CN103414703A - 基于无线传感网络和云计算的安全订阅发布系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于无线传感网络和云计算的安全订阅发布系统及方法，在无线传感网络端设有PHY_A认证模块，利用物理层辅助认证技术确保传感数据的安全性，在云端的基础设施即服务上设有数据加密模块，数据加密模块利用同态加密技术对接收到的重要的发布信息进行加密，在用户端有解密模块，用于对得到的发布信息进行解密。本发明在发布信息抵达云端时已先经过基于物理层辅助认证技术的认证，不仅保证了发布信息的正确性和安全性，且提高了发布信息的传送效率，提高了信息传送的实时性；基于同态加密技术的数据加密模块保证了云端的数据内容不被窥视或篡改，提高云端信息的安全性，且具有可搜索性，用户可以直接在云端检索加密内容。
Description
技术领域
本发明涉及基于无线传感网络和云计算的安全订阅发布系统及方法。
背景技术
无线传感器网络（WSNs）是由一定数量的传感器节点以无线通信技术自组织方式构成的网络，它将传感器技术、通信技术、计算机技术结合在一起，能够在复杂环境中采集大量信息，并实现传输和处理，传感器网络最初是应用在军事方面，随着无线传感器网络技术的逐步发展，它的应用越来越广，从军事防御普及到社会的各个领域，也引起了国内外学者的广泛关注和研究。然而，随着其应用面越来越广，其自身低能量，低通信能力和低数据处理能力的特点使其发展遇到了瓶颈。
云计算是一种基于互联网的计算方式，通过这种方式，共享的软硬件资源和信息可以按需提供给计算机和其他设备。因为它具有海量存储能力、强大的数据处理能力以及按需服务等特点，受到广泛关注，而这些特点恰好能给无线传感网络提供一定解决方案，两者的结合能在一定程度上解决诸如数据存储、数据处理等方面的问题。
然而，将两者结合在给我们带来全新体验的同时，也带来了巨大的信息安全挑战，现有将两者结合的结构并没有考虑传感数据的安全性，而传感数据是否安全却决定了这种结合能否长远发展。
进一步的，现有的无线传感网络端也有加设安全认证，然而现有的认证方式需对每一次传送的数据一一进行认证，这不仅降低了发布信息的传送效率，且对每一次传送的信息上加设认证会占用信道的空间，降低信道的利用率；其次，未加密的发布信息和订阅信息在云端不能得到很好地保护，用户不能放心地将数据传送到云端。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种发布信息传送效率高、信道利用率高的基于无线传感网络和云计算的安全订阅发布系统及方法，保证了发布信息在传送过程的正确性和安全性，能有效避免第三方的篡改和窥视，保证云端信息存储的安全性。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：基于无线传感网络和云计算的安全订阅发布系统，它包括无线传感网络端、云端和多个用户端，无线传感网络端通过桥接端连接云端，多个用户端通过网络连接云端，云端应用的服务包括基础设施即服务和软件即服务，无线传感网络端包括多个无线传感器网络，桥接端设有多条由滤波器和管道组成的滤波器链，在基础设施即服务上设有信息匹配模块。所述的无线传感网络端设有PHY_A认证模块，PHY_A认证模块由初始认证模块、物理层认证模块和分配模块组成，无线传感器网络依次通过PHY_A认证模块和滤波器链连接到云端的基础设施即服务；在云端的基础设施即服务上设有数据加密模块，数据加密模块负责对接收的发布信息进行加密；所述的用户端设有解密模块，负责对得到的已加密的发布信息进行解密。
所述分配模块，根据接收的信息包，触发初始认证模块或触发物理层认证模块工作；所述初始认证模块，负责对来自于未认证成功的发送节点的信息包进行身份认证，并返回认证结果；所述物理层认证模块，负责从认证成功的信息包中获取该信息包的信道信息并判断认证情况。
基于无线传感网络和云计算的安全订阅发布方法，它包括一个无线传感网络端与云端之间信息传送的步骤和一个云端与用户端之间信息传送的步骤；
云端与无线传感网络端之间信息传送包括如下步骤：
S11：多个无线传感器网络采集外部信息并输出发布信息；
S12：PHY_A认证模块对发布信息进行物理层辅助认证；
S13：成功认证的发布信息通过桥接端发送至云端的基础设施即服务；
S14：基础设施即服务上的数据加密模块对成功认证的发布信息进行同态加密；
S15：已加密的发布信息发送至信息匹配模块。
云端与用户端之间信息传送包括如下步骤：
S21：用户在运行于云端的应用软件上注册个人信息；
S22：用户向云端的基础设施即服务发送订阅信息；
S23：订阅信息传送至信息匹配模块，信息匹配模块对已加密的发布信息和订阅信息进行匹配，若匹配成功，则将该已加密的发布信息传送给相应的软件及用户，用户端的解密模块通过解密算法对加密的发布信息进行解密，得到原始发布信息；若匹配不成功，则将已加密的发布信息和订阅信息传送到另一个由云端提供的基础设施即服务，等待下一次匹配。
所述的物理层辅助认证包括如下子步骤：
S121：接收节点接收到来自于未认证成功或未认证的发送节点的信息包，通过上层认证对接收到的信息包进行身份认证，如认证成功，进入S122；如认证失败，则返回S121；所述上层认证为运行在物理层以上的身份认证方法；
S122：接收节点从已认证成功的信息包中提取该信息包的信道信息，比较已认证成功的信息包对应的信道信息与待认证信息包对应的信道信息是否接近，如果接近，则判断为认证成功；否则，判断为认证失败，返回S121。
步骤S14中所述的同态加密，包括如下子步骤：
S141：选取随机产生的两个安全大素数P和Q；
S142：计算乘积N=P×Q；并且生成一个随机数R1；
S143：把消息M分组为若干长度L（L的长度小于P）的消息分组M＝m1m2m3...mt；
S144：使用加密算法ci＝(mi+P×R1)modN，计算出密文C＝c1c2c3...ct。
进一步的，S23中所述的解密算法具体步骤如下：
S231：用户收到密文C，并把密文C分组得到C＝c1c2c3...ct；
S232：使用密钥P和解密算法mi＝cimodP计算mi；
S233：得到明文M＝m1m2m3...mt。
本发明的有益效果是：
（1）设有认证模块，发布信息在抵达云端时已先经过基于物理层辅助认证方法的认证，保证了发布信息的正确性和安全性；
（2）认证模块采用基于物理层辅助认证方法的认证方式，对同一发布节点只需在第一次认证是采用传统身份认证，以后只需验证其信道信息，使该认证模块重量轻，提高了发布信息的传送效率，提高了信道利用率；
（3）数据加密模块用同态加密算法对数据进行加密后，保证了云端的数据内容不被窥视或篡改，提高云端信息的安全性，另外，用户无需解密就可以对其进行排序和搜索，提高了数据处理的效率。
附图说明
图1为本发明的结构框图；
图2为云端与无线传感网络端之间信息传送的流程图；
图3为云端与用户端之间信息传送的流程图。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图1所示，基于无线传感网络和云计算的安全订阅发布系统，它包括无线传感网络端、云端和多个用户端，无线传感网络端通过桥接端连接云端，多个用户端通过网络连接云端，云端应用的服务包括基础设施即服务（IaaS）和软件即服务（SaaS），无线传感网络端包括多个无线传感器网络（如WSN1），无线传感器网络负责收集复杂环境中的各种传感数据，包括温度、湿度、地理位置、气压、图片等。桥接端设有多条由滤波器（Filt）和管道组成的滤波器链。在基础设施即服务上设有信息匹配模块，负责发布信息和订阅信息的匹配。在无线传感网络端设有PHY_A认证模块，PHY_A认证模块由初始认证模块、物理层认证模块和分配模块组成，无线传感器网络依次通过PHY_A认证模块和滤波器链连接到云端的基础设施即服务；在云端的基础设施即服务上设有数据加密模块，数据加密模块负责对接收的发布信息进行加密，用户端设有解密模块，负责对得到的已加密的发布信息进行解密。
所述分配模块，当接收到来自于未认证成功或未认证的发送节点的信息包时，触发初始认证模块；当接收到来自于已认证成功的发送节点的信息包时，触发物理层认证模块。
所述初始认证模块，通过上层认证对来自于未认证成功的发送节点的信息包进行身份认证，并返回认证结果，当认证成功时，触发物理层认证模块；所述上层认证为运行在物理层以上的身份认证。
所述物理层认证模块，当受初始认证模块触发后，从已认证成功的信息包中获取该信息包的信道信息；当受分配模块触发后，提取待认证的信息包中的信道信息，比较已认证成功的信息包对应的信道信息与待认证信息包对应的信道信息是否接近，如果接近，则判断为认证成功；否则判断为认证失败。
基于无线传感网络和云计算的安全订阅发布方法，它包括一个无线传感网络端与云端之间信息传送的步骤和一个云端与用户端之间信息传送的步骤；
如图2所示，无线传感网络端与云端之间信息传送包括如下步骤：
S11：多个无线传感器网络采集外部信息并输出发布信息；
S12：PHY_A认证模块对发布信息进行物理层辅助认证，对来自无线传感器网络的发布信息进行认证，验证该信息是否为合法信息，这种认证方式具有重量轻的特点；
S13：成功认证的发布信息通过桥接端发送至云端的基础设施即服务；
S14：基础设施即服务上的数据加密模块对成功认证的发布信息进行同态加密；
S15：已加密的发布信息发送至信息匹配模块。
如图3所示，云端与用户端之间信息传送包括如下步骤：
S21：用户在运行于云端的应用软件上注册个人信息；
S22：用户向云端的基础设施即服务发送订阅信息；
S23：订阅信息传送至信息匹配模块，信息匹配模块对已加密的发布信息和订阅信息进行匹配，若匹配成功，则将该已加密的发布信息传送给相应的软件及用户，用户端上的解密模块通过解密算法对加密的发布信息进行解密，得到原始发布信息；若匹配不成功，则将已加密的发布信息和订阅信息传送到另一个由云端提供的基础设施即服务，等待下一次匹配。
所述的物理层辅助认证包括如下子步骤：
S121：接收节点接收到来自于未认证成功或未认证的发送节点的信息包，通过上层认证对接收到的信息包进行身份认证，如认证成功，进入S122；如认证失败，则返回S121；所述上层认证为运行在物理层以上的身份认证方法；
S122：接收节点从已认证成功的信息包中提取该信息包的信道信息，比较已认证成功的信息包对应的信道信息与待认证信息包对应的信道信息是否接近，如果接近，则判断为认证成功；如否，则判断为认证失败，返回S121。
步骤S14中所述的同态加密，包括如下子步骤：
S141：选取随机产生的两个安全大素数P和Q；
S142：计算乘积N=P×Q；并且生成一个随机数R1；
S143：把消息M分组为若干长度L（L的长度小于P）的消息分组M＝m1m2m3...mt；
S144：使用加密算法ci＝(mi+P×R1)modN，同时计算出密文C＝c1c2c3...ct。
进一步的，S23中所述的解密算法是将接收到的密文分组，依次采用解密算法对分组密文进行解密，得到分组明文，然后将分组明合并得到解密后的原始明文，具体步骤如下：
S231：用户收到密文C，并把密文C分组得到C＝c1c2c3...ct；
S232：使用密钥P和解密算法mi＝cimodP计算mi；
S233：得到明文M＝m1m2m3...mt。
为了更好地对发布信息和订阅信息进行匹配，在传送数据时，设定出向量形式的数据模型。
发布信息模型为：
P<格式，ID，大小，时间，值，周期>。
格式表示传感数据的类型，由于不同的传感器不会的数据时不同的，有的传感器用来捕获声音，有的用来捕获图片，有的用来捕获温度，高度等等，这些不同类的数据其数据格式是不一样的。甚至有的同一类型的传感器捕获的数据也不尽相同，比如不同生产商生产的用于捕获图片的传感器就可能输出不同的图片格式是，有的输出JPEG格式，有的输出BMP，等等。因此，数据模型有必要对其进行分类。在数据模型中，格式就代表了本数据的格式类型。
ID表示数据的源传感器。同一传感器会输出大量的数据，而不同的数据就会拥有同一个源传感器。例如，一个图片传感器的ID是123456，那么所有来自这个传感器的数据的ID都是1234567。
大小表示数据的文件大小。时间表示数据被传感器捕获时的时间。
值是最重要的标签，它表示相应数据的内容及具体含义，对不同类型的数据，其值的含义也不一样。例如，对于一张图片，其值表示具体的图片含义，可以对需要的图片含义分成等级，在某个等级表示某种含义；对于一份温度数据，其值就表示具体的温度值。
周期表示数据的生命周期。如果一个数据过了这个生命周期还没有被传送给订阅者，则该数据就自动销毁或存储到其他地方。
订阅信息模型为：
S<格式，ID范围，大小范围，时间范围，值范围，应用ID，客户ID，周期>；
其中，格式表示传感数据的类型；ID范围表示数据的源传感器范围；大小范围表示数据的文件大小范围；时间范围表示数据被传感器捕获时的时间范围；值范围表示相应数据的内容范围；应用ID表示SaaS提供的具体应用软件的ID号，客户ID表示客户在注册个人信息时的ID号，周期表示数据的生命周期。
订阅信息模型和发布信息模型类似，其中不同的地方在于订阅信息模型采用了范围的概念。由于订阅者对订阅信息的要求是模糊的，并不那么精确，所以订阅信息的模型采用范围的概念。例如，对于图片传感器，ID号在100000和100500之间的传感器都是JPEG格式的图片传感器，那么对此有需求的订阅者就可以在订阅向量中输入100000-100500，其他的元素类似。
Claims (6)
1.基于无线传感网络和云计算的安全订阅发布系统，它包括无线传感网络端、云端和多个用户端，无线传感网络端通过桥接端连接云端，多个用户端通过网络连接云端，云端应用的服务包括基础设施即服务和软件即服务，无线传感网络端包括多个无线传感器网络，桥接端设有多条由滤波器和管道组成的滤波器链，在基础设施即服务上设有信息匹配模块，其特征在于：所述的无线传感网络端设有PHY_A认证模块，PHY_A认证模块由初始认证模块、物理层认证模块和分配模块组成，无线传感器网络依次通过PHY_A认证模块和滤波器链连接到云端的基础设施即服务；在云端的基础设施即服务上设有数据加密模块，数据加密模块负责对接收的发布信息进行加密；所述的用户端设有解密模块，负责对得到的已加密的发布信息进行解密；
所述分配模块，根据接收的信息包，触发初始认证模块或触发物理层认证模块工作；所述初始认证模块，负责对来自于未认证成功的发送节点的信息包进行身份认证，并返回认证结果；所述物理层认证模块，负责从认证成功的信息包中获取该信息包的信道信息并判断认证情况。
2.基于无线传感网络和云计算的安全订阅发布方法，其特征在于：它包括一个无线传感网络端与云端之间信息传送的步骤和一个云端与用户端之间信息传送的步骤；
云端与无线传感网络端之间信息传送包括如下步骤：
S11：多个无线传感器网络采集外部信息并输出发布信息；
S12：PHY_A认证模块对发布信息进行物理层辅助认证；
S13：成功认证的发布信息通过桥接端发送至云端的基础设施即服务；
S14：基础设施即服务上的数据加密模块对成功认证的发布信息进行同态加密；
S15：已加密的发布信息发送至信息匹配模块；
云端与用户端之间信息传送包括如下步骤：
S21：用户在运行于云端的应用软件上注册个人信息；
S22：用户向云端的基础设施即服务发送订阅信息；
S23：订阅信息传送至信息匹配模块，信息匹配模块对已加密的发布信息和订阅信息进行匹配，若匹配成功，则将该已加密的发布信息传送给相应的软件及用户，用户端上的解密模块通过解密算法对加密的发布信息进行解密，得到原始发布信息；若匹配不成功，则将已加密的发布信息和订阅信息传送到另一个由云端提供的基础设施即服务，等待下一次匹配。
3.根据权利要求2所述的基于无线传感网络和云计算的安全订阅发布方法，其特征在于：所述的物理层辅助认证包括如下子步骤：
S121：接收节点接收到来自于未认证成功或未认证的发送节点的信息包，通过上层认证对接收到的信息包进行身份认证，如认证成功，进入S122；如认证失败，则返回S121；
S122：接收节点从已认证成功的信息包中提取该信息包的信道信息，比较已认证成功的信息包对应的信道信息与待认证信息包对应的信道信息是否接近，如果接近，则判断为认证成功；否则，判断为认证失败，返回S121。
4.根据权利要求3所述的基于无线传感网络和云计算的安全订阅发布方法，其特征在于：所述的上层认证为运行在物理层以上的身份认证。
5.根据权利要求2所述的基于无线传感网络和云计算的安全订阅发布方法，其特征在于：所述的同态加密包括以下步骤：
S141：选取随机产生的两个安全大素数P和Q；
S142：计算乘积N=P×Q，并且生成一个随机数R1；
S143：把消息M分组为若干长度L的消息分组M＝m1m2m3...mt，其中，L的长度小于P的长度；
S144：使用加密算法ci＝(mi+P×R1)modN，计算出密文C＝c1c2c3...ct。
6.根据权利要求2所述的基于无线传感网络和云计算的安全订阅发布方法，其特征在于：所述的解密算法其主要步骤如下：
S231：用户收到密文C，并把密文C分组得到C＝c1c2c3...ct；
S232：使用密钥P和解密算法mi＝cimodP计算mi；
S233：得到明文M＝m1m2m3...mt。
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