隱私保護(hù)的兩層傳感網(wǎng)Skyline查詢系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種隱私保護(hù)的兩層傳感器網(wǎng)絡(luò)Skyline查詢系統(tǒng)及方法，涉及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信【技術(shù)領(lǐng)域】和數(shù)據(jù)查詢處理技術(shù)，該查詢系統(tǒng)及方法包括以下步驟：1）Sink節(jié)點(diǎn)發(fā)送查詢命令給查詢單元的存儲節(jié)點(diǎn)，再由存儲節(jié)點(diǎn)將查詢命令廣播給本查詢單元內(nèi)的感知節(jié)點(diǎn)；2）感知節(jié)點(diǎn)收到查詢命令，將感知數(shù)據(jù)的密文和編碼數(shù)據(jù)發(fā)送給存儲節(jié)點(diǎn)；3）存儲節(jié)點(diǎn)收到感知節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)后，通過編碼數(shù)據(jù)計(jì)算出密文查詢結(jié)果，將該密文查詢結(jié)果發(fā)送給Sink節(jié)點(diǎn)；4）Sink節(jié)點(diǎn)解密，獲得最終的查詢結(jié)果。由于本發(fā)明中存儲節(jié)點(diǎn)通過編碼數(shù)據(jù)計(jì)算出密文查詢結(jié)果，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)查詢功能。因此，解決了感知數(shù)據(jù)的隱私泄露問題。
【專利說明】隱私保護(hù)的兩層傳感網(wǎng)Skyl ine查詢系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信和數(shù)據(jù)查詢【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種隱私保護(hù)的兩層傳感網(wǎng)Skyline查詢處理系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks)作為物聯(lián)網(wǎng)感知層的重要組成部分，已成為當(dāng)前的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域。它由大量資源受限的傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，通過數(shù)據(jù)聚集和查詢等操作實(shí)現(xiàn)監(jiān)控和偵查等功能，具有廣泛的應(yīng)用場景。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)往往部署在環(huán)境惡劣的地帶，如森林防火、國防軍事等地區(qū)，維護(hù)困難，而且感知節(jié)點(diǎn)間是通過無線方式進(jìn)行通信。因此，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)面臨嚴(yán)重的安全問題，研究和解決這類安全問題，對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模推廣應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
[0003]在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)查詢領(lǐng)域，分為快照查詢和連續(xù)查詢。在快照查詢的機(jī)制下，Sink節(jié)點(diǎn)可能只對部分區(qū)域節(jié)點(diǎn)的特定時段的感知數(shù)據(jù)感興趣，因此傳感節(jié)點(diǎn)沒必要實(shí)時以及連續(xù)的將感知數(shù)據(jù)傳輸給Sink節(jié)點(diǎn)，這種傳輸機(jī)制在快照查詢的機(jī)制下造成了大量的通信開銷。同時，傳感器節(jié)點(diǎn)在計(jì)算、存儲和通信方面的資源受限，因此會嚴(yán)重縮短網(wǎng)絡(luò)的生命周期。鑒于上述情況，研究者們設(shè)計(jì)出了兩層傳感器網(wǎng)絡(luò)，它由能量、存儲、計(jì)算資源充足的存儲節(jié)點(diǎn)作為中間層，下層是資源受限的感知節(jié)點(diǎn)，上層為Sink節(jié)點(diǎn)。感知節(jié)點(diǎn)收集數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)存儲于存儲節(jié)點(diǎn)，存儲節(jié)點(diǎn)響應(yīng)Sink節(jié)點(diǎn)的查詢等任務(wù)。
[0004]兩層傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單穩(wěn)定和存儲節(jié)點(diǎn)資源充裕，它有效減少了感知節(jié)點(diǎn)向Sink節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)的能耗而延長了網(wǎng)絡(luò)的生命周期、能更高效地響應(yīng)Sink節(jié)點(diǎn)的查詢請求，從而獲得了廣泛關(guān)注與研究。但是兩層傳感器網(wǎng)絡(luò)中存儲節(jié)點(diǎn)存儲感知節(jié)點(diǎn)收集的感知數(shù)據(jù)并擔(dān)負(fù)響應(yīng)查詢的重要角色，在敵對環(huán)境中更易被攻擊。若感知節(jié)點(diǎn)將感知數(shù)據(jù)以明文的形式發(fā)送和存儲于存儲節(jié)點(diǎn)并參與查詢，一旦該存儲節(jié)點(diǎn)被捕獲，存儲于該存儲節(jié)點(diǎn)上的感知數(shù)據(jù)便會暴露。而且感知數(shù)據(jù)以明文在無線信道上傳輸也易被竊聽。因此，如何在數(shù)據(jù)傳輸和查詢過程中增加隱私保護(hù)功能，保護(hù)感知數(shù)據(jù)的隱私，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)在存儲節(jié)點(diǎn)的安全計(jì)算是各解決方案的研究重點(diǎn)。
[0005]在本系統(tǒng)主要針對Skyline查詢,將感知節(jié)點(diǎn)采集的感知數(shù)據(jù)記為二元組(x, y),而元組的屬性可以是溫度、濕度、風(fēng)速等。記p=(x, y)，則用P.X表示元組P在第X維的屬性值。Skyline查詢主要實(shí)現(xiàn)元組支配關(guān)系的比較，不失一般性，本專利中對于元組p、q屬性值優(yōu)劣的判斷用屬性“越小”表示“越優(yōu)”。用符號“>”和“<”表示支配與被支配關(guān)系。
[0006]定義I對于元組p、q，若P至少在某個屬性上比q優(yōu)，其他屬性上都不比q劣，則稱元組P支配元組q，記為P > q或q < P。
[0007]定義2針對給定元組集合D的查詢Q，如果該查詢發(fā)現(xiàn)了 D的一個最大子集SP，并且SP中的任意一個元組P都不受D中任意一個元組的支配，則稱該查詢?yōu)镾kyline查詢，SP稱為Skyline查詢結(jié)果集。
[0008]針對隱私保護(hù)的兩層傳感器網(wǎng)絡(luò)Skyline查詢，目前已有的解決方案在安全性、通信開銷方面存在著不足。比如，采用桶模式的方法，由于將每個數(shù)據(jù)都放入相應(yīng)的桶內(nèi)，通過對桶內(nèi)數(shù)據(jù)加密和桶標(biāo)簽來進(jìn)行支配關(guān)系比較，實(shí)現(xiàn)隱私保護(hù)的Skyline查詢。但是若有一個感知節(jié)點(diǎn)被俘獲，攻擊者就可以獲得所有感知節(jié)點(diǎn)的分桶方案及其標(biāo)簽與桶的對應(yīng)關(guān)系，從而獲取數(shù)據(jù)的大致分布，推出近似查詢結(jié)果。因此，該方案對感知數(shù)據(jù)和查詢結(jié)果的隱私保護(hù)程度有限。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明在二維數(shù)據(jù)空間上提出一種隱私保護(hù)的兩層傳感器網(wǎng)絡(luò)Skyline查詢系統(tǒng)及方法，該方法在保證感知數(shù)據(jù)機(jī)密性、真實(shí)性和準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了精確Skyline查詢。同時，該方法能夠有效減少數(shù)據(jù)傳輸量，延長了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期。
[0010]本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種隱私保護(hù)的兩層傳感器網(wǎng)絡(luò)Skyline查詢系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括Sink節(jié)點(diǎn)、存儲節(jié)點(diǎn)和感知節(jié)點(diǎn):
[0011]Sink節(jié)點(diǎn)，發(fā)送查詢命令給存儲節(jié)點(diǎn)，Sink節(jié)點(diǎn)對存儲節(jié)點(diǎn)返回的密文查詢結(jié)果進(jìn)行解密，得到最終的Skyline查詢結(jié)果；
[0012]存儲節(jié)點(diǎn)，響應(yīng)Sink節(jié)點(diǎn)的查詢命令,將查詢命令發(fā)送給本查詢單元內(nèi)的所有感知節(jié)點(diǎn)，存儲感知節(jié)點(diǎn)返回的數(shù)據(jù)，進(jìn)行查詢處理得到密文查詢結(jié)果集，并發(fā)送給Sink節(jié)
占.[0013]感知節(jié)點(diǎn)，感知數(shù)據(jù)，對感知數(shù)據(jù)加密，構(gòu)建感知數(shù)據(jù)的Z-O編碼，并對Z-O編碼進(jìn)行數(shù)值化和HAMC處理，最后將感知數(shù)據(jù)密文和感知數(shù)據(jù)的HMAC數(shù)值化Z-O編碼集合返回給存儲節(jié)點(diǎn)，其中0-1編碼(Zero-One encoding,簡稱Z-O編碼),屬于編碼學(xué)領(lǐng)域；哈希運(yùn)算消息認(rèn)證碼(Hash-based Message Authentication Code,簡稱HMAC),屬于密碼學(xué)領(lǐng)域。
[0014]一種隱私保護(hù)的兩層傳感器網(wǎng)絡(luò)Skyline查詢方法，該方法包括以下階段:
[0015]前期準(zhǔn)備階段=Sink節(jié)點(diǎn)與所有感知節(jié)點(diǎn)共享數(shù)據(jù)加解密密鑰，所有節(jié)點(diǎn)共享全局?鑰；
[0016]網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)建階段:將兩層傳感器網(wǎng)絡(luò)劃分為多個查詢單元，每個查詢單元包括一個存儲節(jié)點(diǎn)和多個感知節(jié)點(diǎn)，每個查詢單元內(nèi)部節(jié)點(diǎn)構(gòu)成一個路由樹，其中存儲節(jié)點(diǎn)為根節(jié)點(diǎn)；
[0017]Skyline查詢發(fā)布階段:Sink節(jié)點(diǎn)將查詢命令發(fā)送給指定查詢單元的存儲節(jié)點(diǎn)，查詢命令的內(nèi)容包括周期號t、查詢單元C和查詢類型；當(dāng)存儲節(jié)點(diǎn)收到Sink節(jié)點(diǎn)的查詢命令，將查詢命令發(fā)送給該查詢單元中所有感知節(jié)點(diǎn)。
[0018]感知節(jié)點(diǎn)響應(yīng)存儲節(jié)點(diǎn)階段:當(dāng)感知節(jié)點(diǎn)收到本查詢單元內(nèi)的查詢命令，感知節(jié)點(diǎn)用與Sink節(jié)點(diǎn)共享的密鑰對查詢周期內(nèi)的感知數(shù)據(jù)加密；并對感知數(shù)據(jù)進(jìn)行Z-O編碼，將編碼的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值化和HMAC處理，形成感知數(shù)據(jù)的HMAC數(shù)值化Z-O編碼集合；最后通過多跳的方式將感知數(shù)據(jù)密文和感知數(shù)據(jù)的HMAC數(shù)值化Z-O編碼集合傳輸至所在查詢單元的存儲節(jié)點(diǎn)；
[0019]存儲節(jié)點(diǎn)響應(yīng)Skyline查詢階段:存儲節(jié)點(diǎn)收到所有感知節(jié)點(diǎn)的感知數(shù)據(jù)密文和感知數(shù)據(jù)的HMAC數(shù)值化Z-O編碼集合后，進(jìn)行如下處理:根據(jù)Z-O編碼的數(shù)值比較特性，判斷出感知數(shù)據(jù)的支配關(guān)系，如果感知數(shù)據(jù)屬于最終的Skyline查詢結(jié)果，則將該感知數(shù)據(jù)密文和感知節(jié)點(diǎn)的ID放入密文查詢結(jié)果中；當(dāng)處理完所有的數(shù)據(jù)后，存儲節(jié)點(diǎn)將密文查詢結(jié)果發(fā)送給Sink節(jié)點(diǎn)。
[0020]查詢結(jié)果解密階段=Sink節(jié)點(diǎn)收到存儲節(jié)點(diǎn)返回的密文查詢結(jié)果，用與感知節(jié)點(diǎn)共享的密鑰解密密文，得到最終的Skyline查詢結(jié)果。
[0021]在感知節(jié)點(diǎn)響應(yīng)存儲節(jié)點(diǎn)階段，將感知數(shù)據(jù)構(gòu)造成新數(shù)據(jù)的具體過程為:使用Z-O編碼技術(shù)，將數(shù)據(jù)構(gòu)造成0-1編碼集合，然后用數(shù)據(jù)編碼首位前添加I來進(jìn)行數(shù)值化，對數(shù)值化的數(shù)據(jù)進(jìn)行HMAC處理。
[0022]在存儲節(jié)點(diǎn)響應(yīng)Skyline查詢階段，根據(jù)Z_0編碼的數(shù)值比較特性，判斷出感知數(shù)據(jù)的支配關(guān)系，具體過程為:存儲節(jié)點(diǎn)獲得本查詢單元內(nèi)所有感知節(jié)點(diǎn)的感知數(shù)據(jù)的HMAC數(shù)值化Z-O編碼集合
【權(quán)利要求】
1.一種隱私保護(hù)的兩層傳感網(wǎng)Skyline查詢系統(tǒng)，其特征在于:該系統(tǒng)包括Sink節(jié)點(diǎn)、存儲節(jié)點(diǎn)和感知節(jié)點(diǎn): Sink節(jié)點(diǎn)，發(fā)送查詢命令給存儲節(jié)點(diǎn)，Sink節(jié)點(diǎn)對從存儲節(jié)點(diǎn)返回的查詢結(jié)果進(jìn)行解密，獲得最終的Skyline查詢結(jié)果； 存儲節(jié)點(diǎn)，響應(yīng)Sink節(jié)點(diǎn)發(fā)送的查詢命令，并將查詢命令轉(zhuǎn)發(fā)給本查詢單元內(nèi)的所有感知節(jié)點(diǎn)，存儲從感知節(jié)點(diǎn)返回的數(shù)據(jù)，進(jìn)行查詢處理，得到密文查詢結(jié)果，并發(fā)送給Sink節(jié)點(diǎn)； 感知節(jié)點(diǎn)，感知數(shù)據(jù)，并對感知數(shù)據(jù)加密，構(gòu)建感知數(shù)據(jù)的Z-O編碼，并對感知數(shù)據(jù)的Z-O編碼進(jìn)行數(shù)值化和HAMC處理，最后將感知數(shù)據(jù)密文和感知數(shù)據(jù)的HMAC數(shù)值化Z-O編碼集合發(fā)送給存儲節(jié)點(diǎn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的隱私保護(hù)的兩層傳感網(wǎng)Skyline查詢方法，其特征在于，該方法包括以下階段: 前期準(zhǔn)備階段=Sink節(jié)點(diǎn)與所有感知節(jié)點(diǎn)共享數(shù)據(jù)加解密密鑰，所有節(jié)點(diǎn)共享全局密鑰； 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)建階段:將兩層傳感器網(wǎng)絡(luò)劃分為多個查詢單元，每個查詢單元包括一個存儲節(jié)點(diǎn)和多個感知節(jié)點(diǎn)，每個查詢單元內(nèi)部節(jié)點(diǎn)構(gòu)成一個路由樹，其中存儲節(jié)點(diǎn)為根節(jié)點(diǎn)； Skyline查詢發(fā)布階段:Sink節(jié)點(diǎn)將查詢命令發(fā)送給指定查詢單元的存儲節(jié)點(diǎn)，查詢命令包括周期號t、查詢單元C和查詢類型；當(dāng)存儲節(jié)點(diǎn)收到查詢命令后，將查詢命令發(fā)轉(zhuǎn)發(fā)該查詢單元中所有感知節(jié)點(diǎn)。 感知節(jié)點(diǎn)響應(yīng)存儲節(jié)點(diǎn)階段:當(dāng)感知節(jié)點(diǎn)收到查詢命令后，感知節(jié)點(diǎn)用共享密鑰對查詢周期內(nèi)的感知數(shù)據(jù)進(jìn)行加密；并將感知數(shù)據(jù)進(jìn)行Z-O編碼，將Z-O編碼數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值化和HMAC處理，形成感知數(shù)據(jù)的HMAC數(shù)值化Z-O編碼集合；最后通過多跳的方式將感知數(shù)據(jù)密文和感知數(shù)據(jù)的HMAC數(shù)值化Z-O編碼集合發(fā)送給所在查詢單元的存儲節(jié)點(diǎn)； 存儲節(jié)點(diǎn)響應(yīng)Skyline查詢階段:存儲節(jié)點(diǎn)收到所有感知節(jié)點(diǎn)的感知數(shù)據(jù)密文和感知數(shù)據(jù)的HMAC數(shù)值化Z-O編碼集合后，進(jìn)行如下處理:根據(jù)Z-O編碼的數(shù)值比較特性，判斷出感知數(shù)據(jù)的支配關(guān)系，如果感知數(shù)據(jù)屬于最終的Skyline查詢結(jié)果，則將該感知數(shù)據(jù)密文和感知節(jié)點(diǎn)的ID放入密文查詢結(jié)果中；當(dāng)處理完所有的數(shù)據(jù)后，存儲節(jié)點(diǎn)將密文查詢結(jié)果發(fā)送給Sink節(jié)點(diǎn)。 查詢結(jié)果解密階段=Sink節(jié)點(diǎn)收到存儲節(jié)點(diǎn)返回的密文查詢結(jié)果，用與感知節(jié)點(diǎn)共享的密鑰解密密文，得到最終的Skyline查詢結(jié)果。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的隱私保護(hù)的兩層傳感網(wǎng)Skyline查詢方法，其特征在于:在感知節(jié)點(diǎn)響應(yīng)存儲節(jié)點(diǎn)階段，將感知數(shù)據(jù)構(gòu)造成新數(shù)據(jù)的具體過程為:使用Z-O編碼技術(shù)，將感知數(shù)據(jù)構(gòu)造成0-1編碼集合，然后用數(shù)據(jù)編碼首位前添加I來進(jìn)行數(shù)值化，對數(shù)值化的數(shù)據(jù)進(jìn)行HMAC處理。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的隱私保護(hù)的兩層傳感網(wǎng)Skyline查詢方法，其特征在于:在存儲節(jié)點(diǎn)響應(yīng)Skyline查詢階段，根據(jù)Z-O編碼的數(shù)值比較特性，判斷出感知數(shù)據(jù)的支配關(guān)系，具體過程為:存儲節(jié)點(diǎn)獲得本查詢單元內(nèi)所有感知節(jié)點(diǎn)的感知數(shù)據(jù)的HMAC數(shù)值化Z-O 編碼集合 HMACs(mZ(4.x)))、HMACg(NiOid1irX)))、HMACg(N(Z(d；ry))) ^HMACjN(0(d；;.v))).再結(jié)合集合HMAC(N(0(p.x))與 HMAC(N(Z(q.x)))有無交集來判定數(shù)值p.x、q.X的大小，有交集得到p.x>q.x，否則為p.x < q.X，進(jìn)而得出感知數(shù)據(jù)的支配關(guān) 系。
【文檔編號】H04W84/18GK103648092SQ201310731280
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2013年12月26日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月26日
【發(fā)明者】左開中, 胡鵬, 羅永龍, 郭良敏, 陳付龍, 王濤春 申請人:安徽師范大學(xué)