兩層無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中安全Skyline查詢協(xié)議

宋 玲，武佩寧

（廣西大學(xué) 計算機(jī)與電子信息學(xué)院，廣西 南寧530004）

0 引 言

目前針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的Skyline查詢研究并不多，具有安全保護(hù)措施的Skyline查詢協(xié)議幾乎無人涉及。針對Skyline的安全問題，本文基于兩層無線傳感器網(wǎng)絡(luò)提出了有安全性保證的Skyline查詢協(xié)議：SSLine。該協(xié)議使用ZO 編碼技術(shù)［1，2］來保證數(shù)據(jù)隱私性，并通過普通節(jié)點到Sink節(jié)點的端到端數(shù)據(jù)加密方法保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?，采用閾值預(yù)篩選技術(shù)減少通信量。SSLine可以保證Skyline查詢數(shù)據(jù)不泄露，保證網(wǎng)絡(luò)通信的安全；同時其相對無安全保證的Skyline查詢沒有過多的能耗增加。

1 相關(guān)工作

文獻(xiàn) ［3］提出了目前在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用最廣的Skyline查詢協(xié)議：SkySensor。將Skyline查詢引入無線傳感器網(wǎng)絡(luò)后，SkySensor是一個能量有效且具有代表性的傳感器網(wǎng)絡(luò)Skyline查詢協(xié)議。文獻(xiàn) ［4］提出一種安全范圍查詢協(xié)議ZOSR，首次將Z－O 編碼技術(shù)應(yīng)用到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全中。文獻(xiàn) ［3，5，6］研究了Skyline查詢在兩層無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的布置和應(yīng)用。

Skyline查詢分為近似Skyline 查詢和連續(xù)Skyline 查詢。近似Skyline查詢是為了減少能耗以適應(yīng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)資源受限的特點，在盡可能低能耗的情況下滿足Skyline查詢的基本要求，由網(wǎng)絡(luò)中部分節(jié)點傳回的數(shù)據(jù)得出一個近似結(jié)果集。而連續(xù)Skyline查詢結(jié)果更加精確，本文研究的就是針對連續(xù)Skyline查詢。

2 網(wǎng)絡(luò)模型

本文提出的SSLine基于兩層傳感器網(wǎng)絡(luò)模型［7］，如圖1所示。

圖1 兩層無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型

對于Skyline查詢，兩層傳感器網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢［8，9］：

（1）增長網(wǎng)絡(luò)壽命。顯著降低普通節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)量和計算能耗，明顯提高普通節(jié)點網(wǎng)絡(luò)壽命。

（2）更加適合安全查詢。查詢計算操作集中在存儲節(jié)點，即分擔(dān)普通節(jié)點壓力，又分散了安全壓力，只需要做好存儲節(jié)點的保護(hù)工作即可完成網(wǎng)絡(luò)的安全保護(hù)。

（3）網(wǎng)絡(luò)可維護(hù)性強。網(wǎng)絡(luò)能耗主要集中在存儲節(jié)點，管理維護(hù)工作也就集中在這一層，只需定期更換存儲節(jié)點即可完成網(wǎng)絡(luò)維護(hù)。

（4）機(jī)動性強。如果網(wǎng)絡(luò)不堪重負(fù)或有空余，可增加節(jié)點或撤掉存儲節(jié)點，很容易布置或撤換。

（5）網(wǎng)絡(luò)控制力加強。通過分層結(jié)構(gòu)，使得Sink對整個網(wǎng)絡(luò)的控制能力加強，問題節(jié)點更容易查找。

3 安全Skyline查詢協(xié)議

3.1 關(guān)鍵技術(shù)

3.1.1 閾值預(yù)篩選技術(shù)

假設(shè)網(wǎng)絡(luò)收集數(shù)據(jù)為二維的，閾值為Sink節(jié)點根據(jù)上個周期t的Skyline結(jié)果數(shù)據(jù)集每個維度求平均值得到的。一個存儲節(jié)點接收數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 利用閾值Gt 為數(shù)據(jù)分區(qū)

以閾值Gt為界，可以將數(shù)據(jù)分為4個區(qū)域。

C區(qū)為閾值控制區(qū)，即該區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)全部被閾值支配，即該區(qū)內(nèi)所有節(jié)點xc＞x0，yc＞y0。其中c為C區(qū)中各數(shù)據(jù)編號。

A 區(qū)為閾值被控制區(qū)，即該區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)全部都可以支配閾值，即該區(qū)內(nèi)所有節(jié)點xa＜x0，ya＜y0。其中a為A 區(qū)中各數(shù)據(jù)編號，該區(qū)數(shù)據(jù)集一般表示為DA。

B1區(qū)和B2區(qū)為閾值半控制區(qū)，這兩個區(qū)域內(nèi)數(shù)據(jù)和閾值互不支配，B1區(qū)數(shù)據(jù)不支配閾值但在第一個維度上優(yōu)于閾值，B2區(qū)數(shù)據(jù)第一個維度不如閾值但在第二個維度上優(yōu)于閾值。這兩個區(qū)域數(shù)據(jù)集一般表示為DB1和DB2。

在Skyline查詢中，存儲節(jié)點的操作即為利用閾值Gt篩選一遍原始感知數(shù)據(jù)。①如原始感知數(shù)據(jù)屬于C 區(qū)，即數(shù)據(jù)被閾值Gt支配，則不在考慮該數(shù)據(jù)；②如原始感知數(shù)據(jù)屬于A 區(qū)，即數(shù)據(jù)可以支配閾值Gt，則將該數(shù)據(jù)加入到集合DA 中；③如感知數(shù)據(jù)在第一維上優(yōu)于閾值Gt但并不支配閾值Gt，則將該數(shù)據(jù)加入到DB1；④如感知數(shù)據(jù)在第一維上不如閾值Gt但在第二個維度上優(yōu)于閾值Gt，則將該數(shù)據(jù)加入到DB2。

篩選完數(shù)據(jù)后如果DA≠，那么將DA∪DB1∪DB2作為Skyline查詢結(jié)果超集發(fā)送給Sink。如果DA＝，那么發(fā)送作為查詢結(jié)果給Sink。

以上為二維數(shù)據(jù)的例子，現(xiàn)將閾值預(yù)篩選技術(shù)擴(kuò)展到一般情況，即對于n維感知數(shù)據(jù)的兩層傳感器網(wǎng)絡(luò)，閾值預(yù)篩選技術(shù)如何應(yīng)用到Skyline中。

（1）普通節(jié)點收集感知數(shù)據(jù)上傳到存儲節(jié)點。

（2）Sink發(fā)送Skyline命令到存儲節(jié)點，并附帶查詢的閾值Gt，閾值Gt各個維度的值為該存儲節(jié)點上個周期即t－1周期查詢結(jié)果數(shù)據(jù)集的各個維度平均值。

（3）對于存儲節(jié)點來說，利用閾值Gt篩選一遍原始感知數(shù)據(jù)。①如原始感知數(shù)據(jù)屬于C區(qū)，即閾值Gt從n個維度上都優(yōu)于該數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)被閾值Gt支配，則不在考慮該數(shù)據(jù)；②如原始感知數(shù)據(jù)屬于A 區(qū)，即數(shù)據(jù)可以支配閾值Gt，則將該數(shù)據(jù)加入到集合DA 中；③如感知數(shù)據(jù)在第一維上優(yōu)于閾值Gt但并不支配閾值Gt，則將該數(shù)據(jù)加入到DB1；④如感知數(shù)據(jù)在第一維上不如閾值Gt但在第二個維度上優(yōu)于閾值Gt，則將該數(shù)據(jù)加入到DB2；…⑤如感知數(shù)據(jù)在第一維到第i維都不如閾值Gt但在第i＋1個維度上優(yōu)于閾值Gt，則將該數(shù)據(jù)加入到DBi。其中1≤t≤n；…⑥如感知數(shù)據(jù)在第一維到第n－1維都不如閾值Gt但在第n維度上優(yōu)于閾值Gt，則將該數(shù)據(jù)加入到DBn。

篩選完數(shù)據(jù)后如果DA≠，那么將DA∪DB1∪…∪DBn作為Skyline查詢結(jié)果超集發(fā)送給Sink，Skyline剩余操作在Sink上完成。如果DA＝，那么發(fā)送作為查詢結(jié)果給Sink。

定理 如果DA≠，那么DA∪DB1∪…∪DBn就是Skyline查詢結(jié)果的超集，即Skyline 查詢結(jié)果數(shù)據(jù)集（DA∪DB1∪…∪DBn）。其中n為網(wǎng)絡(luò)感知數(shù)據(jù)維度。

證明：由Skyline查詢的定義得知，Skyline查詢結(jié)果數(shù)據(jù)集中元素不被n 維空間中其它任一數(shù)據(jù)支配，又知DA≠，由此推出，Skyline查詢結(jié)果數(shù)據(jù)集中元素不會被DA 中任意數(shù)據(jù)支配。而DA 中數(shù)據(jù)都可以支配閾值Gt，即Skyline查詢結(jié)果數(shù)據(jù)集中任意元素都不會被閾值Gt支配，（DA∪DB1∪…∪DBn）即為所有不被閾值Gt支配的數(shù)據(jù)集，所以最終得出：Skyline查詢結(jié)果數(shù)據(jù)集 （DA∪DB1∪…∪DBn）。

證畢。

3.1.2 Z－O 編碼技術(shù)

定義1 Z－O 編碼：將數(shù)值x二進(jìn)制化，即x＝ （xnxn－1…x1）2，其中xi∈ ｛0，1｝且1≤i≤n。對x的Z編碼公式和O 編碼公式如下：

定義2 Z－O 編碼技術(shù)：就是將比較數(shù)據(jù)大小的問題轉(zhuǎn)化為比較數(shù)據(jù)Z－O 編碼是否有交集。

現(xiàn)舉例說明Z－O 編碼技術(shù)，例如判斷x 和y的大小，x＝10，y＝14。二 進(jìn) 制 表 示 分 別 為x＝ （1010）2，y＝（1110）2。則Ox＝ ｛1，101｝，Zy＝ ｛1111｝，即Z編碼和O編碼無交集，所以x＜y。

3.2 SSLine過程

在SSLine中，用3個函數(shù)來應(yīng)用基于Z－O 編碼的閾值預(yù)篩選技術(shù)。3個函數(shù)分別是Ξ，Θ，Γ。其中普通節(jié)點用Ξ生成數(shù)據(jù)Z－O 編碼值，Sink用Θ 生成閾值Z－O 編碼值，存儲節(jié)點用Γ完成查詢操作，生成查詢結(jié)果。

N為Z－O編碼數(shù)值化函數(shù)，對于Ox＝｛1，1001｝，Zy＝｛1，0111｝，其N（Ox）＝｛11，11001｝＝｛3，25｝，N（Zy）＝｛11，10111｝＝ ｛3，23｝。其 中3 相 同，則 說 明N（Ox）＝N（Zy），即Z編碼和O 編碼有交集，x≥y。

假設(shè)最終結(jié)果N（Ox），N（Zy）無相同項，即N（Ox）≠N（Zy），即Z編碼和O編碼沒有有交集，x＜y。

HMAC （Hash－based message authentication code）為哈希消息摘要生成函數(shù)，一般采用HMAC－MD5 或者HMAC－SHA1算法，生成固定長度的消息摘要。

對于HMAC 來說，具有單向性，只有HMACg（N（Ox））＝HMACg（N（Zy））時，N（Ox）＝N（Zy）；HMACg（N（Ox）≠ （HMACg（N（Zy））時，N（Ox）≠N（Zy）。并且通過HMACg（N（Ox））和HMACg（N（Zy））是無法推出N（Ox）和N（Zy）的具體值的。其中g(shù)為密鑰。

対于兩層傳感器網(wǎng)絡(luò)多維數(shù)據(jù)查詢，SSLine實現(xiàn)過程如下偽代碼所示。其中Sink為匯聚節(jié)點，Storage Node為存儲節(jié)點，si為普通節(jié)點，存儲節(jié)點下層共有 ［IDmin，IDmax］個普通節(jié)點。

算法：SSLine 算法輸入：時間周期t，Skyline查詢，普通節(jié)點si 收集感知數(shù)據(jù)Di＝ （d1，d2，…，dn），（i為傳感器ID，n為感知數(shù)據(jù)維度）輸出：Skyline查詢結(jié)果Sink→Storage Node：t，Θ（G1），…，Θ（Gn）si→Storage Node：i，t，Ξ（d1），…，Ξ（dn），Dik Storage Node：for i＝IDmin to IDmax do if（Γ（i，Ξ（d1），Θ（G1））＝1） for j＝2to n do if（Γ（i，Ξ（dj），Θ（Gj））＝0） DBj （dbj）＝Dik dbj＋＋ next i endif next j else for j＝2to n do if（Γ（i，Ξ（dj），Θ（Gj））＝1） DB1（db1）＝Dik db1＋＋ next i endif next j endif DA（da）＝Dik da＋＋ next i Storage Node→Sink：if（DA≠） DA∪DB1∪…∪DBn，Ξ （DA∪DB1∪…∪DBn） else

具體查詢步驟如下：

（1）當(dāng)Sink要進(jìn)行Skyline查詢時，會先用另一個函數(shù)Θ 對閾值進(jìn)行處理，最終會發(fā)送Θ（G1），…，Θ（Gn）到存儲節(jié)點。

（2）普通節(jié)點si收集到n 維數(shù)據(jù)Di＝ （d1，…，dn）后，應(yīng)用第一個哈希函數(shù)Ξ 加密得到n個定長消息編碼Ξ（d1），…，Ξ（dn），再用和Sink共享的密鑰ki，t加密Di得到Dik和Ξ（d1），…，Ξ（dn），并發(fā)送給存儲節(jié)點。

（3）存儲節(jié)點處理查詢時用到第三個函數(shù)Γ，當(dāng)Γ（i，Ξ（dj），Θ（Gj））＝1為真時 （其中1≤j≤n），說明dj≥Gj；為假時說明dj＜Gj。由此判斷數(shù)據(jù)Di屬于Skyline查詢哪個數(shù)據(jù)區(qū)域，位于A 區(qū)放入數(shù)據(jù)集DA 中，位于Bi區(qū)放入數(shù)據(jù)集DBi中 （n≥i≥1），位于C 區(qū)應(yīng)當(dāng)舍棄。當(dāng)把所有數(shù)據(jù)做完后，如果DA 非空，則求DA∪DB1∪…∪DBn得到最終的查詢結(jié)果；DA 為空，作為查詢結(jié)果。

（4）將結(jié)果傳給Sink，Sink完成后續(xù)計算。

至此SSLine結(jié)束。

4 性能分析

4.1 安全性分析

存儲節(jié)點對數(shù)據(jù)進(jìn)行一遍篩選過程中完全沒有接觸具體數(shù)據(jù)，基本運算都是針對哈希編碼進(jìn)行的，而哈希編碼具有單向性，攻擊者即便俘獲存儲節(jié)點，也不可能推出原始數(shù)據(jù)值。而具體數(shù)據(jù)是采用端到端加密，即普通節(jié)點和Sink共享密鑰加密數(shù)據(jù)，也保證了存儲節(jié)點只是負(fù)責(zé)分類轉(zhuǎn)發(fā)，即便獲取了數(shù)據(jù)也無法解密。而最終上傳結(jié)果仍包含哈希編碼，使得Sink 可以在接收到數(shù)據(jù)后進(jìn)行抽查驗證，看看是否所有上傳數(shù)據(jù)都是正確無誤的。

在數(shù)據(jù)隱私性保護(hù)方面，SSLine通過基于Z－O 編碼的閾值預(yù)篩選技術(shù)最大限度保證了數(shù)據(jù)的安全；但是在查詢結(jié)果完整性上，SSLine并沒有采取保護(hù)措施，主要是基于能耗的考慮，加入了數(shù)據(jù)隱私保護(hù)的SSLine的能耗會高于普通Skyline。

4.2 能耗分析

對于能耗增加方面，從計算和通信兩方面都有所增加。計算方面，數(shù)據(jù)加密、Z－O 編碼和哈希編碼等一系列安全計算操作都會增加計算復(fù)雜度；通信方面，因為在發(fā)送數(shù)據(jù)同時要附帶哈希編碼消息摘要，所以通信量也會增加。

在降低能耗降低方面，通過網(wǎng)絡(luò)分層和閾值選取從策略上降低能耗。通過網(wǎng)絡(luò)分層，將大部分通信和計算能耗轉(zhuǎn)移到存儲節(jié)點，降低普通節(jié)點壓力；閾值選取方面，通過閾值篩選使結(jié)果集盡可能小也能有效降低通信量，降低能耗。

4.3 仿真實驗

以SkySensor為比較對象來進(jìn)行仿真實驗。重點比較安全的SSLine相比沒有安全保護(hù)機(jī)制的SkySensor的能耗。

使用多維數(shù)據(jù)集在MATLAB 平臺上對SSLine 和SkySensor進(jìn)行仿真，在長寬均為400 m 的區(qū)域有200－500個普通節(jié)點隨機(jī)分布，4 個存儲節(jié)點較均勻分布，居中一個為Sink節(jié)點。仿真實驗中，忽略計算量，主要考慮通信量，實驗仿真僅考慮獨立數(shù)據(jù)分布，暫不考慮相關(guān)數(shù)據(jù)分布和反相關(guān)數(shù)據(jù)分布。全部實驗均進(jìn)行1000 個時間周期，即1000輪Skyline查詢。能耗值是指具體固定周期內(nèi)節(jié)點平均能耗。

（1）第一組實驗仿真針對不同維度數(shù)據(jù) （2到5維）的SSLine和SkySensor的能耗表現(xiàn)。實驗區(qū)域內(nèi)固定有300個普通節(jié)點隨機(jī)分布，4個存儲節(jié)點較均勻分布。

根據(jù)SSLine和SkySensor對于不同維度數(shù)據(jù)查詢時的能耗表現(xiàn)，得出圖3。

圖3 不同維度時的能耗表現(xiàn)

通過圖3 得出，隨著數(shù)據(jù)維度的增加，SSLine 和SkySensor的能耗都顯著增加。但相比而言，二維數(shù)據(jù)情況下，SSLine是SkySensor能耗的1.4倍；三維數(shù)據(jù)情況下，SSLine是SkySensor 能耗的1.07 倍；四維數(shù)據(jù)情況下，SSLine是SkySensor 能耗的1.18 倍；五維數(shù)據(jù)情況下，SSLine是SkySensor能耗的1.33倍；平均來說，SSLine相比SkySensor能耗增加了0.29倍，但是隨著感知數(shù)據(jù)維數(shù)的增加，SSLine能耗越來越大，表明SSLine對高維數(shù)據(jù)查詢表現(xiàn)不理想，仍有改進(jìn)空間。但在較低維度數(shù)據(jù)查詢時，即二三四維度Skyline查詢可以應(yīng)用SSLine。

SSLine和SkySensor對于不同維度數(shù)據(jù)查詢時各類節(jié)點能耗表現(xiàn)的實驗數(shù)據(jù)如表1和圖4所示。

表1 不同維度數(shù)據(jù)查詢仿真結(jié)果

圖4 不同維度時各類節(jié)點能耗表現(xiàn)

對比了SSLine和SkySensor對不同維度Skyline查詢整體表現(xiàn)后，再看不同維度時SSLine和SkySensor各類節(jié)點平均能耗，由表1、圖4可知，雖然SSLine整體來說能耗比SkySensor要大，但SSLine的能耗很大一部分由資源豐富的存儲節(jié)點承擔(dān)，SSLine的普通節(jié)點的能耗甚至要優(yōu)于SkySensor的節(jié)點能耗，這就是SSLine的一大優(yōu)勢，充分保障了普通節(jié)點的使用壽命。

（2）第二組實驗仿真比較不同網(wǎng)絡(luò)規(guī)模 （相同區(qū)域內(nèi)放置200～500個普通節(jié)點）的SSLine和SkySensor的能耗表現(xiàn)。實驗數(shù)據(jù)為二維數(shù)據(jù)。

根據(jù)SSLine和SkySensor對于不同網(wǎng)絡(luò)規(guī)模數(shù)據(jù)查詢時的能耗表現(xiàn)如圖5所示。

圖5 不同網(wǎng)絡(luò)規(guī)模下的能耗表現(xiàn)

通過圖5得出，針對不同規(guī)模的傳感器網(wǎng)絡(luò)，SkySensor的能耗變化增長緩慢，基本保持平穩(wěn)。而SSLine針對規(guī)模不斷擴(kuò)大的網(wǎng)絡(luò)，其能耗增加較快，但仍屬于線性增加。相比來說，SSLine相比SkySensor能耗較大，相差在1.5倍到2倍之間。

根據(jù)SSLine和SkySensor對于不同網(wǎng)絡(luò)規(guī)模數(shù)據(jù)查詢時各類節(jié)點的能耗表現(xiàn)如表2和圖6所示。

表2 不同網(wǎng)絡(luò)規(guī)模下仿真結(jié)果

對比了SSLine和SkySensor對不同規(guī)模Skyline查詢整體表現(xiàn)后，再看不同網(wǎng)絡(luò)規(guī)模下SSLine和SkySensor各類節(jié)點平均能耗表現(xiàn)。由表2、圖6 可知，SSLine的存儲節(jié)點承擔(dān)了絕大部分能耗，其能耗是普通節(jié)點能耗的數(shù)十倍甚至上百倍。在相同網(wǎng)絡(luò)規(guī)模下SSLine的普通節(jié)點的能耗要稍優(yōu)于SkySensor的節(jié)點能耗，這再次佐證了SSLine的普通節(jié)點的能耗水平很低。

圖6 不同網(wǎng)絡(luò)規(guī)模下各類節(jié)點能耗表現(xiàn)

綜上實驗，SSLine整體能耗要比SkySensor的能耗大，但是SSLine的能耗基本都集中在存儲節(jié)點身上，其普通節(jié)點能耗水平甚至優(yōu)于SkySensor，表明了SSLine不僅保證了查詢的安全，同時在網(wǎng)絡(luò)能耗控制和網(wǎng)絡(luò)壽命上也有一定優(yōu)越性。

5 結(jié)束語

本文提出的SSLine協(xié)議的數(shù)據(jù)隱私性保護(hù)通過基于Z－O編碼的閾值預(yù)篩選技術(shù)來實現(xiàn)，并通過網(wǎng)絡(luò)分層，使其具有安全性和盡可能少的能耗增加。分析和實驗仿真結(jié)果表明，SSLine具有良好的安全性，在能耗方面也表現(xiàn)突出，普通節(jié)點相比沒有安全措施的Skyline查詢協(xié)議SkySensor幾乎沒有能耗增長。

雖然SSLine相比現(xiàn)有協(xié)議安全性能更好，但是存儲節(jié)點的能耗仍然偏高，需進(jìn)一步尋找安全策略或通信方式減少其能耗；另外，由于沒有考慮完整性驗證，其安全性能有限，也需要做進(jìn)一步研究。

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