無線傳感器網(wǎng)絡(luò)位置隱私保護(hù)技術(shù)分析

趙立新 三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息傳媒學(xué)院

前言:信息化時代，人們對于信息服務(wù)有著相當(dāng)嚴(yán)格的要求，必須能夠在任何時間地點(diǎn)，借助任何設(shè)備來實(shí)現(xiàn)對任何內(nèi)容的查詢，使得通信設(shè)備越發(fā)智能化、網(wǎng)絡(luò)化和小型化。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)，充分滿足了信息時代背景下人們的信息服務(wù)需求，打破了傳統(tǒng)通信與地點(diǎn)固定連接的模式，也使得移動信息服務(wù)成為可能。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)提供的位置服務(wù)對于社會發(fā)展和經(jīng)濟(jì)運(yùn)作模式產(chǎn)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(wù)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(fēng)險。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)屬于一種任務(wù)型網(wǎng)絡(luò)，其本身面向應(yīng)用，具備數(shù)據(jù)感知、數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)傳輸功能，能夠有效滿足信息時代人們對于信息服務(wù)的特殊需求，也在一定程度上對人類認(rèn)知世界的能力進(jìn)行了拓展。低功耗、低成本以及可擴(kuò)展性等優(yōu)點(diǎn)使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)被廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸管理、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療衛(wèi)生、安全監(jiān)管等領(lǐng)域，發(fā)展前景廣闊。最近幾年，以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為依托，位置服務(wù)取得了相當(dāng)顯著的成果，對于人們的生活習(xí)慣乃至思維方式都產(chǎn)生了不容忽視的影響，受到了社會各界的廣泛關(guān)注。例如，結(jié)合電子地圖的位置服務(wù)，人們可以查詢最近的超市、車站等，找到去往目標(biāo)點(diǎn)的最近路線；在交通運(yùn)輸行業(yè)，位置服務(wù)保證了物流配送管理的有效性，實(shí)現(xiàn)了對于產(chǎn)品運(yùn)輸全過程的跟蹤定位。

不過，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(yán)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(guān)數(shù)據(jù)的分析，攻擊者能夠得到用戶的行為習(xí)慣和生活規(guī)律等隱私；國防軍事領(lǐng)域，位置信息一旦泄露，可能造成的危害更是無法預(yù)測。基于此，相關(guān)技術(shù)人員需要切實(shí)做好無線傳感器網(wǎng)絡(luò)位置隱私保護(hù)技術(shù)的研究，確保在滿足用戶信息服務(wù)需求的基礎(chǔ)上，面向不同的位置信息攻擊和竊取方式，運(yùn)用虛假通信、路徑偽裝、匿名技術(shù)等，對真實(shí)的通信模式進(jìn)行隱藏和保護(hù)，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(shù)據(jù)查詢的效率和精度，降低通訊時延以及網(wǎng)絡(luò)能耗。

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)位置隱私保護(hù)技術(shù)

2.1 內(nèi)涵

最近幾年，GPS、GIS等技術(shù)的普及使得空間定位技術(shù)得到了飛速發(fā)展，位置服務(wù)也因此受到了越來越多的關(guān)注，在這種情況下，用戶個人的位置信息逐漸從隱性屬性轉(zhuǎn)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(wù)的有效性，需要首先做好位置隱私保護(hù)工作。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，位置隱私保護(hù)主要是通過先進(jìn)技術(shù)與可靠方法，針對網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的位置隱私進(jìn)行保護(hù)，做好位置服務(wù)使用過程中的位置隱私保護(hù)問題工作，避免用戶個人隱私的泄露。

2.2 問題

事實(shí)上，當(dāng)人們使用位置服務(wù)時，位置服務(wù)本身就可能導(dǎo)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(jìn)行截取，結(jié)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(wù)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(jié)合自身掌握的知識和技能，對位置服務(wù)用戶的身份信息進(jìn)行推斷，然后搜集其他隱私；二是樣本同質(zhì)攻擊，在匿名區(qū)域內(nèi)，位置服務(wù)類型相對較少，當(dāng)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(jìn)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(yán)重威脅。

基于此，相關(guān)技術(shù)人員就位置隱私保護(hù)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(hù)中，依然存在有兩種矛盾沖突，一是位置隱私度與服務(wù)質(zhì)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(wù)提供商僅能得到非常模糊的用戶位置，從而導(dǎo)致檢索結(jié)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(shí)位置，隱私度要求不高，則位置服務(wù)提供商得到的用戶信息幾乎完全真實(shí)，檢測結(jié)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(shí)現(xiàn)位置隱私度與服務(wù)質(zhì)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(wù)，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(wù)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(hù)界限，如何通過個性化隱私度的設(shè)置，實(shí)現(xiàn)對于用戶的位置隱私保護(hù)，同樣是一個必須重視的內(nèi)容。

2.3 技術(shù)

2.3.1 路徑偽裝策略

路徑偽裝，指在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，開展數(shù)據(jù)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(hù)周期。在實(shí)際操作中，路徑偽裝策略存在兩種不同機(jī)制，一是多路徑機(jī)制，當(dāng)攻擊者開展逐跳回溯追蹤時，想要對源節(jié)點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確定位，必須就同一路徑上傳輸?shù)囊幌盗袛?shù)據(jù)包進(jìn)行全部追蹤，而這些數(shù)據(jù)包的數(shù)量受攻擊者與源節(jié)點(diǎn)之間距離以及其攻擊范圍的影響。在多路徑機(jī)制中，源節(jié)點(diǎn)對于數(shù)據(jù)包的傳輸是從數(shù)條備用路徑中隨機(jī)選擇，會形成多個不同路徑，從而導(dǎo)致監(jiān)聽難度的增大。在相關(guān)研究中，可以利用RP和WRS實(shí)現(xiàn)對局部攻擊者逐跳回溯追蹤的應(yīng)對，利用WRSE實(shí)現(xiàn)對全局攻擊者流量分析攻擊的應(yīng)對，前者可以避免路徑設(shè)置過程的相交問題，擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)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(dǎo)致節(jié)點(diǎn)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(jī)制為基礎(chǔ)，增加了間隙式數(shù)據(jù)發(fā)送以及虛假信息機(jī)制，可以產(chǎn)生攻擊誤導(dǎo)和防范的效果；二是隨機(jī)游走機(jī)制，洪范就是其中的一種特殊形式，不過考慮單純隨機(jī)游走的缺陷，這里對其進(jìn)行改進(jìn)，以保證通信的質(zhì)量。以Xi等人的研究為例，其將GROW協(xié)議引入了隨機(jī)游走機(jī)制中，通過源節(jié)點(diǎn)與基站的同時游走，將目的節(jié)點(diǎn)設(shè)定為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的同一個代理節(jié)點(diǎn)，然后通過兩條游走路徑的組合，對源節(jié)點(diǎn)到基站節(jié)點(diǎn)的隨機(jī)游走路徑進(jìn)行明確，配合布隆過濾器，有效避免了路由環(huán)路問題，保護(hù)強(qiáng)度高，能耗低，具備良好的可行性和可靠性。

2.3.2 陷阱誘導(dǎo)策略

陷阱誘導(dǎo)，指在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置虛假數(shù)據(jù)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(diǎn)長時間停留。策略實(shí)現(xiàn)的方法有兩種，一是虛假數(shù)據(jù)源，在SLFSR（基于虛假數(shù)據(jù)源的源位置隱私保護(hù)協(xié)議）中指出，節(jié)點(diǎn)在接收到數(shù)據(jù)包后，有一定幾率形成虛假數(shù)據(jù)包并向相鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)送，然后被其丟棄，而通過對虛假數(shù)據(jù)包形成幾率的調(diào)節(jié)，能夠?qū)崿F(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)功耗及位置隱私保護(hù)強(qiáng)度的平衡。后續(xù)研究人員以此為基礎(chǔ)，提出了PFSR協(xié)議，將被動形成虛假數(shù)據(jù)包的機(jī)制變成了主動發(fā)送，借此形成虛假數(shù)據(jù)源來對真實(shí)源節(jié)點(diǎn)的位置隱私進(jìn)行保護(hù)；二是環(huán)路陷阱，通過在網(wǎng)絡(luò)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(fù)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(diǎn)后，攻擊者才可能發(fā)現(xiàn)自身處于陷阱中。

2.3.3 通信控制策略

通信控制強(qiáng)調(diào)對網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議進(jìn)行修改，對通信模式進(jìn)行調(diào)整，避免攻擊者獲取敏感信息，其本身采用的機(jī)制包括了跨層路由、定向通信、網(wǎng)絡(luò)編碼、數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)等。這里以定向通信機(jī)制為例進(jìn)行簡單分析，通過在網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置定向天線，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)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(wǎng)能耗的角度，相關(guān)文獻(xiàn)提出了一種基于熵的信息壓縮方法，當(dāng)被監(jiān)測事物出現(xiàn)變化時，會進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳，以此來代替周期性數(shù)據(jù)傳輸模式，經(jīng)過實(shí)踐，可以有效解決位置隱私保護(hù)強(qiáng)度與網(wǎng)絡(luò)能搞之間的平衡問題。

3 結(jié)束語

總而言之，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的普及，帶動了人們生活方式和思維方式的轉(zhuǎn)變，基于位置的服務(wù)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(jìn)一步發(fā)展。不過，在位置服務(wù)中，存在著位置信息泄露的風(fēng)險，可能對用戶的財產(chǎn)安全和人身安全造成威脅，需要相關(guān)技術(shù)人員和研究人員的重視，對無線傳傳感器網(wǎng)絡(luò)位置隱私保護(hù)問題進(jìn)行深入分析，采取切實(shí)可行方法和技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對于位置隱私的有效保護(hù)，保證用戶的個人隱私安全。

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