[發(fā)明專利]隱私保護的兩層傳感網Skyline查詢系統(tǒng)及方法

有效

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• 申請日: 2013-12-26
• 公開（公告）號: CN103648092B
• 公開（公告）日: 2017-07-11
• 發(fā)明（設計）人: 左開中;胡鵬;羅永龍;郭良敏;陳付龍;王濤春
• 申請（專利權）人: 安徽師范大學
• 主分類號: H04W12/00
• 分類號: H04W12/00;H04W84/18
• 代理公司: 蕪湖安匯知識產權代理有限公司34107
• 代理人: 朱順利

技術領域

本發(fā)明涉及無線傳感器網絡通信和數據查詢技術領域，具體涉及一種隱私保護的兩層傳感網Skyline查詢處理系統(tǒng)及方法。

背景技術

無線傳感器網絡(Wireless Sensor Networks)作為物聯(lián)網感知層的重要組成部分，已成為當前的熱點研究領域。它由大量資源受限的傳感器節(jié)點構成，通過數據聚集和查詢等操作實現監(jiān)控和偵查等功能，具有廣泛的應用場景。由于無線傳感器網絡往往部署在環(huán)境惡劣的地帶，如森林防火、國防軍事等地區(qū)，維護困難，而且感知節(jié)點間是通過無線方式進行通信。因此，無線傳感器網絡面臨嚴重的安全問題，研究和解決這類安全問題，對無線傳感器網絡的大規(guī)模推廣應用具有重要的現實意義。

在無線傳感器網絡數據查詢領域，分為快照查詢和連續(xù)查詢。在快照查詢的機制下，Sink節(jié)點可能只對部分區(qū)域節(jié)點的特定時段的感知數據感興趣，因此傳感節(jié)點沒必要實時以及連續(xù)的將感知數據傳輸給Sink節(jié)點，這種傳輸機制在快照查詢的機制下造成了大量的通信開銷。同時，傳感器節(jié)點在計算、存儲和通信方面的資源受限，因此會嚴重縮短網絡的生命周期。鑒于上述情況，研究者們設計出了兩層傳感器網絡，它由能量、存儲、計算資源充足的存儲節(jié)點作為中間層，下層是資源受限的感知節(jié)點，上層為Sink節(jié)點。感知節(jié)點收集數據并將數據存儲于存儲節(jié)點，存儲節(jié)點響應Sink節(jié)點的查詢等任務。

兩層傳感器網絡的網絡拓撲結構簡單穩(wěn)定和存儲節(jié)點資源充裕，它有效減少了感知節(jié)點向Sink節(jié)點傳輸數據的能耗而延長了網絡的生命周期、能更高效地響應Sink節(jié)點的查詢請求，從而獲得了廣泛關注與研究。但是兩層傳感器網絡中存儲節(jié)點存儲感知節(jié)點收集的感知數據并擔負響應查詢的重要角色，在敵對環(huán)境中更易被攻擊。若感知節(jié)點將感知數據以明文的形式發(fā)送和存儲于存儲節(jié)點并參與查詢，一旦該存儲節(jié)點被捕獲，存儲于該存儲節(jié)點上的感知數據便會暴露。而且感知數據以明文在無線信道上傳輸也易被竊聽。因此，如何在數據傳輸和查詢過程中增加隱私保護功能，保護感知數據的隱私，進而實現在存儲節(jié)點的安全計算是各解決方案的研究重點。

在本系統(tǒng)主要針對Skyline查詢，將感知節(jié)點采集的感知數據記為二元組(x,y)，而元組的屬性可以是溫度、濕度、風速等。記p=(x,y)，則用p.x表示元組p在第x維的屬性值。Skyline查詢主要實現元組支配關系的比較，不失一般性，本專利中對于元組p、q屬性值優(yōu)劣的判斷用屬性“越小”表示“越優(yōu)”。用符號“＞”和“＜”表示支配與被支配關系。

定義1對于元組p、q，若p至少在某個屬性上比q優(yōu)，其他屬性上都不比q劣，則稱元組p支配元組q，記為p＞q或q＜p。

定義2針對給定元組集合D的查詢Q，如果該查詢發(fā)現了D的一個最大子集SP，并且SP中的任意一個元組p都不受D中任意一個元組的支配，則稱該查詢?yōu)镾kyline查詢，SP稱為Skyline查詢結果集。

針對隱私保護的兩層傳感器網絡Skyline查詢，目前已有的解決方案在安全性、通信開銷方面存在著不足。比如，采用桶模式的方法，由于將每個數據都放入相應的桶內，通過對桶內數據加密和桶標簽來進行支配關系比較，實現隱私保護的Skyline查詢。但是若有一個感知節(jié)點被俘獲，攻擊者就可以獲得所有感知節(jié)點的分桶方案及其標簽與桶的對應關系，從而獲取數據的大致分布，推出近似查詢結果。因此，該方案對感知數據和查詢結果的隱私保護程度有限。

發(fā)明內容

為了克服現有技術的不足，本發(fā)明在二維數據空間上提出一種隱私保護的兩層傳感器網絡Skyline查詢系統(tǒng)及方法，該方法在保證感知數據機密性、真實性和準確性的基礎上，實現了精確Skyline查詢。同時，該方法能夠有效減少數據傳輸量，延長了無線傳感器網絡的生命周期。

本發(fā)明的技術方案是：一種隱私保護的兩層傳感器網絡Skyline查詢系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括Sink節(jié)點、存儲節(jié)點和感知節(jié)點：

Sink節(jié)點，發(fā)送查詢命令給存儲節(jié)點，Sink節(jié)點對存儲節(jié)點返回的密文查詢結果進行解密，得到最終的Skyline查詢結果；

存儲節(jié)點，響應Sink節(jié)點的查詢命令，將查詢命令發(fā)送給本查詢單元內的所有感知節(jié)點，存儲感知節(jié)點返回的數據，進行查詢處理得到密文查詢結果集，并發(fā)送給Sink節(jié)點；