[논문 리뷰] PSSPR: A Source Location Privacy Protection Scheme Based on Sector Phantom Routing in WSNs

Yuling Chen, Jing Sun외 4명|arXiv (Cornell University)|2021. 09. 28.

Security in Wireless Sensor Networks인용 수 6

한 줄 요약

PSSPR는 무선 센서 네트워크(WSNs)에서 섹터 기반 피로우 라우팅을 사용하여 통신 오버헤드를 최소화하면서도 보안성을 향상시키는 소스 위치 프라이버시 보호 기법이다. 네트워크를 가상의 섹터로 나누고, 이를 바탕으로 피로우 노드를 전략적으로 배치함으로써, 겹치지 않는 다양한 라우팅 경로를 확보하여 가시 영역을 피함으로써 추적 위험을 감소시키며, 최적 설정에서 HBDRW 대비 오직 7.73% 높은 오버헤드만을 유발한다.

ABSTRACT

Source location privacy (SLP) protection is an emerging research topic in wireless sensor networks (WSNs). Because the source location represents the valuable information of the target being monitored and tracked, it is of great practical significance to achieve a high degree of privacy of the source location. Although many studies based on phantom nodes have alleviates the protection of source location privacy to some extent. It is urgent to solve the problems such as complicate the ac path between nodes, improve the centralized distribution of Phantom nodes near the source nodes and reduce the network communication overhead. In this paper, PSSPR routing is proposed as a visable approach to address SLP issues. We use the coordinates of the center node V to divide sector-domain, which act as important role in generating a new phantom nodes. The phantom nodes perform specified routing policies to ensure that they can choose various locations. In addition, the directed random route can ensure that data packets avoid the visible range when they move to the sink node hop by hop. Thus, the source location is protected. Theoretical analysis and simulation experiments show that this protocol achieves higher security of source node location with less communication overhead.

연구 동기 및 목표

• 소스 노드의 신원이 민감한 모니터링 대상을 드러내는 무선 센서 네트워크(WSNs)에서 소스 위치 프라이버시(SLP)의 핵심적인 필요성을 해결한다.
• 높은 통신 오버헤드, 중앙집중식 피로우 노드 분포, 실패 경로 노출 등의 문제점을 겪고 있는 기존 피로우 노드 기반 기법들을 극복한다.
• 피로우 노드의 고도의 지리적 다양성을 확보하면서도 네트워크 통신 비용을 최소화하고 가시 영역을 피하는 라우팅 프로토콜을 개발한다.
• 라우팅 경로 겹침을 줄이고, 도우드 수를 과도하게 증가시키지 않으면서도 동적이고 랜덤화된 라우팅 경로를 허용함으로써 보안과 효율성의 균형을 이룬다.

제안 방법

• 소스 노드 중심의 가상 섹터 도메인으로 네트워크를 좌표 기반 분할하여 피로우 노드의 배치를 안내한다.
• 다른 섹터에서 선택된 피로우 노드를 통해 지리적 다양성을 확보하고 경로 상관관계의 가능성을 낮춘다.
• 각 전달 노드가 싱크까지의 홉 수를 기반으로 부모 또는 자식 노드 세트에서 다음 홉을 선택하는 지향형 랜덤 라우팅을 구현하여 경로 분산을 보장한다.
• 피로우 노드를 활용해 실패 경로(가시 영역)를 피하는 다수의 분리된 라우팅 경로를 동적으로 생성함으로써 역추적을 방지한다.
• 가변 각도 라우팅 정책을 도입하여 소스 위치를 더욱 은폐하고 피사성 적대자에 대한 저항력을 향상시킨다.
• 섹터 기반 라우팅과 랜덤 지향 전달을 융합한 하이브리드 라우팅 메커니즘을 통합하여 보안성과 효율성의 균형을 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 통신 오버헤드를 크게 증가시키지 않으면서도 WSNs에서 소스 위치 프라이버시를 어떻게 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 섹터 기반 피로우 노드 분포가 소스 위치 프라이버시 기법에서 지리적 다양성을 얼마나 향상시키고 경로 겹침을 얼마나 줄일 수 있는가?
• RQ3 부모 및 자식 노드 세트를 통한 지향형 랜덤 라우팅이 가시 영역을 효과적으로 회피하고 적대자 추적을 방지하는 데 얼마나 유능한가?
• RQ4 제안된 PSSPR 기법은 기존 프로토콜(HBDRW, PUSBRF 등)과 비교해 통신 오버헤드와 보안 시간 측면에서 어떻게 성능을 발휘하는가?
• RQ5 소스 위치 프라이버시 프로토콜에서 보안 성능과 네트워크 자원 소비 간의 최적의 트레이드오프는 무엇인가?

주요 결과

• 지향형 라우팅 홉 수가 30일 경우, PSSPR는 HBDRW 대비 7.73% 낮은 통신 오버헤드를 기록하고, PUSBRF 대비 10.04% 낮춘다.
• 소스에서 싱크까지 홉 수가 60으로 고정된 경우, PSSPR는 HBDRW 대비 9.14% 낮은 통신 오버헤드를 기록하고, PUSBRF 대비 11.57% 낮춘다.
• PSSPR는 실패 경로(가시 영역)를 피하고 피로우 노드의 지리적 다양성을 증가시킴으로써 소스 위치 프라이버시를 크게 향상시킨다.
• 네트워크 통신 비용의 증가가 최소한이면서도 높은 보안 성능을 유지하여, 기존 기법들보다 보안성과 효율성 양면에서 뛰어난 성능을 발휘한다.
• 이론적 분석과 시뮬레이션 결과는 PSSPR가 이전의 접근 방식보다 통신 오버헤드와 보안 시간 사이의 균형을 더 잘 확보하고 있음을 확인한다.
• 섹터 기반 라우팅과 동적 지향형 랜덤 전달의 조합은 다수의 겹치지 않는 경로를 가능하게 하여 피사성 적대자가 역추적을 수행하기가 매우 어렵게 만든다.