無線傳感器網絡位置隱私保護技術分析

趙立新 三門峽職業(yè)技術學院信息傳媒學院

前言:信息化時代，人們對于信息服務有著相當嚴格的要求，必須能夠在任何時間地點，借助任何設備來實現對任何內容的查詢，使得通信設備越發(fā)智能化、網絡化和小型化。無線傳感器網絡的出現，充分滿足了信息時代背景下人們的信息服務需求，打破了傳統(tǒng)通信與地點固定連接的模式，也使得移動信息服務成為可能。無線傳感器網絡提供的位置服務對于社會發(fā)展和經濟運作模式產生了不容忽視的影響，滲透到了人們工作與生活的各個方面，不過，在使用位置服務的同時，用戶本身的位置信息同樣可能暴露，增加了個人隱私泄露的風險。

1 無線傳感器網絡概述

無線傳感器網絡屬于一種任務型網絡，其本身面向應用，具備數據感知、數據處理以及數據傳輸功能，能夠有效滿足信息時代人們對于信息服務的特殊需求，也在一定程度上對人類認知世界的能力進行了拓展。低功耗、低成本以及可擴展性等優(yōu)點使得無線傳感器網絡被廣泛應用于交通運輸管理、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療衛(wèi)生、安全監(jiān)管等領域，發(fā)展前景廣闊。最近幾年，以無線傳感器網絡為依托，位置服務取得了相當顯著的成果，對于人們的生活習慣乃至思維方式都產生了不容忽視的影響，受到了社會各界的廣泛關注。例如，結合電子地圖的位置服務，人們可以查詢最近的超市、車站等，找到去往目標點的最近路線；在交通運輸行業(yè)，位置服務保證了物流配送管理的有效性，實現了對于產品運輸全過程的跟蹤定位。

不過，無線傳感器網絡本身采用的無線多跳通信很容易引發(fā)位置信息的泄漏，繼而引發(fā)嚴重后果。例如，智能交通為人們的日常出行提供了很大便利，但是通過對相關數據的分析，攻擊者能夠得到用戶的行為習慣和生活規(guī)律等隱私；國防軍事領域，位置信息一旦泄露，可能造成的危害更是無法預測。基于此，相關技術人員需要切實做好無線傳感器網絡位置隱私保護技術的研究，確保在滿足用戶信息服務需求的基礎上，面向不同的位置信息攻擊和竊取方式，運用虛假通信、路徑偽裝、匿名技術等，對真實的通信模式進行隱藏和保護，以避免敏感位置信息的泄漏，在這個過程中，還需要盡量提升數據查詢的效率和精度，降低通訊時延以及網絡能耗。

2 無線傳感器網絡位置隱私保護技術

2.1 內涵

最近幾年，GPS、GIS等技術的普及使得空間定位技術得到了飛速發(fā)展，位置服務也因此受到了越來越多的關注，在這種情況下，用戶個人的位置信息逐漸從隱性屬性轉變?yōu)轱@性屬性，原本屬于個人隱私的位置信息也面臨著各種各樣的安全威脅，因此，想要確保位置服務的有效性，需要首先做好位置隱私保護工作。在無線傳感器網絡中，位置隱私保護主要是通過先進技術與可靠方法，針對網絡中節(jié)點的位置隱私進行保護，做好位置服務使用過程中的位置隱私保護問題工作，避免用戶個人隱私的泄露。

2.2 問題

事實上，當人們使用位置服務時，位置服務本身就可能導致用戶位置隱私的泄露，而電磁信號通信的方式也使得攻擊者很容易對信號進行截取，結合一些公開信息完成對具體用戶的精確定位，使得用戶遭遇安全威脅。從目前來看，在位置服務中，存在的攻擊方式有幾種，一是背景知識攻擊，攻擊者可以結合自身掌握的知識和技能，對位置服務用戶的身份信息進行推斷，然后搜集其他隱私；二是樣本同質攻擊，在匿名區(qū)域內，位置服務類型相對較少，當用戶發(fā)起信息查詢時，攻擊者能夠輕易確定用戶的興趣愛好；三是異常值攻擊或者說查詢樣本攻擊，這里的異常值指分布在郊區(qū)等稀疏環(huán)境下的用戶，由于匿名區(qū)域較大，攻擊者通過異常值攻擊，能夠輕易確定位置信息，并將之與用戶身份進行綁定。除上述攻擊外，針對用戶位置隱私的攻擊還包括了中心位置攻擊、查詢追蹤攻擊、軌跡攻擊等，無論哪種攻擊，都可能給用戶的隱私信息以及個人安全造成嚴重威脅。

基于此，相關技術人員就位置隱私保護開展了大量研究，也取得了較為顯著的成果，但是在位置隱私保護中，依然存在有兩種矛盾沖突，一是位置隱私度與服務質量的矛盾。若位置隱私度要求高，則匿名區(qū)域會變大，位置服務提供商僅能得到非常模糊的用戶位置，從而導致檢索結果與用戶需求存在較大差異；反之，若用戶提供的位置信息接近真實位置，隱私度要求不高，則位置服務提供商得到的用戶信息幾乎完全真實，檢測結果的精度更高，用戶位置也更容易泄漏。因此，從研究人員的角度，如何實現位置隱私度與服務質量的相對平衡，在保證用戶位置隱私的同時提供更加可靠的位置服務，是一個需要深入研究的問題；二是位置隱私與個性化需求的矛盾。不同的用戶在使用位置服務時有著不同的需求，對于位置隱私度的要求同樣有所差異，并沒有相對統(tǒng)一的保護界限，如何通過個性化隱私度的設置，實現對于用戶的位置隱私保護，同樣是一個必須重視的內容。

2.3 技術

2.3.1 路徑偽裝策略

路徑偽裝，指在無線傳感器網絡中，開展數據傳輸不再以最短路徑為優(yōu)先選擇，而是選擇一條或多條偽裝路徑來延長位置隱私保護周期。在實際操作中，路徑偽裝策略存在兩種不同機制，一是多路徑機制，當攻擊者開展逐跳回溯追蹤時，想要對源節(jié)點進行準確定位，必須就同一路徑上傳輸的一系列數據包進行全部追蹤，而這些數據包的數量受攻擊者與源節(jié)點之間距離以及其攻擊范圍的影響。在多路徑機制中，源節(jié)點對于數據包的傳輸是從數條備用路徑中隨機選擇，會形成多個不同路徑，從而導致監(jiān)聽難度的增大。在相關研究中，可以利用RP和WRS實現對局部攻擊者逐跳回溯追蹤的應對，利用WRSE實現對全局攻擊者流量分析攻擊的應對，前者可以避免路徑設置過程的相交問題，擴大網絡覆蓋范圍，路徑選擇概率與路徑程度成正比，不過其本身依然可能導致節(jié)點相對位置的泄漏。WRS算法的引入很好地解決了這一問題。后者以多路徑機制為基礎，增加了間隙式數據發(fā)送以及虛假信息機制，可以產生攻擊誤導和防范的效果；二是隨機游走機制，洪范就是其中的一種特殊形式，不過考慮單純隨機游走的缺陷，這里對其進行改進，以保證通信的質量。以Xi等人的研究為例，其將GROW協(xié)議引入了隨機游走機制中，通過源節(jié)點與基站的同時游走，將目的節(jié)點設定為無線傳感器網絡的同一個代理節(jié)點，然后通過兩條游走路徑的組合，對源節(jié)點到基站節(jié)點的隨機游走路徑進行明確，配合布隆過濾器，有效避免了路由環(huán)路問題，保護強度高，能耗低，具備良好的可行性和可靠性。

2.3.2 陷阱誘導策略

陷阱誘導，指在無線傳感器網絡中設置虛假數據源、路由環(huán)路等陷阱并將攻擊者引入其中，使得其在虛假源節(jié)點長時間停留。策略實現的方法有兩種，一是虛假數據源，在SLFSR（基于虛假數據源的源位置隱私保護協(xié)議）中指出，節(jié)點在接收到數據包后，有一定幾率形成虛假數據包并向相鄰節(jié)點發(fā)送，然后被其丟棄，而通過對虛假數據包形成幾率的調節(jié)，能夠實現對網絡功耗及位置隱私保護強度的平衡。后續(xù)研究人員以此為基礎，提出了PFSR協(xié)議，將被動形成虛假數據包的機制變成了主動發(fā)送，借此形成虛假數據源來對真實源節(jié)點的位置隱私進行保護；二是環(huán)路陷阱，通過在網絡中增加路由環(huán)路的方式，將攻擊者引入其中，使得其不斷重復監(jiān)聽-移動過程，只有具備環(huán)路檢測功能同時回到環(huán)路起始節(jié)點后，攻擊者才可能發(fā)現自身處于陷阱中。

2.3.3 通信控制策略

通信控制強調對網絡通信協(xié)議進行修改，對通信模式進行調整，避免攻擊者獲取敏感信息，其本身采用的機制包括了跨層路由、定向通信、網絡編碼、數據中轉等。這里以定向通信機制為例進行簡單分析，通過在網絡中設置定向天線，可以進行數據定向發(fā)送，降低被監(jiān)聽和追蹤的概率，同時可以增大全局監(jiān)聽難度。從降低無線通信網能耗的角度，相關文獻提出了一種基于熵的信息壓縮方法，當被監(jiān)測事物出現變化時，會進行數據上傳，以此來代替周期性數據傳輸模式，經過實踐，可以有效解決位置隱私保護強度與網絡能搞之間的平衡問題。

3 結束語

總而言之，無線傳感器網絡的普及，帶動了人們生活方式和思維方式的轉變，基于位置的服務也為人們的日常工作生活提供了巨大便利，推動了信息化時代的進一步發(fā)展。不過，在位置服務中，存在著位置信息泄露的風險，可能對用戶的財產安全和人身安全造成威脅，需要相關技術人員和研究人員的重視，對無線傳傳感器網絡位置隱私保護問題進行深入分析，采取切實可行方法和技術，實現對于位置隱私的有效保護，保證用戶的個人隱私安全。

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