兩層傳感器網(wǎng)絡(luò)中的安全協(xié)議研究.pdf

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在軍事和明用領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。兩層架構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)具有良好的伸縮性、高效的查詢處理以及更好地節(jié)約傳感器節(jié)點(diǎn)的能量開銷銷和空間開銷等特點(diǎn)，被越來越多的大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡(luò)所采用。然而，存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中既負(fù)責(zé)網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)的收集，又為sink提供查詢服務(wù)，因此在敵對(duì)環(huán)境中更容易招致攻擊。妥協(xié)的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生重大威脅，如泄露傳感器采集的敏感數(shù)據(jù)，偽造虛假的查詢統(tǒng)計(jì)結(jié)果等。在兩層傳感器網(wǎng)絡(luò)上設(shè)計(jì)一系列安全協(xié)議，保護(hù)數(shù)據(jù)的隱私以及查詢

2、統(tǒng)計(jì)結(jié)果的正確性是亟待解決的問題。本文圍繞著保護(hù)數(shù)據(jù)隱私和查詢統(tǒng)計(jì)結(jié)果正確性進(jìn)行研究，主要工作包括以下幾個(gè)方面:
　　 (1)提出了一種安全范圍查詢協(xié)議:VQuery。 VQuery在保證存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)能正確執(zhí)行查詢的同時(shí)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，提出了一種基于保序函數(shù)的隱私保護(hù)方案，該方案利用保序函數(shù)對(duì)節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)范圍信息和查詢條件進(jìn)行編碼，保證存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)在不知道數(shù)據(jù)和查詢條件真實(shí)內(nèi)容的情況下正確地執(zhí)

3、行查詢處理。為了保護(hù)查詢結(jié)果的完整性，提出了一種稱之為水印鏈的方案，該方案能有效檢測查詢結(jié)果的完整性。針對(duì)多維數(shù)據(jù)情況，提出了一種多維區(qū)間樹的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能有效表示多維數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)多維數(shù)據(jù)查詢結(jié)果的完整性認(rèn)證。為了驗(yàn)證所提協(xié)議VQuery的有效性，本文與已有工作SafeQ，S&L方案進(jìn)行了詳細(xì)比較，結(jié)果表明VQuery比SafeQ_basic，SafeQ_bloom以及S&L方案具有更低的通信開銷和存儲(chǔ)開銷。
　　 (2)提

4、出了一種安全Top-k查詢協(xié)議:SecTQ。 SecTQ在保證存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)正確執(zhí)行查詢的同時(shí)能有效防止敏感數(shù)據(jù)的泄露。為了保護(hù)數(shù)據(jù)的隱私性，首先將不同傳感器采集的數(shù)據(jù)之間的直接比較轉(zhuǎn)換成傳感器采集的數(shù)據(jù)與sink提供的查詢比較值進(jìn)行比較，并提出了一種基于擾動(dòng)多項(xiàng)式函數(shù)的隱私保護(hù)方案，該方案利用擾動(dòng)函數(shù)對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)和sink計(jì)算的查詢比較值進(jìn)行編碼，使存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)在不知道數(shù)據(jù)和查詢比較值真實(shí)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)

5、果的完整性，采用Merkle哈希樹對(duì)查詢結(jié)果的完整性進(jìn)行認(rèn)證。本文與Z&S方案進(jìn)行了詳細(xì)比較，結(jié)果顯示SecTQ在保護(hù)數(shù)據(jù)隱私性的情況下，比Z&S方案具有更低的通信開銷和存儲(chǔ)開銷。
　　 (3)提出了一種隱私保護(hù)的條件聚合協(xié)議。該協(xié)議使存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)在不知道數(shù)據(jù)真實(shí)值的情況下對(duì)滿足條件的數(shù)據(jù)進(jìn)行聚合，防止存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)對(duì)敏感信息的泄漏。本文提出了一種基于前綴成員確認(rèn)和布魯姆過濾器相結(jié)合的編碼方法對(duì)數(shù)據(jù)和查詢條件進(jìn)行編碼，實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)在不知道

6、數(shù)據(jù)真實(shí)值和查詢條件真實(shí)值的情況下進(jìn)行查詢處理;采用同態(tài)加密技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，使數(shù)據(jù)在不解密的情況下能進(jìn)行聚合運(yùn)算。進(jìn)一步，根據(jù)傳感器采集數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，提出了一種基于代碼表的數(shù)據(jù)壓縮表示及傳輸方法，有效減小了傳感器節(jié)點(diǎn)和存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)之間的通信開銷。分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提方案的有效性。
　　 (4)提出了一種安全分類協(xié)議:SSC。SSC協(xié)議使存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)可以在不知道分類規(guī)則真實(shí)值和待分類數(shù)據(jù)真實(shí)值的情況下進(jìn)行正確分類。本文提出了一種茫然

7、比較(Oblivious comparison)技術(shù)MHash，該技術(shù)使存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)在既不知道sink節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的真實(shí)值也不知道傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的真實(shí)值，并且傳感器節(jié)點(diǎn)也不知道sink節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)真實(shí)值的情況下進(jìn)行數(shù)據(jù)的比較，達(dá)到隱私保護(hù)的目的;基于MHash協(xié)議以及前綴成員確認(rèn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了在保護(hù)傳感器采集的數(shù)據(jù)以及sink制定的分類規(guī)則的隱私的情況下進(jìn)行分類。提出了一種十字鄰居技術(shù)，該技術(shù)將傳感器組織成一條鏈，并采用倒置布魯姆過濾器技術(shù)將傳感器