无线传感器网络中数据存储和汇聚的安全性研究

摘要

人类进入21世纪以来，微电子机械系统（Micro—electro—mechanism system，MEMS）、计算机、通信、自动控制和人工智能等学科的飞速发展孕育了一种新型的测控网络——无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSNs）。 无线传感器网络作为新兴的测控网络技术，是能够自主实现数据采集、融合和传输应用的智能网络应用系统。无线传感器网络是逻辑上的信息世界与真实的物理世界紧密结合，从而真正实现“无处不在的计算（普适计算）”模式。无线传感器网络技术是一项涉及多门前沿学科发展的综合性技术，在基础理论和工程技术两个层面向科技工作者提出了大量的挑战性研究课题。 在传统的无线传感器网络的拓扑结构中，数据被传感器节点收集到以后，被立即转发给基站或者数据中心（sink）。随着无线传感器网络技术的广泛应用，这一拓扑结构已经不能适用于所有的应用方案，如用户想收集“历史数据”（一个月的平均气温而不是每天某个时间点的气温或一年内火山活动对区域内土壤中化学成分的影响等），还有一些应用方案，基站（或者sink）不容易和无线传感器网络一起部署在传感区域（火山区域、海上等）。针对这些不足，无人值守的无线传感器网络被提出。在无人值守的无线传感器网络中，数据被存储在本地或者存储在本节点中，拥有权限的用户可以根据需要来访问数据。这个方法利用将数据存储在本地存储器上来减少因传输数据带来的能量消耗。但是这种分布式数据存储的方案仍然存在安全性和稳定性的问题。 本文首先提出了一个基于秘密共享（secret sharing）和Reed—Solomon编码的方案，该方案的特点是能保证数据保密性（confidentiality）、可靠性（reliability）和计算安全性（computation security），而且产生的数据开销很小。同时，为了保证数据的完整性（integrity），提出了一个双粒度线性码的技术（Two Granularity linear code）来确保并检查数据的完整性。最后，为了能高效率的传输用户的查询结果，本文利用同态加密（homomorphic encryption）和同态秘密分享（homomorphic secret sharing）技术提出了一个能高效率取回数据的方案——H2S。 方案的有效性和安全性也在本文中得到详细阐述和证明。通过分布式数据的存储，数据的稳定性得到了加强，因传输数据造成的能量消耗和周围邻居节点的存储消耗也得到了降低。数据完整性检查的方案也被通过分析证实，在不需要利用耗费系统资源的非对称加密算法的情况下，能有效的检测数据的完整性。H2S方案被分析和证明能有效地取回数据，并能减少带宽的消耗和传递节点的能量消耗。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1无线传感器网络的概述

1.2无线传感器网络的体系结构

1.2.1节点组成

1.2.2网络的体系结构及整体构建

1.3无线传感器网络中的数据存储

1.4无人值守的无线传感器网络中的数据汇聚

1.5国内外相关研究

1.5.1国外相关研究

1.5.2国内相关研究

1.6论文的研究内容和论文结构安排

1.6.1论文研究内容

1.6.2论文的结构安排

第2章相关理论知识

2.1秘密共享

2.2擦除码

2.3同态加密

2.4同态秘密共享

第3章理论分析和问题描述

3.1网络构想

3.2攻击模式

3.3设计目标

3.4评估指标

3.4.1 安全性

3.4.2 性能

3.4.3 可靠性

第4章数据存储的安全性的研究与设计

4.1符号表示法

4.2基本设计

4.3数据复制的设计

4.4秘密共享的设计

4.5综合设计

4.6数据存储的设计方案的分析

4.6.1性能分析

4.6.2安全性分析

4.6.3可靠性分析

第5章完整性检查的研究与设计

5.1双粒度线性码

5.2分布式数据完整性的检查

5.3数据完整性检查方案的分析

第6章数据汇聚的研究与设计

6.1基本设计—基于同态加密的设计方案

6.2改进式设计—基于同态秘密共享的设计方案

6.3加强式设计

6.4数据汇聚方案的分析

6.4.1性能分析

6.4.2安全性分析

第7章总结和展望

7.1主要结论

7.2后续研究工作的展望

参考文献

致 谢

作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文