傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于數(shù)字水印的安全數(shù)據(jù)收集機(jī)制.pdf

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在軍事和民用領(lǐng)域蘊(yùn)含著巨大的應(yīng)用前景。但無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常部署在危險甚至敵對的環(huán)境中，節(jié)點容易被攻擊俘獲而妥協(xié)，攻擊者可通過妥協(xié)節(jié)點向網(wǎng)絡(luò)中灌注大量的虛假數(shù)據(jù)，這不僅影響感知數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，還會干擾用戶決策，甚至?xí)沟镁W(wǎng)絡(luò)變得不可信。因此如何有效地設(shè)計一種安全的數(shù)據(jù)收集協(xié)議已成為人們亟待解決的問題。本文圍繞著如何確保傳感器網(wǎng)絡(luò)所采集的數(shù)據(jù)具有安全可靠的問題進(jìn)行深入研究，主要工作包括以下幾個方面：
　　 (1)提出一種

2、基于協(xié)作水印的虛假數(shù)據(jù)識別與過濾算法。首先，本文提出了一種協(xié)作水印模型。在協(xié)作水印模型中，一個數(shù)據(jù)包被嵌入兩類不同目的的水印：一類用于識別發(fā)送者身份與數(shù)據(jù)新鮮性屬于魯棒性水??；另一類是半脆弱水印，用于對數(shù)據(jù)的內(nèi)容認(rèn)證，該水印是由t個證人節(jié)點生成、協(xié)同嵌入的。協(xié)作水印模型不僅可保證水印之間互不影響而且可允許中轉(zhuǎn)節(jié)點獨立地提取水印卻難以篡改水印。然后，進(jìn)一步提出了基于協(xié)作水印的虛假數(shù)據(jù)過濾算法，仿真和理論分析表明，協(xié)作水印模型能使得嵌入水印

3、的數(shù)據(jù)包有較好的峰值信噪比和信噪比；同時算法能對惡意篡改數(shù)據(jù)具有較高的敏感性，對一定程度噪聲干擾、有損壓縮等具有較好的魯棒性。算法與已有的基于MACs(Message Authentication Codes)的虛假數(shù)據(jù)過濾算法相比具有更低的通信開銷和更高的識別與過濾虛假數(shù)據(jù)的能力。
　　 (2)提出了一種基于分布式多重半脆弱水印的虛假數(shù)據(jù)識別與過濾算法。首先，我們結(jié)合傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點分簇協(xié)作聚合和節(jié)點協(xié)同工作的特點，提出了一種分

4、布式的多重半脆弱水印模型。該模型由多個證人節(jié)點共同產(chǎn)生水印共同嵌入水印，但一個節(jié)點可以獨立提取一個認(rèn)證節(jié)點產(chǎn)生的水印。該模型具有復(fù)雜度低能有效抵抗單個節(jié)點被俘獲而失效的特點。在分布式多重半脆弱水印基礎(chǔ)上，我們進(jìn)一步提出了虛假數(shù)據(jù)過濾算法，該算法利用水印進(jìn)行認(rèn)證，從而判斷數(shù)據(jù)包的正確性、完整性與新鮮性，無需利用MACs認(rèn)證。理論分析和仿真表明，新的算法與已有基于MACs認(rèn)證的虛假數(shù)據(jù)過濾算法相比，不僅過濾虛假數(shù)據(jù)的能力強(qiáng)，通信開銷低，而且

5、具有“魯棒但脆弱”的特性，能支持網(wǎng)內(nèi)有損數(shù)據(jù)處理和抵抗一定的噪聲干擾。
　　 (3)提出了一種基于交織水印的抗丟包的圖像采集算法。視覺傳感器網(wǎng)絡(luò)具有較高的QoS需求，網(wǎng)絡(luò)具有傳感失諧等特性，傳統(tǒng)的QoS保障機(jī)制不適合視覺傳感器網(wǎng)絡(luò)。為此，本文結(jié)合視覺傳感器網(wǎng)節(jié)點間協(xié)同工作的特點，提出了一種網(wǎng)內(nèi)多節(jié)點協(xié)作的交織嵌入的交織水印技術(shù)，以實現(xiàn)圖像子塊搭載其它子塊的水印信息，不同于以往的差錯控制技術(shù)需要附加差錯控制碼或冗余傳輸；Sink收

6、集到圖像后，可利用水印信息對圖像受損區(qū)域進(jìn)行恢復(fù)和重建，從而有效地提高用戶采集圖像的質(zhì)量。本文的算法與目前的差錯控制技術(shù)相比，不僅通信開銷小，且具有良好的丟包容忍能力，更適用于視覺傳感器網(wǎng)絡(luò)。
　　 (4)在兩層結(jié)構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，存儲節(jié)點既負(fù)責(zé)網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)的存儲又負(fù)責(zé)處理Sink的查詢，因而變得更易遭受攻擊者的攻擊。一個妥協(xié)的存儲節(jié)點不僅可能泄露傳感器所采集的敏感數(shù)據(jù)，而且會向Sink回復(fù)不完整的或虛假的查詢結(jié)果。為此，本文提出一

7、種安全范圍查詢協(xié)議QuerySec，QuerySec在保證存儲節(jié)點能正確執(zhí)行查詢的同時能有效防止敏感數(shù)據(jù)與查詢條件的泄露。為了保護(hù)數(shù)據(jù)的隱私性，我們提出了一種基于二元函數(shù)的隱私保護(hù)方案，該方案利用隱私保護(hù)函數(shù)與查詢函數(shù)對節(jié)點采集的數(shù)據(jù)范圍信息和查詢條件進(jìn)行加密，保證存儲節(jié)點在不知道數(shù)據(jù)和查詢條件真實內(nèi)容的情況下正確地執(zhí)行查詢處理。為了保護(hù)查詢結(jié)果的完整性，我們提出了一種稱之為鏈?zhǔn)剿〉姆桨福摲桨改苡行z測查詢結(jié)果的完整性。此外，當(dāng)Si