面向隱私保護的傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)聚集及查詢方法研究.pdf

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量傳感器節(jié)點構(gòu)成的多跳自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，能夠?qū)崟r感知、處理部署區(qū)域內(nèi)的監(jiān)控對象的各種信息，在環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療和軍事領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。由于一般傳感器節(jié)點資源受限，且電池供電，因此，節(jié)省能耗是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)考慮的首要問題。數(shù)據(jù)聚集是節(jié)省能耗的重要技術(shù)之一，能夠降低數(shù)據(jù)傳輸量、消除信息冗余；數(shù)據(jù)查詢是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)重要操作方式。然而，傳感器節(jié)點通過無線進行信息傳輸且缺乏抵御外在攻擊的能力，使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)面臨嚴重的隱私

2、泄露威脅，是制約無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進一步應(yīng)用的關(guān)鍵因素。因此，設(shè)計無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中具有隱私保護能力的數(shù)據(jù)聚集及查詢方法具有重要理論和應(yīng)用價值。本文對數(shù)據(jù)聚集及查詢的能耗、數(shù)據(jù)隱私性等問題進行了深入研究，設(shè)計了一系列具有隱私保護的數(shù)據(jù)聚集及查詢算法，并且分析和驗證所提算法的安全性和能耗等性能。本文的主要貢獻包含以下幾個方面：
　　(1)對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)有隱私保護的數(shù)據(jù)聚集算法需要對感知數(shù)據(jù)進行加密操作以保證感知數(shù)據(jù)的隱私性。但通過

3、這種方式來保證感知數(shù)據(jù)的隱私性需要進行大量的加解密操作，導(dǎo)致能耗較大。在鄰居節(jié)點之間建立安全通道，使得感知數(shù)據(jù)在聚集傳輸過程中不需要進行加解密操作能夠避免該問題，因此，通過安全通道和分片技術(shù)能夠保證感知數(shù)據(jù)的隱私性?；诖?，設(shè)計了一種高效的隱私保護數(shù)據(jù)聚集處理算法EESSDA(Energy-Efficient and Scalability Secure Data Aggregation)。理論分析與仿真實驗結(jié)果表明，EESSDA在能量

4、消耗和聚集精確度方面優(yōu)于現(xiàn)有的算法。
　　(2)對于動態(tài)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)有隱私保護的數(shù)據(jù)聚集算法依賴于某種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)（樹或簇），且維護網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)需要大量的能耗。為了避免這些問題，提出了一種與網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)無關(guān)的安全高效的空間數(shù)據(jù)聚集算法SESDA(A Secure and Energy-Efficient Spatial Window Data Aggregation Algorithm for Sensor Networks

5、)。算法包含五個階段：路線設(shè)計階段、初始化階段、聚集請求階段、數(shù)據(jù)聚集階段和聚集結(jié)果返回階段。同時，針對數(shù)據(jù)聚集線路過長導(dǎo)致聚集延遲較長的問題，提出了一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于同心圓路線的安全的數(shù)據(jù)聚集算法PCIDA(Privacy-Preserving and Concentric-Circle Itinerary-Based Data Aggregation Algorithm)。由于在聚集過程中算法沿著同心圓并行處理，極大地縮短了數(shù)

6、據(jù)聚集線路的長度，使得數(shù)據(jù)聚集具有較小的處理延遲。理論分析和實驗結(jié)果顯示，算法在能耗和延遲上具有較好的性能。
　　(3)對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的連續(xù)數(shù)據(jù)聚集問題，現(xiàn)有的安全的數(shù)據(jù)聚集算法主要聚焦于快照聚集，由于能耗問題，不能通過連續(xù)執(zhí)行快照聚集算法來實現(xiàn)連續(xù)的數(shù)據(jù)聚集。提出了一種安全高效的連續(xù)的數(shù)據(jù)聚集算法 PECDA(Privacy-Preserving and Energy-Efficient Continuous Data Ag

7、gregation Algorithm)。該算法利用感知數(shù)據(jù)的時間相關(guān)性，通過設(shè)置閾值來確定節(jié)點是否傳輸當前感知數(shù)據(jù)，算法能夠有效地減少數(shù)據(jù)通信量。同時，算法利用安全通道傳輸感知數(shù)據(jù)來保證數(shù)據(jù)的隱私性，避免節(jié)點之間在數(shù)據(jù)傳輸過程中需要對感知數(shù)據(jù)進行加解密操，節(jié)省計算能耗，延長了網(wǎng)絡(luò)壽命。實驗結(jié)果表明，PECDA在能量消耗方面具有較好的性能。
　　(4)對于兩層傳感器網(wǎng)絡(luò)，存儲節(jié)點存儲傳感器節(jié)點的感知數(shù)據(jù)，并處理基站節(jié)點的查詢請求，

8、使其成為攻擊者攻擊的主要目標?，F(xiàn)有隱私保護的感知數(shù)據(jù)范圍查詢算法的完整性驗證“證據(jù)”需要大量的傳輸量，基于此，提出了兩種安全的數(shù)據(jù)查詢算法：利用簽名融合技術(shù)減少“證據(jù)”通信量，設(shè)計一種安全高效的范圍查詢方案SafeVRQ(A Safe Verifiable Range Query Algorithm in Two-Tiered Wireless Sensor Networks)；利用保序編碼技術(shù)設(shè)計了另一種安全的范圍查詢方案SERQ(S