恶意攻击背景下的WSN安全定位算法研究

摘要

无线传感器网络是连接现实世界和数字世界的纽带，被广泛应用在智能交控、定位跟踪、物流调度、环境监测等领域。作为监测数据的重要组成部分，传感节点的位置信息同外部事件的感知和内部决策的制定有着密切的联系，直接关系到无线传感器网络应用的有效性和可靠性。确定传感节点的准确位置是无线传感器网络的基础功能之一，支撑着路由搜索、拓扑控制、方位锁定等依赖位置信息的应用。正因如此，无线传感器网络定位技术被重点研究并推广。
　　在绝大多数应用中，无线传感器网络均被布置在无法触及的恶劣环境，传统的安全验证、加密技术等措施难以满足安全定位的要求。因此，如何保障网络的安全性成为一项不容忽视的议题。近年来，无线传感器网络安全定位技术日益引起国内外学者的强烈关注。受此启发，本文以攻击并存的复杂应用环境中的无线传感器网络应用为背景，分别从最为典型的欺骗攻击和虫洞攻击入手，针对现行WSN节点定位算法安全隐患进行剖析，引入安全机制加以改进，致力于恶意攻击背景下的WSN安全定位问题的研究。本文主要研究内容和贡献如下:
　　第一，总结了无线传感器网络安全定位技术的国内外研究现状;阐述了定位技术的基础知识及相关原理;介绍了常见的攻击模型及其对定位的影响，归纳了不同攻击所呈现出的性质特点，为安全定位算法的设计提供了必不可少的理论支撑。
　　第二，针对诸如延时、重放、伪造、篡改类型的欺骗攻击，鉴于注入野值同原始信息缺乏一致性，通过引入残差分析、重叠检测等一致度衡量手段，达到容忍恶意攻击的目的。基于上述观察，文中对运用贪婪搜索、聚类优化、网络投票、统计分析的相关安全算法进行了深入研究和对比分析。
　　第三，针对诱导通信业务、破坏路由机制的虫洞攻击，考虑到此攻击可减少通信跳数、实现消息的跨区域传输，利用传输距离限定、消息份数检测等策略，能够较好地滤除虫洞影响。有鉴于此，文中对基于扇区天线的抗虫洞攻击算法SeRLoc及其改进算法HiRLoc、基于标记的抗虫洞攻击DV-HOP算法进行了细致地探讨和剖析。
　　第四，文中提出基于安全邻居发现的抗虫洞攻击DV-HOP算法。该算法依据路径跳数差异检测并滤除虫洞，可有效抵御攻击保证定位性能;此外，其不依赖于额外的硬件开销，较其他算法而言优势明显。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题的研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 无线传感器网络定位技术

1．2．2 无线传感器网络安全定位技术

1．2．3 现有技术总结

1．3 研究内容与结构安排

第2章 无线传感器网络定位技术及常见攻击模型

2．1 无线传感器网络定位技术概述

2．1．1 依赖测距的定位技术

2．1．2 无需测距的定位技术

2．1．3 定位性能评价指标

2．2 常见攻击模型及其对定位的影响

2．2．1 欺骗攻击

2．2．2 虫洞攻击

2．2．3 女巫攻击

2．3 本章小结

第3章 抵御欺骗攻击的安全定位算法研究

3．1 威胁模型假设

3．2 抵御攻击的最小均方误差算法

3．2．1 基础MMSE算法

3．2．2 一致性

3．2．3 门限选择

3．2．4 蛮力算法

3．2．5 贪婪算法

3．2．6 改进的贪婪算法

3．2．7 基于聚类的算法

3．3 基于统计分析的最小残差中值算法

3．3．1 抗差拟合：最小残差中值

3．3．2 基于LMS的强鲁棒性定位

3．4 循环校正式网络投票算法

3．4．1 基础投票策略

3．4．2 候选圆环与网格区块的交叠检测

3．4．3 循环校正机制

3．5 仿真实验及性能分析

3．5．1 评估准则

3．5．2 仿真环境

3．5．3 性能分析

3．6 本章小结

第4章 抵御虫洞攻击的安全定位算法研究

4．1 基于扇区天线的算法

4．1．1 网络模型

4．1．2 SeRLoc算法

4．1．3 HiRLoc算法

4．1．4 虫洞攻击及安全机制

4．1．5 仿真实验及性能分析

4．2 基于标记的抗虫洞攻击DV-HOP算法

4．2．1 网络模型

4．2．2 虫洞攻击对DV-HOP定位的影响

4．2．3 基于标记的DV-HOP定位

4．2．4 仿真实验及性能分析

4．3 基于安全邻居发现的抗虫洞攻击DV-HOP算法

4．3．1 网络模型

4．3．2 虫洞检测

4．3．3 虫洞滤除

4．3．4 安全定位

4．3．5 性能分析

4．4 本章小结

总结与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果