14、无线传感器网络中的源位置隐私保护：最短路径CALP路由策略

无线传感器网络中的源位置隐私保护：最短路径CALP路由策略

1. 安全距离差异与应用适配

在无线传感器网络中，数据转发策略存在两种不同的最小安全距离设定：宽松型和严格型。宽松型最小安全距离在节省内存和减少传输延迟方面表现出色，更适合实时应用；而严格型则在容忍延迟的应用中更为便利。不过，宽松型安全边界提供的隐私保护水平相对较低，因为数据包可能会被转发到对手监听范围内的节点，这使得对手更有可能追踪到数据源。显然，数据转发策略在开销和隐私保护之间存在权衡。

2. 最短路径CALP路由

CALP机制可与不同的路由协议结合，以增强源位置隐私保护。这里我们聚焦于将CALP应用于最短路径路由算法，因为该算法具有低延迟和低能耗的特点。

2.1 最短路径路由

文献中存在多种最短或单路径路由技术，这些节能路由协议允许传感器节点通过最少数量的邻居节点作为数据中继，将数据包发送到基站。当节点有数据要传输时，它会选择离基站最近的邻居节点并发送数据包，接收节点重复此过程，直到数据包最终到达数据汇。由于每个传感器节点总是选择离目的地最近的邻居，因此所遵循的路径是最节能且延迟最短的。

通常，这些技术要求传感器节点配备额外硬件或进行初始化阶段。启用此类路由协议的最简单方法是通过拓扑发现协议，即基站向网络广播初始距离值为0的消息，并在每一跳递增该值。

该最短路径路由技术采用贪心转发决策，选择局部最优邻居。局部最优邻居是指与连接数据发送者和目的地的直线偏差最小的邻居。例如，在图中，节点N向数据汇S发送数据，其邻居为A、B、C、D、E。若对于所有邻居节点X和Y（X≠Y），∠NXS ≤ ∠NYS，则X是N的局部最优邻居。

实现贪心最短路径技术的主要优点是节点只需少量内部存储即可运行。为了路由数据包，传感器节点只需了解自身邻居和基站的位置，而无需掌握其他中间节点的信息。然而，贪心方法的主要局限性在于，尽管路径在局部是最优的，但可能不是全局最优的，不过大多数最短路径路由协议更依赖于到基站的距离，而非与最短路径的偏差，因此这通常不是问题。

邻居	角度	距离
A	π/4	2
B	π/5	4
C	5π/9	5
D	8π/9	3
E	11π/18	4

2.2 与CALP结合

当贪心最短路径路由技术与CALP方案提供的位置感知相结合时，它能够预测对手的移动，显著减少对手可能捕获的数据包数量。此外，数据包与最短路径的偏差最小，与其他解决方案相比，隐私保护机制带来的额外能耗显著降低。而且，只有当对手靠近最短路径时，才会出现与最节能路径的偏差。

最短路径CALP路由有两种版本：
- 严格版本 ：考虑严格的最小安全距离，路由更新消息会创建一个不可穿越的安全边界，数据包不会穿越该边界。当对手到最短路径的距离小于最小安全距离时，数据包会偏离原路径以避免穿越安全边界。具体算法如下：

Algorithm 4.1 Sending Strategy: Strict CALP Routing
Input: MIN_SAFETY _DIST
Input: data
1: neighs ←get_neighbors()
2: for all ni ∈neighs do
3:
    if distance(ni) ≤MIN_SAFETY _DIST then
4:
        penalty[ni] = ∞
5:
    else
6:
        penalty[ni] = angle(ni) + π/distance(ni)
7:
    end if
8: end for
9: next_hop ←minimum(penalty, neighs)
10: send(data, next_hop)

• 宽松版本 ：在对手位于最短路径上时，数据包不一定改变路由。只有当改变路由的成本大于进入对手监听范围的成本时，数据包才会偏离原路径。算法如下：

Algorithm 4.2 Sending Strategy: Permissive CALP Routing
Input: MIN_SAFETY _DIST
Input: data
1: neighs ←get_neighbors()
2: for all ni ∈neighs do
3:
    penalty[ni] = angle(ni) + π/distance(ni)
4:
    if distance(ni) ≤MIN_SAFETY _DIST then
5:
        penalty[ni] = penalty[ni] + 1/distance(ni)
6:
    end if
7: end for
8: next_hop ←minimum(penalty, neighs)
9: send(data, next_hop)

当对手不在场时，这两种算法应表现得像原始的最短路径路由协议，选择局部最优转发邻居，使数据包与连接数据发送者和基站的直线偏差最小。对手距离作为惩罚值，对手越近，惩罚越大。最小安全距离是一个可由网络管理员调整的参数，用于平衡隐私保护和可用性。

此外，CALP需要额外的内存来存储对手到每个邻居的距离信息，这些值会在接收到路由更新消息时更新。

3. 协议评估

为了评估最短路径CALP路由机制的性能和隐私保护水平，我们进行了一系列模拟实验。

3.1 模拟场景

我们在MATLAB中开发了一个离散事件模拟环境，并进行了大量模拟。该模拟器支持多个数据源的同时传输以及多个本地对手在网络中的移动，忽略了底层通信问题，专注于应用和路由层。

模拟设置如下：
- 部署一个由100×100个均匀分布节点组成的大型无线传感器网络。
- 每个模拟实例运行50次，每次实例包含500个模拟步骤。
- 每个模拟步骤中，数据源生成并转发一个新的数据消息。
- 安排信标阶段，使网络了解对手的位置，从而相应地路由数据包。
- 源节点与基站的距离不同，但在每次模拟中保持静止。

对手分为好奇型和耐心型。好奇型对手随机移动，直到听到附近的传输，然后朝接收到消息的方向移动；若一段时间内没有消息到达当前位置，则再次随机移动。耐心型对手仅在附近有数据包时移动。对手的移动速度在每次模拟实例中是固定的。

默认情况下，网络安全距离设置为5，对手的监听范围与传感器节点的监测半径相同。模拟中始终假设对手存在于网络中，但实际情况中对手可随意进出网络。模拟在对手到达数据源或完成最后一个模拟步骤且对手未找到数据源时结束。

3.2 隐私保护水平

通过模拟评估了宽松和严格版本的最短路径CALP路由方案的隐私保护水平，以对手在每个模拟实例中能够捕获的源节点数量来衡量。将这两种版本与传统最短路径路由方案进行比较，同时考虑好奇型和耐心型对手。

结果表明，源节点与基站的距离对隐私保护水平没有明显影响。耐心型对手总是能到达源节点，因为它会在基站附近等待数据包，然后沿着相同路径找到数据源。好奇型对手找到数据源的可能性较小，因为模拟开始时它可能会远离原始位置，错过一些数据包。

当最短路径路由协议与CALP机制结合时，情况有了很大改善。对于好奇型对手，宽松版本的保护水平优于严格版本。原因是在严格版本中，对手无法听到数据包，其移动不受数据包影响；而在宽松版本中，好奇型对手能听到一些数据包，这会使其朝接收到的数据包方向移动，但路径会根据其移动动态变化，从而误导对手。

对于耐心型对手，两种版本的协议都不会泄露源节点的位置信息。在宽松版本中，数据包可能穿越安全距离到达基站，吸引耐心型对手离开基站，从而使新路径能够绕过对手。但在严格版本中，由于对手最初位于基站附近且数据包不能穿越安全区域，可能无法将数据包送达基站。

graph LR
    A[模拟开始] --> B[对手初始位置在基站附近]
    B --> C{对手类型}
    C -->|好奇型| D[随机移动，监听数据包]
    C -->|耐心型| E[等待数据包出现]
    D --> F{听到数据包?}
    F -->|是| G[朝数据包方向移动]
    F -->|否| D
    G --> H{是否到达数据源?}
    H -->|是| I[模拟结束]
    H -->|否| D
    E --> J{附近有数据包?}
    J -->|是| K[朝数据包方向移动]
    J -->|否| E
    K --> H

3.3 协议开销

通过路由路径的长度评估协议性能，路径长度不仅决定了数据包的传输时间，还影响网络的整体能耗。较长的路径会导致更多的传输，对电池寿命产生负面影响。一般来说，单路径路由算法是节能的，但提供的保护水平最低，因为所有数据包都遵循相同的最短路径。因此，将CALP机制引入最短路径路由方案有效地在性能和隐私保护水平之间进行了权衡。

平均路径长度略高于最短路径路由算法的最小预期值。对于好奇型对手，宽松版本的方案效果更好；对于耐心型对手，宽松版本生成的路径平均稍长，因为节点需要应对在基站附近等待的对手。严格版本在应对耐心型对手时无法生成绕过对手并将数据包送达数据汇的路径。

为解决严格版本在应对耐心型对手时的问题，可以采取以下方法：
- 在无实时要求的传感器网络中，中间节点可临时存储数据包，直到对手离开基站附近，但如果对手足够耐心，传感器节点有限的内存可能需要丢弃一些数据包。
- 实现CALP机制的混合版本，在数据包接近基站时从严格方法切换到宽松方法，吸引对手离开基站，同时在对手靠近数据源时使用严格方法。
- 动态调整安全距离或从CALP方法切换到基于随机路由创建的解决方案，如Phantom路由。

此外，尽管平均路径长度接近最小值，但一些孤立的数据包可能会经过大量中间节点。因此，研究路径长度分布很有必要。在好奇型对手存在的情况下，使用宽松安全边界时，大多数数据包到达目的地的跳数相似，只有少数数据包会经过长距离传输；而使用严格版本时，一些孤立的数据包可能会经过多达134跳才到达基站，这是由于对手靠近数据汇导致网络环路的形成。为避免网络环路，可记录已见过的数据包，但由于对手可移动，下次接收数据包时情况可能不同。

4. 路径长度分布分析

路径长度分布能更细致地反映数据包传输情况。在好奇型对手存在的场景下，我们用箱线图来展示路径长度分布，它有助于描述数据的离散程度、偏态，并识别异常值。

安全边界类型	路径长度特征
宽松型	大多数数据包到达目的地所经过的跳数相近，均值接近或等于到汇点的距离，只有少数数据包会经过长距离传输（异常值）。
严格型	部分孤立数据包在到达基站前可能会经过多达134跳。这是因为对手靠近数据汇时，会在安全边界附近形成网络环路。数据包向基站方向发送，但安全边界上的节点无法将其转发，只能将其中继到处于相同情况的其他节点，最终导致数据包回到最初发送的节点。

graph LR
    A[数据包发送] --> B{安全边界类型}
    B -->|宽松型| C[多数数据包跳数相近]
    B -->|严格型| D[可能形成网络环路]
    D --> E[数据包反复中继]
    E --> F[部分数据包长距离传输]

5. 应对耐心型对手的综合策略

在应对耐心型对手时，严格版本的CALP机制存在无法将数据包送达基站的问题。为解决这一问题，可采用以下综合策略：

5.1 临时存储与等待策略

在没有实时要求、能够容忍一定延迟的传感器网络中，当耐心型对手在基站附近时，中间节点可以临时存储数据包，等待对手离开基站附近后再进行传输。但这种策略存在局限性，如果对手足够耐心，传感器节点有限的内存可能无法容纳所有数据包，此时就需要丢弃部分数据包。

5.2 混合CALP机制

实现CALP机制的混合版本，结合宽松和严格方案的优点。具体做法是，当数据包接近基站时，从严格方法切换到宽松方法。这样，耐心型对手会被吸引离开基站，从而使数据包能够顺利送达。而当对手靠近数据源时，采用严格方法，因为此时少量数据包被捕获就可能导致数据源暴露。

位置情况	适用策略	原因
对手靠近数据源	严格策略	此时捕获少量数据包可能导致目标暴露
数据包接近基站	宽松策略	吸引对手离开基站，保证数据包送达

5.3 动态调整与路由切换策略

• 动态调整安全距离 ：根据对手的位置动态调整安全距离，以更好地平衡隐私保护和数据包传输效率。
• 切换路由方案 ：当CALP机制无法有效应对对手时，可以切换到基于随机路由创建的解决方案，如Phantom路由，增加数据包传输路径的随机性，降低对手追踪的可能性。

6. 总结与建议

通过对最短路径CALP路由机制的研究和模拟评估，我们可以得出以下结论和建议：

• 隐私保护方面 ：最短路径CALP路由机制在结合CALP方案后，显著提高了源位置隐私保护水平。对于好奇型对手，宽松版本的保护效果更好；对于耐心型对手，混合版本的CALP机制是更优选择，可有效避免位置信息泄露。
• 性能方面 ：虽然平均路径长度接近最小值，但仍需关注部分孤立数据包的长距离传输问题。在实际应用中，可通过动态调整安全距离、采用混合策略等方法来平衡隐私保护和性能开销。
• 策略选择方面 ：网络管理员应根据对手类型、网络实时要求等因素，灵活选择合适的策略。例如，在应对耐心型对手且有实时要求时，可优先考虑混合CALP机制；在无实时要求时，可结合临时存储策略。

总之，无线传感器网络中的源位置隐私保护是一个复杂的问题，需要综合考虑多种因素，采用合适的路由策略和应对机制，以实现隐私保护和网络性能的最佳平衡。