可保护数据隐私性和完整性的安全数据融合算法研究

摘要

无线传感器网络（Wireless Sensor Network, WSN）是当今社会上影响力最大和应用最为广泛的技术之一。近年来，随着科学技术的不断进步，无线传感器网络技术的应用也逐步扩大到人类生活的各个领域，例如家居方面、金融行业、航空和海洋监测等。无线传感器网络是由数目众多的微型传感器节点组成的，传感器节点被部署在相应的监测区域内进行采集用户需要的有用信息。因为传感器节点是一些结构简单、资源有限的小的处理器，所以在实际应用中采用数据融合技术进行信息的传输。随着人们安全需求的不断增加，无线传感器网络在数据融合过程中信息的安全性也越来越引起人们的重视。例如在一些对安全要求比较高的领域，如医学领域、金融行业和军事领域等，信息采集传输过程中对安全防护的要求更高。传感器节点的资源受限使得节点更容易被非法者攻击或俘获，这样就会导致一些敏感信息的泄露，造成严重的损失。因此，研究无线传感器网络数据融合过程中的安全问题意义重大。对于如何解决无线传感器网络在数据融合过程中的安全问题，国内外都做了大量的相关研究工作。
　　本研究主要内容包括：⑴研究了无线传感器网络数据融合过程中的隐私性和完整性这两个安全需求，数据的隐私性和完整性是无线传感器网络安全数据融合过程中最重要的两个方面。本文利用簇型融合树，采用簇内分片的方式对数据的隐私性进行保护，同时采用同态消息验证码的方式保证数据的完整性。⑵提出了一种改进的WSN数据融合算法（ILCCPDA），它是在经典的基于分簇的数据融合隐私保护算法（CPDA）的基础上进行的改进。ILCCPDA采用LEACH分簇协议来形成簇，以及采用在簇内进行简单的切片混合操作来减少数据传输，进而降低了网络能耗。该算法加入同态消息验证码可以对数据进行完整性检测，同时采用随机密钥分配机制对节点采集的数据进行加密。它实现了在无线传感器网络数据传输过程中信息的隐私性和完整性得到保护同时也降低了网络的能耗。⑶从数据的隐私性，完整性和数据通信中的能量消耗这三个方面与其他算法进行比较分析，得出此算法在降低网络通信量的同时可以完成对数据的隐私性和完整性的保护。

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1 绪论

1.1 课题的背景及意义

1.2 无线传感器网络概述

1.2.1 无线传感器网络安全数据融合概述

1.2.2 数据融合面临的安全威胁概述

1.3 本文主要研究内容

1.4 章节安排

1.5 本章小结

2 相关研究

2.1 无线传感器网络安全数据融合协议研究

2.1.1 基于同态加密机制的安全数据融合算法

2.1.2 基于扰动和切片重组机制的安全数据融合算法

2.1.3 基于模式识别码的安全数据融合算法

2.1.4 基于Merkle-hash树的安全数据融合算法

2.1.5 基于监督机制的安全数据融合算法

2.1.6 基于数字签名的安全数据融合算法

2.2 协议性能比较

2.3 本章小结

3 基于分簇的可保护数据隐私性和完整性的数据融合算法

3.1 算法简介

3.1.1 网络模型

3.1.2 安全假设

3.1.3 网络攻击方式

3.2 算法原理

3.2.1 加解密机制

3.2.2 分簇方式

3.2.3 同态消息验证码机制

3.3 ILCCPDA算法介绍

3.3.1 算法准备阶段

3.3.2 簇的建立阶段

3.3.3 簇内数据串通阶段

3.3.4 数据融合阶段

3.3.5 完整性检测阶段

3.4 本章小结

4 模拟仿真与性能分析

4.1 仿真环境

4.2 仿真结果与性能分析

4.2.1 数据的隐私性分析

4.2.2 数据的通信量分析

4.2.3 数据的完整性保护分析

4.3 本章小结

5 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文