池玉辰,鄧 平
(西南交通大學(xué)信息編碼與傳輸重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610031)
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一種移動無線傳感器網(wǎng)絡(luò)抵御蟲洞攻擊MCL算法*
池玉辰,鄧 平*
(西南交通大學(xué)信息編碼與傳輸重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610031)
MCL算法作為MWSN的一種經(jīng)典定位算法,其安全性還欠缺考慮,為了使MCL算法能抵御蟲洞攻擊,分析了MCL機(jī)制及蟲洞攻擊對MCL性能的影響,在此基礎(chǔ)上提出了一種能抵御蟲洞攻擊的安全MCL算法—DewormMCL。該算法利用節(jié)點(diǎn)的移動性有效識別錨節(jié)點(diǎn)信息,剔除掉偽錨節(jié)點(diǎn)信息,且不需要額外的硬件支持,也不會增加通信開銷。仿真結(jié)果表明,該安全定位算法對蟲洞攻擊具有較好的抵御性;隨著算法的收斂,遭受蟲洞攻擊的MCL性能逐漸恢復(fù)正常,在文中的仿真條件下,定位誤差從0.45r降到0.4r,定位率從80%提升到90%。
MWSN;MCL;蟲洞攻擊;DewormMCL;移動性
移動無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MWSN(Mobile Wireless Sensor Networks)是一種特殊的無線傳感器網(wǎng)絡(luò),節(jié)點(diǎn)的可移動性是其關(guān)鍵特征。目前,MWSN主要應(yīng)用于監(jiān)測和定位追蹤[1-2]。由于傳感器節(jié)點(diǎn)資源受限,并且常常被部署于無人看守的環(huán)境,有的甚至部署于敵對戰(zhàn)場,MWSN相比傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)更容易受到攻擊,MWSN的安全定位已成為一個亟待解決的關(guān)鍵問題。MWSN中可能遇到的典型攻擊包括欺騙攻擊、蟲洞攻擊和女巫攻擊等,現(xiàn)有MWSN安全定位技術(shù)研究主要集中在抵御欺騙攻擊方面,對抵御蟲洞攻擊的研究還未見過相關(guān)文獻(xiàn)。蒙特卡洛定位[3](Monte Carlo Localization,MCL)法作為MWSN的經(jīng)典定位算法已得到深入研究,國內(nèi)外學(xué)者在此基礎(chǔ)上衍生出很多新的定位算法[4-7],這些算法雖然改善了定位性能,但目前還很少考慮安全定位的問題。為了使MCL算法能有效抵御蟲洞攻擊,本文開展了具備抵御蟲洞攻擊能力的MCL算法的研究。
現(xiàn)有文獻(xiàn)對MWSN的安全定位問題研究得較少,文獻(xiàn)[8-10]提出了抵御欺騙攻擊的MWSN定位算法。文獻(xiàn)[8]中提出的SecMCL算法首次考慮了MCL的安全性,SecMCL采用消息認(rèn)證和新的采樣方式來抵御欺騙攻擊。它包括兩個過程:與MCL相同的過程和新的采樣過程,在沒有攻擊的情況下,MCL能得到足夠的樣本點(diǎn),因此該算法只會執(zhí)行MCL,直接跳過第2個過程;當(dāng)存在欺騙攻擊時(shí),在執(zhí)行完MCL的預(yù)測和濾波階段后可能得不到足夠的合法樣本,這時(shí)就要執(zhí)行新的采樣過程,保留與最多錨節(jié)點(diǎn)信息一致的樣本,減小攻擊對定位的影響。該算法對節(jié)點(diǎn)的存儲和計(jì)算能力要求較高。文獻(xiàn)[9-10]提出把梯度下降法運(yùn)用于MWSN的節(jié)點(diǎn)安全定位用來抵御欺騙攻擊,該算法首先利用定位節(jié)點(diǎn)的位置信息和測量到的信息構(gòu)造合適的代價(jià)函數(shù),采用迭代梯度下降算法最小化代價(jià)函數(shù),使節(jié)點(diǎn)的位置估計(jì)達(dá)到LS估計(jì),然后剔除掉有較大殘差的“力矢量”,使定位節(jié)點(diǎn)的估計(jì)位置逐漸逼近真實(shí)位置。此算法不需要錨節(jié)點(diǎn)參與定位,得到各個節(jié)點(diǎn)的相對位置后,通過3個節(jié)點(diǎn)的具體位置就可以知道每個節(jié)點(diǎn)的絕對位置,算法的計(jì)算復(fù)雜度較低,但迭代次數(shù)較多,網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍較小。
近年來,蟲洞攻擊已成為一個研究熱點(diǎn),常見的檢測和抵御方法可以歸納為3類:①基于對數(shù)據(jù)包時(shí)間和空間分析的方法。文獻(xiàn)[11]采用RTT來檢測兩個節(jié)點(diǎn)是否為真實(shí)鄰居,文獻(xiàn)[12]采用定向天線來防御蟲洞攻擊,每個節(jié)點(diǎn)通過檢查所接收信號的來源方向進(jìn)行鄰居判定,只有雙方的方向匹配,才能確定鄰居關(guān)系;②基于統(tǒng)計(jì)分析的方法。主要統(tǒng)計(jì)蟲洞鏈路出現(xiàn)的頻率和鄰居節(jié)點(diǎn)個數(shù),由于蟲洞鏈路是一條高質(zhì)量路由,所以在路由表中出現(xiàn)的比例很大,文獻(xiàn)[13]通過統(tǒng)計(jì)鏈路的使用頻率來確定是否遭受蟲洞攻擊,文獻(xiàn)[14-15]通過統(tǒng)計(jì)鄰居節(jié)點(diǎn)的個數(shù)分布來確定是否遭受蟲洞攻擊;③基于鄰居信任評估的方法。文獻(xiàn)[16]通過引入信任模型,收集鄰居以往信息作為信任評估的經(jīng)驗(yàn),然后根據(jù)模型對鄰居關(guān)系進(jìn)行可信評估,在選擇路由時(shí),選取高可信度的鄰居作為下一跳,繞開蟲洞鏈路。這些方法中有的依靠了特殊硬件,有的增加了算法開銷,有的對存儲和計(jì)算能力要求較高,都不適用于MWSN中的蟲洞檢測與防御。因此,本文在分析蟲洞攻擊對MCL算法定位性能影響的基礎(chǔ)上,提出了一種能抵御蟲洞攻擊的MCL算法。
Step 1(預(yù)測階段):在已知上一時(shí)刻節(jié)點(diǎn)的可能位置時(shí),節(jié)點(diǎn)在當(dāng)前時(shí)刻所在位置的分布為均勻分布:
(1)
圖1中盲節(jié)點(diǎn)N1從Pt-1移動到Pt,在時(shí)刻t,節(jié)點(diǎn)利用t-1時(shí)刻的采樣集合Lt-1及最大速度vmax產(chǎn)生新的采樣集合Lt:新采樣點(diǎn)lt在以舊采樣點(diǎn)lt-1為圓心,vmax為半徑的實(shí)線圓盤區(qū)域隨機(jī)選取。
圖1 MCL示意圖
Step2(濾波階段):節(jié)點(diǎn)根據(jù)所偵聽到的一階和二階錨節(jié)點(diǎn),從Lt中移出所有不可能的位置(使得p(lt|ot)=0的lt)。假設(shè)S表示節(jié)點(diǎn)偵聽到的所有一階錨節(jié)點(diǎn)集合,T表示節(jié)點(diǎn)偵聽到的所有二階錨節(jié)點(diǎn)集合。樣本的濾波條件為:
filter(l)=
(?s∈S,d(l,s)≤r)∩(?s∈T,r 圖1中,節(jié)點(diǎn)在t時(shí)刻偵聽到一階錨節(jié)點(diǎn)S1,二階錨節(jié)點(diǎn)S2和S3,符合條件的樣本落在網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)。 Step3(重采樣階段):濾波后,Lt中的采樣點(diǎn)可能小于N,隨后預(yù)測和濾波過程會重復(fù)進(jìn)行,直到采樣集合滿了或達(dá)到最大采樣次數(shù)。 (2) 蟲洞攻擊具有隱蔽性大、攻擊力強(qiáng)等特點(diǎn),通常由兩個以上的惡意節(jié)點(diǎn)共同協(xié)作完成攻擊,兩個處于不同區(qū)域的惡意節(jié)點(diǎn)會互相將接收到的定位信息,經(jīng)過私有的通信信道(蟲洞鏈路)傳遞給另一個惡意節(jié)點(diǎn),然后重放[17]。它分為隱式攻擊和顯示攻擊,文中討論的是隱式蟲洞攻擊。 如圖2所示,當(dāng)錨節(jié)點(diǎn)S收到定位請求后,S廣播自身信標(biāo),盲節(jié)點(diǎn)N1、N2和N3正常接收,蟲洞節(jié)點(diǎn)W1接收到后會經(jīng)過蟲洞鏈路傳給蟲洞節(jié)點(diǎn)W2,隨后在另一個區(qū)域的W2重放此信標(biāo),這時(shí)盲節(jié)點(diǎn)N4和N5都會收到,它們會誤認(rèn)為S為其一階錨節(jié)點(diǎn),由于兩個區(qū)域相距較遠(yuǎn),此時(shí)收到的不準(zhǔn)確錨節(jié)點(diǎn)信息會給定位造成嚴(yán)重影響。 圖2 蟲洞攻擊示意圖 MCL利用一階錨節(jié)點(diǎn)和二階錨節(jié)點(diǎn)信息進(jìn)行定位,蟲洞攻擊對盲節(jié)點(diǎn)定位的影響分兩類情形:①盲節(jié)點(diǎn)周圍既存在真實(shí)的錨節(jié)點(diǎn),也存在虛假的錨節(jié)點(diǎn)—偽錨節(jié)點(diǎn),②盲節(jié)點(diǎn)周圍只存在偽錨節(jié)點(diǎn)。 圖3(a)和3(b)是第1類情形,分為兩種情況:盲節(jié)點(diǎn)分別是蟲洞節(jié)點(diǎn)的一階鄰居和二階鄰居。圖3(a)中盲節(jié)點(diǎn)N1是蟲洞節(jié)點(diǎn)W1的一階鄰居,S1和S2是N1的真實(shí)一階錨節(jié)點(diǎn),S3、S4和S5是真實(shí)二階錨節(jié)點(diǎn),在蟲洞攻擊的影響下,S6和S7成為N1的偽一階錨節(jié)點(diǎn),S8和S9成為偽二階錨節(jié)點(diǎn);圖3(b)中N1是W1的二階鄰居,S1和S2是它的真實(shí)一階錨節(jié)點(diǎn),S3、S4和S5是真實(shí)二階錨節(jié)點(diǎn),S6和S7成為N1的偽二階錨節(jié)點(diǎn)。 圖4(a)和4(b)是第2類情形,也有上述兩種情況。圖4(a)中N1是W1的一階鄰居,S1和S2成為N1的偽一階錨節(jié)點(diǎn),S3和S4成為偽二階錨節(jié)點(diǎn);圖4(b)中N1是W1的二階鄰居,S1和S2成為N1的偽二階錨節(jié)點(diǎn)。 從上述分析可以看出,當(dāng)盲節(jié)點(diǎn)處于蟲洞節(jié)點(diǎn)兩跳范圍內(nèi)時(shí)會受到蟲洞攻擊的影響,因此把這個區(qū)域稱為蟲洞區(qū)域,如圖5中陰影區(qū)域所示,其他區(qū)域稱為非蟲洞區(qū)域。 圖3 第1類蟲洞攻擊情形 圖4 第2類蟲洞攻擊情形 圖5 蟲洞區(qū)域示意圖 當(dāng)錨節(jié)點(diǎn)密度較大時(shí),第1類情形容易發(fā)生,處于蟲洞區(qū)域的盲節(jié)點(diǎn)收集到不一致的錨節(jié)點(diǎn)信息,對MCL影響表現(xiàn)為得不到合法的樣本,致使原本可以定位的節(jié)點(diǎn)無法定位,降低節(jié)點(diǎn)定位率;當(dāng)錨節(jié)點(diǎn)密度較小時(shí),第2類情形會發(fā)生,處于蟲洞區(qū)域的盲節(jié)點(diǎn)只收集到錯誤的錨節(jié)點(diǎn)信息,對MCL影響表現(xiàn)為使得原本無法定位的節(jié)點(diǎn)定位錯誤,一定程度上會提高定位率。 基于上述分析,當(dāng)錨節(jié)點(diǎn)密度適中時(shí),第1類情形發(fā)生概率較大,第2類情形發(fā)生概率小,但會發(fā)生,因此蟲洞攻擊對MCL影響表現(xiàn)為降低節(jié)點(diǎn)定位率,一定程度上會增大定位誤差。 4.1 算法描述 節(jié)點(diǎn)在移動過程中不斷的在進(jìn)行定位,當(dāng)盲節(jié)點(diǎn)從非蟲洞區(qū)域移動到蟲洞區(qū)域時(shí),保留上一時(shí)刻的定位值并且不斷更新,利用上一時(shí)刻的定位值就可以識別當(dāng)前時(shí)刻的偽錨節(jié)點(diǎn)信息。后續(xù)討論中把上一時(shí)刻稱為t-1時(shí)刻,當(dāng)前時(shí)刻稱為t時(shí)刻。 圖6 算法示意圖 4.2 兩個具體問題 ①t-1時(shí)刻定位值的準(zhǔn)確性。當(dāng)錨節(jié)點(diǎn)密度較小時(shí),在蟲洞區(qū)域移動的一些盲節(jié)點(diǎn),在某些時(shí)刻僅收集到錯誤的錨節(jié)點(diǎn)信息,這將導(dǎo)致t-1時(shí)刻定位錯誤,在后續(xù)時(shí)刻盲節(jié)點(diǎn)會利用錯誤的定位值濾除正確的錨節(jié)點(diǎn)信息而定位錯誤。 ②t-1時(shí)刻定位值的更新。受到蟲洞影響的盲節(jié)點(diǎn)由于收集到不一致的錨節(jié)點(diǎn)信息而無法正常定位,這將導(dǎo)致t-1時(shí)刻定位值更新滯后,如果t-1時(shí)刻定位值得不到更新,并且當(dāng)盲節(jié)點(diǎn)逐漸遠(yuǎn)離這一定位值區(qū)域時(shí),在后續(xù)時(shí)刻盲節(jié)點(diǎn)會利用過時(shí)的定位值濾除掉所有的錨節(jié)點(diǎn)信息而無法定位。 對于問題①,在使用MCL時(shí),如果檢測到盲節(jié)點(diǎn)能夠長時(shí)間地在連續(xù)時(shí)刻定位,說明它很可能處于非蟲洞區(qū)域,由于節(jié)點(diǎn)在不停的移動,在連續(xù)時(shí)刻定位錯誤的可能性很小,因此選取能夠長時(shí)間連續(xù)定位時(shí)刻的定位值作為t-1時(shí)刻的定位值。對于問題②,如果檢測到節(jié)點(diǎn)長時(shí)間地在連續(xù)時(shí)刻無法定位,就啟動MCL,直到能夠長時(shí)間地在連續(xù)時(shí)刻定位就更新t-1時(shí)刻的定位值,這樣既可以讓節(jié)點(diǎn)重新定位,也能保證t-1時(shí)刻定位值的準(zhǔn)確性。整個算法的流程如圖7所示。 圖7 算法流程圖 在仿真實(shí)驗(yàn)中,所有的節(jié)點(diǎn)隨機(jī)布撒在500m×500m的矩形區(qū)域內(nèi),節(jié)點(diǎn)采用RandomWayPoint移動模型,在該模型中,節(jié)點(diǎn)在每個時(shí)刻的運(yùn)動方向和速度都是隨機(jī)的。兩個蟲洞節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)參考文獻(xiàn)[14]進(jìn)行設(shè)置,具體數(shù)值如表1所示,這樣蟲洞鏈路剛好處于矩形區(qū)域的中心,對系統(tǒng)定位性能影響最大。表1是仿真參數(shù)的典型值,后續(xù)在研究一些參數(shù)對定位性能的影響時(shí),會對其作出相應(yīng)調(diào)整,并把連續(xù)能夠定位時(shí)刻的個數(shù)和連續(xù)不能定位時(shí)刻的個數(shù)統(tǒng)稱為連續(xù)時(shí)刻個數(shù)n,遭受蟲洞攻擊的MCL算法稱為WormMCL,抵御蟲洞攻擊的MCL算法稱為DewormMCL。定位誤差為每個定位時(shí)刻能夠定位節(jié)點(diǎn)定位誤差的平均值,定位率為每個定位時(shí)刻能夠定位節(jié)點(diǎn)所占的比例,平均定位誤差和平均定位率為算法收斂過程中前100個時(shí)刻的平均值,仿真結(jié)果均在MATLAB上獨(dú)立運(yùn)行10次取平均值。 表1 仿真參數(shù)典型值設(shè)置 圖8 定位誤差和定位率對比圖 5.1 定位性能隨時(shí)間的關(guān)系 圖8(a)和8(b)分別是3種算法定位誤差和定位率隨時(shí)間的關(guān)系,從圖中看出,受蟲洞攻擊后,定位誤差從0.4r提高到0.45r,定位率從90%降低到80%,在第100個時(shí)刻,DewormMCL性能基本收斂到未受攻擊時(shí)的正常值。從圖中也可以看出,n值越大,定位誤差越小,但定位率收斂速度越慢。因此在選取n值時(shí),既要考慮算法的收斂時(shí)間,又要考慮定位誤差不能太大,合適地選取n值很重要,后續(xù)參數(shù)仿真中取n=5。 5.2 各參數(shù)對定位性能的影響 5.2.1 節(jié)點(diǎn)移動速度 如圖9(a)所示,當(dāng)vmax=0.4r時(shí),3種算法的定位誤差最小,節(jié)點(diǎn)移動速度適中時(shí),盲節(jié)點(diǎn)在運(yùn)動過程中會碰到更多的錨節(jié)點(diǎn),當(dāng)節(jié)點(diǎn)移動速度過快時(shí),會導(dǎo)致采樣區(qū)域過大,采集的樣本準(zhǔn)確性降低。當(dāng)vmax≤0.4r時(shí),DewormMCL的定位誤差比WormMCL還大,這是由于節(jié)點(diǎn)移動速度過慢,n值過小,一些定位錯誤的盲節(jié)點(diǎn)利用錯誤的定位值濾掉了正確的錨節(jié)點(diǎn)信息,在后續(xù)時(shí)刻也定位錯誤。從上圖9(b)中可以看出,vmax對DewormMCL算法的定位率影響較大,當(dāng)r≤vmax≤1.4r時(shí),定位率能快速收斂到正常值。綜合考慮vmax對定位性能的影響,取vmax=r較為適宜。 圖9 節(jié)點(diǎn)移動速度vmax對定位性能的影響 5.2.2 錨節(jié)點(diǎn)密度 增大錨節(jié)點(diǎn)密度Sd會使盲節(jié)點(diǎn)周圍的一階錨節(jié)點(diǎn)和二階錨節(jié)點(diǎn)增多,盲節(jié)點(diǎn)利用這些增多的一階錨節(jié)點(diǎn)和二階錨節(jié)點(diǎn)信息改善定位效果。如圖10(a)和10(b)所示,3種算法的定位性能都隨Sd的增大而有所改善。從圖10(a)看出,當(dāng)Sd<1.5時(shí),DewormMCL對攻擊的改善效果并不明顯,這是因?yàn)橐恍┰馐芟x洞攻擊的盲節(jié)點(diǎn)只接收到了錯誤的錨節(jié)點(diǎn)信息,導(dǎo)致連續(xù)定位錯誤;當(dāng)Sd>1.5時(shí),受蟲洞攻擊的盲節(jié)點(diǎn)由于總能收集到不一致的錨節(jié)點(diǎn)信息,更多的表現(xiàn)為不能定位,而不是錯誤定位,所以3種算法的定位誤差基本一致,如圖10(a)所示,但此時(shí)定位率會下降,如圖10(b)中WormMCL曲線所示。錨節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增多會相應(yīng)增大系統(tǒng)代價(jià),綜合考慮Sd對定位性能的影響,因此取Sd=2較為適宜。 圖10 錨節(jié)點(diǎn)密度Sd對定位性能的影響 圖11 盲節(jié)點(diǎn)密度Nd對定位性能的影響 5.2.3 盲節(jié)點(diǎn)密度 增大盲節(jié)點(diǎn)密度Nd,會相應(yīng)增加二階錨節(jié)點(diǎn)的數(shù)量。如圖11(a)和11(b)所示,Nd對3種算法的定位性能均有影響,它們有一個盲節(jié)點(diǎn)密度門限值Nd=10。當(dāng)Nd<10時(shí),3種算法的定位性能隨Nd的增大而有所改善,當(dāng)Nd增加到一定程度時(shí),二階錨節(jié)點(diǎn)數(shù)量趨于飽和,3種算法的定位性能維持不變,因此選取Nd=10比較合適。 5.2.4 通信半徑不規(guī)則度 如圖12(a)所示,當(dāng)doi<0.1時(shí),3種算法的定位誤差基本不變,當(dāng)doi>0.1時(shí),3種算法的定位誤差都隨doi的增大而增大。doi越大,越有可能漏掉正常范圍內(nèi)的一階和二階錨節(jié)點(diǎn)或者使二階錨節(jié)點(diǎn)變成一階錨節(jié)點(diǎn),兩跳范圍外的錨節(jié)點(diǎn)變成二階錨節(jié)點(diǎn)。 如圖12(b)所示,當(dāng)doi<0.1時(shí),3種算法的定位率基本不變,當(dāng)doi>0.1時(shí),3種算法的定位率呈下降趨勢,這是因?yàn)檩^大的doi使得盲節(jié)點(diǎn)獲得了更大的錨節(jié)點(diǎn)信息空間,增加了一部分兩跳范圍外的錨節(jié)點(diǎn)信息,由于錨節(jié)點(diǎn)信息不一致,使得一些盲節(jié)點(diǎn)得不到合法樣本而無法定位。 圖12 通信半徑不規(guī)則度doi對定位性能的影響 本文首次研究了MWSN中的隱式蟲洞攻擊,分析了此類蟲洞攻擊對MCL性能的影響,并提出了利用節(jié)點(diǎn)移動特性識別錨節(jié)點(diǎn)信息抵御蟲洞攻擊的MCL算法,算法執(zhí)行簡單,并能有效抵御抵御蟲洞攻擊,在沒有遭受蟲洞攻擊也能達(dá)到MCL算法的性能。 文中討論的是一對靜態(tài)的隱式蟲洞節(jié)點(diǎn)聯(lián)合進(jìn)行攻擊,在今后的研究中,還需要分別考慮顯式蟲洞攻擊、移動的蟲洞攻擊、多對蟲洞節(jié)點(diǎn)聯(lián)合攻擊等情形下對MWSN中定位算法的影響。 [1] 鄧曉明.移動無線傳感器網(wǎng)絡(luò)復(fù)制節(jié)點(diǎn)攻擊檢測協(xié)議的研究[D]. 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué),2011. 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MWSN;MCL;wormhole attack;DewormMCL;mobility 項(xiàng)目來源:國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61071107) 2015-01-23 修改日期:2015-02-28 C:7230 10.3969/j.issn.1004-1699.2015.06.017 TP393 A 1004-1699(2015)06-0876-073 蟲洞攻擊對MCL性能的影響
4 抵御蟲洞攻擊的MCL算法
5 仿真結(jié)果與分析
6 結(jié)束語