[发明专利]一种双层传感网中的安全Top-k查询方法及装置

说明书

本发明提供一种双层传感网中的安全Top‑k查询方法及装置。该方法包括：接收并存储同一网络单元内传感器节点S_i发送的第一数据报告，接收基站发送的Top‑k查询请求，根据待查询网络单元ID、待查询时隙号和待查询传感器节点集合从本地存储的所有第一数据报告中确定待查询数据报告集合；根据E_MOPE{d_i,j}对待查询数据报告集合中的由大到小进行排序，并根据待查询Top‑k数据项个数k确定Top‑k数据项；根据Top‑k数据项确定待查询数据报告集合中的每个第一数据报告中包含的Top‑k数据项的个数n_i；根据感知数据项个数μ_i和Top‑k数据项的个数n_i，生成每个待查询传感器节点的第二数据报告，对所述查询结果报告进行数据完整性检测。本发明可以在保护数据项及其权重隐私性的同时降低节点间的通信开销。

技术领域

本发明涉及物联网工程技术领域，尤其涉及一种双层传感网中的安全Top-k查询方法及装置。

背景技术

双层传感器网络的主要结构如图8所示，主要分L₁和L₂两层，L₁层是由大量能量有限、通信能力和计算能力较弱且存储容量小的传感器节点组成的多跳自组织网络，L₂层是由多个存储容量较大且计算和通信能力较强的数据存储节点构成的MESH网(即无线网格网络)。整个网络部署区域被分成多个单元，每个单元内部署一个数据存储节点和多个传感器节点。传感器节点负责采集数据并将所采集到的数据上传到其所在单元内的数据存储节点上进行存储。

在双层传感器网络中，数据存储节点一方面需要存储来自其所在单元内的传感器节点发来的感知数据，另一方面需要响应来自用户通过基站发来的查询请求，是双层传感器网络中的关键节点。因此，在敌对环境中，攻击者更倾向于捕获并妥协数据存储节点以达到破坏数据的隐私性和查询结果的完整性的目的。

在各类查询请求中，主要关注Top-k查询安全性，该查询是指从一个包含N(N0)个数据的数据集中选出权重最大(或者最小)的前k(0k≤N)个数据。Top-k查询安全性是指Top-k查询过程中的数据隐私性保护和数据完整性保护，即在Top-k查询处理过程中要尽量避免数据存储节点获取数据项及其对应权重的具体数值，同时要保证Top-k查询结果的真实性和可靠性。其中，可靠性主要是指Top-k查询结果中的数据确实是满足查询要求的真实数据项，而非真实的但不满足查询要求的数据项。

由于双层传感器网络是一种较新型的边缘计算网络，面向双层传感器网络的安全Top-k查询方法相对较少。目前，已有最好的方法是将Top-k查询问题首先转化为Top-range查询(即查询位于前k个数值区间内的数据项)，接着为每个区间构建索引，并在传感器节点上利用对称密钥对每个区间内的数据项进行整体加密。这样，即可以保证数据存储节点顺利进行Top-k查询，有可以保证发送给数据存储节点的数据项的具体数值不被数据存储节点获知。

但是，上述方法主要存在以下两个问题：

1、不能一次实现精确Top-k查询。由于需要将Top-k查询转化为Top-range查询，所获得的是前k个区间范围内的数据项而非确切的前k个数据项，因此，所查询结果中包含大量非Top-k数据项，无法一次实现精确Top-k查询。

2、附带大量的冗余信息。为了完成对Top-k查询结果的数据完整性验证，需要利用Bloom filter技术为每个感知数据项生成一个数据索引，并将其加入到传感器节点产生的数据报告以及数据存储节点产生的Top-k查询结果中。因此，现有方法附带大量的冗余信息，这些大量冗余信息不仅会增大传感器节点的通信开销，还会增大数据存储节点与基站之间的通信代价。

发明内容