安全的WSN数据融合隐私保护方案设计.docx

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安全的WSN数据融合隐私保护方案设计

万方数据

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第ｌｌ期赵小敏等：

安全的ｗＳＮ数据融合隐私保护方案设计・１５９・ｃ■＝口＋∥＋ｙ＋万１）ＩＰＨＣＤＡ的计算开销（２）同，融合节点Ｂ和Ｃ的数据需要４次额外的加法操作（实部和虚部的融合各需２次）。

所以融合节点的计算开销可以表示为口ＰＨＣＤＡ算法中的普通节点执行以下操作：

生成随机数竹，计算户一和矿的值。

设６表示生成随机数ｒ，的计算开销，则普通节点的计算开销可以表示为Ｃｌ口ＨｃＤＡ＝２ｙ＋万ｃ２ｓＰＰＤＡ＝６口＋２∥（１０）所以，从式（９）和式（１０）可知ＳＰＰＤＡ总的计算开销为Ｃ：

。

。

。

＝１０口＋６口ｏＳＰＰＤＡ一－Ｖ¨ｏ”尸（１１）、１１，（３）对于簇头节点，其加密计算开销与普通节点相同；融合Ｂ、Ｃ节点数据与自身数据的操作需要４次乘法运算，包括２次Ｐ聊融合乘法运算和２次∥融合乘法运算。

设６１表示生成随机数ｎ的计算开销，如表示计算融合结果ＭＡＣ值的开销，所以融合节点（这里指簇头）的计算开销表示为由于加减、乘除运算的计算开销远小于指数运算，也小于生成随机数、口ＨＣＤＡ中的计算ＭＡＣ值以及ｉＰＤＡ中的加解密复合运算。

因此，从式（５）、式（８）和式（１１）可知，相比ｉＰＤＡ和ＩＰＨＣＤＡ，ＳＰＰＤＡ方案的计算开销是最小的。

４．４精确度ｃ２眦ＤＡ＝４∥＋２ｙ＋４＋暖２个普通节点Ｂ和Ｃ的计算开销之和（４）所以，口ＨＣＤＡ总的计算开销为融合节点Ａ和这里的精确度是指融合结果与实际数值的比值，也是数据融合算法的一个重要指标。

理想情况下，精ｃ０ＨｃＤＡ＝４∥＋６ｙ＋２万＋４＋暖２）ｉＰＤＡ的计算开销（５）确度为ｌ。

然而，由于通信信道有噪声，数据传输时会发生数据碰撞、丢失、延迟等情况，精确度一般小于ｌ。

图４显示了ＳＰＰＤＡ、口ＨＣＤＡ和ｉＩ＇ＤＡ的精确设节点Ａ、Ｂ、Ｃ属于红融合树，数据分片，－２，则节点收到分片的平均值为玎（卜１）厢＝卜ｌ，融合这些分片需要卜１次求和操作。

对于普通节点，要分片２次，分别用以红融合树和蓝融合树，共需２次度仿真结果。

从图４可知，ＳＰＰＤＡ随着融合时间片增大而趋于稳定，从变化趋势上可以看出，ＳＰＰＤＡ的精确度要高于ＰＨＣＤＡ，主要是因为眦ＤＡ密文减法运算。

如果收到蓝融合树的一个分片，需要进行１次加法运算；红融合树融合需要１次加法运算。

设６表示加密运算的计算开销，则普通节点的计算开销可表示为Ｃ１ｉＰＤＡ＝４口＋万较大，可能会分多次发送，容易产生数据碰撞和丢失。

ｉＰＤＡ采用分片的方法保护数据的隐私性，在分片过程中，数据片由于碰撞而发生丢失，故其精确度相比于其他２个算法较低。

图４中精确度的变化有波动，（６）但总体上是随时间片的增大而增大的。

出现波动的原因是由无线传感器网络的通信方式引起的，比如遇到融合节点与普通节点相比，多了解密和融合操作。

Ａ有２个子节点，需解密２次，融合１次，融合需要进行２次加法运算。

设占ｌ、龟分别表示加密操作和解密操作，则融合节点的计算开销可以表示为碰撞时，节点采取的是二进制退避法，其退避时间本身就有一定的不确定性。

ｃ２ｉＰＤＡ＝６口＋磊＋２暖销为（７）所以，从式（６）和式（７）可知，ｉＰＤＡ总的计算开ｃ；ＤＡ＝１４口＋２艿＋点＋２嘎３）ＳＰＰＤＡ的计算开销（８）ＳＰＰＤＡ方案中，叶子节点进行同态加密，融合节点需要进行加密和融合操作。

叶子节点加密操作时有一次加法运算和一次取模运算，需对原始数据和ｓ，加密，所以普通节点的计算开销可以表示为ｃｌｓＰＰＤＡ＝２口＋２∥（９）图４融台Ｈ州ＩＪ／５ＳＰＰＤＡ、口ＨＣＤＡ和ｉＰＤＡ精确度融合节点的加密操作计算开销与普通节点相万方数据

通信学报第３５卷４．５完整性ＩＰＨＣＤＡ算法采用分簇的网络拓扑结构，簇头假设给定密钥池的容量鼻，＿１００００，每个节点随机选取密钥的数量红２００，则任意２个节点之间共享同一个密钥的概率为９８．３％。

换言之，任意２个节点之接收簇内节点的数据并进行融合，对融合结果计算ＭＡＣ值，簇头的凇Ｃ值在上传的过程中与其他簇头的ＭＡＣ值进行异或运算，最终到达ｓｉＩｌｋ节点。

ｓｉｎｋ节点通过接收到的ＭＡＣ值来验证数据的完整性。

然而该算法只能验证融合结果上传至ｓｉｌｌｋ节点的完整性，无法验证在融合阶段簇内节点数据发送间没有共享密钥的概率为１．７％。

在拥有共享密钥的节点之间，窃听者拥有共享密钥的概率为０．２％。

本文采用同态加密算法对数据进行加密，在传感器节点部署之前，由中继节点生成密钥发给传感器节点。

中继节点生成一个玎（１～２５５）ｂｙｔｅ的随机数，到簇头时的完整性，可能会导致恶意节点在融合节点注入错误数据，ｓｉＩｌｋ节点却无法察觉的情况。

对于ｉＰＤＡ，由于完整性采取２个不相交的融合树进行融合，比较其结果，增加了通信量。

如果恶意节点能同时向这２个融合树注入错误数据，则ｓｉｌｌｋ节点无法发觉。

ＳＰＰＤＡ方案用复数的可加性融合数通过Ｉ℃４算法得到一个Ｓ盒，对Ｓ盒调用字符串散列函数，从而得到岛和ｓ，。

恶意节点得知传感器节点的数据的概率等于岛被破解的概率。

恶意节点通过相同的方式生成与岛相等的密钥的概率几乎为０，如果恶意节点只是简单的生成一个ｉＩｌｔ类型的随机数，则该数等于岛的概率为１／２３２。

与随机密钥分发机制相比，本文中的同态加密算法的安全性更高，且密钥的分配以及加密操作更加简单，运算速度快。

同态加密算法可以在不对密文解密的情况下完成数据的融合，降低了计算开销。

据，虚部用以验证数据完整性，每个节点都有一个不同的私密因子跏加密后上传进行融合。

如果恶意节点注入错误数据，ｓｉＩｌｋ节点必然会察觉，所以ＳＰＰＤＡ方案完整性验证可靠性高。

４．６与已有加密算法的比较在数据融合隐私保护协议中，比较经典的加密算法是随机密钥分发机制【２４】，该机制是逐跳的对称加密机制。

密钥分发方案由密钥预分配、发现共享密钥和建立路径密钥３个阶段组成。

１）密钥预分配５结束语本文提出了一种带有完整性验证的同态加密数据融合隐私保护方案ｓＰＰＤＡ，采用端到端的同态加密方式，直接对密文进行数据融合，既保证了数据隐私，又降低了时延。

同时，利用复数的可加性实现了数据融合与完整性验证，使融合结果安全可靠。

与刀ＰＨＣＤＡ和ｉＰＤＡ算法相比，ＳＰＰＤＡ的计算开销更小、首先产生有Ｋ个密钥的大密钥池以及它们的标识符；其次，每一个传感器节点从Ｋ个密钥中选择｜｜｝个密钥，并且七个密钥形成一个密钥环。

２）发现共享密钥通过交换发现消息，每一个传感器节点可以和它的邻居节点共享一个公用密钥。

如果一对邻居节通信量更少、精确度更高、完整性可验证。

本文的ＳＰＰＤＡ方案也适用于ｃｏｕ呲、ａｖ锄－ｇｅ等可通过ｓｕＩｎ间接求出的融合函数，但无法应用到ＭＡＸ、Ｍ烈等融合函数。

以后的工作将研究适用更多融合函数的隐私保护算法，考虑节点的移动性和网络的多样性，研究移动无线传感器网络的数据隐私保护方法。

点之间共享一个公用密钥，那么在它们之间可能建立起一个安全的链接。

３）建立路径密钥在共享密钥发现的最后阶段，没有共享一个公用密钥的２个节点间可以通过两跳或者多跳安全链接连接的相邻节点对之间分配一个端到端的路径密钥。

在密钥分配后，任何一对节点之间拥有至少一个公用密钥的概率由式（１２）给出。

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赵小敏（１９７６一），男，浙江文成人，博士，浙江工业大学副教授，主要研究方向为无线传感器网络、信息安全。

Ｃｏｎｆ打印ｃｅ∞Ｎｅｔｗｍｋ啦【ｃ】．Ｖｈｌｅｍ斌Ｓｐａ氓２０ｌｌ，１７９一１９１．【１２】ＨＥＷＢ，ＬＩＵ）（＇ＮＧＵＹＥＮＨ，甜耐．ＰＤＡ：

Ｐｒｉｖａｃｙ－ｐｌ嚣ｅⅣｊｎｇ№ｎｅｔｗｏｒｋｓ【Ａ】．ＰＩＤｌ∞ｅｄｉ｜１９ｏｆｌｈｅ２６ｔｈａｇｇ陀ｇａｔｉｏｎｉｎｗｉ∞ｌｅ站∞ｎｓｏｒ正ＥＥＩｎｂｍｌａｔｉｏｍｌＣ∞ｆ．盯∞∞∞ｃ（粕ｐＩＩｔｅｒＣ伽珊岫ｊ掣ｄ∞ｓ删一ｔ０ＦＯＣＯＭ）【Ｃ】．Ａｎｃｈ哦ｇｅ，ｕｓＡ，２００７．２０４５－２０５３．【１３】ＨＥＷＢ，ＵＵＸ，ＮＧＵＹＥＮＨＶ日耐．Ａｃｌｕｓｔｅｒ－ｂａｓｅｄｐ∞ｔｏ∞ｌ髓Ｌｆｂｒｃｅｉｎｔｅｇｒｉｔｙａｎｄｐｆ部ｅｒｖｅｐｒｉｖａｃｙｉｎｄａ妇ａｇｇｒｅｇａ虹ｏｎ【Ａ】．Ｐｒ０．ｃ∞ｄｉｎｇｓｏｆ２９ｔｈⅢＥＥｐｕｔｉｎｇｈｔ哪嘶∞ａｌＣ∞断∞∞ｏｎＤｉ蛐ｕｔｅｄＣｏｍ－ｎｅｔ－Ｓｙｓｔｅ娜Ｗｂｄ曲０ｐｓ［Ｃ】．Ｍｏｎ乜训，Ｃ姐ａｄａ，２００９．１４．１９．【ｌ４】ＧＲｌ）ＡＴＭＭ，ＨＥＷＢ，ＦＯＩ氓ＥｓＴｐｎＶ∞ｙ。

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安全的WSN数据融合隐私保护方案设计作者：

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英文刊名：

年，卷（期：

赵小敏，梁学利，蒋双双，陈庆章，ZHAOXiao-min，LIANGXue-li，JIANGShuang-shuang，CHENQing-zhang浙江工业大学计算机科学与技术学院,浙江杭州,310023通信学报JournalonCommunications2014,35（11引用本文格式：

赵小敏.梁学利.蒋双双.陈庆章.ZHAOXiao-min.LIANGXue-li.JIANGShuang-shuang.CHENQing-zhang安全的WSN数据融合隐私保护方案设计[期刊论文]-通信学报2014（11