一種無線傳感器網絡同態加密隱私保護方法與流程
2023-06-03 02:14:21 1
本發明涉及一種應用於無線傳感器網絡的隱私保護技術方案，針對基於分片技術的隱私保護算法對丟包敏感的問題，具體是通過線性還原算法保證數據的冗餘性和使同態加密保證數據的隱私性，從而保證數據在傳輸過程中對丟包具有還原功能。本技術屬於無線傳感器網絡隱私保護領域。
背景技術：
隨著物聯網的不斷發展，作為物聯網的重要組成部分，無線傳感網的研究也在不斷的深入，其應用已經從國防軍事領域，航空領域拓展到環境監測、交通管理、醫療衛生、智能家居、抗災等諸多領域，顯示了其巨大的應用前景。2013年，中國報告大廳發布的《2013-2017年中國傳感器行業競爭格局分析及發展趨勢研究報告》指出，無線傳感器網絡的逐漸普及，促進了信息家電、網絡技術的快速發展，家庭網絡的主要設備已由單一機向多種家電設備擴展，基於無線傳感器網絡的智能家居網絡控制節點為家庭內、外部網絡的連接及內部網絡之間信息家電和設備的連接提供了一個基礎平臺。近年來，無線傳感器網絡的研究不斷的深入，其應用已經從國防軍事領域，航空領域拓展到環境監測、交通管理、醫療衛生、智能家居、抗災等諸多領域，顯示了其巨大的應用前景。
無線傳感器絡是一種可以大規模分布式部署的網絡，由無線傳感器組成，具有自組織，多跳和以數據為中心等特徵，經常部署於無人維護、條件惡劣的環境當中。在無線傳感網中，一個無線傳感器的主要任務是採集數據和轉發數據，由於經常放置在無人區域中，這些數據面臨著被攻擊者物理俘獲，破解和篡改的諸多安全威脅，導致自身的許多隱私信息數據暴露和竊取。這個問題正在變得日益突出，在現有的無線傳感器網絡中，隱私保護技術主要分為數據隱私保護技術和位置信息隱私保護技術兩個方面。位置隱私保護技術是防止攻擊者通過通信模式監測分析獲取目標位置。
數據隱私保護技術是防止攻擊者通過鏈路層竊聽傳感器節點獲取有效信息 目前針對數據隱私保護和位置隱私保護所採用的技術和方案主要分為三類，分別是基於擾動技術，基於分片技術和基於同態加密。基於擾動技術的隱私保護算法CPDA(cluster-base private data aggregation)，其思想是利用簇協議和多項式的代數進行數據聚合隱私保護。其主要優點是實現精確聚合，但是CPDA的計算和通信開銷都很大，且只提供一種級別保護。而基於分片技術的隱私保護算法SMART協議，主要是通過將原始數據進行分片、混合、聚合，通過多條路徑傳輸達到隱私保護，其主要優點是精確聚集和提供完整性驗證，SMART協議所帶來的問題是對丟包十分敏感基於同態加密的隱私保護協議AHE協議可以有效應對共謀攻擊，但是對於數據的完整性無法保證。然而這些協議都無法保證數據分片在丟失的情況下，保證數據的完整性。
技術實現要素：
技術問題：本發明旨在研究無線傳感網的隱私保護算法，在總結和分析各種隱私保護算法的缺點和隱私攻擊竊取的基礎上，使用理論分析和實踐相結合的研究方法。針對基於分片技術的隱私保護算法對丟包敏感的問題，採用每個分片數據包都攜帶部分其他分片信息的方法，從而達到即使在源節點未收到部分分片的情況下，仍然還原出完整的數據的效果。
技術方案：在無線傳感網中，傳感器包含了數據採集、傳輸、處理和應用的全過程，並且由於無線傳感器的傳輸方式是無線的，也造成了無線傳感網的數據傳輸的不安全，容易被竊取和攻擊，因此對於數據傳輸的隱私保護十分重要。並且由於無線傳感器的本身的特點，限制了在無線傳感器上的計算量和存儲量，也就導致在無線傳感器上的程序時間複雜度和空間複雜度不能太高。本方案通過數據分片實現了無線傳感器網絡中數據傳輸的安全性，並且通過對數據分片加入冗餘還原算法保證數據的完整性。有利於數據的有效傳輸，對數據的完整性提供保護，並且對計算量和存儲空間要求相對較小。
本發明針對基於分片技術的數據隱私保護算法對丟包敏感性的問題，提出了在目標節點丟失部分數據包的情況下，通過線性的冗餘算法，仍能還原出全部數據。在源節點分片的過程中，加入同態加密，主要利用同態加密的特點，即對經過同態加密的數據進行處理得到一個輸出，將這一輸出進行解密，其結果與用同 一方法處理未加密的原始數據得到的輸出結果是一樣的。可以與之前的線性的冗餘算法很好的結合。
方法流程
步驟1、首先將寫好的程序燒寫進所有的節點，然後開啟所有的節點。等待所有源節點和目標節點之間用來轉發數據的節點生成傳送數據樹和信息反饋樹，使源節點和目標節點建立連接。
步驟2、當源節點和目標節點都確認傳送數據樹和信息反饋樹已經生成後，源節點上的光照採集模塊開始採集數據，每當讀取到10個傳感數據時，源節點開始對採集到的光照數據進行處理，對源節點採集到的數據進行切片處理，生成分片信息，以及計算出每個分片信息要攜帶的隱藏信息數據。
步驟3、對源節點生成的分片信息和隱藏信息進行同態加密，然後源節點將同態加密好的分片信息和隱藏信息分發給自己傳送數據樹中的父節點。源節點進行下一次數據採集。
步驟4、傳送數據樹中的父節點通過各自的父節點逐跳將源節點發送的數據轉發至目標節點,如果目標節點確認數據分片未丟失，則進行數據解密，然後根據收到的分片信息進行重組，得到與源節點採集到的光照數據一樣的原始數據。如果發現有丟包，那麼就要對已經收到的分片數據進行線性還原，還原出同態加密後的數據分片信息，再一次性的進行同態解密算法，解密出整個完整的原始數據。目標節點會根據收到的數據包數量進行計算，計算傳送數據樹的丟包情況。
步驟5，如果目標節點發現傳送數據樹的丟包情況與上一次數據接收到的丟包情況不同，則將這一次數據發送的丟包情況通過信息反饋樹發送給目標節點。讓目標節點即時的調整分片策略。
有益效果：本發明是一種基於分片技術的無線傳感器網絡數據隱私保護研究方案，具體是通過線性還原算法保證數據的冗餘性和使同態加密保證數據的隱私性。本發明有如下優點：
1、數據的冗餘性：通過隱私保護的冗餘算法，在數據分片的時候，加入了其餘分配數據包的信息，即使在部分丟包的情況下，通過線性的還原算法可以還原出全部的報文信息。如圖1所示，使用了具有我們可以看到由於使用了CTP協議作為中間節點的傳輸協議，以及CTP本身得消息隊列機制，所以丟包率較 小，加上MS協議的數據還原性，即使在碰撞的情況下源節點對收到信息的丟包，也可以很好的還原出整個數據。所以對比於CDPA和SMART具備有很好的數據精確性。
2、數據隱私保護性：通過對原始數據進行分片處理和所有的分片數據進行同態加密處理，加強數據隱私保護性。如表1所示，MS方案的隱私保護性能對比於SMART協議和CDPA協議在精確性和計算性方面有很好的表現。
3、效率：由於使用了同態加密，而且還原算法是線性的，所以數據的還原效率很高，速度快，十分適合無線傳感器計算能力弱的特點。
4、可靠性：由於轉發節點都採用了CTP協議，所以信息報轉發的可靠性很高。
5、動態調整：通過信息反饋樹反饋丟包信息，即時的調整分批策略，有效提高信息發送的效率。由圖2可見，目標節點反饋丟包率後，源節點在也會相應的改變攜帶隱藏分片數量，一方面有效地降低了網絡帶寬，另一方面有效地保證數據分片的到達。
附圖說明
圖1 MS協議,CDPA(pc＝0.3)協議和SMART(J＝3)協議之間的數據精確性比較，
圖2 目標節點反饋丟包率後，攜帶隱藏分片數量，
圖3 網絡模型，
圖4 源節點的工作流程圖，
圖5 目標節點的工作流程圖，
圖6 源節點的分片數據的幀格式，
圖7 數據分片參照圖。
具體實施方式
在如圖3所示的網絡模型中，從源節點到目標節點建立了兩顆路由樹，分別是用CTP協議生成信息反饋樹和傳送數據樹。由於設計的線性冗餘算法可以動態的調整冗餘度，也就是說可以根據丟包率調整分片策略，改變冗餘度，所以建立了以源節點為根節點的信息反饋樹，目標節點通過將丟包的情況通過信息反饋樹反饋給源節點。傳送數據樹是以目標節點為根節點的數據傳送樹，任務比較簡 單，就是簡單的將源節點分片數據轉發到目標節點。
源節點首先發生測試數據包，用來測試網絡的丟包情況和拓樸樹的建立情況，當收到目標節點的反饋數據後才開始採集數據，否則就一直等待，源節點採集數據到默認的數量時，根據收到目標節點反饋信息中的丟包率情況，根據算法制定分片策略，然後進行同態加密，分發數據給源節點的父節點。
源節點採集數據的速度相對於傳輸數據到目標節點的速度較快，對每次採集的數據都進行傳輸會極大的增加能量損耗，所以對採集到的數據不進行每次都發送，而是先將採集到的數據儲存起來，放在一個堆棧中，當數據存儲到一定數量時，再進行發送，通過這種方式提高數據傳輸效率。
通過信息反饋樹反饋的信息丟包率，調整分片策略，將採集到的數據進行分片，然後對每個分片數據進行同態加密，在每個數據包中加入其餘的分片信息。然後將整個數據報分發到以源節點為根節點的傳送數據樹中的各個父節點。
中間節點包括了信息反饋樹的轉發節點和數據傳送樹的轉發節點，這些節點的工作主要是轉發，並不進行解密和加密工作，它們都採用CTP協議來生成樹。
目標節點首先等待轉發節點建立CTP樹，然後等待源節點發送過來的測試數據包，計算丟包率，然後將計算得到的丟包率反饋給源節點，然後再進行正常的收包工作，否則就一直等待源節點的數據。當目標節點收到分片數據時，會首先判是否是與堆棧裡的相同數據分片，不是則對已有的數據分片進行數據重組、還原、解密，同時計算丟包率，通過信息反饋樹發送丟包信息給源節點。然後自動釋放堆棧裡的數據資源，更新COUNT位，將新的數據分片加入堆棧之中。當收到的數據分片達到了規定的數量時，根據各自分片數據的位置進行數據重組、解密，計算丟包率，發送丟包信息給源節點。
在源節點進行分片，目標節點進行數據還原。源節點S將數據幀分片給各個節點，由這些節點通過CTP樹轉發給目標節點。假設採集到的原始數據是m個字節，則共有8m的比特位需要分割。
令M＝8m，設A為每個節點分到的比特位數，N為總節點數，則n滿足
其中A必須為整數，n＝1,2,3……
n為滿足條件的最大整數值。
設計在源節點的幀格式如圖6所示，
-標記有效位：8個比特位，如果標記有效位大於100，則該數據分片有效，否則無效，目標節點丟棄該數據分片。
-計數位：16個比特位，用來記錄此次分片是第幾次分片。
-分片總數位：16個比特位，用來記錄此次分片總共有多少數據分片。
-位置位：16個比特位，記錄每個節點的分片數據處於總分片的位置。
-信息位：A個比特位，每個節點從源節點得到的分片數據的信息。
-隱藏的其他分片信息：比特位由源節點根據收到的丟包率決定，是動態決定的。
源節點採集數據後，對採集到的數據進行分片。如圖7所示
設在N個節點中，第i個節點會的得到自身的有效分片數據Xi，以及部分其餘
分片的隱藏信息。假設在某一時刻，源節點收到目標節點反饋的丟包率為
PLR(Packet Loss Rate),那麼計算HSC(Hide Slice Count)
HSC為滿足條件的的最小正整數，Xi所攜帶的分片信息為
S(i+HSC)％N＝X(i+HSC)％N-X(i+HSC+1)％N
源節點對採集到的原始數據進行切片，加入其餘分片的隱藏信息後發送到目標節點，目標節點收到數據時，讀取標記有效位，判斷是否是與堆棧裡的相同數據分片，不是則對已有的數據分片進行數據重組，然後自動釋放堆棧裡的數據資源，更新計數位，將新的數據分片加入堆棧之中。當收到的數據分片達到了分片總數位的數量時，根據各自分片數據的位置進行數據重組。
1.丟失的情況下數據還原
如果超過時限或者提前收到了下一個數據包的分片數據，那麼就要對已經收到的分片數據進行重組。現在假設分片數據在沒有丟失的情況下，得到全部的原始數據。那麼我們就可以的得到的所有的S數據包數據。列出相應的方程式，可以得到一個(N×N)線性矩陣，如下圖所示
由線性代數的變換可知，R(Matrix_C)＝N-1，通過線性變換可以得到
根據上述矩陣，只要得到其中一個解，那麼就可以通過計算，得到全部的解。假設目標節點未收到節點i的數據包Xi，那麼我們可以根據公式
Xi＝Si+Xi+1
由此我們可以假設，如果我們只收到一個分片數據包Xj。那麼根據該數據包所攜帶的S集合就可以列出一個(HSC×N)的矩陣Matrix_Lack，通過線性變換可得
容易得到R(Matrix_Lack)＝HSC,當接受第二個分片數據時，如果是第(j+HSC)％N個分片數據，那麼將得到兩個矩陣，將兩個矩陣合併，其秩至少為N-1。就可以立即解得整體的數據。如果得到的是第(j+1)％N或者(j-1)％N個分片數據。那麼矩陣的秩將增加1，即HSC+1。由此我們可以推出當接受到第二個分片數據時，至少可以矩陣的秩將增加1。
所以，由上述可知，當矩陣的秩
HSC+n-1＝N-1
可以解出所有的解，即n＝N-HSC時，就可以還原出矩陣Matrix_Comp』。也就是說在這當前的情形下，最多只需要接收到N-HSC個分片數據就可以還原出原始數據。而HSC是根據目標節點反饋的丟包信息計算得到的，所以目標節點在丟包率PLR的條件下，至少可以收到(1-PLR)×N個數據分片，只要
(1-PLR)×N≥N-HSC
即
所以肯定可以還原出原始的數據。並且當得到完整的舉證之後，只需要遍歷矩陣一次就可以得到所有的解。
現在已知矩陣Matrix_C』，假設要還原出數據Xx，設所有已知的解的集合為，ASW＝{Xa,Xb…Xm}；先從這些集合中找出距離x最近的那個數，以此來降低時間複雜度。即
Distance＝Min|r-x|，Xr∈ASW
找到已知最近的解Xr，可以解Xx,當rx
根據上述的公式，可以得到要解出任意一個解的最好時間複雜度為O(1),平均時間複雜度為O(HSN/4),最差時間複雜度為O(HSN/2)。而要解出所有解的平均時間複雜度為O(HSN)。
2.分片數據的同態加密
同態加密是基於數學難題的計算複雜性理論的密碼學技術。對經過同態加密的數據進行處理得到一個輸出，將這一輸出進行解密，其結果與用同一方法處理未加密的原始數據得到的輸出結果是一樣的。同態加密的思想起源於私密同態，代數同態和算術同態是私密同態的子集。R和S是域，稱加密函數E：R→S為：
如果存在有效算法⊕，E(x+y)＝E(x)⊕E(y)或者x+y＝D(E(x)⊕E(y))成立，並且不洩漏x和y，則稱為加法同態。
如果存在有效算法，E(x×y)＝E(x)y或者xy＝D(E(x)y)成立，並且不洩漏x和y，則稱混合乘法同態，
如果存在有效算法，E(x-y)＝E(x)○-E(y)或者x-y＝D(E(x)○-E(y))成立，並且不洩漏x和y，則稱E為減法同態。
除法同態，如果存在有效算法○/，E(x/y)＝E(x)○/E(y)或者x/y＝D(E(x)○/E(y))成立，並且不洩漏x和y，則稱E為減法同態。
如果E既是加法同態又是乘法同態。則稱為代數同態，算術同態，如果E同時為加法同態、減法同態、乘法同態和除法同態。
同態加密方案在沒有解密密鑰時，卻需要進行一些算數操作的時候特別有用。在一個同態加密的算法裡面，一般來說的描述如下所示。
enc表示加密方案，Me表示明文空間，C表示密文空間。先假設存在加法同態加密算法Enc，對於任何一個明文m1、m2，m1、m2分別為Me明文空間的子集，那麼根據加法同態加密算法Enc，就可以得到一個密文空間的子集c1＝Enck1(m1)、c2＝Enck2(m2)，其中K為密鑰。同時存在一個有效的密文c3∈C，c3滿足
換句話說，如果我們解密C3就可以得到
在上述的冗餘算法中，分片數據是以明文的形式傳送的，很容易遭到竊取和破解，所以需要加強數據的隱私性。根據上述算法的線性特性，通過線性矩陣的證明可以知道，整個還原算法是線性的，即只需要通過加減就可以還原出整個數據，那麼根據同態加密的特性，即經過同態加密的數據進行處理得到一個輸出，將這一輸出進行解密，其結果與用同一方法處理未加密的原始數據得到的輸出結果是一樣的。那麼如果找到一個加密算法同時滿足加法同態和減法同態，然後將找到的隱私加密算法與線性還原算法結合，那麼就可以在不加大還原數據時間複雜度的前提下，還原出整個數據。這與無線傳感器計算能力相對較弱，能量有限的特性十分符合。既提高了數據的隱私保護，又不大幅度的增加計算量。所以隱私同態十分適合與之前的隱私保護算法結合。
現在根據之前分片的冗餘算法設計在源節點的同態加密算法公式如下
加密算法中的參數
①m是要加密的明文信息
②k是源節點與目標節點的共享密鑰
③b是每個分片數據與目標節點的共享密鑰
④M是系統固定的參數
⑤rand是隨機產生的任意正整數
⑥p是系統的參數，並且
p為滿足條件的最小素數
加密公式
E(m,k，b,M,p)＝(k×m+b+rand×p)mod(p×M)＝C
解密算法為
其中k是源節點與目標節點的共享密鑰，b是每個分片數據與目標節點的共享密鑰，當所有的節點在網絡拓撲生成好之後，源節點會發送一些測試數據用來測試整個網絡的丟包情況，當目標節點收到這些測試的數據包時，會根據收到數據包的多少情況計算整個網絡的丟包率，然後計算源節點應該在分片數據之後加入多少隱藏的分片數據分片，然後根據數據分片的數量計算源節點與目標節點的共享密鑰k,所以k只有一個。以及每個分片數據與目標節點的共享密鑰b，所以b有很多個。然後通過信息反饋樹，將信息反饋給源節點。源節點根據反饋給的信息進行分配和數據隱藏工作，當網絡穩定時，目標節點每過一段時間就會發送信息 給源節點，而當網絡拓撲發生變化時，標結也會發送信息給源節點，讓源節點調整分配和加密策略。
現在假設有n個信息需要進行加密，則每個要加密的明文信息為m＝{m1，m2，m3…mn},則
對之求和，因為的最小素數，所以
同時，如果我們對明文信息m＝{m1，m2，m3…mn},先進行求和則
那麼相應的b的和就是
對msum進行csum＝Enc ksum(msum)，就會變成
其中randsum為一個數，將其展開來，那麼就會得到,
因為的最小素數,所以不會大於p，最終在解密的時候，在目標節點先對解密Csum，可以得到
現在對C’sum進行解密，可以得到
由此可見
msum＝m’sum
所以該算法是滿足加法同態加密，當目標節點得到加密過的分片數據後，只需要對這些數據進行線性處理，然後將的得到的結果進行解密，即滿足加法同態。而減法本質上也是加法，在這裡不做多餘論述。
將隱私同態算法與上面的線性冗餘算法結合，那麼在源節點的分片數據進行隱私同態加密。Xi所攜帶的分片信息就變成為
S'(i+HSC)％N＝(k×X(i+HSC)%N+b1+rand1×p)mod(p×N)-(k×X(i+HSC+1)％N+b2+rand2×p)mod(p×N)
而原始數據Xi則變成
X'i＝(k×Xi+bi+randi×p)mod(p×M)
當目標節點收到同態加密後的隱藏數據後，並且判斷是存在丟包的情況下，開始還原整個數據，當還原出整個矩陣之後，開始遍歷的還原數據。現在已知矩陣Matrix_C』，假設要還原出數據X』x，設所有已知的解的集合為，ASW』＝{X』a,X』b…X’m}；先從這些集合中找出距離x最近的那個數，以此來降低時間複雜度。即
Distance＝Min|r-x|，Xr∈ASW
找到已知最近的解Xr，可以解Xx,當rx
由於只要做一次的同態隱私解密，所以可以得到要解出任意一個解的最好時間複雜度仍然為O(1),平均時間複雜度仍然為O(HSN/4),最差時間複雜度仍然為O(HSN/2)。而要解出所有解的平均時間複雜度仍然為O(HSN)。
現在通過舉例說明，現在假設原始節點採集到了原始的溫度數據，然後將原始數據進行分片，假設分片後的數據有8個數據分片，分別是11℃，12℃，11℃，14℃，12℃，10℃，13℃，10℃.對模擬的網絡環境現在設定參數，如下所示
①整個網絡的丟包率約為5％。
②k是源節點與目標節點的共享密鑰，設定k＝5，由每次信息反饋樹反饋，約定共同的密鑰，一段時間內不會變更。
③b是每個分片數據與目標節點的共享密鑰，則b共有8個，設定bi分別是b1＝1，b2＝12，b3＝5，b4＝4，b5＝13，b6＝12，b7＝3，b8＝8，由每次信息反饋樹反饋，約定共同的密鑰，一段時間內不會變更。
④M是系統固定的參數，設M＝17，M一旦產生，就不會變動。
⑤rand是在源節點隨機產生1-20的任意正整數，在此次模擬中，rand共有8個，設定randi分別是rand1＝12，rand2＝3，rand3＝1，rand4＝11，rand5＝21，rand6＝12，rand7＝5，rand8＝9。
⑥p是系統的參數，並且p滿足條件的最大素數,且滿足公式(14)
由於所以p就應該是79。
由於分別是m1,m2,m3,m4,m5,m6,m7,m8分別是11,12,11,14,12,10,13,10加密後得到c1,c2,c3,c4,c5,c6,c7,c8分別是6692,1731,613,6157,1179,6698,2833，5965.那麼相對應的S』就是S』1,S』2,S』3,S』4,S』5,S』6,S』7,S』8,分別是4961,1118,-5544,4978,-5519,3865,-2232,-1627。
解密數據即可得到所有的解，解出m1,m2,m3,m4,m5,m6,m7,m8分別是11,12,11,14,12,10,13,10。而當目標節點沒有收到所有的解，但是根據得到的隱藏數據還原出整個矩陣，那麼就可以得到
當目標節點得到了完整的Matrix_Comp』矩陣之後，開始使用解密算法解密數據，由於能夠還原出整個矩陣，那麼必然會收到一個解，這樣就可以根據公式(16)解密數據，如果我們收到的是c2,那麼m2的數據就應該是
依次類推，就可以得到所有的解11,12,11,14,12,10,13,10，即採集到的原始溫度11℃，12℃，11℃，14℃，12℃，10℃，13℃，10℃。在此過程中，當我們收到一個加密後的ci之後，可以立即通過解密算法，得到mi，然後如果要得到其餘的解的話，也只需要對之後的解進行一次遍歷，所以時間複雜度仍然是線性的。
表1 隱私保護性
表1 隱私保護性