无线传感网络中具有隐私保护的数据聚集研究

摘要

无线传感网络(Wireless Sensor Network)是由许多小型或微型的无线传感器结点所组成的无线自组织网络，它在军事和民用中都有广泛的应用，如监测敌人的动态、监测水环境的污染状况以及采集深山老林中的气象信息等，因此吸引了国内外许多学者对其进行研究。随着研究的深入，无线传感网更多的应用于收集人们生活中的隐私数据，在这种情况下，在数据聚集过程中对原始数据进行隐私保护将变得尤为重要。例如，在收集某小区居民的水电、煤气用量的峰值和均值以便有关部门进行分配调度时，需要对用户的原始数据进行保护，以免泄露用户的隐私。因此在无线传感网络的研究中，设计高效的具有隐私保护功能的数据聚集算法，降低通信带宽，提高网络的寿命和安全性具有十分重要的意义。为了研究的方便，本文根据聚集协议功能的不同，把协议分成三类:求和类、求最值类和求百分比类。目前国内外现有的保护隐私数据聚集算法，除PEQ(Privacy-preserving Scheme for Exact Query Evaluation)算法外，其它算法都只能聚集某一类数据，功能单一，应用起来具有一定的局限性。虽然PEQ算法可以进行全功能的数据聚集，但它是基于矩阵运算的每次数据聚集的通信开销和计算量都比较大。针对上述问题，本文设计了两种基于数据混淆的数据汇集算法PCPDA(Polling in Cluster of Privacy-preserving DataAggregation)和SCPDA(Secret Confusion of Privacy-preserving DataAggregation)。
　　 PCPDA协议是一种基于簇内数据轮转的数据聚集协议，在进行数据聚集时，每个簇头节点生成一个带有干扰数据的查询包，查询包通过一定的顺序依次轮转经过簇内每个节点，最终又回到簇头节点，簇头节点得到查询结果后，把簇内的查询结果通过路由树聚集到查询节点。该协议虽然只能聚集求和类和最值类的数据，但其计算量的通信开销都远小于同类的其他协议，通信量最多只有其他协议的三分之一。
　　 在PCPDA协议的基础上，本文又设计了一种全功能的SCPDA数据聚集协议，该协议是一种基于数据混淆的数据聚集协议，SCPDA协议在进行数据聚集时每个节点都把向原始数据中加入混淆数据，数据聚集结束后查询节点再删除混淆数据，从而得到网络中的所有原始数据。SCPDA协议可以聚集所有类型的统计数据，通信量和计算量比同功能的PEQ协议降低了一个数量级。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 国内外研究现状

1．2．1 CPDA方案

1．2．2 SMART方案

1．2．3 PriSense方案

1．2．4 KIPDA方案

1．2．5 PEQ方案

1．3 相关工作

1．4 文章结构

第2章 PCPDA数据聚集协议

2．1 模型描述

2．2 安全要求

2．3 协议介绍

2．3．1 划分簇阶段

2．3．2 数据轮询阶段

2．3．3 数据聚集阶段

2．4 能耗分析

2．5 安全性分析

2．6 实验

2．6．1 实验环境

2．6．2 实验方案

2．6．3 实验结果

2．7 总结

第3章 SCPDA数据聚集协议

3．1 协议介绍

3．1．1 划分簇阶段

3．1．2 数据混淆阶段

3．1．3 数据聚集阶段

3．2 能耗分析

3．2．1 SCPDA协议能耗分析

3．2．2 其他协议能耗分析

3．3 安全性分析

3．3．1 安全性证明

3．3．2 安全性分析

3．4 实验

3．4．1 实验方案

3．4．2 实验结果

3．5 总结

第4章 总结和展望

参考文献

附录 实验伪代码

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果