针对克隆攻击的无线传感器网络安全定位方法

摘要

本发明涉及一种针对克隆攻击的无线传感器网络安全定位方法，从攻击者的角度，考虑了克隆节点的能量消耗大、抗检测能力不强等缺点，基于RSSI测距的安全定位过程，通过均方误差一致性的方法检测无线传感器网络中存在的克隆节点，采用最小均方误差的方法剔除无线传感器网络中的克隆节点，最终使未知节点定位处于安全的环境中，未知节点通过剩余的信标节点重新进行定位计算，通过基于RSSI测距的定位方法得到定位结果。本发明能够很好的剔除克隆节点，降低克隆节点对未知节点定位的影响，提高未知节点的定位精度。

权利要求

1.一种针对克隆攻击的无线传感器网络安全定位方法，其特征在于，所述无线传感器网络包含m,m≥3个信标节点、多个未知节点和n,0≤n

(二)利用均方误差一致性根据未知节点的估计位置的均方误差检测无线传感器网络中是否存在克隆攻击，若不存在克隆攻击，步骤(一)中得到的未知节点的估计位置即为未知节点的安全定位位置；若存在克隆攻击，剔除克隆节点，直至未知节点的最小均方误差小于设定均方误差阈值γ，重复步骤(一)的步骤，得到的未知节点的估计位置即为未知节点的安全定位位置；利用均方误差一致性根据未知节点的估计位置的均方误差检测无线传感器网络中是否存在克隆攻击的具体方法为：未知节点得到的估计位置的位置坐标映射在二维平面上相对集中，表现为在未知节点真实位置为中心的一块密集区域内，得到未知节点的均方误差均一致，若无线传感器网络中存在克隆节点，计算的未知节点的均方误差值不一致，且大于安全状态下未知节点的均方误差值；未知节点的均方误差通过公式(5)计算获得，公式(5)表示为：式中， 表示未知节点的均方误差，xj表示第j个信标节点的位置坐标的横坐标，yj表示第j个信标节点的位置坐标的纵坐标， 表示未知节点的位置坐标的横坐标， 表示未知节点的位置坐标的纵坐标；

克隆节点的剔除方法为：

(1)假设在未知节点的通信范围内有p,p＝m+n个节点，从p个节点任选p‑1个节点作为一组用于计算未知节点的位置，对每一组得到的未知节点的位置再计算该未知节点的位置的均方误差，总共有p个均方误差，记为(2)选出Y中最小的一组均方误差，记为 将M与γ做比较，若M<γ，则无线传感器网络中没有克隆节点；若M>γ，则无线传感器网络中有克隆节点，从均方误差最小的一组节点中随机剔除一个节点；

(3)从p‑1个节点中选出p‑2个节点作为一组用于计算未知节点的位置，继续执行上述步骤(1)和步骤(2)，直至最小的一组均方误差M小于γ，停止算法，完成克隆节点的剔除。

2.如权利要求1所述的针对克隆攻击的无线传感器网络安全定位方法，其特征在于，信号强度值的衰减模型表示为：RSSI(d)＝RSSI(d0)‑10αlog(d/d0)+Pn，其中，RSSI表示未知节点接收信标节点的信号强度值，d表示未知节点与信标节点的距离，d0为参考距离，α表示路径损耗指数，Pn表示均值为0的高斯随机变量；假设未知节点的位置坐标为(x,y)，则计算未知节点的位置坐标的公式表示为：

公式(1)的第一个方程到第m‑1个方程依次减第m个方程得到线性方程，其中：式中，A、b表示系数矩阵，X表示未知节点的实际位置坐标；

利用极大似然估计法，计算出未知节点的估计位置坐标为： 其中，表示未知节点的估计位置坐标。

说明书

针对克隆攻击的无线传感器网络安全定位方法

技术领域

[0001] 本发明属于物联网技术领域，涉及无线传感器网络技术，具体地说，涉及了一种针对克隆攻击的无线传感器网络安全定位方法。

背景技术

[0002] 基于信号接收强度指示(英文：Received Signal Strength Indicator,简称：RSSI)测距定位过程主要有两个阶段。第一阶段，计算未知节点到信标节点的距离。信标节
点周期性向周围的节点发送ID和位置坐标等信息，未知节点通过无线信号接收到信息。在
自由空间中，节点进行无线信号的传输，通常采用理论模型为衰减模型RSSI(d)＝RSSI
(d0)‑10αlog(d/d0)+Pn，其中，RSSI表示未知节点接收信标节点的信号强度值，d表示未知节
点与信标节点的距离，d0为参考距离，α表示路径损耗指数，Pn表示均值为0的高斯随机变量。
衰减模型为测量未知节点到信标节点距离的经典计算方法。α和Pn需要根据具体环境设置，
当已知未知节点到信标节点发送的信号强度值时，就可以计算出两者之间的距离。第二阶
段，计算未知节点的位置。通过第一阶段计算出信标节点到未知节点的距离，再结合信标节
点的位置坐标，未知节点使用极大似然估计法得到自身的位置信息。

[0003] 无线传感器网络中部署的信标节点，能够给未知节点提供定位服务。RSSI测距过程中受到噪声和障碍物等干扰，会影响未知节点到信标节点的距离计算，导致未知节点估
计的定位位置与真实位置产生偏移。无线传感器网络通常部署在无人看守的敌对环境中，
容易受到克隆攻击的破坏，克隆攻击捕获网络中的节点，提取节点的密钥、位置和身份标识
等信息，通过这些信息制造克隆节点。当网络中存在克隆节点时，未知节点估计的位置与真
实位置发生严重的偏差。由于克隆节点部署在网络中不同的位置，误导未知节点定位，严重
影响定位精度。

发明内容

[0004] 本发明针对现有技术存在的定位精度低等上述不足，提供一种针对克隆攻击的无线传感器网络安全定位方法，能够有效剔除克隆节点，提高未知节点的定位精度。

[0005] 为了达到上述目的，本发明提供了一种针对克隆攻击的无线传感器网络安全定位方法，含有以下步骤：

[0006] (一)信标节点周期性向其周围的节点发送自身的ID和位置坐标，当已知未知节点接收到信标节点发送的信号强度值，利用信号强度值的衰减模型计算出信标节点到未知节
点的距离；通过计算出的信标节点到未知节点的距离，结合信标节点的位置坐标，得到未知
节点的估计位置。

[0007] (二)利用均方误差一致性根据未知节点的估计位置的均方误差检测无线传感器网络中是否存在克隆攻击，若不存在克隆攻击，步骤(一)中得到的未知节点的估计位置即
为未知节点的安全定位位置；若存在克隆攻击，剔除克隆节点，直至未知节点的最小均方误
差小于设定均方误差阈值γ，重复步骤(一)的步骤，得到的未知节点的估计位置即为未知
节点的安全定位位置。

[0008] 优选的，所述无线传感器网络包含m,m≥3个信标节点、多个未知节点和n,0≤n＜m个克隆节点，每个信标节点具有唯一的ID，且每个信标节点已知自身的位置坐标，信标节
点、未知节点和克隆节点的通讯半径均为R，节点之间无通信数据丢失。

[0009] 优选的，信号强度值的衰减模型表示为：RSSI(d)＝RSSI(d0)‑10αlog(d/d0)+Pn，其中，RSSI表示未知节点接收信标节点的信号强度值，d表示未知节点与信标节点的距离，d0
为参考距离，α表示路径损耗指数，Pn表示均值为0的高斯随机变量；所述无线传感器网络
中，m个信标节点的位置坐标分别为(x1,y1),(x2,y2),...,(xm,ym)，未知节点到信标节点的
距离分别为d1,d2,...,dm，假设未知节点的位置坐标为(x,y)，则计算未知节点的位置坐标
的公式表示为：

[0010]

[0011] 公式(1)的第一个方程到第m‑1个方程依次减第m个方程得到线性方程，其中：

[0012]

[0013]

[0014]

[0015] 式中，A、b表示系数矩阵，X表示未知节点的实际位置坐标；

[0016] 利用极大似然估计法，计算出未知节点的估计位置坐标为： 其中，表示未知节点的估计位置坐标。

[0017] 优选的，步骤(二)中，利用均方误差一致性根据未知节点的估计位置的均方误差检测无线传感器网络中是否存在克隆攻击的具体方法：

[0018] 未知节点得到的估计位置的位置坐标映射在二维平面上相对集中，表现为在未知节点真实位置为中心的一块密集区域内，得到未知节点的均方误差均一致，若无线传感器
网络中存在克隆节点，计算的未知节点的均方误差值不一致，且大于安全状态下未知节点
的均方误差值；未知节点的均方误差通过公式(5)计算获得，公式(5)表示为：

[0019]

[0020] 式中， 表示未知节点的均方误差，xj表示第j个信标节点的位置坐标的横坐标，yj表示第j个信标节点的位置坐标的纵坐标， 表示未知节点的位置坐标的横坐标， 表示
未知节点的位置坐标的纵坐标。

[0021] 优选的，步骤(二)中，克隆节点的剔除方法为：

[0022] (1)假设在未知节点的通信范围内有p,p＝m+n个节点，从p个节点任选p‑1个节点作为一组用于计算未知节点的位置，对每一组得到的未知节点的位置再计算该未知节点的
位置的均方误差，总共有p个均方误差，记为

[0023] (2)选出Y中最小的一组均方误差，记为 将M与γ做比较，若M<γ，则无线传感器网络中没有克隆节点；若M>γ，则无线传感器网络中有克隆节点，从均方
误差最小的一组节点中随机剔除一个节点；

[0024] (3)从p‑1个节点中选出p‑2个节点作为一组用于计算未知节点的位置，继续执行上述步骤(1)和步骤(2)，直至最小的一组均方误差M小于γ，停止算法，完成克隆节点的剔
除。

[0025] 与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

[0026] 本发明从攻击者的角度，考虑了未知节点、信标节点和克隆节点随机部署在无线传感器网络中的情况，基于RSSI测距的定位方法进行定位，实现简单，成本低，具有普遍性。
在基于RSSI测距的安全定位过程中，通过均方误差一致性的方法检测无线传感器网络中存
在的克隆节点，采用最小均方误差的方法剔除无线传感器网络中的克隆节点，最终使未知
节点定位处于安全的环境中，未知节点通过剩余的信标节点重新进行定位计算，通过基于
RSSI测距的定位方法得到定位结果。本发明能够很好的剔除克隆节点，降低克隆节点对未
知节点定位的影响，提高未知节点的定位精度。

附图说明

[0027] 图1为现有无线传感器网络中克隆攻击对未知节点定位的影响示意图；

[0028] 图2为本发明实施例针对克隆攻击的无线传感器网络安全定位方法中克隆节点参与未知节点的定位示意图；

[0029] 图3为本发明实施例针对克隆攻击的无线传感器网络安全定位方法中克隆节点个数对未知节点估计位置均方误差的影响比较示意图；

[0030] 图4为本发明实施例针对克隆攻击的无线传感器网络安全定位方法中克隆节点个数对未知节点定位的影响比较示意图；

[0031] 图5为本发明实施例针对克隆攻击的无线传感器网络安全定位方法中被克隆的信标节点到未知节点的距离对未知节点估计位置均方误差的影响比较示意图；

[0032] 图6为本发明实施例针对克隆攻击的无线传感器网络安全定位方法中被克隆的信标节点到未知节点的距离对未知节点定位的影响比较示意图；

[0033] 图7为本发明所述针对克隆攻击的无线传感器网络安全定位方法与现有不同定位方法的性能对比图。

具体实施方式

[0034] 下面，通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式
中。

[0035] RSSI测距过程中受到噪声和障碍物等干扰，会影响未知节点到信标节点的距离计算，导致未知节点估计的定位位置与真实位置产生偏移。参见图1，当无线传感器网络中存
在克隆节点时，未知节点估计位置与真实位置发生严重偏差，图1中，三角形表示信标节点，
正方形表示克隆节点，圆形表示未知节点。

[0036] 均方误差能够很好的反应估计量与被估计量之间的偏移程度，当无线传感器网络中只有信标节点，未知节点的均方误差在一定范围内波动。当无线传感器网络中存在克隆
节点，未知节点估计位置的均方误差随着克隆节点的数量增加而增大。根据有无克隆节点
导致未知节点的均方误差值不一致。本发明提供了一种针对克隆攻击的无线传感器网络安
全定位方法，基于RSSI测距的安全定位过程，采用均方误差一致性的方法检测克隆节点，并
剔除克隆节点，确保未知节点在安全环境中进行定位，定位精度高。

[0037] 具体地，无线传感器网络包括m,m≥3个信标节点、多个未知节点和n,0≤n＜m个克隆节点，每个信标节点具有唯一的ID，且每个信标节点已知自身的位置坐标，信标节点、未
知节点和克隆节点的通讯半径均为R，节点之间无通信数据丢失。克隆节点通过获取信标节
点的ID和未知坐标信息，参与到未知节点的定位过程中，能够影响未知节点的定位精度。节
点的性能和功能都一样，具有数据融合功能。

[0038] 本发明提供的上述针对克隆攻击的无线传感器网络安全定位方法，其具体含有以下步骤：

[0039] (一)信标节点周期性向其周围的节点发送自身的ID和位置坐标，当已知未知节点接收到信标节点发送的信号强度值，利用信号强度值的衰减模型计算出信标节点到未知节
点的距离；通过计算出的信标节点到未知节点的距离，结合信标节点的位置坐标，得到未知
节点的估计位置。

[0040] 具体地，信号强度值的衰减模型表示为：RSSI(d)＝RSSI(d0)‑10αlog(d/d0)+Pn，其中，RSSI表示未知节点接收信标节点的信号强度值，d表示未知节点与信标节点的距离，d0
为参考距离，α表示路径损耗指数，Pn表示均值为0的高斯随机变量。其中，α和Pn需要根据具
体环境假设置。在自由空间中，节点进行无线信号的传输，当已知未知节点接收到信标节点
发送的信号强度值时，就可以利用计算出两者之间的距离。

[0041] 具体地，所述无线传感器网络中，m个信标节点的位置坐标分别为(x1,y1),(x2,y2),...,(xm,ym)，未知节点到信标节点的距离分别为d1,d2,...,dm，假设未知节点的位置坐
标为(x,y)，则计算未知节点的位置坐标的公式表示为：

[0042]

[0043] 公式(1)的第一个方程到第m‑1个方程依次减第m个方程得到线性方程，其中：

[0044]

[0045]

[0046]

[0047] 式中，A、b表示系数矩阵，X表示未知节点的实际位置坐标；

[0048] 利用极大似然估计法，计算出未知节点的估计位置坐标为： 其中，表示未知节点的估计位置坐标。此处，计算未知节点的估计位置坐标时，还可以采用最小
二乘法。

[0049] (二)利用均方误差一致性根据未知节点的估计位置的均方误差检测无线传感器网络中是否存在克隆攻击，若不存在克隆攻击，则未知节点定位处于安全环境中，步骤(一)
中得到的未知节点的估计位置即为未知节点的安全定位位置；若存在克隆攻击，剔除克隆
节点，直至未知节点的最小均方误差小于设定均方误差阈值γ，则确定未知节点定位处于
安全环境中，重复步骤(一)的步骤，得到的未知节点的估计位置即为未知节点的安全定位
位置。需要说明的是，均方误差阈值γ是在安全状态下，通过实验统计的误差上限。

[0050] 具体地，利用均方误差一致性根据未知节点的估计位置的均方误差检测无线传感器网络中是否存在克隆攻击的具体方法为：

[0051] 未知节点得到的估计位置的位置坐标映射在二维平面上相对集中，表现为在未知节点真实位置为中心的一块密集区域内，得到未知节点的均方误差均一致，若无线传感器
网络中存在克隆节点，计算的未知节点的均方误差值不一致，且大于安全状态下未知节点
的均方误差值；未知节点的均方误差通过公式(5)计算获得，公式(5)表示为：

[0052]

[0053] 式中， 表示未知节点的均方误差，xj表示第j个信标节点的位置坐标的横坐标，yj表示第j个信标节点的位置坐标的纵坐标， 表示未知节点的位置坐标的横坐标， 表示
未知节点的位置坐标的纵坐标。

[0054] 具体地，克隆节点的剔除方法为：

[0055] (1)假设在未知节点的通信范围内有p,p＝m+n个节点，从p个节点任选p‑1个节点作为一组用于计算未知节点的位置，对每一组得到的未知节点的位置再计算该未知节点的
位置的均方误差，总共有p个均方误差，记为

[0056] (2)通过冒泡算法选出Y中最小的一组均方误差，记为 将M与γ做比较，若M<γ，则无线传感器网络中没有克隆节点，停止算法；若M>γ，则无线传感器网络
中有克隆节点，从均方误差最小的一组节点中随机剔除一个节点；

[0057] (3)从p‑1个节点中选出p‑2个节点作为一组用于计算未知节点的位置，继续执行上述步骤(1)和步骤(2)，直至最小的一组均方误差M小于γ，停止算法，完成克隆节点的剔
除。

[0058] 例如：在节点信息集合L中随机剔除一个节点，产生新的集合一共有q组，其中一种新的集合为：

[0059]

[0060] 将q组集合的数据，带入未知节点的均方误差计算中，得到一组均方误差为选出选出均方误差最小的一组与γ进行比较。如果均方误差小于γ，则停止剔
除节点。如果均方误差大于γ，则从均方误差最小的集合中，再次随机减少一个节点。继续
之前的操作，直至均方误差小于γ。

[0061] 采用最小均方误差的方法剔除克隆节点，从一组节点信息集合中随机剔除一个节点，再计算未知节点的均方误差。当剔除的节点为克隆节点时，得到未知节点的均方误差将
会减小。然后从均方误差最小的一组节点中，随机剔除一个节点，再计算未知节点的均方误
差，直至最小的均方误差小于γ，确保未知节点定位处于安全环境中，在安全环境中对未知
节点进行定位，有效提高了未知节点的定位精度。

[0062] 为了进一步说明本发明上述方法的优点及有效性，下面结合附图和实施例对本发明做出进一步说明。

[0063] 实施例：无线传感器网络中随机部署一批信标节点和未知节点，U为未知节点，B1、B2、B3、B4、B5为信标节点。信标节点提前获知自身的位置坐标信息，为未知节点提供定位服
务。未知节点需要通过定位技术获取自身位置坐标。B2'和B4'分别为克隆攻击捕获B2和B4
复制出的克隆节点，它们通过获取信标节点的ID和位置坐标信息，参与到未知节点的定位
过程中，能够影响未知节点的定位精度。各个节点间能够进行信息的相互通信。每个信标节
点都有唯一的ID，克隆节点与信标节点ID一样，同样能够参与到未知节点定位过程中。未知
节点、信标节点和克隆节点的通讯半径均为R，d2'、d2、d4'、d4分别为U到B2'、B2、B4'、B4的
距离。不考虑节点之间通信数据丢失问题。

[0064] 当未知节点U发送定位请求时，信标节点和克隆节点接收到广播，都会发送位置坐标信息。节点进行无线信号传输采用的理论模型为衰减模型RSSI(d)＝RSSI(d0)‑10αlog
(d/d0)+Pn，其中，RSSI表示未知节点接收信标节点的信号强度值，d表示未知节点与信标节
点的距离，d0为参考距离，α表示路径损耗指数，Pn表示均值为0的高斯随机变量。由此计算出
信标节点到未知节点U的距离d1、d2'、d3、d4'、d5。通过计算出来的信标节点到未知节点的
距离，再结合信标节点的位置坐标，未知节点使用极大似然估计法得到自身的估计位置信
息。当无线传感器网络处于安全状态，未知节点使用极大似然估计法得到的位置坐标映射
在二维平面上相对集中，表现为在未知节点真实位置为中心的一块密集区内，得到未知节
点的均方误差值均一致。如果无线传感器网络中存在克隆节点时，计算得到未知节点的均
方误差值不一致，而且大于安全状态下未知节点的均方误差值。参见图2，把B1、B2'、B3、
B4'、B5的位置坐标和到未知节点的距离带入公式(1)中，计算出未知节点的位置坐标，然后
把计算的结果带入公式(5)中，得到未知节点的均方误差，通过与γ进行比较，判断无线传
感器网络中是否有克隆节点。在该实例中B2'和B4'发送的位置坐标信息是B2和B4的位置坐
标信息，所以得到未知节点U的均方误差大于实验统计的误差上限，即均方误差阈值γ，从
而判断该组信标节点集合中含有克隆节点，需要进一步使用最小均方误差的方法来剔除克
隆节点。

[0065] 从一组节点信息集合中随机剔除一个节点，再计算未知节点的均方误差。当剔除的节点为克隆节点时，得到未知节点的均方误差将会减小。然后从均方误差最小的一组节
点中，随机剔除一个节点，进行相同的运算，直至最小的均方误差小于γ。在该实例中，从信
标节点集合L＝{B1,B2',B3,B4',B5}中随机剔除一个节点，产生新的集合一共有5组，分别
为L1＝{B2',B3,B4',B5}L2＝{B1,B3,B4',B5}，L3＝{B1,B2',B4',B5}，L4＝{B1,B2',B3,
B5}，L5＝{B1,B2',B3,B4'}，将5组集合的数据，带入未知节点的均方误差计算中，得到均方
误差为 选出均方误差最小的一组与γ进行比较。如果均方误差小于γ，则停止
剔除节点。如果均方误差大于γ，则从均方误差最小的集合中，再次随机减少一个节点，重
复之前的操作步骤，直至均方误差小于γ。

[0066] 通过均方误差一致性检测出克隆攻击，然后使用最小均方误差的方法剔除克隆节点后，确保未知节点定位处于安全环境中，最后基于RSSI测距的定位方法实现节点安全定
位。

[0067] 参见图3、图4，无线传感器网络中含有的克隆节点越多，对未知节点的定位影响越大，且定位精度越低。具体地，继续参见图3，克隆节点个数越多，对未知节点估计位置的均
方误差影响越大，在具有相同信标节点个数的情况下，克隆节点个数越多，未知节点估计位
置的均方误差越大。继续参见图4，克隆节点个数越多，对未知节点的定位误差影响越大，在
具有相同信标节点个数的情况下，克隆节点个数越多，未知节点的定位误差越大，定位精度
就越低。

[0068] 参见图5、图6，随着无线传感器网络中克隆节点到未知节点的距离增加，未知节点估计位置的均方误差越大，且未知节点的定位误差越大。

[0069] 参见图7，采用本发明上述安全定位方法、有克隆攻击的定位方法及无克隆攻击的定位方法对无线传感器网络的未知节点进行定位，随着信标节点个数的增加，采用有克隆
攻击的定位方法及无克隆攻击的定位方法，未知节点的定位误差基本保持不变，且无克隆
攻击时未知节点的定位误差明显小于有克隆攻击时未知节点的定位误差。而采用本发明上
述安全定位方法，随着信标节点个数的增加，未知节点的定位误差明显减小，且与有克隆攻
击的定位方法及无克隆攻击的定位方法相比，未知节点的定位误差明显小于上述两种方
法。需要说明的是，虽然信标节点的小于20个时，采用本发明上述安全定位方法的未知节点
的定位误差大于无克隆攻击的定位方法的未知节点的定位误差，但差别不明显，然而，当信
标节点的大于20个时，随着信标节点的增多，采用本发明上述安全定位方法的未知节点的
定位误差明显小于无克隆攻击的定位方法的未知节点的定位误差。

[0070] 由上可知，本发明提供的针对克隆攻击的无线传感器网络安全定位方法，能够有效检测克隆节点，并对克隆节点进行剔除，确保未知节点在安全环境下进行定位，能够很大
程度降低克隆节点对未知节点定位的影响，提高定位精度，且与现有方法相比，更具有效
性。

[0071] 以上所举实施例仅用为方便举例说明本发明，并非对本发明保护范围的限制，在本发明所述技术方案范畴，所属技术领域的技术人员所作各种简单变形与修饰，均应包含
在以上申请专利范围中。