本文關(guān)鍵詞：能量有效的WSN數(shù)據(jù)聚合技術(shù)及其安全問題研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks,WSN)是當前世界上備受關(guān)注的、技術(shù)高度集成、眾多學(xué)科交叉的前沿和熱點研究領(lǐng)域之一。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓展了人類的信息獲取能力,在國防安全和國民經(jīng)濟諸方面均有著廣闊的應(yīng)用前景。為保證采集數(shù)據(jù)的全面性,常在傳感器網(wǎng)絡(luò)中布撒數(shù)目眾多,分布密集的感知節(jié)點,并將攜帶了大量冗余信息的原始采樣數(shù)據(jù)發(fā)送到基站。由于傳感器節(jié)點的能源嚴格受限且電池更換困難,針對傳感器網(wǎng)絡(luò)能效性的研究一直是該領(lǐng)域的重點及難點問題。數(shù)據(jù)聚合技術(shù)能夠消除感知數(shù)據(jù)中的冗余信息,減少數(shù)據(jù)傳輸量,降低網(wǎng)絡(luò)能量消耗,提高數(shù)據(jù)的精確性,延長了網(wǎng)絡(luò)的生命周期,是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)之一,能量有效的數(shù)據(jù)聚合算法設(shè)計也成為該網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)聚合研究的關(guān)鍵點。隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的持續(xù)運行,數(shù)據(jù)聚合技術(shù)在降低網(wǎng)絡(luò)通信開銷的同時也帶來了新的安全隱患,如聚合數(shù)據(jù)的竊聽、篡改及偽造,傳感器節(jié)點俘獲及敏感信息的泄露等。受到惡意節(jié)點攻擊的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能夠?qū)⒋罅垮e誤或虛假信息復(fù)制、轉(zhuǎn)發(fā)給其他節(jié)點。這些不可信的、存在安全問題的聚合數(shù)據(jù)將會誤導(dǎo)基站做出不恰當?shù)捻憫?yīng)決策,而大量被捕獲的傳感器節(jié)點將會干擾、甚至終止整個網(wǎng)絡(luò)的正常運行,使得整個數(shù)據(jù)采集工作前功盡棄。如果感知數(shù)據(jù)中的敏感信息被惡意節(jié)點獲取,則會造成不可估量的損失。因此,對數(shù)據(jù)聚合過程中的安全問題進行研究,具有非常重要的意義。以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)聚合技術(shù)為基礎(chǔ),本論文對如何設(shè)計全網(wǎng)節(jié)點能耗均衡的高效數(shù)據(jù)聚合策略進行了分析,并著重研究了基于節(jié)點認證、隱私保護、入侵檢測及同態(tài)加密的安全數(shù)據(jù)聚合算法。主要工作及取得的研究成果如下：1、提出一種WSN中能量有效的分簇數(shù)據(jù)聚合協(xié)議。研究分簇傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)聚合機制,解決網(wǎng)內(nèi)節(jié)點能耗不均衡問題。分析了多跳通信模式下簇頭節(jié)點的負載不平衡性,給出基于網(wǎng)絡(luò)拓撲和單簇能耗的簇半徑計算方案。針對網(wǎng)內(nèi)關(guān)鍵節(jié)點能耗過快問題,提出一種新型的雙簇頭選舉策略。為減少網(wǎng)絡(luò)總能耗,引入跨層數(shù)據(jù)傳輸模式,并利用具體實例與性能實驗檢驗了算法的有效性。2、提出一種WSN中能量有效的匿名聚合節(jié)點選舉協(xié)議。研究傳感器網(wǎng)絡(luò)中聚合節(jié)點的安全性,基于分簇拓撲結(jié)構(gòu),提出一種匿名的簇頭選舉協(xié)議。給出了匿名簇頭選舉的判定規(guī)則及成簇模式。為保證存在節(jié)點成功當選,利用基于雙線性對的匿名否決協(xié)議對選舉結(jié)果進行驗證。為有效抵抗竊聽攻擊、節(jié)點妥協(xié)攻擊及合謀攻擊等惡意行為,設(shè)計了相應(yīng)的數(shù)據(jù)聚合方案,無需泄露節(jié)點身份信息即可完成聚合,提高了聚合安全性。3、提出一種WSN中能量有效的隱私保護數(shù)據(jù)聚合算法。研究傳感器網(wǎng)絡(luò)隱私保護數(shù)據(jù)聚合機制,提出一種高能效的、抗數(shù)據(jù)丟失的隱私保護聚合算法,通過進行兩次不同形式的數(shù)據(jù)擾動分別實現(xiàn)單個節(jié)點數(shù)據(jù)對基站及網(wǎng)內(nèi)其他節(jié)點的隱私性。首先,從防止基站入侵角度,描述了初次擾動數(shù)據(jù)設(shè)計方案；在此基礎(chǔ)上,為防止鄰居節(jié)點竊取敏感信息,給出了采用構(gòu)建索引值方式進行二次數(shù)據(jù)擾動的實現(xiàn)過程。為有效抵御多種外部攻擊,引入消息認證碼技術(shù),給出了中間聚合節(jié)點及基站的聚合驗證操作流程。4、提出一種能量有效的多維數(shù)據(jù)隱私保護聚合機制。研究多維數(shù)據(jù)的聚合特性及隱私保護算法,提出一種適用于智能電網(wǎng)通信的隱私保護聚合機制。建立了智能電網(wǎng)通信模型。分析了隱私同態(tài)與數(shù)據(jù)簽名技術(shù),基于二者的集成,給出了多維數(shù)據(jù)的聚合結(jié)果認證及完整性檢測方案。為對抗隨機誤差,提出了一種成員列表構(gòu)建方法,并著重分析了該方案在智能電網(wǎng)通信中的安全性,高效性及適用性。
【關(guān)鍵詞】：無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 數(shù)據(jù)聚合 能量有效 隱私保護 匿名否決
【學(xué)位授予單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TP212.9;TN929.5
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-13
• 符號對照表13-14
• 縮略語對照表14-19
• 第一章 緒論19-35
• 1.1 研究背景及選題意義19-20
• 1.2 WSN數(shù)據(jù)聚合技術(shù)概述20-24
• 1.2.1 應(yīng)用背景20-21
• 1.2.2 主要作用21-22
• 1.2.3 主要類型22-24
• 1.3 WSN數(shù)據(jù)聚合能量問題24-25
• 1.3.1 能量敏感性24
• 1.3.2 優(yōu)化策略24-25
• 1.4 WSN數(shù)據(jù)聚合安全問題25-32
• 1.4.1 安全問題根源25-26
• 1.4.2 安全威脅26
• 1.4.3 安全需求26-28
• 1.4.4 研究現(xiàn)狀28-32
• 1.5 本文主要工作及結(jié)構(gòu)安排32-35
• 1.5.1 主要工作32-33
• 1.5.2 結(jié)構(gòu)安排33-35
• 第二章 WSN中能量有效的分簇聚合協(xié)議35-51
• 2.1 分簇數(shù)據(jù)聚合協(xié)議概述35-36
• 2.2 背景知識36-38
• 2.2.1 網(wǎng)絡(luò)模型36-37
• 2.2.2 相關(guān)定義37
• 2.2.3 問題描述37-38
• 2.3 簇間能耗均衡38-40
• 2.3.1 簇劃分38-40
• 2.3.2 計算示例40
• 2.4 簇內(nèi)能耗均衡40-42
• 2.4.1 處理和轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點選舉40-42
• 2.5 數(shù)據(jù)聚合樹的構(gòu)建42-43
• 2.6 性能分析43-49
• 2.6.1 理論分析43-46
• 2.6.2 仿真驗證46-49
• 2.7 小結(jié)49-51
• 第三章 WSN中能量有效的匿名聚合節(jié)點選舉協(xié)議51-65
• 3.1 匿名選舉必要性概述51-52
• 3.2 雙線性對及相關(guān)復(fù)雜性假設(shè)52
• 3.3 網(wǎng)絡(luò)及攻擊模型52-53
• 3.3.1 網(wǎng)絡(luò)模型52-53
• 3.3.2 攻擊模型53
• 3.4 協(xié)議設(shè)計53-55
• 3.4.1 系統(tǒng)初始化53
• 3.4.2 匿名聚合節(jié)點選舉53-55
• 3.4.3 錯誤情況處理55
• 3.5 簇的構(gòu)建55-57
• 3.6 數(shù)據(jù)聚合57-58
• 3.7 安全分析58-60
• 3.7.1 匿名簇頭選舉58
• 3.7.2 匿名否決協(xié)議58-60
• 3.8 性能分析60-63
• 3.8.1 消息復(fù)雜度60-61
• 3.8.2 節(jié)點單輪能量消耗61
• 3.8.3 節(jié)點生命周期61-62
• 3.8.4 節(jié)點鄰居數(shù)及權(quán)值因子與當選概率的關(guān)系62-63
• 3.9 小結(jié)63-65
• 第四章 WSN中能量有效的隱私保護數(shù)據(jù)聚合算法65-79
• 4.1 WSN隱私安全概述65
• 4.2 預(yù)備知識65-68
• 4.2.1 消息認證碼65-66
• 4.2.2 密鑰分配機制66
• 4.2.3 網(wǎng)絡(luò)及攻擊模型66-67
• 4.2.4 高效的隱私保護聚合算法評價標準67-68
• 4.3 高效的隱私保護數(shù)據(jù)聚合算法68-72
• 4.3.1 聚合請求68-69
• 4.3.2 密文構(gòu)造69-70
• 4.3.3 聚合及驗證70-72
• 4.4 安全分析72-75
• 4.4.1 隱私性72-74
• 4.4.2 完整性74-75
• 4.5 性能分析75-77
• 4.5.1 通信復(fù)雜度75
• 4.5.2 計算復(fù)雜度及代價75
• 4.5.3 仿真實驗75-77
• 4.6 小結(jié)77-79
• 第五章 能量有效的多維數(shù)據(jù)隱私保護聚合機制79-91
• 5.1 多維數(shù)據(jù)隱私保護概述79
• 5.2 多維數(shù)據(jù)聚合在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用79-81
• 5.2.1 智能電網(wǎng)概述79-80
• 5.2.2 智能電網(wǎng)通信模型80-81
• 5.2.3 安全需求及面臨的威脅81
• 5.3 適用于智能電網(wǎng)的隱私保護聚合機制設(shè)計81-85
• 5.3.1 預(yù)備知識81-83
• 5.3.2 系統(tǒng)初始化83-84
• 5.3.3 用戶報告生成84
• 5.3.4 安全數(shù)據(jù)聚合84
• 5.3.5 報告響應(yīng)84-85
• 5.4 安全分析85-87
• 5.4.1 數(shù)據(jù)機密性85-86
• 5.4.2 數(shù)據(jù)認證及完整性86
• 5.4.3 不可否認性86
• 5.4.4 選擇明文攻擊下的安全性86-87
• 5.5 性能分析87-90
• 5.5.1 計算代價87-89
• 5.5.2 通信負載89-90
• 5.6 小結(jié)90-91
• 第六章 結(jié)論和展望91-95
• 6.1 論文工作總結(jié)91-92
• 6.2 未來研究展望92-95
• 參考文獻95-105
• 致謝105-107
• 作者簡介107-108

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本文編號：276758