄰的節(jié)點盡量加入一個集合的不同組中。其具有逐步求精的優(yōu)點，即使在極短的運行時間內(nèi)也可以得到相對較好的結(jié)果，隨著運行時間的增加，算法的精度也將提高。 而且，每個節(jié)點在每條坐標軸上都有一個投影位置，假設節(jié)點K在坐標軸i上的投影位置為Ki，同時節(jié)點K按照上文所提出的算法加入了集合i的j密鑰組，則節(jié)點K將獲得密鑰集合i中j密鑰組Ki位置所對應的密鑰。同時對于其他所有密鑰集合，節(jié)點K都將獲得相應的密鑰。這些密鑰被成為探測密鑰，即節(jié)點K探測到一個事件發(fā)生時，將用此密鑰生成的標記來標記此事件。再者，節(jié)點K也將在集合i中j密鑰組隨機選擇一定數(shù)目的位置，并獲得相應的密鑰，這些密鑰被成為認證密鑰。節(jié)點K將利用此類密鑰認證所收到的數(shù)據(jù)報。 為了延長整個網(wǎng)絡的壽命，降低單個節(jié)點的功耗，本發(fā)明不采用探測節(jié)點形成集群(cluster)，然后由集群首領(cluster head)發(fā)送探測數(shù)據(jù)報的形式。而采用如下一種隨機的方式生成探測數(shù)據(jù)報假設一個合法數(shù)據(jù)報應該攜帶T個不同標記(MAC)，則當一個事件發(fā)生時，探測到的節(jié)點首先對此事件的描述達成一致意見，其中包括事件發(fā)生的地點，然后每個探測到的節(jié)點便向周圍節(jié)點廣播如下元組 {{1， S"MACh ... {i， Si，MAC}， ... {M， SM， MAC}}，其中在第i個密鑰集合中，節(jié)點加入Si組。 進一步來看，每個節(jié)點記錄它的鄰居節(jié)點廣播的信息，當它收集到足夠多MAC時，便組合成一個完整的數(shù)據(jù)報。為了避免重復發(fā)送，每個節(jié)點都監(jiān)聽無線信道，同時每個節(jié)點都擁有一個隨機的定時器，當定時器時間耗盡后便將完整的數(shù)據(jù)報發(fā)出。如果節(jié)點偵聽到有完整的數(shù)據(jù)報被發(fā)送，則定時器被取消。否則，如果定時器時間耗盡，則發(fā)送所生成的數(shù)據(jù)報。 當一個節(jié)點收到一個數(shù)據(jù)報，首先抽取出事件發(fā)生的地點，相應地計算出其在每條坐標軸上的投影位置。如果本節(jié)點存儲了用來標記此數(shù)據(jù)報的密鑰，則驗證其所攜帶的MAC是否正確。 結(jié)合圖5來看，如果不正確則丟棄此數(shù)據(jù)報，如果正確或者該節(jié)點并沒有存儲相應的密鑰，則轉(zhuǎn)發(fā)此數(shù)據(jù)報。匯聚節(jié)點對所有收到的數(shù)據(jù)報進行最后的驗證，因為它擁有所有的密鑰，所以可以進行該操作。 結(jié)合圖l來看，本發(fā)明所說明的網(wǎng)絡環(huán)境如下所示每個合法數(shù)據(jù)報需要被8來自
不同組的節(jié)點所標記，整個密鑰庫被劃分為2個密鑰集合，其中每個密鑰集合由4個密鑰組
組成。假設傳感器網(wǎng)絡分布在一個矩形范圍內(nèi)，其中匯聚節(jié)點位于矩形中心。 結(jié)合圖2來看，在本實施例中本發(fā)明假設整體密鑰庫由兩個密鑰集合組成，而每
個密鑰集合包含四個密鑰組。節(jié)點在部署之前都被預置了參數(shù)DT，表示分組算法運行的時
段?？梢酝ㄟ^計時器或者計數(shù)器來實現(xiàn)，本發(fā)明選擇計時器來表示DT。 節(jié)點被部署后，首先啟動計時器，然后運行一個隨機數(shù)生成算法，為每個集合在相
應范圍內(nèi)生成一個隨機數(shù)，選擇該隨機數(shù)所對應的組作為本節(jié)點預備加入的組。 如果計時器歸零，則算法結(jié)束，預備加入的組將作為本節(jié)點最終加入的組，如果時
間沒有耗盡，則繼續(xù)運行如下算法。 如圖1所示，在一個實際應用中整個密鑰庫被劃分為兩個密鑰集合，每個密鑰集合包含4個密鑰組。每個節(jié)點采用CSMA/CA協(xié)議廣播位置消息〈v， Lv， {&， G2} >，其中v表示節(jié)點id， Lv表示節(jié)點v的位置，^與G2分別表示其在集合1與集合2中預備加入的組。
采用CSMA/CA協(xié)議可以解決信道沖突問題，所以在一個信道區(qū)域內(nèi)，在一特定的時間段只會有一個節(jié)點在廣播其位置信息。同時，如果產(chǎn)生沖突，則每個節(jié)點隨機退避一定時間再監(jiān)聽信道，因此整個算法具有隨機與公平的特性。 并且，每個節(jié)點v維持一個鏈表，其中鏈表元素是〈dist， {&， G2} >， {&， G2}表示節(jié)點v的某些鄰居節(jié)點在集合1中加入了 ^組。在集合2中加入了 G2組，dist表示節(jié)點v與這些鄰居節(jié)點中距自己最近鄰居的距離。其中鏈表元素是按照dist的降序排列的。
如圖3所示，假設節(jié)點1目前準備廣播的信息為〈1， {3，4}>，目前它所維護的鏈表為{〈2.1， {1，3}>，〈3.9， {2，2}>}，即表示存在一個或者多個鄰居在集合1中加入密鑰組1 ，在集合2中加入密鑰組3，這些鄰居到自己的最近距離為2. 1 ，存在一個或者多個鄰居在集合1中加入密鑰組2，在集合2中加入密鑰組2，這些鄰居到自己的最近距離為3. 9。但是節(jié)點1通過CSMA/CA協(xié)議進行廣播時與其他節(jié)點產(chǎn)生沖突，節(jié)點1選擇隨機退避，此過程中節(jié)點1收到節(jié)點7的廣播信息〈7，L7， {3，2}>，便計算出二者之間的距離為1.9，并更新自己所維護的鏈表為{〈1.9， {3，2}>，〈2.1， {1，3}>，〈3.9， {2，2}>}。 具體來說，因為在密鑰集合1中節(jié)點1的鄰居分別加入了密鑰組1、2、3，所以節(jié)點l選擇加入密鑰組4。在密鑰集合2中，節(jié)點1的鄰居分別加入密鑰組2，3，節(jié)點1隨機選擇加入密鑰組3或者4，最終選擇為4。因此節(jié)點1更新自己需要廣播的信息為〈l，Ll， {4，4}>。以上運算一直運行，直到DT等于O，此時節(jié)點l擬廣播信息中的分組即自己所選擇的最終分組?？梢钥闯?，本方法是分布式的，并且每個節(jié)點都將盡量選擇與它鄰居節(jié)點不同的組加入，最終使節(jié)點平均分配在各個組中。算法運行時間越長，則分布效果越好，因此具有較好的適應性。 雖然在概念上可以認為每個節(jié)點是在一定的密鑰組內(nèi)選擇相應的密鑰，但是因為本發(fā)明中節(jié)點的密鑰與位置相關，在實際應用中節(jié)點一般不會事先掌握其將要被部署的位置。因此，本發(fā)明中節(jié)點獲得密鑰的具體方法如下每個節(jié)點在被部署之前都將獲得4個主密鑰及一個哈希函數(shù)，4個主密鑰分別表示為KpI^，K3，K4。節(jié)點l被部署后，通過運行上一節(jié)的分組選擇算法，節(jié)點1加入了集合1中的第4組，即該組的對應主密鑰為K4K4，則節(jié)點i通過如下方式獲得其對應于該組中段落s的密鑰Ks = H(K4， 1， s)，其他集合中的相應密鑰計算方法相同。密鑰獲取之后，節(jié)點便刪除其所存儲的主密鑰。 如圖3所示，當一個事件發(fā)生時，在探測范圍內(nèi)的節(jié)點都將按照固定格式生成數(shù)據(jù)報，然后通過事先存儲的哈希函數(shù)與監(jiān)測密鑰生成消息認證碼，并向鄰居節(jié)點廣播此消息認證碼。 例如，節(jié)點2廣播的認證數(shù)據(jù)報如圖4所示，表示在節(jié)點2在密鑰集合1中加入密鑰組2，并生成相應的消息認證碼，在密鑰集合2中加入密鑰組3，并生成相應的消息認證碼。集合1收集到足夠多的認證碼(來自于2個密鑰集合中8個密鑰組)，便可以整合成一條完整的數(shù)據(jù)報向匯聚節(jié)點發(fā)送。 本實施例中如果事件發(fā)生的位置在坐標軸1上的投影為5，在坐標軸2上的投影為6，則途中節(jié)點12收到數(shù)據(jù)報后，首先判斷是否選擇坐標軸1的段落5或者坐標軸2的段落6作為認證段落。具體結(jié)合圖5來說，如果節(jié)點12選擇了坐標軸1的段落5作為認證段落，同時節(jié)點12在密鑰集合1中加入密鑰縱3，則節(jié)點12提取該數(shù)據(jù)報所攜帶的密鑰集合1中
9密鑰組3段落5對應的消息認證碼，并與利用自身密鑰計算的消息認證碼相比對。如果二者完全相同則認證通過，否則丟棄此數(shù)據(jù)報。如果認證通過，或者節(jié)點12沒有選擇相應的段落作為認證段落，則直接轉(zhuǎn)發(fā)此數(shù)據(jù)報。其他途中節(jié)點采用相同的處理方式，匯聚節(jié)點對收集到的數(shù)據(jù)報進行最后的認證操作，因為它掌握所有密鑰。
從覆蓋性能、過濾效率及抗俘獲性三個方面來看—— 覆蓋性能因為本發(fā)明所提出的分組算法具有隨機與公平的屬性，因此在分析過程中我們假設存儲某一個密鑰組的節(jié)點數(shù)目為Ne " N/G，其中N為網(wǎng)絡中節(jié)點總數(shù)目，每個密鑰集合包含G個密鑰組。為了計算的方便，我們令N。 = N/G，同時我們令G = T/M，M代表密鑰集合的數(shù)目，而每個數(shù)據(jù)報需要包含T個標記。 —般認為，單個傳感器節(jié)點的探測距離要遠小于整個網(wǎng)絡的尺度，本發(fā)明仍采用
此假設，并用R表示單個節(jié)點的探測半徑，因此一個節(jié)點的探測范圍為S二 JiR2。首先，考
慮一個密鑰集合中的一個特定密鑰組，因為有Ne = NM/T節(jié)點存儲這一密鑰組的密鑰，所以
網(wǎng)絡區(qū)域內(nèi)的任意一點被存儲此組密鑰的節(jié)點覆蓋的概率為^= 1(1-S/A) /T。網(wǎng)絡區(qū)域
內(nèi)的任意一點被一個密鑰集合中的所有組覆蓋的概率為Ps = P。T/M。網(wǎng)絡區(qū)域內(nèi)的任意一點
被所有密鑰集合的所有組覆蓋的概率為
<formula>formula see original document page 10</formula> 將此方法與擁有T個密鑰組的一維過濾方案進行對比。公平起見，每個密鑰組中密鑰數(shù)目被設置為相同的，并且每個節(jié)點隨機地以相同概率決定其所加入的密鑰組。在一維的過濾方案中，網(wǎng)絡區(qū)域內(nèi)的任意一點被T個密鑰組覆蓋的概率為P工=(1-(1_S/A)N/T)T。為了簡化表達方式，令a = (1-S/A)N/T。
因為，本方案與一維方案在覆蓋性能上的對比如下 <formula>formula see original document page 10</formula> 過濾效率在分析中假設攻擊者掌握了來自于Nc個不同密鑰組的密鑰，相應地偽造了來自于(T-Nc)個密鑰組的密鑰。在這種情況下，計算偽造的數(shù)據(jù)報在h步內(nèi)被過濾掉的概率。任一轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點過濾掉該數(shù)據(jù)報的概率為[酬《，》=M^。 為了簡化表達，令|3 = ((T-N。)/T)q，在存在M個集合的情況下，偽造數(shù)據(jù)報被過濾掉的概率為尸,=1 - (1 - ^= 1 - (1 _邪"。 如果考慮一維的途中過濾方案，過濾效率隨著密鑰組數(shù)目減少而增加。當密鑰庫被劃分為T個密鑰組的情況下， 一維方案的過濾效率達到最高。這種情況便相當于多維過濾方案中M等于1的情況，因此
<formula>formula see original document page 10</formula> 抗俘獲性為了計算方便，假設網(wǎng)絡區(qū)域在每條坐標軸上的投影距離都為L，坐標軸的單位長度為seg，每個節(jié)點的探測半徑為R。首先考慮密鑰集合l，假設節(jié)點v被攻擊者
俘獲，那么坐標軸1的第i段被節(jié)點V覆蓋的概率為《=^"P1 ， Pi可以認為是一個常量，
節(jié)點v以概率q從它選擇加入的組中獲取密鑰，所以一個節(jié)點獲得坐標軸1中第i段對應的密鑰的概率為<formula>formula see original document page 11</formula>同樣，Pai也可以被看作常量。 假設攻擊者俘獲了 N。m個節(jié)點，首先考慮這樣一個單位區(qū)域——它在每條坐標軸上的投影都是第i段。計算這個單位區(qū)域被完全俘獲的概率，即攻擊者可以偽造該區(qū)域所發(fā)生的事件而不被發(fā)現(xiàn)的概率。首先考慮集合1，很顯然攻擊者從密鑰集合1的G個組中獲得了 l個密鑰，計算得到X個節(jié)點屬于集合1中特定組k的概率<formula>formula see original document page 11</formula> 當x個節(jié)點被俘獲，則該組中對應于該段的密鑰被俘獲的概率為
<formula>formula see original document page 11</formula>
因此，對應于該段的密鑰被俘獲的概率為<formula>formula see original document page 11</formula>
因為一個數(shù)據(jù)報需要攜帶來自于集合1中G個組的G個密鑰，可以得到集合1整
體被俘獲的概率為<formula>formula see original document page 11</formula>
因為攻擊者俘獲了任何集合中的G個組的N。m個密鑰，可以計算得到此單位區(qū)域被完全俘獲的概率為<formula>formula see original document page 11</formula>
PMT代表了一個單位區(qū)域被俘獲的概率，總的網(wǎng)絡區(qū)域中被俘獲面積的期望值為
，其中S為整個網(wǎng)絡區(qū)域的面積。
因為本方案采用了地理位置相關的密鑰分配機制，即攻擊者俘獲部分節(jié)點則只能偽造一定區(qū)域內(nèi)發(fā)生的事件，這樣非常有利于網(wǎng)絡管理員進行定位與隔離，因此本發(fā)明也是一種抗俘獲的途中過濾解決方案。 通過上述的文字表述并結(jié)合附圖可以看出，采用本發(fā)明后，可以有效地應對無線傳感器網(wǎng)絡中的拒絕服務攻擊與虛假報告攻擊，解決了傳統(tǒng)途中過濾方法中覆蓋性能與過濾性能不可以同時提高的問題，同時仍然保持了較高的抗俘獲性。
權利要求
無線傳感器網(wǎng)絡的多維途中過濾方法，其特征在于包括以下步驟步驟①，將整體密鑰庫被分為兩層，設有M個密鑰集合與G個密鑰組，且每個密鑰組包含S個密鑰；步驟②，采用坐標軸旋轉(zhuǎn)方式，令整個網(wǎng)絡區(qū)域內(nèi)存在M條坐標軸，每條坐標軸在網(wǎng)絡區(qū)域內(nèi)的投影被等距離劃分為S段；步驟③，節(jié)點在部署之前都被預置了參數(shù)DT，表示分組算法運行的時段；節(jié)點被部署后，通過定位算法確定自身位置，每個節(jié)點選擇自己在每個集合中需要加入的密鑰組；步驟④，節(jié)點在部署時，其隨機在每個坐標軸上選擇“分段”作為其“驗證分段”，即獲得這些分段所對應的密鑰，以便對發(fā)生在遠處的事件所形成的報告進行驗證。步驟⑤，對節(jié)點計算其在每條坐標軸上的投影位置，根據(jù)其所加入的組及每條坐標軸上的投影位置，確定其需要存儲的每個密鑰集合中的密鑰；步驟⑥，當發(fā)生事件時，探測此事件的多個節(jié)點，共同標記此事件，形成報告并向匯聚節(jié)點傳送，轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點收到報告時，利用其所存儲的密鑰對此報告進行驗證，如果驗證不通過則丟棄此節(jié)點，否則轉(zhuǎn)發(fā)此節(jié)點；匯聚節(jié)點收到報告后，對其進行最后的驗證，根據(jù)驗證結(jié)果確定接受或丟棄此報告。
2. 根據(jù)權利要求1所述的無線傳感器網(wǎng)絡的多維途中過濾方法，其特征在于在步驟 ③所述的每個節(jié)點在部署之前都被分配了一個哈希函數(shù)H，用于獲得其自身需要存儲的密 鑰，以便對發(fā)生在其探測區(qū)域內(nèi)的事件進行標記。
3. 根據(jù)權利要求1所述的無線傳感器網(wǎng)絡的多維途中過濾方法，其特征在于步驟③ 所述的節(jié)點在部署后，首先通過一個隨機數(shù)生成算法，在每個集合中隨機選擇一個組作為 本節(jié)點預備加入的組，即{&，G2，. . . GM}，其中&表示其在集合i中預備加入的組，然后節(jié)點 運行一定的定位算法獲得其自身的位置，如果DT耗盡，則跳轉(zhuǎn)至步驟⑤。
4. 根據(jù)權利要求1所述的無線傳感器網(wǎng)絡的多維途中過濾方法，其特征在于步驟③ 所述的節(jié)點v生成其準備廣播的信息〈v， Lv， {Gvl， Gv2， ...GJ〉，其中v表示節(jié)點id， k表 示節(jié)點v的位置，Gvi表示節(jié)點v在集合i中選擇加入的組，節(jié)點采用CSMA/CA協(xié)議廣播信 息，如果信道不產(chǎn)生沖突，則發(fā)送成功，否則隨機退避一定的時間再次選擇發(fā)送；并且任意 節(jié)點v維護一個鏈表，其中鏈表元素是〈dist， {&， G2， . . . GJ〉，鏈表元素按照dist降序排 列，假設有m個節(jié)點在集合i中預備加入組Gi， dist表示節(jié)點v距這m個節(jié)點中之間的最 短距離；節(jié)點v收到任意節(jié)點u的廣播〈u， Lu， {Gul， Gu2， Gj >后，將進行如下步驟首 先計算節(jié)點v與節(jié)點u之間的距離，設計算結(jié)果為Lw節(jié)點v更新本身所維護的鏈表，如果 {Gul， Gu2， . . . GJ在以前的鏈表中存在并假設其對應的dist為dis^ ;如果Lvu < distp則 用Lvu替換distl，否則保持dis^不變；如果{Gul， Gu2， . . . 在以前的鏈表中不存在，則 將〈LVU， {Gul， . . . GJ >插入鏈表；節(jié)點v更新其分組的信息及廣播信息；對于任意一個 密鑰集合j，節(jié)點v按照如下的方法更新其所需要加入的組節(jié)點v遍歷并記錄其鏈表中節(jié) 點在集合j中加入的組，如果還有i個組沒有節(jié)點加入，則節(jié)點v在這i個組中隨機選擇一 個加入，如果所有的組都已經(jīng)有節(jié)點加入，則節(jié)點v從這些節(jié)點中選擇距離最選的節(jié)點，并 加入其所加入的組；對于其他任意集合，節(jié)點v按照同樣方法確定其所需要加入的組；如果 DT未耗盡，跳轉(zhuǎn)至步驟②。
5. 根據(jù)權利要求1所述的無線傳感器網(wǎng)絡的多維途中過濾方法，其特征在于步驟⑥所述的驗證為，假設原始數(shù)據(jù)報為D，同時D攜帶有一個消息認證碼MAC(k， D);其中MAC是 一個全局函數(shù)，所有的節(jié)點都知道，k是密鑰；如果節(jié)點i恰好存儲有密鑰k，則節(jié)點i也計 算MAC (k， D)，如果與數(shù)據(jù)報中攜帶的MAC (k， D) —致，則驗證通過，否則不通過。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種無線傳感器網(wǎng)絡的多維途中過濾方法，將網(wǎng)絡密鑰庫被分為多個集合，每個節(jié)點可以在每個集合中都選擇一個組加入。可以有效地應對無線傳感器網(wǎng)絡中的拒絕服務攻擊與虛假報告攻擊，解決了傳統(tǒng)途中過濾方法中覆蓋性能與過濾性能不可以同時提高的問題，同時仍然保持了較高的抗俘獲性。
文檔編號H04W84/18GK101754206SQ20091026488
公開日2010年6月23日 申請日期2009年12月25日 優(yōu)先權日2009年12月25日
發(fā)明者余艷瑋, 周學海, 張起元, 李曦, 楊峰, 陳香蘭, 高妍妍 申請人:中國科學技術大學蘇州研究院