本发明属于无线传感器网络通信支持技术领域，具体涉及WSNs中一种基于两阶段选择策略的源节点位置隐私保护方法。
背景技术：
无线传感器网络(WSNs)已经被应用到很多领域，例如：基础设施监测和信息收集等方面。其中，位置隐私成为人们关注的焦点，它提供的信息一方面给人们带来了方便，另一方面，位置隐私的泄露也带来了很大的风险。位置隐私的研究不仅要求给人们带来方便，更要考虑位置隐私不被不法分子所利用。所以，在恶意攻击的情况下，保护好位置的消息是位置隐私服务的关键问题所在。
无线传感器网络中的隐私包括两大类。其中一类是上下文隐私，它处理了源位置和 sink节点位置的隐私问题。源位置隐私是关于数据包在哪产生的位置信息的隐私。虽然，我们可以通过加密来处理源位置的隐私问题，但是依然无法保护好源的位置信息。虽然攻击者无法破解节点间的加密信息，但可以通过数据包追踪和流量分析从而判定猎物的位置，并一直追踪猎物的活动，对猎物实施涉猎等手段。这说明了保护源位置隐私的重要性。
针对源位置隐私的保护问题，已经有很多关于这方面的研究，但是传统的研究中大部分都没有权衡安全和能量使用的情况，本文提出了使用多个混淆环的思想来解决这个问题。本文的方案分为两个阶段，第一阶段中，源节点随机选择一个或多个中间节点，并将数据包发送给随机选择的中间节点。第二阶段，中间节点选择其中一个混淆环，并将数据包发送给环节点，环节点将消息混淆后发送给sink节点；当环上能量达到一定的阈值后从中间节点发来的数据包发送到新的混淆环上，混淆后发送给sink节点。
为了设计出高效的源节点位置隐私保护方案，国内外研究者提出了多种路由机制，相关文献如下：
1、2013年，Ju Ren等人在《An Energy-Efficient Cyclic Diversionary Routing Strategy against Global Eavesdroppers in Wireless Sensor Networks》中，提出了一种本文提出CDR 的方案来对抗全局攻击，从而保护源节点的位置隐私。首先，在产生冗余路由的同时减小对网络寿命的影响，在距离sink节点较远的地方产生冗余，使得热点区域能耗达到最小化；其次，为了增强位置隐私，本文计算不同区域循环冗余路由产生的概率，使能量消耗达到平衡。
2、2016年，Kumar P等人在《Source location privacy using multiple-phantom nodes in WSN》中，提出了一种基于能量有限的无线传感器网络的路由方案。首先sink节点通过网络洪泛使节点获得各自的跳数信息，且节点将跳数等信息回复sink节点。接着sink 节点通过计算将每三个合适的节点置为一组，并通知各节点。从而源节点在传递数据时，随机选择另外两个组员中的一个作为幻影源节点。但该方案在初始化阶段多次洪泛会消耗额外的能量。
3、2017年，Bai L等人在《Privacy protection algorithm based on expected phantom source node in wireless sensor network》中，提出了一种基于预期幻影源节点的源位置隐私保护方案。源节点和sink节点的坐标已知，该算法建立一个椭圆，并且在椭圆上随机选择一个位置作为预期的幻影源节点，提供幻影源节点的方向。通过选择分散的预期幻影源节点，相邻数据包的传输路径也是分散的，从而能够增加数据包在传输过程中远离源节点或sink节点的可能性。
技术实现要素：
针对上述问题，本发明提出WSNs中基于两阶段选择策略的的源节点位置隐私保护方法，在随机部署的无线传感器网络中，在节点不知道全网拓扑的前提下，将数据包发送给随机确定的气泡区域中随机选择的中间节点，并保证中间节点足够远离源节点；同时还通过多个环的构建实现了尽可能减少网络的能耗并使网络能耗均衡，从而延长网络寿命。
实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
一种WSNs中基于两阶段选择策略的源节点位置隐私保护方法，包括以下步骤：
步骤一：网络初始化。
网络由一个sink节点和大量普通传感器节点组成，其中sink节点位于网络中心位置，普通传感器节点随机部署在网络监测区域内，且普通传感器节点能在路由的特定时期成为源节点、中间节点；
在网络部署完成后，将网络划分为同等大小的网格，同一个网格中的节点构成一个簇；sink节点开始向网络中广播初始化信标，初始化信标中包含跳数值、基站节点的位置和跳数阈值信息；当普通传感器节点接收到初始化信标后，会从接收到的初始化信标中获取跳数值、基站节点位置和跳数阈值信息，并将该信标处理后广播给自己的邻居节点，因此，网络中所有节点都能根据邻居节点的跳数值生成邻居列表；距离sink节点相同跳数的节点构成同一个环，环上的节点为环节点，由此生成环列表。
步骤二：中间节点的选择。
当源节点需要发送时间信息时，首先根据源节点和sink节点的位置确定气泡的位置，在气泡内再随机确定一个点，该点所在的网格的簇头节点为中间节点，然后通过路由算法将数据包向中间节点发送。
步骤三：环的选择及混淆。
由中间节点向环节点发送信数据包时，优先选择节点剩余能量较多的环；然后数据包在环上路由随机的跳数，对数据包进行一定程度的混淆，增加路径的复杂度。
步骤四：环节点到sink节点的传递。
数据包在环上进行混淆后，环节点将数据包通过最短路径法发送到sink节点。
上述步骤一中，网络初始化的具体方法如下：
当普通传感器节点接收到初始化信标后，会将信标中的跳数值加1，并记录和保存下跳数值、sink位置和跳数阈值信息；然后将前述记录和保存的信标广播给自己的邻居节点，若此后再次接收到信标，只用于生成或更新邻居列表，不再广播信标；因此，每个节点都能知道sink节点的位置，并根据邻居节点到sink节点的跳数值生成邻居列表；网络中的各个节点可根据定位算法得知自身的位置；最后，每个节点根据距离sink节点的跳数分环，距离sink相同跳数的节点构成同一个环，环上的节点为环节点，由此生成环列表。
上述步骤二中，中间节点的选择的具体算法如下：
以源节点和sink节点之间线段为直径、中点为圆心的圆上随机一点为气泡区域的圆心，气泡区域中随机一点所在网格的簇头为中间节点，d用以表示源节点S和sink节点间的距离，O用以表示S和sink节点的中点，(xc,yc)为S和sink节点构成的圆上的任意一点，满足：r为气泡区域的半径大小；通过dc和θc大小的随机性，在气泡区域中确定一点C，其中，dc∈(0,r),θc∈(0,2π)，则C点坐标为 (xc+dccosθc,yc+dccsinθc)，C点所在网格的簇头i定义为中间节点。
上述步骤三中，环的选择和混淆具体为：
当数据包从中间节点向sink节点发送时，为了提高网络的寿命，中间节点将数据包发送到剩余能量较多的环；其次，将数据包在环上进行混淆，数据分组达到首个环节点后，以相同概率随机选择初始运动方向(顺/逆时针)，因此，混淆环上存在两个方向的数据流量；每个节点上有两个数据缓存队列以存储不同方向流量。数据分组随机插入到队列中，以此来随机扰乱数据分组进入/离开节点的顺序。
上述步骤四中，环节点到sink节点的传递具体为：
当数据包在混淆环上混淆到一定程度后，环节点从邻居节点中选择距离sink节点较近的节点作为下一跳，并将数据包发送给该节点，接收到该数据包的节点，也以同样的方式将数据包向靠近sink节点的方向传递下去，直到数据包到达sink节点。
本发明的有益效果：
本发明通过在构造的气泡区域中随机选择中间节点，保证中间节点在距离源节点较远的范围内且具有随机性；其次，通过混淆环的构建，充分利用网络中节点的剩余能量，在增强源节点的位置隐私的同时还提高了网络的生命。
附图说明
图1为本发明网络初始化示意图；
图2为本发明中间节点的选择示意图；
图3为本发明混淆环的选择；
图4为环上数据的混淆示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
为了解决在随机部署的无线传感器网络中源节点位置容易暴露的问题，在节点不知道全网拓扑的前提下，将数据包发送给随机确定的气泡区域中随机选择的中间节点，并保证中间节点足够远离源节点；同时还通过多个环的构建实现了尽可能减少网络的能耗并使网络能耗均衡，从而延长网络寿命，本发明提出一种基于两阶段选择策略的无线传感器网络源节点位置隐私保护方法，包括以下步骤：
步骤一：如图1所示，网络的初始化和分簇。
网络由一个sink节点(基站节点)和大量普通传感器节点组成，其中sink节点位于网络中心位置，普通传感器节点随机部署在网络监测区域内，且普通传感器节点可能在路由的特定时期成为源节点、中间节点或幻影源节点。在网络部署完成后，将网络划分为同等大小的网格，同一个网格中的节点构成一个簇；sink节点开始向网络中广播初始化信标，初始化信标中包含跳数值、基站节点的位置和跳数阈值信息；当普通传感器节点接收到初始化信标后，会从接收到的初始化信标中获取跳数值、基站节点位置和跳数阈值信息，并将该信标处理后广播给自己的邻居节点；若此后再次接收到邻居节点发送来信标，则只会用于生成或更新邻居列表，不再广播信标，从而减轻了重复广播信标造成的网络拥堵和能量消耗。因此，网络中所有节点都能根据邻居节点的跳数值生成邻居列表；距离sink节点相同跳数的节点构成同一个环，由此生成环列表。在本发明中，所有的节点均可以根据GPS定位技术知道自身的位置。
步骤二：如图2所示，中间节点的选择。
以源节点S和sink节点之间线段为直径、中点为圆心的圆上随机一点为气泡区域的圆心，气泡区域中随机一点所在网格的簇头为中间节点，d用以表示源节点S和sink节点间的距离，O用以表示S和sink节点的中点，(xc,yc)为S和sink节点构成的圆上的任意一点，满足：r为气泡区域的半径大小；通过dc和θc大小的随机性，在气泡区域中确定一点C，其中，dc∈(0,r),θc∈(0,2π)，则C点坐标为 (xc+dccosθc,yc+dccsinθc)，C点所在网格的簇头i定义为中间节点。由于气泡区域的位置具有随机性，且dc和θc也是通过随机产生的，所以即使在同一个气泡区域中，也能保证中间节点的异同，从而保证源节点到中间节点的路径不一样。
步骤三：如图3、图4所示，环的选择及混淆。
图3中，由中间节点向环节点发送信数据包时，为了提高网络的寿命，优先选择节点剩余能量较多的环，然后向选择的环上的环节点发送数据包。图4中，当数据分组达到首个环节点后，以相同概率随机选择初始运动方向(顺/逆时针)，实线箭头表示顺时针，虚线箭头表示逆时针，因此，混淆环上节点N1、N2、N3三个节点间的数据分组传输时存在两个方向的数据流量；每个节点上有两个数据缓存队列以存储不同方向流量。数据分组随机插入到队列中，以此来随机扰乱数据分组进入/离开节点的顺序。数据包在环上路由随机的跳数，对数据包进行一定程度的混淆，增加路径的复杂度。
步骤四：环节点到sink节点的传递。
数据包在环上进行混淆后，环节点将数据包通过最短路径法发送到sink。当数据包在混淆环上混淆到一定程度后，环节点从邻居节点中选择距离sink节点较近的节点作为下一跳，并将数据包发送给该节点，接收到该数据包的节点，也以同样的方式将数据包向靠近sink节点的方向传递下去，直到数据包到达sink节点。
综上所述：
本发明公开了一种WSNs中基于两阶段选择策略的源节点位置隐私保护方法，首先，sink节点通过洪泛信标的方式进行网络初始化，使得节点能够生成各自的邻居列表；其次，由源节点和sink节点共同确定一个气泡区域，从气泡区域中随机选择一个节点作为中间节点；然后源节点将数据包通过最短路径法向中间节点发送。最后，中间节点通过最短路径法将数据包传递给sink节点。本发明能够保证幻影源节点足够远离真实源节点，并且每次数据包从源节点到sink节点的路径都具有随机性且相邻数据包的路径不会重复。除此，通过混淆环的选择，使得网络中能量相对均衡，在确保源节点能足够安全地传输数据的同时，还提高了网络的寿命。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。