一種可保證機密性和完整性的數(shù)據(jù)融合方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于傳感器網(wǎng)絡(luò)【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中一種能保證機密性和完整性的數(shù)據(jù)融合方法，包括：在網(wǎng)絡(luò)中形成三個節(jié)點一組的節(jié)點組結(jié)構(gòu)；采用隱私同態(tài)加密方法對源節(jié)點采集的數(shù)據(jù)進行加密；將消息認證碼MAC認證技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點組結(jié)構(gòu)相結(jié)合，分別驗證數(shù)據(jù)在融合和傳輸過程中的數(shù)據(jù)完整性；數(shù)據(jù)完整傳輸至基站后，利用隱私同態(tài)技術(shù)恢復(fù)數(shù)據(jù)，得到正確的融合結(jié)果等步驟。本發(fā)明保證無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)融合和數(shù)據(jù)傳輸過程中的機密性和完整性，在設(shè)計數(shù)據(jù)融合方法時綜合考慮數(shù)據(jù)機密性、數(shù)據(jù)完整性和節(jié)點能量，并能夠檢測網(wǎng)絡(luò)中存在的錯誤數(shù)據(jù)，在受損節(jié)點一定的情況下該機制都能夠?qū)崿F(xiàn)良好的性能。
【專利說明】一種可保證機密性和完整性的數(shù)據(jù)融合方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于傳感器網(wǎng)絡(luò)【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中一種能夠同時保證 機密性和完整性的數(shù)據(jù)融合方法，并能夠及時檢測網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)的錯誤數(shù)據(jù)。

【背景技術(shù)】
[0002] 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器節(jié)點構(gòu)成。在無線傳 感器網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)融合是減少數(shù)據(jù)傳輸、降低節(jié)點能量消耗的重要方法。安全數(shù)據(jù)融合一直 是研究的熱點之一，因此，數(shù)據(jù)融合方法應(yīng)充分考慮數(shù)據(jù)的機密性、完整性、真實性和可用 性等基本特征。
[0003] Wenliang Du等人提出了一種基于見證的方法保障數(shù)據(jù)融合，每個見證節(jié)點將融 合數(shù)據(jù)的消息認證碼MAC發(fā)送至匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點收集這些MAC并傳輸至基站。該協(xié)議 的優(yōu)勢為能夠驗證數(shù)據(jù)融合過程中的正確性，但無法保證數(shù)據(jù)的機密性。
[0004] Suat Ozdemir等人提出了一個數(shù)據(jù)融合及認證協(xié)議，該協(xié)議能夠保證數(shù)據(jù)機密性 和完整性，使用逐跳加密保證數(shù)據(jù)機密性，在網(wǎng)絡(luò)中形成節(jié)點對結(jié)構(gòu)，利用MAC驗證數(shù)據(jù)完 整性，節(jié)點傳輸未加密數(shù)據(jù)、已加密數(shù)據(jù)和MAC給下一節(jié)點，利用與其成對的節(jié)點對該節(jié)點 的數(shù)據(jù)進行完整性認證。該方法雖然能夠保證機密性和完整性，但開銷較大，并且網(wǎng)絡(luò)中間 節(jié)點需要對數(shù)據(jù)進行加解密處理，增加節(jié)點負擔(dān)。
[0005] Qiang Zhou等人提出了一種基于同態(tài)參數(shù)的安全數(shù)據(jù)融合機制，將對稱密鑰同態(tài) 加密和同態(tài)MAC應(yīng)用于保護數(shù)據(jù)隱私和檢測數(shù)據(jù)完整性，但該機制只在基站對數(shù)據(jù)進行驗 證，在網(wǎng)絡(luò)中存在受損節(jié)點的情況下效率較低，并且在驗證完整性的過程中，需要對每個數(shù) 據(jù)包進行計算。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是為了保證無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)融合和數(shù)據(jù)傳輸過程中 的機密性和完整性，在設(shè)計數(shù)據(jù)融合方法時綜合考慮數(shù)據(jù)機密性、數(shù)據(jù)完整性和節(jié)點能量 開銷這些因素，并能夠檢測網(wǎng)絡(luò)中存在的錯誤數(shù)據(jù)，在受損節(jié)點一定的情況下該機制都能 夠?qū)崿F(xiàn)良好的性能。
[0007] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種可保證機密性和完整性的數(shù)據(jù)融合方法，利 用隱私同態(tài)技術(shù)保證數(shù)據(jù)的機密性，利用MAC驗證數(shù)據(jù)在融合和傳輸過程中的完整性，具 體包括如下步驟：
[0008] (1)初始化階段在網(wǎng)絡(luò)中形成三個節(jié)點一組的節(jié)點組結(jié)構(gòu)，同組的三個節(jié)點分別 為監(jiān)測節(jié)點、轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點和鄰居節(jié)點；
[0009] (2)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形成后，采用隱私同態(tài)加密方法對源節(jié)點采集的數(shù)據(jù)進行加密；
[0010] (3)在數(shù)據(jù)傳輸過程中，將消息認證碼MAC認證技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點組結(jié)構(gòu)相結(jié)合， 分別驗證數(shù)據(jù)在融合和傳輸過程中的數(shù)據(jù)完整性；
[0011] (4)數(shù)據(jù)完整傳輸至基站后，利用隱私同態(tài)技術(shù)恢復(fù)數(shù)據(jù)，得到正確的融合結(jié)果。
[0012] 進一步地，上述方法步驟（1)中的節(jié)點組結(jié)構(gòu)，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形成過程保證了每個 監(jiān)測節(jié)點只加入一個節(jié)點組，對應(yīng)唯一的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點和鄰居節(jié)點，具體如下：
[0013] 下一匯聚節(jié)點Ajlj用其與當(dāng)前匯聚節(jié)點A。的共享密鑰計算其鄰居節(jié)點列表的 MAC，然后將計算所得的MAC和鄰居節(jié)點列表添加至"組發(fā)現(xiàn)消息"中，通過轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)這 個消息給A。；轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)消息時附上自己的ID，A。接收到"組發(fā)現(xiàn)消息"時擁有h個轉(zhuǎn)發(fā) 節(jié)點和A n的s個鄰居節(jié)點的ID ;A。將這些ID隨機級聯(lián)并編號，計算這級聯(lián)ID列表的MAC 并廣播該MAC和h、s序號給所有監(jiān)測節(jié)點；每個A。的監(jiān)測節(jié)點從1?h和1?s中選擇一 個序號，通過A。廣播的級聯(lián)ID列表信息知道與哪個轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點和鄰居節(jié)點同組。
[0014] 進一步地，上述方法所述步驟（2)、（4)中的數(shù)據(jù)融合方法，將隱私同態(tài)加密技術(shù) 應(yīng)用于含有節(jié)點組結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)中，保證網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的機密性。源數(shù)據(jù)通過公式u/ =Ek(Uj) =(u# mod n，uj2r2 mod η,…，ujdrd mod η)進行加密，網(wǎng)絡(luò)中的匯聚節(jié)點和節(jié)點組結(jié)構(gòu)中 的監(jiān)測節(jié)點利用隱私同態(tài)加密技術(shù)可直接對數(shù)據(jù)進行融合處理，略去傳輸過沖中的加解密 過沖，數(shù)據(jù)到達基站后利用公式

【權(quán)利要求】
1. 一種可保證機密性和完整性的數(shù)據(jù)融合方法，其特征在于，包括如下步驟： (1) 初始化階段在網(wǎng)絡(luò)中形成三個節(jié)點一組的節(jié)點組結(jié)構(gòu)，同組的三個節(jié)點分別為監(jiān) 測節(jié)點、轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點和鄰居節(jié)點； (2) 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形成后，采用隱私同態(tài)加密方法對源節(jié)點采集的數(shù)據(jù)進行加密； (3) 在數(shù)據(jù)傳輸過程中，將消息認證碼MAC認證技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點組結(jié)構(gòu)相結(jié)合，分別 驗證數(shù)據(jù)在融合和傳輸過程中的數(shù)據(jù)完整性； (4) 數(shù)據(jù)完整傳輸至基站后，利用隱私同態(tài)技術(shù)恢復(fù)數(shù)據(jù)，得到正確的融合結(jié)果。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可保證機密性和完整性的數(shù)據(jù)融合方法，其特征在于，所述 步驟（1)中的節(jié)點組結(jié)構(gòu)，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形成過程保證了每個監(jiān)測節(jié)點只加入一個節(jié)點組， 對應(yīng)唯一的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點和鄰居節(jié)點，具體如下： 下一匯聚節(jié)點An利用其與當(dāng)前匯聚節(jié)點A。的共享密鑰計算其鄰居節(jié)點列表的MAC，然 后將計算所得的MAC和鄰居節(jié)點列表添加至"組發(fā)現(xiàn)消息"中，通過轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)這個消息 給A。；轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)消息時附上自己的ID，A。接收到"組發(fā)現(xiàn)消息"時擁有h個轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點和 An的s個鄰居節(jié)點的ID;A。將這些ID隨機級聯(lián)并編號，計算這級聯(lián)ID列表的MAC并廣播 該MAC和h、s序號給所有監(jiān)測節(jié)點；每個A。的監(jiān)測節(jié)點從1?h和1?s中選擇一個序號， 通過A。廣播的級聯(lián)ID列表信息知道與哪個轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點和鄰居節(jié)點同組。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可保證機密性和完整性的數(shù)據(jù)融合方法，其特征在于，所述 步驟（2)、（4)中的數(shù)據(jù)融合方法將隱私同態(tài)加密技術(shù)應(yīng)用于含有節(jié)點組結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)中，保 證網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的機密性；源數(shù)據(jù)通過公式
進行加密，網(wǎng)絡(luò)中的匯聚節(jié) 點和節(jié)點組結(jié)構(gòu)中的監(jiān)測節(jié)點利用隱私同態(tài)加密技術(shù)可直接對數(shù)據(jù)進行融合處理，略去傳 輸過沖中的加解密過沖,數(shù)據(jù)到達基站后利用公式
解密恢復(fù)數(shù) 據(jù)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1的可保證機密性和完整性的數(shù)據(jù)融合方法，其特征在于，所述步驟 (3)中數(shù)據(jù)在融合和傳輸過程中的數(shù)據(jù)完整性檢測具體包括如下步驟： (1) 數(shù)據(jù)傳輸過程中完整性的檢測利用節(jié)點組中的監(jiān)測節(jié)點和轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點進行，匯聚節(jié) 點將接收到的數(shù)據(jù)傳輸給監(jiān)測節(jié)點，監(jiān)測節(jié)點對數(shù)據(jù)進行融合并計算該融合結(jié)果的MAC，每 個監(jiān)測節(jié)點發(fā)送這兩個值給匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點計算融合結(jié)果及其MAC，與收集到的T個來 自監(jiān)測節(jié)點的融合結(jié)果和MAC值一起發(fā)送給下一節(jié)點；非節(jié)點組成員的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點直接轉(zhuǎn)發(fā) 接收到的數(shù)據(jù)，與監(jiān)測節(jié)點同組的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點計算相應(yīng)監(jiān)測節(jié)點融合結(jié)果的MAC并驗證與監(jiān) 測節(jié)點計算的MAC值是否一致，若不一致，丟棄該數(shù)據(jù)并通知匯聚節(jié)點，若驗證通過，則向 下一個節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)該數(shù)據(jù)并能夠表明數(shù)據(jù)在傳輸過程中保持完整，不存在錯誤數(shù)據(jù)； (2) 數(shù)據(jù)融合過程中的完整性的檢測主要利用節(jié)點組中的監(jiān)測節(jié)點和鄰居節(jié)點進行， 當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸至匯聚節(jié)點時，匯聚節(jié)點利用共享密鑰計算上一匯聚節(jié)點融合結(jié)果的MAC，驗證 是否一致，若不一致，丟棄該數(shù)據(jù)并通知上一匯聚節(jié)點，若驗證通過，接受該數(shù)據(jù)并廣播給 鄰居節(jié)點，與上一匯聚節(jié)點的監(jiān)測節(jié)點同組的鄰居節(jié)點計算相應(yīng)監(jiān)測節(jié)點融合結(jié)果的MAC 并驗證與監(jiān)測節(jié)點計算的MAC值是否一致，若不一致，丟棄該數(shù)據(jù)并通知匯聚節(jié)點，若驗證 通過，表明數(shù)據(jù)在融合過程中保持完整，不存在錯誤數(shù)據(jù)。
【文檔編號】H04W12/02GK104244236SQ201410455358
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年9月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月9日
【發(fā)明者】李星, 王文駿, 王良民, 陳龍, 陳向益, 熊書明, 陳娟 申請人:江蘇大學(xué)