Enhancing the Performance of Routing Protocols for Location Privacy Protection in Event Monitoring Wireless Networks

Abstract

Sensor-based Internet of Things (IoT) networks will play a vital role in the anticipated sixth generation (6G) and beyond wireless technology. The networks will utilize modern wireless sensor network (WSN) technology. Often, WSNs operate in unattended, harsh, and complex environments. Furthermore, WSNs are mostly battery-powered and resource-constrained. Therefore, performance of WSNs is vulnerable to energy and environmental factors. Moreover, WSNs are usually deployed in random areas with no protection. Consequently, the networks are vulnerable to traffic analysis attacks. In the attacks, adversaries focus on analyzing the network traffic to obtain critical information about the location of important sensor nodes such as source nodes. Thereafter, adversary identifies the event location. Therefore, to preserve the privacy of the source nodes and provide security, it is important to protect the source location privacy (SLP). To address the challenge of SLP, numerous SLP routing protocols are presented in the literature. However, many state-of-the-art SLP protocols provide high levels of SLP protection at the expense of high communication cost and increased network overhead. For example, fake packet-based SLP protocols provide high levels of SLP protection by distributing large amount of fake packet traffic in the network. Consequently, the protocols are energy-inefficient, they incur limited network lifetime, and have high probability of packet collision events which result in reduced packet delivery ratio (PDR) and increased end-to-end delay (EED). In this work, series of experiments are conducted to evaluate the performance of various state-of-the-art SLP protocols. Subsequently, based on the observations, some recommendations are presented to address the limitations of the protocols. Furthermore, to address the shortcomings of the existing SLP protocols, several new SLP protocols are developed. A two-level phantom with a pursue ring (PhaP) protocol is proposed to address the limitations of a recently proposed protocol. Simulation results show that PhaP achives high levels of SLP protection and reduced energy consumption in the near-sink regions. A two-level phantom with backbone route (PhaT) protocol is developed. It is demonstrated that PhaT achieves improved energy consumption, PDR, and EED. Angle-based strategic location-based random routing (Angle-Strat) and proxy node routing (Angle-Proxy) protocols are devised to address the limitations of recently proposed protocols. Both Angle-Strat and Angle-Proxy protocols achieve high levels of SLP protection by employing cost-effective routing paths. A relay node routing (ReRR) protocol is proposed to address the limitations of fake packet-based SLP protocols. It is established that ReRR guarantees improved performance in terms of long-term SLP protection, energy efficiency, and network lifetime. In addition, it is observed that previous studies fail to evaluate the SLP reliability of the protocols. Therefore, novel approaches are proposed to realize the SLP reliability. Then, experiments are conducted to measure the SLP reliability. It is shown that the proposed ReRR protocol presents superior performance in terms of long-term SLP reliability.|센서 기반 사물인터넷(IoT) 네트워크는 6세대 이동통신(6G)과 무선 기술 분야에서 매우 중요한 역할을 할 것이다. IoT는 무선 센서 네트워크 (WSN) 기술을 활용하며 무선환경과 가혹하고 복잡한 환경에서 작동할 수 있다. 일반적으로 WSN은 대부분 배터리로 작동되고 자원은 제한적이다. 따라서 WSN의 성능은 에너지 및 환경 요소에 취약하고 일반적으로 무방비, 무작위로 배치되는 특성을 갖는다. 따라서 WSN 네트워크는 트래픽 분석 공격에 취약하다. 네트워크 공격자들은 센서 노드의 위치 정보와 같은 중요한 정보를 얻기 위해 네트워크 트래픽을 분석하는 데 집중할 수 있다. 예를 들어 WSN 모니터링에서 공격자는 트래픽 분석 공격을 수행하여 소스 노드의 위치를 식별한 후 모니터링된 자산을 획득하거나 의도적으로 파괴할 수 있다. 따라서 소스 노드의 개인 정보를 보호하고 WSN의 보안을 보장하기 위해서는 SLP(소스 위치 개인 정보)를 보장하는 것이 필요하다. 따라서 SLP는 IoT WSN 환경에서 풀어야 할 주요 과제 중 하나라고 판단된다. SLP 문제를 해결하기 위해, 문헌에서는 수많은 SLP 라우팅 프로토콜이 제시되어 있다. 그러나 많은 SLP 프로토콜들은 높은 통신 비용과 네트워크 오버헤드 증가를 희생하면서 높은 수준의 SLP 보호를 제공한다. 예를 들어 가짜 패킷 기반 SLP 프로토콜은 네트워크에 대량의 가짜 패킷 트래픽을 분산시켜 높은 수준의 SLP 보호를 제공하지만 종종 에너지 효율성이 떨어지고 네트워크 수명이 짧으며 패킷 충돌 이벤트 발생 가능성이 높아 패킷 전달 비율(PDR)이 감소하고 종단 간 지연(EED)이 증가한다. 본 논문에서는 다양한 SLP 프로토콜의 성능을 평가하기 위한 종합적인 실험과 성능 비교 분석을 진행하였다. 이후에는 비교 관찰에 기초하여 각 프로토콜의 한계를 다루기 위한 몇 가지 요구사항을 정의하였다. 최종적으로, 기존 SLP 프로토콜의 단점을 해결하기 위해 몇 가지 새로운 SLP 프로토콜을 새로 제안하고 성능 검증을 통해 비교 우위를 확보하였다. 상세히 기술하면, 기존 프로토콜들의 한계를 해결하기 위해 추적 링(PhaP) 프로토콜이 있는 2단계 팬텀이 제안되었다. 시뮬레이션 결과에 따르면 PhaP는 높은 수준의 SLP 보호 기능을 제공하고 싱크노드에 가까운 지역에서는 에너지 소비량을 감소시킨다. 기존 프로토콜의 한계를 해결하기 위해 백본 경로(PhaT) 프로토콜이 포함된 2단계 팬텀이 제안되었다. PhaT는 에너지 소비량, PDR 및 EED 개선을 달성한 것으로 검증되었다. 각도 및 전략적 위치 기반 랜덤 라우팅(Angle-Strat)과 프록시 노드 라우팅(Angle-Proxy) 프로토콜은 최근에 문헌에서 제안된 프로토콜의 한계를 해결하기 위해 본 연구에서 제안되었다. Angle-Strat 및 Angle-Proxy 프로토콜은 모두 비용 효율적인 라우팅 경로를 사용하여 높은 수준의 SLP 보호를 달성한다. 더불어, 가짜 패킷 기반 SLP 프로토콜의 한계를 해결하기 위해 릴레이 노드 라우팅(ReRR) 프로토콜을 제안하였다. ReRR은 장기적 SLP 보호, 에너지 효율성, 네트워크 수명 측면에서 향상된 성능을 보장하는 것으로 분석되었다. 마지막으로 이전 연구에서는 프로토콜의 SLP 신뢰성에 관련된 연구가 수행되지 못하였다. 따라서, SLP 신뢰성을 실현하기 위한 새로운 접근법이 본 연구에서 제안되었으며, SLP 신뢰성을 측정하기 위한 실험을 수행하였다. 제안된 ReRR 프로토콜은 장기적인 SLP 신뢰성 측면에서 우수한 성능을 제공하는 것으로 검증되었다.