[论文解读] PSSPR: A Source Location Privacy Protection Scheme Based on Sector Phantom Routing in WSNs

Yuling Chen, Jing Sun+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 28, 2021

Security in Wireless Sensor Networks被引用 6

一句话总结

PSSPR 是一种在无线传感器网络中用于源节点位置隐私保护的方案，采用基于扇区的伪影路由机制，在最小化通信开销的同时提升安全性。通过将网络划分为虚拟扇区，并在各扇区中战略性地部署伪影节点，该协议确保了多样化且不重叠的路由路径，避开可见区域，从而在最优设置下仅比 HBDRW 多出 7.73% 的开销，显著降低了被追踪的风险。

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.

研究动机与目标

• 解决无线传感器网络（WSNs）中源位置隐私（SLP）的关键需求，因为源节点身份可能暴露敏感的监控目标。
• 克服现有基于伪影节点的方案的局限性，如高通信开销、集中式伪影节点分发以及故障路径暴露问题。
• 设计一种路由协议，确保伪影节点具有高度地理多样性，同时最小化网络通信成本，并避免进入可见区域。
• 通过减少路由路径重叠并支持动态、随机化的路由路径，在不显著增加跳数的前提下，实现安全与效率的平衡。

提出的方法

• 使用基于坐标的划分方法，将网络划分为以源节点为中心的虚拟扇区域，以指导伪影节点的部署。
• 从不同扇区中选择伪影节点，以确保地理多样性，并降低路径相关性的可能性。
• 实施定向随机路由，每个转发节点根据其到汇聚点的跳数，从父节点或子节点集合中选择下一跳，以确保路径分散。
• 通过伪影节点动态生成多条不相交的路由路径，避开故障路径（可见区域），防止反向追踪。
• 采用可变角度的路由策略，进一步隐藏源节点位置，增强对被动攻击者的抵抗能力。
• 集成一种混合路由机制，结合基于扇区的路由与随机定向转发，以在安全性和效率之间取得平衡。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在不显著增加通信开销的前提下，增强无线传感器网络中的源位置隐私？
• RQ2 基于扇区的伪影节点分布在多大程度上能提升地理多样性并减少路径重叠？
• RQ3 通过父节点和子节点集合的定向随机路由是否能有效避开可见区域并防止攻击者追踪？
• RQ4 与现有协议（如 HBDRW、PUSBRF）相比，所提出的 PSSPR 方案在通信开销和安全时间方面表现如何？
• RQ5 在源位置隐私协议中，安全性能与网络资源消耗之间的最优权衡是什么？

主要发现

• 当定向路由跳数为 30 时，PSSPR 相较于 HBDRW 通信开销降低 7.73%，相较于 PUSBRF 降低 10.04%。
• 当源节点到汇聚点的跳数固定为 60 时，PSSPR 相较于 HBDRW 通信开销降低 9.14%，相较于 PUSBRF 降低 11.57%。
• PSSPR 通过避开故障路径（可见区域）并提升伪影节点的地理多样性，显著增强了源位置隐私保护。
• 该方案在仅带来极小通信成本增加的前提下，维持了高水平的安全性能，优于现有方案在安全性和效率方面的综合表现。
• 理论分析与仿真结果均证实，PSSPR 在通信开销与安全时间之间的平衡优于以往方法。
• 基于扇区的路由与动态定向随机转发的结合，使得多条不重叠路径得以实现，极大增加了被动攻击者实施反向追踪的难度。