CN115086032B - 一种传感器数据保护系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种传感器数据保护系统及方法,传感器数据保护系统包括数据分发单元、异构加密单元、随机密钥池、一致性裁决单元、反馈控制单元和解析单元等;其通过数据分发步骤、数据异构加密步骤、数据传输步骤、一致性裁决步骤、反馈控制步骤和数据解析步骤等方法步骤,在使用简单的加密算法和校验机制且不明显增加传感器能耗的情况下降低数据被窃取和篡改的攻击成功率。
Description
技术领域
本发明涉及工业物联网和信息安全领域,具体涉及一种传感器数据保护系统及方法。
背景技术
在工业4.0场景下,其物联网架构属于传感器密集型局域网,且存在大量的特殊的部署环境,使系统的后期维护和升级工作难度大,成本高且工序复杂。随着时间的推移,系统中所接入的传感器的种类和数量都在逐步增加,部分观测传感器不可避免地存在设计缺陷,导致数据在传输和处理的过程中,可能存在缺少身份验证,数据机密性、完整性验证等未知漏洞。使得数据更容易受到窃听和身份欺骗等攻击,进而导致系统中数据被窃取和篡改的攻击风险时有发生。而使用复杂的加密算法和校验机制需要增加传感器的能耗能,而使用简单的加密算法和校验机制又难以应对攻击风险。因此,急需一种传感器数据系统及方法,可以在不明显增加传感器能耗的情况下降低数据被窃取和篡改的攻击成功率。
发明内容
本发明的目的是提供一种传感器数据保护系统及方法,在使用简单的加密算法和校验机制且不明显增加传感器能耗的情况下降低数据被窃取和篡改的攻击成功率。
本发明通过如下技术方案实现上述目的:一种传感器数据保护系统,包括数据分发单元、异构加密单元、随机密钥池、一致性裁决单元、反馈控制单元和解析单元;
数据分发单元将传感器数据复制并分发给系统中至少三个选定的异构加密单元,同时从随机密钥池中随机选择密钥λ作为加密参数,传感器数据保护系统中包括n个异构加密单元,n≥3;每一个异构加密单元分别使用加密参数对(λ,δ),使用不同的加密算法对数据包进行加密处理:第i个异构加密单元所使用的加密算法可表示为:
Pi=fi(P,λ,δ)
其中,Pi为经过异构加密单元i后的数据包,fi为不同异构加密单元所使用的不同的加密算法,不同加密算法在使用相同加密参数对(λ,δ)加密后的结果不同。λ为从随机密钥池中随机选择的加密参数;参数δ为传感器数据的指纹参数,每一个传感器使用唯一的δ值,且传感器对应的解析单元掌握此δ值;由于使用了完全随机的参数λ加密,使得加密后的数据能够防御窃取攻击;
一致性裁决单元接收每一个经过异构加密单元的数据包,通过比较使用随机密钥池中的各种加密参数进行解密,输出对所有数据包解密结果一致性最高的加密参数λ0;
反馈控制单元将使用加密参数λ0进行解密时所有数据包解密结果的一致性与系统预先设定的阈值相比较,当一致性小于预先设定的阈值时,对外发送数据篡改报警,同时通知数据分发单元选取新的随机密钥;
解析单元使用一致性裁决单元计算输出的加密参数和传感器数据处理服务中记录的传感器指纹参数构成加密参数对(λ0,δ),使用加密算法的逆变换解析出传感器数据信息。
进一步的,所述传感器数据保护系统包括数据叠加单元,用于接收传感器发送的数据,将相同数据格式的传感器归类,并将每组数据划分为相等长度的n个数据块,同时将n个传感器的数据分为一组,可以将传感器信息序列化为n×n个数据块,便于异构加密单元和一致性裁决单元处理。
一种传感器数据保护方法,包括数据分发步骤、数据异构加密步骤、数据传输步骤、一致性裁决步骤、反馈控制步骤和数据解析步骤;
数据分发步骤由数据分发单元复制传感器数据,连同从随机密钥池中随机选择的加密参数分发给系统中选定的异构加密单元;
数据异构加密步骤中,数据保护系统中每一个异构加密单元分别对数据包使用加密参数对(λ,δ)加密以不同的加密算法进行加密处理,其中第i个异构加密单元所使用的加密算法可表示为:
Pi=fi(P,λ,δ)
其中,Pi为经过异构加密单元i后的数据包,fi为不同异构加密单元所使用的不同的加密算法,不同加密算法在使用相同加密参数对(λ,δ)加密后的结果不同。λ为从随机密钥池中随机选择的加密参数;参数δ为传感器数据的指纹参数,每一个传感器使用唯一的δ值,且传感器对应的解析单元掌握此δ值;由于使用了完全随机的参数λ加密,使得加密后的数据能够防御窃取攻击;
数据传输步骤将经过异构加密单元后的数据包以原数据包的形式在原传感器网络中传输;
一致性裁决步骤中,一致性裁决单元首先接收每一个经过异构加密单元的数据包,然后先逐一从随机密钥池中的选择一个加密参数对所有数据包解密,再比较使用每一个加密参数对所有数据包解密时结果的一致性,最后选择解密结果一致性最高的加密参数,当此参数对应的解密结果一致性大于系统预先设定的阈值时,输出该参数,反之通知反馈控制单元;
当一致性裁决无法得出加密参数时,数据保护系统会触发反馈控制步骤,在此步骤中,数据保护系统会发布传感器数据篡改告警,同时从密钥池中随机选择新的加密参数为下一轮到来的数据加密;
数据解析步骤由解析单元使用一致性裁决单元计算输出的加密参数和传感器对应的解析单元中记录的传感器指纹参数构成加密参数对(λ0,δ),使用加密算法的逆变换解析出传感器的数据信息。。
进一步的,在数据分发步骤之前可以前置数据预处理步骤,将数据整理成更便于异构加密单元和一致性裁决单元处理的规则数据块,包括但不限于对同类型的数据进行堆叠,形成n×n的数据块。
与现有技术相比,本发明一种传感器数据保护系统及方法的有益效果是:在使用简单的加密算法和校验机制且不明显增加传感器能耗的情况下降低数据被窃取和篡改的攻击成功率。
附图说明
图1是传感器数据保护系统的结构示意图。
图2是传感器数据保护方法的流程图。
具体实施方式
请参阅图1,一种传感器数据保护系统,包括数据叠加单元、数据分发单元、异构加密单元、随机密钥池、一致性裁决单元、反馈控制单元和解析单元。
其中,数据分发单元将传感器数据复制并分发给系统中至少三个选定的异构加密单元。同时从随机密钥池中随机选择密钥λ作为加密参数。传感器数据保护系统中包括n个异构加密单元,n≥3。每一个异构加密单元分别对数据包使用不同的加密算法进行加密处理,其加密过程使用加密参数对(λ,δ)加密,异构加密单元的加密结果与原数据的数据格式越接近,数据保护系统对数据窃取攻击的防御能力越高,异构加密单元间的数据格式越接近,数据保护系统对数据窃取攻击的防御能力越高,其中第i个异构加密单元所使用的加密算法可表示为:
Pi=fi(P,λ,δ)
其中,Pi为经过异构加密单元i后的数据包,fi为不同异构加密单元所使用的不同的加密算法,不同加密算法在使用相同加密参数对(λ,δ)加密后的结果不同。λ为从随机密钥池中随机选择的加密参数;参数δ为传感器数据的指纹参数,每一个传感器使用唯一的δ值,且传感器对应的解析单元掌握此δ值;由于使用了完全随机的参数λ加密,使得加密后的数据能够防御窃取攻击;
一致性裁决单元接收每一个经过异构加密单元的数据包,通过比较使用随机密钥池中的各种加密参数进行解密,输出对所有数据包解密结果一致性最高的加密参数λ0。
反馈控制单元将使用加密参数λ0进行解密时所有数据包解密结果的一致性与系统预先设定的阈值相比较,当一致性小于预先设定的阈值时,对外发送数据篡改报警。同时通知数据分发单元选取新的随机密钥。
解析单元使用一致性裁决单元计算输出的加密参数和传感器数据处理服务中记录的传感器指纹参数构成加密参数对(λ0,δ),使用加密算法的逆变换解析出传感器数据信息。
数据叠加单元为可选组件,接收传感器发送的数据,其特点为,将相同数据格式的传感器归类,并将每组数据划分为相等长度的n个数据块,同时将n个传感器的数据分为一组。可以将传感器信息序列化为n×n个数据块,便于异构加密单元和一致性裁决单元处理。
请参阅图2,一种传感器数据保护方法,包括数据分发步骤、数据异构加密步骤、数据传输步骤、一致性裁决步骤、反馈控制步骤和数据解析步骤。
其中,数据分发步骤由数据分发单元复制传感器数据,连同从随机密钥池中随机选择的加密参数分发给系统中选定的异构加密单元。
数据异构加密步骤中,数据保护系统中每一个异构加密单元分别对数据包使用加密参数对(λ,δ)加密以不同的加密算法进行加密处理,其中第i个异构加密单元所使用的加密算法可表示为:
Pi=fi(P,λ,δ)
其中,Pi为经过异构加密单元i后的数据包,fi为不同异构加密单元所使用的不同的加密算法,不同加密算法在使用相同加密参数对(λ,δ)加密后的结果不同。λ为从随机密钥池中随机选择的加密参数;参数δ为传感器数据的指纹参数,每一个传感器使用唯一的δ值,且传感器对应的解析单元掌握此δ值;由于使用了完全随机的参数λ加密,使得加密后的数据能够防御窃取攻击;
数据传输步骤将经过异构加密单元后的数据包以原数据包的形式在原传感器网络中传输。
一致性裁决步骤中,一致性裁决单元首先接收每一个经过异构加密单元的数据包,然后先逐一随机密钥池中的选择一个加密参数对所有数据包解密,再比较使用每一个加密参数对所有数据包解密时结果的一致性,最后选择解密结果一致性最高的加密参数,当此参数对应的解密结果一致性大于系统预先设定的阈值时,输出该参数,反之通知反馈控制单元。
当一致性裁决无法得出加密参数时,数据保护系统会触发反馈控制步骤,在此步骤中,数据保护系统会发布传感器数据篡改告警,同时从密钥池中随机选择新的加密参数为下一轮到来的数据加密。
数据解析步骤由解析单元使用一致性裁决单元计算输出的加密参数和传感器对应的解析单元中记录的传感器指纹参数构成加密参数对(λ0,δ),使用加密算法的逆变换解析出传感器数据信息。
另外,在数据分发步骤之前可以前置数据预处理步骤,将数据整理成更便于异构加密单元和一致性裁决单元处理的规则数据块,包括但不限于对同类型的数据进行堆叠,形成n×n的数据块。
模型算法:
我们定义从传感器端采集到的数据为D,数据D经过数据分发单元后,被复制为n份,每一份作为一个异构加密单元的输入。
所有异构加密单元使用互不相同的加密算法对数据D进行加密,加密参数统一使用同一个从随机密钥池中选择的随机加密参数。由于每一个异构加密单元所使用的加密算法不同,可以很好的迷惑攻击者,降低数据被窃取的风险,为达到更好的数据保护效果,每个异构加密单元的结果在数据格式上要尽量一致。特别地,数据D以字符或字节方式编码,每一个字符或字节表示为D[i],i∈[1,n],异构加密单元将数据按相同的字节或字符数进行分组,对每一组数据P,分别使用加密参数对(λ,δ)加密,加密算法可表示为Pi=fi(P,λ,δ)。经过加密后的数据按照之前的分组再拼回城数据D的格式。
经过加密后的数据在传感器局域网内传输,发送至对应的传感器处理服务。在传感器处理服务接收数据之前,一致性裁决单元接收每一个经过异构加密单元的数据包,使用每一个随机密钥池中的加密参数对每一个加密后的数据进行解密,通过比较各加密数据在解密后的一致性,可以裁决出解密一致性最高的加密参数,解析器使用该参数即可使用加密算法的逆变换解析出传感器数据信息。
当裁决出的最高解密一致性小于预先设定的阈值时,对外发送数据篡改报警。同时通知数据分发单元选取新的随机密钥。
实施例1
传感器数据为16位16进制数,如01 03 05 07 09 0B 0D 0F;分发至3个异构加密单元,并从随机密钥池{1,2,3,4,5,6,7,8}中选择加密参数4异构加密单元将数据分成8组进行加密。
异构加密单元1:
异构加密单元2:
异构加密单元3:
一致性裁决单元分别使用{1,2,3,4,5,6,7,8}作为加密参数对三组数据解密,经过裁决,当取值为4时,三组数据的解密结果一致并得出数据解析结果。
本发明在使用简单的加密算法和校验机制且不明显增加传感器能耗的情况下降低数据被窃取和篡改的攻击成功率。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,对于本领域技术人员而言,显然本发明不限于上述示范性实施例的细节,而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下,能够以其他的具体形式实现本发明。因此,无论从哪一点来看,均应将实施例看作是示范性的,而且是非限制性的,本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定,因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外,应当理解,虽然本说明书按照实施方式加以描述,但并非每个实施方式仅包括一个独立的技术方案,说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见,本领域技术人员应当将说明书作为一个整体,各实施例中的技术方案也可以经适当组合,形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (4)
1.一种传感器数据保护系统,其特征在于:包括数据分发单元、异构加密单元、随机密钥池、一致性裁决单元、反馈控制单元和解析单元;
数据分发单元将传感器数据复制并分发给系统中至少三个选定的异构加密单元,同时从随机密钥池中随机选择密钥λ作为加密参数,传感器数据保护系统中包括n个异构加密单元,n≥3;每一个异构加密单元分别使用加密参数对(λ,δ),使用不同的加密算法对数据包进行加密处理:第i个异构加密单元所使用的加密算法可表示为:
Pi=fi(P,λ,δ)
其中,Pi为经过异构加密单元i后的数据包,fi为不同异构加密单元所使用的不同的加密算法,不同加密算法在使用相同加密参数对(λ,δ)加密后的结果不同,λ为从随机密钥池中随机选择的加密参数;参数δ为传感器数据的指纹参数,每一个传感器使用唯一的δ值,且传感器对应的解析单元掌握此δ值;由于使用了完全随机的参数λ加密,使得加密后的数据能够防御窃取攻击;
一致性裁决单元接收每一个经过异构加密单元的数据包,通过比较使用随机密钥池中的各种加密参数进行解密,输出对所有数据包解密结果一致性最高的加密参数λ0;
反馈控制单元将使用加密参数λ0进行解密时所有数据包解密结果的一致性与系统预先设定的阈值相比较,当一致性小于预先设定的阈值时,对外发送数据篡改报警,同时通知数据分发单元选取新的随机密钥;
解析单元使用一致性裁决单元计算输出的加密参数和传感器数据处理服务中记录的传感器指纹参数构成加密参数对(λ0,δ),使用加密算法的逆变换解析出传感器数据信息。
2.根据权利要求1所述的一种传感器数据保护系统,其特征在于:所述传感器数据保护系统包括数据叠加单元,用于接收传感器发送的数据,将相同数据格式的传感器归类,并将每组数据划分为相等长度的n个数据块,同时将n个传感器的数据分为一组,可以将传感器信息序列化为n×n个数据块,便于异构加密单元和一致性裁决单元处理。
3.一种根据权利要求1或2所述系统的传感器数据保护方法,其特征在于:包括数据分发步骤、数据异构加密步骤、数据传输步骤、一致性裁决步骤、反馈控制步骤和数据解析步骤;
数据分发步骤由数据分发单元复制传感器数据,连同从随机密钥池中随机选择的加密参数分发给系统中选定的异构加密单元;
数据异构加密步骤中,数据保护系统中每一个异构加密单元分别对数据包使用相同的加密参数对(λ,δ)以不同的加密算法进行加密处理,其中第i个异构加密单元所使用的加密算法可表示为:
Pi=fi(P,λ,δ)
其中,Pi为经过异构加密单元i后的数据包,fi为不同异构加密单元所使用的不同的加密算法,不同加密算法在使用相同加密参数对(λ,δ)加密后的结果不同,λ为从随机密钥池中随机选择的加密参数;参数δ为传感器数据的指纹参数,每一个传感器使用唯一的δ值,且传感器对应的解析单元掌握此δ值;由于使用了完全随机的参数λ加密,使得加密后的数据能够防御窃取攻击;
数据传输步骤将经过异构加密单元后的数据包以原数据包的形式在原传感器网络中传输;
一致性裁决步骤中,一致性裁决单元首先接收每一个经过异构加密单元的数据包,然后先逐一从随机密钥池中的选择一个加密参数对所有数据包解密,再比较使用每一个加密参数对所有数据包解密时结果的一致性,最后选择解密结果一致性最高的加密参数,当此参数对应的解密结果一致性大于系统预先设定的阈值时,输出该参数,反之通知反馈控制单元;
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数据解析步骤由解析单元使用一致性裁决单元计算输出的加密参数和传感器对应的解析单元中记录的传感器指纹参数构成加密参数对(λ0,δ),使用加密算法的逆变换解析出传感器的数据信息。
4.根据权利要求3所述的一种传感器数据保护方法,其特征在于:在数据分发步骤之前可以前置数据预处理步骤,将数据整理成更便于异构加密单元和一致性裁决单元处理的规则数据块,包括但不限于对同类型的数据进行堆叠,形成n×n的数据块。
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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