CN107609425B - 面向双层传感网的安全Top-k查询方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及双层传感器网络安全防御技术领域。面向双层传感网的安全Top‑k查询方法，包括：对传感器节点同一时隙产生的数据项进行预处理；主管节点根据数据项权重的密文值，在存储的数据项中查找满足查询请求的Top‑k数据项密文，将这些数据项密文连同部分安全检测信息作为Top‑k查询结果；Sink节点根据查询结果中密钥找到共享对称密钥，对查询结果中密文进行解密，并检验查询结果中数据项真实性和完整性。面向双层传感网的安全Top‑k查询装置，包括：预处理模块；查询模块；查询结果检验模块。本发明能确保Top‑k查询的数据隐私性，能以高概率检测出不具有数据完整性的Top‑k查询结果。

Description

面向双层传感网的安全Top-k查询方法及装置

技术领域

本发明涉及双层传感器网络安全防御技术领域，尤其涉及面向双层传感网的安全Top-k查询方法及装置。

背景技术

随着电子元件、通信协议等软、硬件技术的发展，物联网正逐渐由概念提出阶段走向实际实现阶段，在层次划分上，物联网可分为感知层、对象抽象层、服务管理层、应用层和商业管理层。在这些层次中，感知层负责直接从物理对象获取数据信息，是实现物联网“万物互联”关键环节。目前，物联网的感知系统主要包括：无线传感器网络(Wireless SensorNetworks，简称WSNs)、双层传感器网络(Two-tiered Wireless Sensor Networks，简称TWSNs)、RFID系统、NFC系统等。其中，TWSNs是由WSNs发展而来的一种新型网络系统，它通过将大量的传感器节点进行单元划分并在每个单元内部署资源相对丰富、计算能力相对更强的主管节点(Master Node)来提高网络的可扩展性，未来将在物联网感知系统中扮演重要角色。

然而，目前有关TWSNs的研究仍处于起步阶段，仍存在一些问题需要解决，尤其是数据的隐私性和完整性保护问题。在TWSNs中，上层主管节点既负责收集本单元内传感器节点的感知数据，又负责响应来自Sink的查询请求，是TWSNs中的关键节点，因此，在敌对环境中，主管节点易受到攻击而变为恶意节点。一旦主管节点被恶意化，整个网络的数据隐私性和完整性将面临威胁。

发明内容

本发明主要研究在主管节点被攻击者捕获而成为恶意节点的情况下，如何保护Top-k查询处理过程中的数据隐私性以及如何检验Top-k查询结果的真实性和完整性问题，并提出了面向双层传感网的安全Top-k查询方法及装置，可以确保Top-k查询的数据隐私性，能以高概率检测出不具有数据完整性的Top-k查询结果。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

面向双层传感网的安全Top-k查询方法，包括以下步骤：

步骤1：对传感器节点同一时隙产生的数据项进行预处理，产生预处理结果数据包；

步骤2：主管节点接收来自Sink节点的Top-k查询请求，根据被OPES加密方法加密过的数据项权重的密文值，在自身存储的数据项中查找满足查询请求的Top-k数据项密文，将满足查询请求的Top-k数据项密文连同安全检测信息作为Top-k查询结果，发送给Sink节点；

步骤3：Sink节点接收Top-k查询结果，根据查询结果中的密钥找到对应的共享对称密钥，利用共享对称密钥对查询结果中的密文进行解密，检验查询结果中数据项的真实性和完整性。

优选地，在所述步骤1之前还包括：

在双层传感器网络部署之前，每个传感器节点都预先分配各自与Sink节点之间的共享对称密钥，同时预先下载用于OPES加密的密钥材料。

优选地，在所述步骤1之前还包括：

为各传感器节点在同一时隙产生的所有数据项划分权重。

优选地，在所述步骤2之前还包括：

将同一时隙产生的预处理结果数据包发送给主管节点。

优选地，根据不同传感器节点在不同时隙产生的数据项个数的不同，所述预处理结果数据包所含信息不同。

优选地，根据不同传感器节点在不同时隙产生的数据项个数与不同传感器节点在不同时隙产生的满足Top-k查询要求的数据项个数的不同，所述Top-k查询结果所含信息不同。

优选地，所述检验查询结果中数据项的真实性和完整性包括：

对查询结果的数据项进行真实性检验：检验查询结果中的每个数据项的权重是否与查询结果中对应数据项的权重相等，当查询结果中的每个数据项的权重值与其在查询结果中对应数据项的实际权重值都相等时，查询结果中的数据项才被认为是真实的，否则认为查询结果不具有真实性；

对查询结果的数据项进行完整性检验：设定完整性检验条件，当满足完整性检验条件之一时，认为包含在查询结果中的数据信息通过完整性检验，只有当所有传感器节点包含在查询结果中的数据信息都通过完整性检验时，查询结果才被认为是完整的，否则认为查询结果不具有完整性。

面向双层传感网的安全Top-k查询装置，包括：

预处理模块，用于对传感器节点同一时隙产生的数据项进行预处理，产生预处理结果数据包；

查询模块，用于主管节点接收来自Sink节点的Top-k查询请求，根据被OPES加密方法加密过的数据项权重的密文值，在自身存储的数据项中查找满足查询请求的Top-k数据项密文，将满足查询请求的Top-k数据项密文连同安全检测信息作为Top-k查询结果，发送给Sink节点；

查询结果检验模块，用于Sink节点接收Top-k查询结果，根据查询结果中的密钥找到对应的共享对称密钥，利用共享对称密钥对查询结果中的密文进行解密，检验查询结果中数据项的真实性和完整性。

优选地，还包括：

密钥分配模块，用于在双层传感器网络部署之前，每个传感器节点都预先分配各自与Sink节点之间的共享对称密钥，同时预先下载用于OPES加密的密钥材料。

优选地，还包括：

权重划分模块，用于为各传感器节点在同一时隙产生的所有数据项划分权重。

优选地，还包括：

数据传输模块，用于将同一时隙产生的预处理结果数据包发送给主管节点。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果：

本发明对TWSNs中的Top-k查询数据隐私性和完整性保护问题，提出了面向双层传感网的安全Top-k查询方法及装置，不仅能够确保Top-k查询的数据隐私性，还能够以高概率检测出不具有数据完整性的Top-k查询结果，无论是在传感器节点与主管节点之间，还是在主管节点与Sink节点之间，本发明都能够显著降低用于传输安全检测信息的额外通讯代价，降低了安全检测信息与必要感知数据项之间的冗余比。

附图说明

图1为本发明面向双层传感网的安全Top-k查询方法的基本流程示意图之一。

图2为本发明面向双层传感网的安全Top-k查询方法的基本流程示意图之二。

图3为本发明面向双层传感网的安全Top-k查询装置的结构示意图之一。

图4为本发明面向双层传感网的安全Top-k查询装置的结构示意图之二。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步的解释说明：

实施例一：

如图1所示，本发明的一种面向双层传感网的安全Top-k查询方法，包括以下步骤：

步骤S101：对传感器节点同一时隙产生的数据项进行预处理，产生预处理结果数据包。

步骤S102：主管节点接收来自Sink节点的Top-k查询请求，根据被OPES加密方法加密过的数据项权重的密文值，在自身存储的数据项中查找满足查询请求的Top-k数据项密文，将满足查询请求的Top-k数据项密文连同安全检测信息作为Top-k查询结果，发送给Sink节点。

步骤S103：Sink节点接收Top-k查询结果，根据查询结果中的密钥找到对应的共享对称密钥，利用共享对称密钥对查询结果中的密文进行解密，检验查询结果中数据项的真实性和完整性。

值得说明的是，根据不同传感器节点在不同时隙产生的数据项个数的不同，所述预处理结果数据包所含信息不同。

值得说明的是，根据不同传感器节点在不同时隙产生的数据项个数与不同传感器节点在不同时隙产生的满足Top-k查询要求的数据项个数的不同，所述Top-k查询结果所含信息不同。

实施例二：

如图2所示，本发明的另一种面向双层传感网的安全Top-k查询方法，包括以下步骤：

步骤S201：在双层传感器网络部署之前，即TWSNs部署之前，每个传感器节点都预先分配各自与Sink节点之间的共享对称密钥，同时预先下载用于OPES加密的密钥材料：

构建TWSNs的网络模型，假设网络中共存在N个传感器节点和M个主管节点，则整个TWSNs部署区域被划分为M个单元，第c(1≤c≤M)个单元内部署一个主管节点H_c和N_c(N＝N₁+N₂+…+N_c+…+N_M-1+N_M)个传感器节点{S_1,c,S_2,c,S_3,c,…,S_N-1,c,S_N,c}。S_i,c(1≤i≤N_c,1≤c≤M)可以通过单跳或多跳的方式与H_c进行通讯。为便于描述，下文将S_i,c简写为S_i。令T表示TWSNs的网络生命周期，T被均匀划分为x个大小相等的时隙T_t(1≤t≤x)，即|T|＝|T₁|+|T₂|+|T₃|+…+|T_x-1|+|T_x|(|T₁|＝|T₂|＝|T₃|＝…＝|T_x-1|＝|T_x|)。其中，|T_t|(1≤t≤x)表示时间区间T_t的宽度。在每个时隙结束时，传感器节点将其在本时隙内采集到的感知数据项发送给其所在单元内的主管节点。

Sink节点可通过按需无线链路(On Demand Wireless Link，简称ODWL)向H_c(1≤c≤M)发送查询请求，并从H_c那里获取查询结果。由于涉及多个单元的复杂Top-k查询可以被分解为多个涉及单个单元的Top-k查询，因此，本发明只关注单个单元的Top-k查询。一个Top-k查询原语可表示为：

Q_t＝<c,t,k,QS> (1)

其中，c表示被查询单元的单元号，t表示被查询的时隙，k表示被查询节点在时隙t内所产生的数据项中所对应的权重最大的数据项的个数，QS表示被查询节点的节点ID号所构成的集合。

假设在TWSNs部署之前每个传感器节点都预先分配了各自与Sink节点之间的共享对称密钥，同时预先下载了用于OPES加密的密钥材料。令

表示传感器节点S_i与Sink之间在时隙t中共享的对称密钥。为了保证前向安全性，S_i将会在下一个时隙到来前计算其与Sink节点之间在下一时隙的对称密钥，计算方法如下：

其中，hash(*)表示利用单向哈希函数进行的一次哈希操作，

和

分别表示第t+1和第t个时隙内S_i和Sink节点之间的共享密钥。

步骤S202：为各传感器节点在同一时隙产生的所有感知数据项划分权重：

本发明假设网络中存在唯一的数据项权重计算函数f(*)且不同感知数据项对应的权重不同，并假设Top-k查询依据数据项对应的权重对数据项进行排序。令D_i,j表示S_i在T_t内产生的任意数据项，d_i,j根据表示数据项D_i,j对应的权重，则有

D_i,j＝f(d_i,j) (3)

令μ_i,t表示S_i在T_t内产生的数据项的个数，则S_i在T_t内产生的感知数据项集合可表示为{D_i,1,D_i,2,D_i,3,…D_i,μ_i,t-1,D_i,μ_i,t}，下文假设这些数据项所对应的权重满足式(4)：

步骤S203：对传感器节点同一时隙产生的感知数据项进行预处理，产生预处理结果数据包；根据不同传感器节点在不同时隙产生的数据项个数的不同，所述预处理结果数据包所含信息不同：

用E_OPES{*}表示利用OPES加密方法进行的加密操作，用

表示利用对称密钥

进行的加密操作，用ID_{key_i}表示传感器节点S_i与Sink之间对称密钥的密钥ID。在时隙t结束时，S_i对其在本时隙内产生的感知数据项进行预处理，并生成预处理结果数据包。令

表示在时隙结束时生成的预处理结果数据包，根据不同传感器节点在不同时隙产生的数据项个数的不同，所述预处理结果数据包所含信息不同，

的内容分情况讨论如下：

1)如果μ_i,t＝0,有

2)如果μ_i,t≠0，有

式(5)、(6)中的i表示S_i的ID号，

生成后由S_i发送到H_c上。

步骤S204：将同一时隙产生的预处理结果数据包发送给主管节点。

步骤S205：主管节点接收到来自Sink节点的Top-k查询请求后，首先根据被OPES加密方法加密过的数据项权重的密文值，在自身存储的数据项中查找满足查询请求的Top-k数据项密文，然后将这些数据项密文连同部分安全检测信息作为Top-k查询结果，一同发送给Sink节点；根据不同传感器节点在不同时隙产生的数据项个数与不同传感器节点在不同时隙产生的满足Top-k查询要求的数据项个数的不同，所述Top-k查询结果所含信息不同：

当主管节点H_c收到来自Sink节点的Top-k查询请求Q_t＝<c,t,k,QS>后，首先根据被OPES加密方法加密过的数据项权重的密文值，在自身存储的数据中查找满足Q_t查询请求的Top-k数据项密文，然后将这些数据项的密文连同部分安全检测信息一同发送给Sink节点。令n_i,t表示

在时隙t内产生的满足Q_t查询要求的Top-k数据项的个数，

表示H_c从S_i的数据报告中获得且准备作为查询结果的向Sink转发的数据包，则根据n_i,t取值的不同，

的值分别如下：

1)如果n_i,t＝μ_i,t＝0，有

2)如果n_i,t＝0,μ_i,t>0，有

3)如果0<n_i,t＝μ_i,t≤k，有

4)如果0<n_i,t≤k,n_i,t<μ_i,t，有

令R_t表示H_c向Sink发送的关于Q_t＝<c,t,k,QS>的Top-k查询结果，则R_t可表示为

步骤S206：Sink节点接收到查询结果后，首先根据查询结果中的密钥找到对应的共享对称密钥，然后利用共享对称密钥分别对查询结果中的各段密文进行解密，并检验查询结果中数据项的真实性和完整性；

所述检验查询结果中数据项的真实性和完整性包括：

对查询结果的数据项进行真实性检验：

Sink节点接收到R_t后，首先根据R_t中的密钥ID找到对应的共享对称密钥，然后利用这些对称密钥分别对R_t中的各段密文进行解密，并检验R_t中数据项的真实性和完整性。为了检验R_t中数据项的真实性，需要检验R_t中的每个权重

是否与R_t中对应数据项

的权重(即

相等。只有当R_t中所包含的每个权重值与其在R_t中对应数据项的实际权重值都相等时，R_t中的数据项才被认为是真实的。

对查询结果的数据项进行完整性检验：

假设R_t中所有数据项的最小权重为d_s，对于任意传感器节点

令γ_i表示R_t中由S_i产生的数据项的个数。Sink节点检验每个节点

在R_t中的数据信息是否满足以下几个条件之一：

1)R_t包含

2)γ_i＝0，R_t包含

并且d_i,1<d_s；

3)γ_i>0，R_t包含

并且

4)γ_i>0，R_t包含

当满足上述条件之一时，认为

包含在R_t中的数据信息通过完整性检验。只有当QS内的所有传感器节点包含在R_t中的数据信息都通过完整性检验时，R_t才被认为是完整的，否则认为R_t不具有数据完整性。

实施例三：

如图3所示，本发明的一种面向双层传感网的安全Top-k查询装置，包括：

预处理模块301，用于对传感器节点同一时隙产生的数据项进行预处理，产生预处理结果数据包。

查询模块302，用于主管节点接收来自Sink节点的Top-k查询请求，根据被OPES加密方法加密过的数据项权重的密文值，在自身存储的数据项中查找满足查询请求的Top-k数据项密文，将满足查询请求的Top-k数据项密文连同安全检测信息作为Top-k查询结果，发送给Sink节点。

查询结果检验模块303，用于Sink节点接收Top-k查询结果，根据查询结果中的密钥找到对应的共享对称密钥，利用共享对称密钥对查询结果中的密文进行解密，检验查询结果中数据项的真实性和完整性。

实施例四：

如图4所示，本发明的另一种面向双层传感网的安全Top-k查询装置，包括：

密钥分配模块401，用于在双层传感器网络部署之前，每个传感器节点都预先分配各自与Sink节点之间的共享对称密钥，同时预先下载用于OPES加密的密钥材料。

权重划分模块402，用于为各传感器节点在同一时隙产生的所有数据项划分权重。

预处理模块403，用于对传感器节点同一时隙产生的数据项进行预处理，产生预处理结果数据包。

数据传输模块404，用于将同一时隙产生的预处理结果数据包发送给主管节点。

查询模块405，用于主管节点接收来自Sink节点的Top-k查询请求，根据被OPES加密方法加密过的数据项权重的密文值，在自身存储的数据项中查找满足查询请求的Top-k数据项密文，将满足查询请求的Top-k数据项密文连同安全检测信息作为Top-k查询结果，发送给Sink节点。

查询结果检验模块406，用于Sink节点接收Top-k查询结果，根据查询结果中的密钥找到对应的共享对称密钥，利用共享对称密钥对查询结果中的密文进行解密，检验查询结果中数据项的真实性和完整性。

以上所示仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.面向双层传感网的安全Top-k查询方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S201：在双层传感器网络部署之前，即TWSNs部署之前，每个传感器节点都预先分配各自与Sink节点之间的共享对称密钥，同时预先下载用于OPES加密的密钥材料；

步骤S202：为各传感器节点在同一时隙产生的所有感知数据项划分权重；

步骤S203：对传感器节点同一时隙产生的数据项进行预处理，产生预处理结果数据包；根据不同传感器节点在不同时隙产生的数据项个数的不同，所述预处理结果数据包所含信息不同；

令

表示在时隙结束时生成的预处理结果数据包，根据不同传感器节点在不同时隙产生的数据项个数的不同，所述预处理结果数据包所含信息不同，

的内容分情况讨论如下：

1)如果μ_i,t＝0,有

2)如果μ_i,t≠0，有

式(5)、(6)中的i表示S_i的ID号，S_i表示ID号为i的传感器节点，E_OPES{*}表示利用OPES加密方法进行的加密操作，

表示利用对称密钥

进行的加密操作，ID_{key_i}表示传感器节点S_i与Sink之间对称密钥的密钥ID，

生成后由S_i发送到H_c上，H_c为主管节点，μ_i,t表示传感器节点S_i在时隙t内产生的感知数据项的个数，D表示传感器节点产生的感知数据项，d表示感知数据项D对应的权重；

步骤S204：将同一时隙产生的预处理结果数据包发送给主管节点；

步骤S205：主管节点接收来自Sink节点的Top-k查询请求，根据被OPES加密方法加密过的数据项权重的密文值，在自身存储的数据项中查找满足查询请求的Top-k数据项密文，将满足查询请求的Top-k数据项密文连同部分安全检测信息作为Top-k查询结果，发送给Sink节点；根据不同传感器节点在不同时隙产生的数据项个数与不同传感器节点在不同时隙产生的满足Top-k查询要求的数据项个数的不同，所述Top-k查询结果所含信息不同；

令n_i,t表示S_i在时隙t内产生的满足Q_t查询要求的Top-k数据项的个数，ξ_i ^t表示H_c从S_i的数据报告中获得且准备作为查询结果的向Sink转发的数据包，则根据n_i,t取值的不同，ξ_i ^t的值分别如下：

1)如果n_i,t＝μ_i,t＝0，有

2)如果n_i,t＝0,μ_i,t>0，有

3)如果0<n_i,t＝μ_i,t≤k，有

4)如果0<n_i,t≤k,n_i,t<μ_i,t，有

令R_t表示H_c向Sink发送的关于Q_t＝<c,t,k,QS>的Top-k查询结果，则R_t可表示为

步骤S206：Sink节点接收Top-k查询结果，根据查询结果中的密钥找到对应的共享对称密钥，利用共享对称密钥对查询结果中的密文进行解密，检验查询结果中数据项的真实性和完整性。

2.根据权利要求1所述的面向双层传感网的安全Top-k查询方法，其特征在于，所述检验查询结果中数据项的真实性和完整性包括：

对查询结果的数据项进行真实性检验：检验查询结果中的每个数据项的权重是否与查询结果中对应数据项的权重相等，当查询结果中的每个数据项的权重值与其在查询结果中对应数据项的实际权重值都相等时，查询结果中的数据项才被认为是真实的，否则认为查询结果不具有真实性；

对查询结果的数据项进行完整性检验：设定完整性检验条件，当满足完整性检验条件之一时，认为包含在查询结果中的数据信息通过完整性检验，只有当所有传感器节点包含在查询结果中的数据信息都通过完整性检验时，查询结果才被认为是完整的，否则认为查询结果不具有完整性。

3.基于权利要求1-2任一所述的面向双层传感网的安全Top-k查询方法的面向双层传感网的安全Top-k查询装置，其特征在于，包括：

密钥分配模块，用于在双层传感器网络部署之前，每个传感器节点都预先分配各自与Sink节点之间的共享对称密钥，同时预先下载用于OPES加密的密钥材料；

权重划分模块，用于为各传感器节点在同一时隙产生的所有数据项划分权重；

预处理模块，用于对传感器节点同一时隙产生的数据项进行预处理，产生预处理结果数据包；

数据传输模块，用于将同一时隙产生的预处理结果数据包发送给主管节点；

查询模块，用于主管节点接收来自Sink节点的Top-k查询请求，根据被OPES加密方法加密过的数据项权重的密文值，在自身存储的数据项中查找满足查询请求的Top-k数据项密文，将满足查询请求的Top-k数据项密文连同安全检测信息作为Top-k查询结果，发送给Sink节点；

查询结果检验模块，用于Sink节点接收Top-k查询结果，根据查询结果中的密钥找到对应的共享对称密钥，利用共享对称密钥对查询结果中的密文进行解密，检验查询结果中数据项的真实性和完整性。

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