專利名稱：一種基于嵌入水印的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全定位系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全定位系統(tǒng)，特別涉及一種基于嵌入水印的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全定位系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
無線傳感網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)分布往往具有隨意性和隨機(jī)性，對所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行位置預(yù)設(shè)有很大的困難。無線傳感網(wǎng)絡(luò)很大一部分應(yīng)用與節(jié)點(diǎn)的位置相關(guān)，所以目前定位系統(tǒng)大都依據(jù)無線通信的某些物理屬性(如時(shí)延、功耗、入角、相位差、區(qū)域覆蓋和轉(zhuǎn)發(fā)跳數(shù)等)來確定節(jié)點(diǎn)間的位置關(guān)系，定位算法大都采用幾何方法以已知位置的節(jié)點(diǎn)為參照估算出未知節(jié)點(diǎn)的位置。然而網(wǎng)絡(luò)中無線通信的特性致使這些物理屬性很容易被攻擊者復(fù)制、阻塞和改變， 還有定位參照信息所具有的不對稱性，使得未知節(jié)點(diǎn)的定位很難保證安全性。目前，無線傳感網(wǎng)絡(luò)防范定位攻擊的方法主要有四種。針對錨節(jié)點(diǎn)安全的定位技術(shù)，基于數(shù)據(jù)融合的位置計(jì)算方法，基于區(qū)域的位置確認(rèn)方法，基于加密的方法實(shí)現(xiàn)認(rèn)證的定位。這些方法有一個(gè)共同的特點(diǎn)，依賴少量的可信任的實(shí)體(驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)或者錨節(jié)點(diǎn))，對其它節(jié)點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證，即集中式的定位驗(yàn)證。但這些實(shí)體通常比普通節(jié)點(diǎn)有更多的通信量，通過流量分析，這部分節(jié)點(diǎn)比較容易被追蹤和定位，也就容易被發(fā)現(xiàn)破壞。常見的安全解決方案對整個(gè)定位系統(tǒng)的安全需求而言，有些對節(jié)點(diǎn)的硬件要求較高，有些需大的通信量，有些需要非常復(fù)雜的算法，而且大都還沒形成完善的安全體系，大多只能對抗特定的定位攻擊，無法應(yīng)對具有多樣、隱蔽和復(fù)合多織等特點(diǎn)的攻擊行為，而且采用集中式校驗(yàn)機(jī)制無法有效支持周期性或事件驅(qū)動的位置校驗(yàn)。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種多層次，結(jié)合現(xiàn)有安全措施的分散式安全定位，滿足定位系統(tǒng)安全需要的基于嵌入水印的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全定位系統(tǒng)及技術(shù)方法。本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案是包括節(jié)點(diǎn)接入模塊、安全測距模塊、水印嵌入模塊、三邊測量法定位模塊和計(jì)算與測量一致性比較模塊，所述的節(jié)點(diǎn)接入模塊通過節(jié)點(diǎn)分別與安全測距模塊和三邊測量法定位模塊連接，安全測距模塊通過節(jié)點(diǎn)與三邊測量法定位模塊連接，所述的水印嵌入模塊與三邊測量法定位模塊連接，三邊測量法定位模塊與計(jì)算與測量一致性比較模塊連接。一種基于嵌入水印的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全定位方法，包括以下步驟
1)節(jié)點(diǎn)通過獲取發(fā)射功率和接收功率計(jì)算得出發(fā)射節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)之間的距離，所有的節(jié)點(diǎn)完成測距信號的收集任務(wù)后，各節(jié)點(diǎn)將自己的發(fā)射功率值加密，向外廣播；
2)在錨節(jié)點(diǎn)發(fā)布的位置信息中嵌入水?。?br> 3)正常節(jié)點(diǎn)根據(jù)水印信息識別出錨節(jié)點(diǎn)以后，根據(jù)和錨節(jié)點(diǎn)的距離及坐標(biāo)計(jì)算出自己的坐標(biāo)位置，完成定位；4)所有通信范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)得到自己的位置坐標(biāo)，節(jié)點(diǎn)發(fā)布自己的坐標(biāo)信息，根據(jù)節(jié)點(diǎn)位置坐標(biāo)計(jì)算出節(jié)點(diǎn)間的距離，惡意節(jié)點(diǎn)隨意發(fā)布的坐標(biāo)信息將無法滿足與多個(gè)節(jié)點(diǎn)測量距離的要求，從而可被識別出。由于采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明的技術(shù)效果是
1、本發(fā)明提供了一種多層次，多方位的安全定位方法。即通過接入密鑰來保證定位節(jié)點(diǎn)的合法性，通過節(jié)點(diǎn)間距離測量一致性防止部分惡意攻擊行為，通過嵌入水印來隱藏錨節(jié)點(diǎn)的位置信息，避免錨節(jié)點(diǎn)遭受攻擊，通過計(jì)算與測量一致性的比較來防止合謀攻擊。整個(gè)安全定位過程涉及無線傳感網(wǎng)絡(luò)的物理層、MAC層、網(wǎng)絡(luò)層，對當(dāng)前的一些常見的惡意攻擊都有很好的預(yù)防作用。2、提供了一種分散式的安全定位方法。常見的安全定位方法往往依賴于核心節(jié)點(diǎn)，一旦該節(jié)點(diǎn)被識別和攻擊，整個(gè)安全體系都將受到影響。本發(fā)明提出的分散式驗(yàn)證方法，所有定位節(jié)點(diǎn)都參與了位置信息的確認(rèn)，并將錨節(jié)點(diǎn)的信息嵌入水印進(jìn)行隱藏，攻擊者很難找到這些節(jié)點(diǎn)并取代其發(fā)布定位信息，從而難以發(fā)起定位攻擊。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明的三邊定位法原理圖。圖3為本發(fā)明的測量與計(jì)算一致性原理圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。如圖1所示，基于嵌入水印的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全定位系統(tǒng)包括節(jié)點(diǎn)接入模塊、 安全測距模塊、水印嵌入模塊、三邊測量法定位模塊和計(jì)算與測量一致性比較模塊，所述的節(jié)點(diǎn)接入模塊通過節(jié)點(diǎn)分別與安全測距模塊和三邊測量法定位模塊連接，安全測距模塊通過節(jié)點(diǎn)與三邊測量法定位模塊連接，所述的水印嵌入模塊與三邊測量法定位模塊連接，三邊測量法定位模塊與計(jì)算與測量一致性比較模塊連接。所述的節(jié)點(diǎn)接入模塊采用近距離無線通信的ZigBee協(xié)議與通信范圍內(nèi)的其它節(jié)點(diǎn)自組織成網(wǎng)，節(jié)點(diǎn)有兩類，一類為未知位置節(jié)點(diǎn)，一類為已知位置的錨節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)接入模塊采用基本的對稱密鑰對信號進(jìn)行加密處理，進(jìn)行通信，簇頭節(jié)點(diǎn)通過對稱密鑰識別合法的節(jié)點(diǎn)。所述的安全測距模塊，建立在節(jié)點(diǎn)接入模塊的基礎(chǔ)上，節(jié)點(diǎn)接入模塊采用可測信號強(qiáng)度的無線收發(fā)芯片完成，可隨機(jī)的調(diào)整節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率，接收節(jié)點(diǎn)可通過RSSI指示出接收的信號強(qiáng)度。節(jié)點(diǎn)以隨機(jī)的功率發(fā)布測距信息，經(jīng)過特定的時(shí)間，所有的節(jié)點(diǎn)都完成了測距信號的收集任務(wù)后，各節(jié)點(diǎn)將自己的發(fā)射功率值加密，以最大功率向外廣播，無法解密的惡意節(jié)點(diǎn)將無法獲得鄰居節(jié)點(diǎn)正確的發(fā)射功率值，從而無法正確的計(jì)算出與鄰居節(jié)點(diǎn)的距離，最終兩相鄰節(jié)點(diǎn)之間的距離測量值會不一致，從而可以排除一部分惡意節(jié)點(diǎn)。所述的水印嵌入模塊，在接入模塊的基礎(chǔ)上，對錨節(jié)點(diǎn)的信息進(jìn)行水印進(jìn)行標(biāo)識。 許多節(jié)點(diǎn)都發(fā)布自己的位置信息，但只有錨節(jié)點(diǎn)的位置信息嵌入水印，從而保證錨節(jié)點(diǎn)的隱藏，正常節(jié)點(diǎn)識別出錨節(jié)點(diǎn)以后，用其位置信息采用三邊定位法獲得自己的位置，惡意節(jié)點(diǎn)無法知道確定哪個(gè)節(jié)點(diǎn)的位置信息是錨節(jié)點(diǎn)的，無從對自己正確定位，發(fā)布的惡意位置信息也由于沒有水印而不會被正常節(jié)點(diǎn)采用。實(shí)施過程先將位置信息用Hash函數(shù)計(jì)算其散列值，并將散列值作為關(guān)聯(lián)水印信息，將位置數(shù)據(jù)進(jìn)行類型轉(zhuǎn)換，將數(shù)據(jù)變?yōu)樽址?，為水印嵌入帶來冗余空間，在數(shù)據(jù)末尾以添加空格的方式嵌入水印信息，至此水印嵌入處理完成。水印提取過程，當(dāng)節(jié)點(diǎn)接收到位置數(shù)據(jù)后，根據(jù)水印嵌入時(shí)特別加入的緩沖域起始標(biāo)志提取每個(gè)緩沖域內(nèi)的數(shù)據(jù)，將關(guān)聯(lián)數(shù)字水印信息提取出來，并與重新計(jì)算本組數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)關(guān)系值進(jìn)行比較。如果兩者相同，證明數(shù)據(jù)為水印保護(hù)的數(shù)據(jù)，可以采用。所述的三邊測量法定位模塊，通過了接入模塊管理、安全測距和獲得了錨節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的節(jié)點(diǎn)，根據(jù)和錨節(jié)點(diǎn)的距離及坐標(biāo)等已知條件計(jì)算出自己的坐標(biāo)位置，完成定位。通信范圍內(nèi)如有多個(gè)錨節(jié)點(diǎn)，則選擇距自己最近的三個(gè)錨節(jié)點(diǎn)作為參考定位節(jié)點(diǎn)。原理如圖2所示，假設(shè)3個(gè)已知點(diǎn)的坐標(biāo)為
( ,J1),Cx2J2X(W3)，未知點(diǎn)到這3個(gè)已知點(diǎn)的距離為為，未知點(diǎn)的坐標(biāo)為
，則未知點(diǎn)的坐標(biāo)滿足公式(1)。
權(quán)利要求
1.一種基于嵌入水印的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全定位系統(tǒng)，其特征在于包括節(jié)點(diǎn)接入模塊、安全測距模塊、水印嵌入模塊、三邊測量法定位模塊和計(jì)算與測量一致性比較模塊，所述的節(jié)點(diǎn)接入模塊通過節(jié)點(diǎn)分別與安全測距模塊和三邊測量法定位模塊連接，安全測距模塊通過節(jié)點(diǎn)與三邊測量法定位模塊連接，所述的水印嵌入模塊與三邊測量法定位模塊連接，三邊測量法定位模塊與計(jì)算與測量一致性比較模塊連接。
2.一種基于嵌入水印的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全定位方法，包括以下步驟1)節(jié)點(diǎn)通過獲取發(fā)射功率和接收功率計(jì)算得出發(fā)射節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)之間的距離，所有的節(jié)點(diǎn)完成測距信號的收集任務(wù)后，各節(jié)點(diǎn)將自己的發(fā)射功率值加密，向外廣播；2)在錨節(jié)點(diǎn)發(fā)布的位置信息中嵌入水印；3)正常節(jié)點(diǎn)根據(jù)水印信息識別出錨節(jié)點(diǎn)以后，根據(jù)和錨節(jié)點(diǎn)的距離及坐標(biāo)計(jì)算出自己的坐標(biāo)位置，完成定位；4)所有通信范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)得到自己的位置坐標(biāo)，節(jié)點(diǎn)發(fā)布自己的坐標(biāo)信息，根據(jù)節(jié)點(diǎn)位置坐標(biāo)計(jì)算出節(jié)點(diǎn)間的距離，惡意節(jié)點(diǎn)隨意發(fā)布的坐標(biāo)信息將無法滿足與多個(gè)節(jié)點(diǎn)的測量距離的要求，從而可被識別出。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于嵌入水印的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全定位系統(tǒng)及方法。所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全定位系統(tǒng)包括節(jié)點(diǎn)接入模塊、安全測距模塊、水印嵌入模塊、三邊測量法定位模塊和計(jì)算與測量一致性比較模塊，所述的節(jié)點(diǎn)接入模塊通過節(jié)點(diǎn)分別與安全測距模塊和三邊測量法定位模塊連接，安全測距模塊通過節(jié)點(diǎn)與三邊測量法定位模塊連接，所述的水印嵌入模塊與三邊測量法定位模塊連接，三邊測量法定位模塊與計(jì)算與測量一致性比較模塊連接。本發(fā)明利用測量與計(jì)算是否一致來判斷惡意節(jié)點(diǎn)是否與周邊節(jié)點(diǎn)保持一致，通過水印的嵌入來防止惡意節(jié)點(diǎn)得到錨節(jié)點(diǎn)的真實(shí)位置信息，提高定位的安全性。
文檔編號H04W64/00GK102497636SQ201110411629
公開日2012年6月13日 申請日期2011年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月12日
發(fā)明者劉宏立, 吳伶錫, 詹杰 申請人:湖南科技大學(xué)