[发明专利]一种无线传感器网络中加密数据的融合方法

说明书

技术领域

本发明属于无线传感器网络的数据传输技术领域，特别涉及一种无线传感器网络中加密数据的融合方法。

背景技术

无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)是近年来信息技术领域的一个研究热点，它融合了传感器、计算机科学、信号与信息处理、通信等多个领域的技术。无线传感器网络为人类与客观物理世界的交互提供了一种新的有效手段，它已被应用于军事、灾难现场、环境监测和医疗救护等诸多领域，具有广阔的市场及产业前景。

WSN是由大量具有特定功能的传感器节点通过自治的无线通信方式，相互传递信息，协同地完成特定功能的智能专用网络。如今无线传感器网络已经成为一种极具潜力的检测工具。它是一个由微型、廉价、能量受限的传感器节点所组成、依靠电池供电、通过无线方式进行通信的多跳网络，其目的是对所覆盖区域内的信息进行采集、处理和传递。传感器一般投放在条件恶劣的环境或者难以涉足的地域中，节点电池的更换或能量的补充几乎是不可能的。因此如何高效使用能量，提高节点生命周期，是传感器网络面临的首要问题。又因为传感器网络中传输数据的能耗远大于处理数据的能耗。因此，在大规模WSN中，使各个节点在多跳传输感测数据到汇聚(sink)节点前，先对数据进行融合处理是非常有必要的，数据融合技术应运而生。

数据融合是实现无线传感器节点节能目的的重要手段之一，它是将多份数据或信息进行处理，组合出更有效、更符合用户需求的数据的过程。其具有如下优点：能够有效克服无线传感器网络中能量约束，去除冗余信息，减少网络中的数据传输量，从而节省WSN节点能量，延长WSN的生命期。但是由于无线传感器的节点分布广泛、网络拓扑结构动态多变，而且处于长期无监控状态，容易受到各种类型的攻击，这些攻击常会导致节点被捕获和窃听，继而造成网络信息泄漏。此外，为了提高系统的能量效率，传感器网络经常在网内进行数据融合，如果有人在节点处伪造或重放协议控制包，那么有可能造成整个融合结果发生改变，从而为融合结果引入了不确定性。另外如果无线传感器中的节点出现故障或数据传输错误，将会导致错误数据出现在数据融合的过程中。

当前大多数WSN采用诸如TinyOS安全模式TinySec或标准安全协议IEEE802.15.4T提供逐跳的安全性，这仅对WSN整个系统提供了十分有限的安全性保障。有效的解决方法应当是提供一种端到端的安全机制。在这种安全机制中，只有sink节点能读取不同传感器节点独自加密的数据，中间其它节点都不能实现这一操作。而将这种端到端的安全与数据融合有机地结合在一起是最期待的结果。由于WSN的自组织分布式结构，对其提供具有端到端的安全的数据融合是一个富有挑战性的任务，但已有一些结果。

例如，Castelluccia等人在2009年期刊《ACM Transactions on Sensor Network》第5卷第3期第20篇发表了题为“Efficient and Provably Secure Aggregation of Encrypted Data in Wireless Sensor Networks”的文章。作者利用加法同态加密算法设计了一种具有端到端安全的加密数据融合方法，并用形式化方法证明了它的安全性。但作者研究的WSN由sink节点集中分配密钥，每个传感器节点的加密密钥ek_i＝f_K(i)，只有sink节点利用主密钥K才能生成该密钥。对每个传感器节点提供的加密数据，接收它的中间传感器节点不能验证其有效性，只有sink节点解密出最后的融合数据明文m，才能验证m的有效性。在加密数据出送过程中，一旦攻击者插入假的数据，虽然sink节点能发现最终数据是假的，但不知道攻击者插入假数据的位置，同时也使参与这次数据融合的传感器节点耗费了能量。此外，该方法需要发送一个头文件，它包含了所有参与这次数据融合的节点标识符。方法中，没有对这一文件提供任何保护措施，一旦攻击者篡改它(头文件)，sink节点不能正确地解密融合的加密数据。