CN102833740B - 一种无线传感器网络数据聚合隐私保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种无线传感器网络数据聚合隐私保护方法，基于椭圆曲线算法实现数据加法聚合和乘法聚合过程中的隐私保护。目的节点确定椭圆曲线参数和私钥k，并计算出公钥K，将椭圆曲线参数和公钥K都广播出去；各源节点利用一个随机数和椭圆曲线参数、公钥K对明文用椭圆曲线算法加密，发送密文消息；中间节点对收到的密文消息做聚合运算，将聚合结果发送给目的节点；目的节点对收到的聚合的密文数据利用私钥k，根据椭圆曲线算法解密得到聚合的明文数据。与现有技术相比，本发明中采用的椭圆曲线加密技术具有公钥位数小、计算速度快等优点，且可实现加法聚合和乘法聚合两种聚合运算。

Description

一种无线传感器网络数据聚合隐私保护方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及一种用于无线传感器网络的数据聚合时的隐私保护方法。

背景技术

无线传感器网络的中心任务在于对感知数据的采集、处理与管理，数据隐私是无线传感器网络隐私保护机制中的一个重点研究方向，面向数据的隐私安全主要包括数据聚合隐私和数据查询隐私。数据聚合是无线传感器网络中的重要技术，包括和、平均、最大值和最小值等多种聚合计算。

经过对现有技术的检索发现，有以下一些无线传感器网络的数据聚合隐私保护方法：Westhoff D和Girao J等在对比文件1“Concealeddata aggregation for reverse multicast traffic in sensor networks：encryption，key distribution，and routing adaptations”中提出了基于Domingo-Ferrer同态算法的数据聚合隐私保护方法CDA；He W和Liu X等在对比文件2“PDA：privacy-preserving data aggregation in wirelesssensor networks”中提出了两种用于数据聚合隐私保护的方法——基于分簇的隐私数据保护（CPDA）和基于分片的聚合隐私保护（SMART）。

对比文件1中采用的同态加密方法可以实现端到端加密，每一个中间节点不需要解密数据就可以实现聚合，有效地保护了各个节点的隐私数据；不足之处在于同态加密方法一般基于公钥密码体制，计算复杂度高，资源消耗较多。对比文件2中的CPDA方法引入的额外计算量大，增加了计算消耗；SMART方法引入了额外的通信量。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明要解决的技术问题是提出一种隐私保护性好、资源消耗低的无线传感器网络数据聚合隐私保护方法。

本发明一种无线传感器网络数据聚合隐私保护方法，无线传感器网络中包含一个目的节点、多个源节点和若干中间节点，基于椭圆曲线算法实现数据聚合过程中的隐私保护，其实现过程包含以下步骤：

（1）首先由目的节点R确定椭圆曲线参数E、椭圆曲线基点G以及目的节点的私钥k，并将椭圆曲线参数E、椭圆曲线基点G以及目的节点的私钥k都广播出去；

（2）各源节点S_i选取一个随机数r_i，利用随机数r_i，椭圆曲线参数E、椭圆曲线基点G以及目的节点的私钥k对待传输的明文m_i，用椭圆曲线算法加密计算后得到密文C_1i和C_2i，发送密文消息（C_1i，C_2i）；i的取值大于1而小于源节点的个数；

（3）中间节点A收到各源节点发送的密文消息（C_1i，C_2i）后，对其做聚合运算，并将聚合的密文数据发送给目的节点R；

（4）目的节点R收到聚合的密文数据后利用私钥k，根据椭圆曲线算法解密得到聚合的明文数据。

所述的数据聚合是加法聚合或乘法聚合。

所述的加法聚合需要将待传输的明文m_i编码到椭圆曲线上一点M,采用椭圆曲线算法进行加密计算：

C_1i＝r_iG

C_2i＝r_iK+M

采用椭圆曲线算法进行解密计算：

C_i=kC_1i=k(r_iG)=rK

C_2i-C_i=r_iK+M-r_iK=M。

所述的乘法聚合按照如下公式采用椭圆曲线算法进行加密计算：

C_1i＝r_iG

C_3i＝r_iK

C_2i＝m_iC_3i

按照如下公式采用椭圆曲线算法进行解密计算：

kC_1i＝k(r_iG)=r_iK=C_3i

C_2iC₃ ^i-1=m。

本发明中采用椭圆曲线加密技术，与现有技术相比具有公钥位数小、计算速度快等优点，且可实现加法聚合和乘法聚合两种聚合运算。

附图说明

图1：本发明中数据聚合隐私保护过程图。

具体实施方式

本发明中实现加法聚合隐私保护时，步骤如下：

（1）首先由目的节点R确定椭圆曲线E、基点G和以及私钥k，计算出公钥K，将椭圆曲线参数、G和K都广播出去；

（2）各源节点S_i将待传输的明文编码m_i到椭圆曲线E上一点M_i，选取一个随机数r_i，根据以下公式计算得到C_1i和C_2i，发送消息（C_1i，C_2i）；i的取值大于1而小于源节点的个数；

C_1i＝r_iG

C_2i＝r_iK+M

（3）中间节点A收到各源节点发送的消息（C_1i，C_2i）后，做加法运算后得到（ΣC_1i，ΣC_2i），将其发送给目的节点R；

（4）目的节点R收到（ΣC_1i，ΣC_2i）后利用私钥k，根据以下公式计算得到明文的加法聚合结果。

kΣC_1i=kGΣr_i=KΣr_i

ΣC_2i-C=KΣr_i+ΣM_i-KΣr_i=ΣM_i

本发明中实现乘法聚合隐私保护时，步骤如下：

（a）首先由目的节点R确定椭圆曲线E、基点G和以及私钥k，计算出公钥K，将椭圆曲线参数、G和K都广播出去；

（b）各源节点S_i，确定待发送明文信息m_i，并选取一个随机数r_i，根据以下公式分别计算得到C_1i，C_2i，C_3i，发送消息（C_1i，C_2i）；

C_1i＝r_iG

C_3i＝r_iK

C_2i＝mC_3i

（c）中间节点A收到各源节点发送的消息（C_1i，C_2i）后，做乘法法运算后得到（C₁₁*C₁₂*........*C_1n.，C₂₁*C₂₂*........*C_2n），将其发送给目的节点R；

（d）目的节点R收到（C₁₁*C₁₂*........*C_1n.，C₂₁*C₂₂*........*C_2n）后利用私钥k，根据以下公式计算得到明文的乘法聚合结果。

kⁿ*C₁₁*C₁₂*........*C_1n＝

kⁿ*Gⁿ*r₁*r₂*.......*r_n＝Kⁿ*r₁*r₂*.......*r_n＝C₃₁*C₃₂*........*C_3n

C₂₁*C₂₂*........*C_2n*C₃₁ ^-1*C₃₂ ^-1*........*C_3n ^-1＝m₁*m₂*......*m_n。

Claims (1)

1.一种无线传感器网络数据聚合隐私保护方法，无线传感器网络中包含一个目的节点、多个源节点和若干中间节点，其特征在于基于椭圆曲线算法实现数据聚合过程中的隐私保护，其实现过程包含以下步骤：

(1)首先由目的节点R确定椭圆曲线参数E、椭圆曲线基点G以及目的节点的私钥k，并将椭圆曲线参数E、椭圆曲线基点G以及目的节点的私钥k都广播出去；

(2)各源节点S_i选取一个随机数r_i，利用随机数r_i，椭圆曲线参数E、椭圆曲线基点G以及目的节点的私钥k对待传输的明文mi，用椭圆曲线算法加密计算后得到密文C_1i和C_2i，发送密文消息(C_1i，C_2i)；i的取值大于1而小于源节点的个数n；

(3)中间节点A收到各源节点发送的密文消息(C_1i，C_2i)后，对其做聚合运算，并将聚合的密文数据发送给目的节点R；

所述的聚合运算是加法聚合或乘法聚合；

所述的加法聚合需要将待传输的明文m_i编码到椭圆曲线上一点M，包含相应椭圆曲线点的参数，采用椭圆曲线算法进行加密计算：

C_1i＝r_iG

C_2i＝r_iK+M

采用椭圆曲线算法进行解密计算：

C_i＝kC_1i＝k(r_iG)＝rK

C_2i－C_i＝r_iK+M－r_iK＝M；

所述的乘法聚合按照如下公式采用椭圆曲线算法进行加密计算：

C_1i＝r_iG

C_3i＝r_iK

C_2i＝mC_3i

按照如下公式采用椭圆曲线算法进行解密计算：

kC_1i＝k(r_iG)＝r_iK＝C_3i

C_2iC_3i ^-1＝m。

(4)目的节点R收到聚合的密文数据后利用私钥k，根据椭圆曲线算法解密得到聚合的明文数据。