能量有效的WSN数据聚合技术及其安全问题研究

发布时间：2017-03-30 09:16

  本文关键词：能量有效的WSN数据聚合技术及其安全问题研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSN)是当前世界上备受关注的、技术高度集成、众多学科交叉的前沿和热点研究领域之一。无线传感器网络拓展了人类的信息获取能力,在国防安全和国民经济诸方面均有着广阔的应用前景。为保证采集数据的全面性,常在传感器网络中布撒数目众多,分布密集的感知节点,并将携带了大量冗余信息的原始采样数据发送到基站。由于传感器节点的能源严格受限且电池更换困难,针对传感器网络能效性的研究一直是该领域的重点及难点问题。数据聚合技术能够消除感知数据中的冗余信息,减少数据传输量,降低网络能量消耗,提高数据的精确性,延长了网络的生命周期,是无线传感器网络节能设计的关键技术之一,能量有效的数据聚合算法设计也成为该网络中数据聚合研究的关键点。随着无线传感器网络的持续运行,数据聚合技术在降低网络通信开销的同时也带来了新的安全隐患,如聚合数据的窃听、篡改及伪造,传感器节点俘获及敏感信息的泄露等。受到恶意节点攻击的网络节点能够将大量错误或虚假信息复制、转发给其他节点。这些不可信的、存在安全问题的聚合数据将会误导基站做出不恰当的响应决策,而大量被捕获的传感器节点将会干扰、甚至终止整个网络的正常运行,使得整个数据采集工作前功尽弃。如果感知数据中的敏感信息被恶意节点获取,则会造成不可估量的损失。因此,对数据聚合过程中的安全问题进行研究,具有非常重要的意义。以无线传感器网络的数据聚合技术为基础,本论文对如何设计全网节点能耗均衡的高效数据聚合策略进行了分析,并着重研究了基于节点认证、隐私保护、入侵检测及同态加密的安全数据聚合算法。主要工作及取得的研究成果如下：1、提出一种WSN中能量有效的分簇数据聚合协议。研究分簇传感器网络数据聚合机制,解决网内节点能耗不均衡问题。分析了多跳通信模式下簇头节点的负载不平衡性,给出基于网络拓扑和单簇能耗的簇半径计算方案。针对网内关键节点能耗过快问题,提出一种新型的双簇头选举策略。为减少网络总能耗,引入跨层数据传输模式,并利用具体实例与性能实验检验了算法的有效性。2、提出一种WSN中能量有效的匿名聚合节点选举协议。研究传感器网络中聚合节点的安全性,基于分簇拓扑结构,提出一种匿名的簇头选举协议。给出了匿名簇头选举的判定规则及成簇模式。为保证存在节点成功当选,利用基于双线性对的匿名否决协议对选举结果进行验证。为有效抵抗窃听攻击、节点妥协攻击及合谋攻击等恶意行为,设计了相应的数据聚合方案,无需泄露节点身份信息即可完成聚合,提高了聚合安全性。3、提出一种WSN中能量有效的隐私保护数据聚合算法。研究传感器网络隐私保护数据聚合机制,提出一种高能效的、抗数据丢失的隐私保护聚合算法,通过进行两次不同形式的数据扰动分别实现单个节点数据对基站及网内其他节点的隐私性。首先,从防止基站入侵角度,描述了初次扰动数据设计方案；在此基础上,为防止邻居节点窃取敏感信息,给出了采用构建索引值方式进行二次数据扰动的实现过程。为有效抵御多种外部攻击,引入消息认证码技术,给出了中间聚合节点及基站的聚合验证操作流程。4、提出一种能量有效的多维数据隐私保护聚合机制。研究多维数据的聚合特性及隐私保护算法,提出一种适用于智能电网通信的隐私保护聚合机制。建立了智能电网通信模型。分析了隐私同态与数据签名技术,基于二者的集成,给出了多维数据的聚合结果认证及完整性检测方案。为对抗随机误差,提出了一种成员列表构建方法,并着重分析了该方案在智能电网通信中的安全性,高效性及适用性。
【关键词】：无线传感器网络 数据聚合 能量有效 隐私保护 匿名否决
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP212.9;TN929.5
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-13
• 符号对照表13-14
• 缩略语对照表14-19
• 第一章 绪论19-35
• 1.1 研究背景及选题意义19-20
• 1.2 WSN数据聚合技术概述20-24
• 1.2.1 应用背景20-21
• 1.2.2 主要作用21-22
• 1.2.3 主要类型22-24
• 1.3 WSN数据聚合能量问题24-25
• 1.3.1 能量敏感性24
• 1.3.2 优化策略24-25
• 1.4 WSN数据聚合安全问题25-32
• 1.4.1 安全问题根源25-26
• 1.4.2 安全威胁26
• 1.4.3 安全需求26-28
• 1.4.4 研究现状28-32
• 1.5 本文主要工作及结构安排32-35
• 1.5.1 主要工作32-33
• 1.5.2 结构安排33-35
• 第二章 WSN中能量有效的分簇聚合协议35-51
• 2.1 分簇数据聚合协议概述35-36
• 2.2 背景知识36-38
• 2.2.1 网络模型36-37
• 2.2.2 相关定义37
• 2.2.3 问题描述37-38
• 2.3 簇间能耗均衡38-40
• 2.3.1 簇划分38-40
• 2.3.2 计算示例40
• 2.4 簇内能耗均衡40-42
• 2.4.1 处理和转发节点选举40-42
• 2.5 数据聚合树的构建42-43
• 2.6 性能分析43-49
• 2.6.1 理论分析43-46
• 2.6.2 仿真验证46-49
• 2.7 小结49-51
• 第三章 WSN中能量有效的匿名聚合节点选举协议51-65
• 3.1 匿名选举必要性概述51-52
• 3.2 双线性对及相关复杂性假设52
• 3.3 网络及攻击模型52-53
• 3.3.1 网络模型52-53
• 3.3.2 攻击模型53
• 3.4 协议设计53-55
• 3.4.1 系统初始化53
• 3.4.2 匿名聚合节点选举53-55
• 3.4.3 错误情况处理55
• 3.5 簇的构建55-57
• 3.6 数据聚合57-58
• 3.7 安全分析58-60
• 3.7.1 匿名簇头选举58
• 3.7.2 匿名否决协议58-60
• 3.8 性能分析60-63
• 3.8.1 消息复杂度60-61
• 3.8.2 节点单轮能量消耗61
• 3.8.3 节点生命周期61-62
• 3.8.4 节点邻居数及权值因子与当选概率的关系62-63
• 3.9 小结63-65
• 第四章 WSN中能量有效的隐私保护数据聚合算法65-79
• 4.1 WSN隐私安全概述65
• 4.2 预备知识65-68
• 4.2.1 消息认证码65-66
• 4.2.2 密钥分配机制66
• 4.2.3 网络及攻击模型66-67
• 4.2.4 高效的隐私保护聚合算法评价标准67-68
• 4.3 高效的隐私保护数据聚合算法68-72
• 4.3.1 聚合请求68-69
• 4.3.2 密文构造69-70
• 4.3.3 聚合及验证70-72
• 4.4 安全分析72-75
• 4.4.1 隐私性72-74
• 4.4.2 完整性74-75
• 4.5 性能分析75-77
• 4.5.1 通信复杂度75
• 4.5.2 计算复杂度及代价75
• 4.5.3 仿真实验75-77
• 4.6 小结77-79
• 第五章 能量有效的多维数据隐私保护聚合机制79-91
• 5.1 多维数据隐私保护概述79
• 5.2 多维数据聚合在智能电网中的应用79-81
• 5.2.1 智能电网概述79-80
• 5.2.2 智能电网通信模型80-81
• 5.2.3 安全需求及面临的威胁81
• 5.3 适用于智能电网的隐私保护聚合机制设计81-85
• 5.3.1 预备知识81-83
• 5.3.2 系统初始化83-84
• 5.3.3 用户报告生成84
• 5.3.4 安全数据聚合84
• 5.3.5 报告响应84-85
• 5.4 安全分析85-87
• 5.4.1 数据机密性85-86
• 5.4.2 数据认证及完整性86
• 5.4.3 不可否认性86
• 5.4.4 选择明文攻击下的安全性86-87
• 5.5 性能分析87-90
• 5.5.1 计算代价87-89
• 5.5.2 通信负载89-90
• 5.6 小结90-91
• 第六章 结论和展望91-95
• 6.1 论文工作总结91-92
• 6.2 未来研究展望92-95
• 参考文献95-105
• 致谢105-107
• 作者简介107-108

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