【摘要】：數(shù)據(jù)融合作為一種節(jié)能技術(shù)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中得到了廣泛應(yīng)用,它能夠有效地去除傳感器節(jié)點(diǎn)在信息采集階段產(chǎn)生的冗余數(shù)據(jù),降低節(jié)點(diǎn)間的通信開銷和計算負(fù)載,在延長網(wǎng)絡(luò)工作壽命的同時,能夠有效縮短系統(tǒng)決策時間。但是,數(shù)據(jù)融合技術(shù)的廣泛應(yīng)用也使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)機(jī)密性、隱私性和完整性保護(hù)等方面暴露出了很多問題。攻擊者能夠通過竊聽、篡改、偽造等惡意行為來破壞網(wǎng)絡(luò)安全性能。因此,如何解決數(shù)據(jù)融合過程中出現(xiàn)的安全問題已成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究領(lǐng)域內(nèi)的熱點(diǎn)課題。論文通過對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)融合技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)進(jìn)行研究和分析,將研究工作的重點(diǎn)集中在數(shù)據(jù)隱私性保護(hù)技術(shù)、節(jié)點(diǎn)信譽(yù)評價機(jī)制、同態(tài)加密技術(shù)以及同態(tài)MAC技術(shù)上。論文的研究工作得到了國家自然科學(xué)基金項目(No.61371071)、北京市自然科學(xué)基金項目(No.4132057)、北京市教育委員會學(xué)科建設(shè)與研究生建設(shè)項目的支持。論文的主要研究工作和成果如下：1、提出了基于數(shù)據(jù)動態(tài)分割混合技術(shù)的安全數(shù)據(jù)融合方案ESMART。該方案通過對原始采集數(shù)據(jù)進(jìn)行動態(tài)差異性分割來為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)隱私性提供有效保護(hù)。在ESMART方案下,竊聽者難以捕獲到完整的數(shù)據(jù)切片,也無法對竊聽到的數(shù)據(jù)切片進(jìn)行有效復(fù)原。該方案在提高隱私數(shù)據(jù)保護(hù)性能的同時,還能夠有效地控制節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)傳輸量,降低了節(jié)點(diǎn)的通信開銷和計算負(fù)載。仿真結(jié)果表明,與同類型的數(shù)據(jù)隱私性保護(hù)方案相比,ESMART方案在數(shù)據(jù)融合精確度、能量消耗水平等方面都有著明顯的性能優(yōu)勢,具有很好的實用價值。2、為了抵御網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部攻擊,論文提出了基于信譽(yù)的安全數(shù)據(jù)融合方案SRDA.該方案通過部署Watch Dog和局部離群值檢測等機(jī)制來對節(jié)點(diǎn)行為進(jìn)行實時監(jiān)視,并針對節(jié)點(diǎn)特征行為提出了相應(yīng)的評價指標(biāo)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)行為信譽(yù)值低于預(yù)設(shè)門限值時,信譽(yù)評價機(jī)制將判定該節(jié)點(diǎn)為惡意節(jié)點(diǎn)并將其隔離。仿真實驗數(shù)據(jù)表明,SRDA方案在節(jié)點(diǎn)能耗水平、數(shù)據(jù)融合精確度以及惡意節(jié)點(diǎn)識別效率等方面都有著明顯優(yōu)于其他同類型安全方案的性能水平。3、提出了基于同態(tài)加密技術(shù)的安全數(shù)據(jù)融合方案ECC-SDAI,方案中使用了具有加法同態(tài)性的橢圓曲線加密機(jī)制,保證了節(jié)點(diǎn)隱私數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)融合過程中始終處于密文狀態(tài),融合節(jié)點(diǎn)可直接對密文數(shù)據(jù)進(jìn)行融合操作,有效地保護(hù)了數(shù)據(jù)的機(jī)密性和隱私性,實現(xiàn)了端到端的安全數(shù)據(jù)融合。在此基礎(chǔ)上,ECC-SDAI方案通過構(gòu)建兩個相互獨(dú)立的樹形融合網(wǎng)絡(luò),使基站能夠?qū)?shù)據(jù)融合結(jié)果的完整性進(jìn)行有效驗證。仿真實驗和安全性能分析結(jié)果表明,ECC-SDAI方案在網(wǎng)絡(luò)安全強(qiáng)度、節(jié)點(diǎn)通信開銷以及數(shù)據(jù)融合精確度等方面都有著很好的性能表現(xiàn)。4、提出了基于同態(tài)消息認(rèn)證碼技術(shù)的安全數(shù)據(jù)融合方案HMSDA,該方案使用具有加法同態(tài)性的對稱加密機(jī)制來為數(shù)據(jù)融合過程提供數(shù)據(jù)機(jī)密性和隱私性保護(hù)。同時,方案中部署的同態(tài)消息認(rèn)證碼機(jī)制能夠?qū)?shù)據(jù)融合結(jié)果的完整性進(jìn)行有效驗證。仿真結(jié)果表明,與同類型的安全數(shù)據(jù)融合方案相比,HMSDA方案在數(shù)據(jù)融合精確度、通信開銷以及計算負(fù)載等方面都具有一定的優(yōu)勢。
[Abstract]:As an energy-saving technology, data fusion has been widely used in wireless sensor networks. It can effectively remove redundant data generated by sensor nodes in the information acquisition phase, reduce communication overhead and computing load between nodes, prolong the network lifetime and effectively shorten the system decision-making time. The wide application of fusion technology also exposes many problems in data confidentiality, privacy and integrity protection of wireless sensor networks. Attackers can destroy network security by eavesdropping, tampering, forgery and other malicious acts. Therefore, how to solve the security problems in the process of data fusion has become wireless. This paper focuses on data privacy protection technology, node reputation evaluation mechanism, homomorphic encryption technology and homomorphic MAC technology through the research and analysis of data fusion technology and network security technology in wireless sensor networks. The project supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 61371071), the Beijing Natural Science Foundation of China (No. 4132057) and the Beijing Education Commission (Beijing Education Commission) is presented. The main research work and achievements of this paper are as follows: 1. A security data fusion scheme ESMART based on dynamic data segmentation and hybrid technology is proposed. It is difficult for eavesdroppers to capture complete data slices and restore eavesdropping data slices effectively under ESMART scheme. This scheme can improve the performance of privacy data protection while at the same time improving the performance of privacy data protection. The simulation results show that ESMART has obvious performance advantages in data fusion accuracy and energy consumption level compared with other data privacy protection schemes. 2. It has good practical value to resist the network. In this paper, we propose a reputation-based secure data fusion scheme SRDA, which monitors node behavior in real time by deploying Watch Dog and local outlier detection mechanisms, and proposes corresponding evaluation criteria for node characteristic behavior. The simulation results show that SRDA scheme is superior to other similar security schemes in energy consumption level, data fusion accuracy and malicious node identification efficiency. 3. A secure data fusion scheme ECC-based on homomorphic encryption technology is proposed. SDAI, which uses the elliptic curve encryption mechanism with additive homomorphism, ensures that the node privacy data is always in the ciphertext state in the process of data fusion. The fusion node can directly fuse the ciphertext data, effectively protecting the confidentiality and privacy of the data, and realizing the end-to-end security data fusion. On the basis of this, the ECC-SDAI scheme constructs two independent tree fusion networks, so that the base station can validate the integrity of the data fusion results effectively. Simulation results and security performance analysis show that the ECC-SDAI scheme has good network security strength, node communication overhead and data fusion accuracy. 4. A secure data fusion scheme HMSDA based on homomorphic message authentication code is proposed, which uses symmetric encryption mechanism with additive homomorphism to provide data confidentiality and privacy protection for data fusion process. The simulation results show that the HMSDA scheme has certain advantages in data fusion accuracy, communication overhead and computing load compared with the same type of secure data fusion scheme.
【學(xué)位授予單位】：北京交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TN929.5;TP212.9;TP202

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本文編號：2180739