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针对无线传感网隐私保护协议的高能耗与传感网络资源受限的对立问题,基于可逆数字水印与同态加密技术,提出一种同时保证数据完整性与机密性的可恢复数据融合协议。一方面采用可逆数字水印技术中的差异扩展方法对传感器采集数据进行嵌入,在融合数据被破坏时可以通过可逆水印恢复原始数据,保证融合数据的完整性校验;另一方面采用基于椭圆曲线的同态加密对数据进行加密融合,防止在数据传输过程中传感器数据被感知。安全推理表明,所提协议可以很好地抵御簇头节点妥协和篡改攻击。性能分析表明,该协议比其他算法在计算与通信开销、传输时延方面具有显著优势。实验对比结果表明,该协议有更低的资源开销,可以提升网络性能。
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2018 年 3 月 Journal on Communications March 2018
2018046-1
第 39 卷第 3 期 通 信 学 报 Vol.39
No.3
基于可逆数字水印认证的无线传感网数据融合协议
蒋文贤
1
,张振兴
1
,吴晶晶
2,3
(1. 华侨大学计算机科学与技术学院,福建 厦门 361021;
2. 泉州师范学院数学与计算机科学学院,福建 泉州 362000;
3. 福建省大数据管理新技术与知识工程重点实验室,福建 泉州 362000)
摘 要:针对无线传感网隐私保护协议的高能耗与传感网络资源受限的对立问题,基于可逆数字水印与同态加密
技术,提出一种同时保证数据完整性与机密性的可恢复数据融合协议。一方面采用可逆数字水印技术中的差异扩
展方法对传感器采集数据进行嵌入,在融合数据被破坏时可以通过可逆水印恢复原始数据,保证融合数据的完整
性校验;另一方面采用基于椭圆曲线的同态加密对数据进行加密融合,防止在数据传输过程中传感器数据被感知。
安全推理表明,所提协议可以很好地抵御簇头节点妥协和篡改攻击。性能分析表明,该协议比其他算法在计算与
通信开销、传输时延方面具有显著优势。实验对比结果表明,该协议有更低的资源开销,可以提升网络性能。
关键词:可逆数字水印;同态加密;完整性校验;数据恢复
中图分类号:TP393
文献标识码:A
doi: 10.11959/j.issn.1000-436x.2018046
Reversible digital watermarking-based protocol for data
integrity in wireless sensor network
JIANG Wenxian
1
, ZHANG Zhenxing
1
, WU Jingjing
2,3
1. College of Computer Science & Technology, Huaqiao University, Xiamen 361021, China
2. College of Mathematics & Computer Science, Quanzhou Normal University, Quanzhou 362000, China
3. Fujian Provincial Key Laboratory of Data Intersive Computing, Quanzhou 362000, China
Abstract: For the contradiction between high energy consumption of WSN privacy protection algorithm and constrained
resources of sensor network, a recoverable data fusion protocol that ensures data integrity and confidentiality based on
reversible digital watermarking and homomorphic encryption technology was proposed. On the one hand, the data from
the sensor was embedded by the difference expansion method by using the reversible digital watermarking technique, and
original data could be recovered by using a reversible watermark to ensure the integrity check of the fusion data when the
fusion data were destroyed. On the other hand, elliptic curve homomorphic encryption encrypted data to prevent sensor
data from being perceived during data transmission. Security results show that the proposed protocol performs well
against cluster head node compromise as well as tampering from an attack. Performance analysis shows that the protocol
has significant advantages over other algorithms in terms of computation, communication overhead and propagation de-
lay. The experimental results show that the protocol has a low resource overhead and improves network performance.
Key
words: reversible digital watermarking, homomorphic encryption, integrity authentication, data recovery
收稿日期:2017-05-12;修回日期:2018-02-05
通信作者:蒋文贤,jwx@hqu.edu.cn
基金项目:福建省自然科学基金资助项目(No.2017J01776);福建省泉州市科技计划基金资助项目(No.2017Z006)
Foundation Items: The Natural Science Foundation of Fujian Province (No.2017J01776), The Science and Technology Plan Key
Project of Quanzhou City of Fujian Province (No.2017Z006)
第 3 期 蒋文贤等:基于可逆数字水印认证的无线传感网数据融合协议 ·119·
1 引言
无线传感器网络(WSN, wireless sensor net-
work)是一种以数据为中心的网络,基于传感器网
络的任何应用系统都离不开感知数据的管理和处理
技术。同时由于感知数据流巨大,每个传感器仅具
有有限的计算资源,难以处理巨大的实时数据流
[1]
,
所以需要 WSN 中的数据进行融合处理,节约传感
器节点资源,进而提高收集信息的效率,延长网络
寿命和节点的生命周期。军事或医学等领域的传输
数据都比较敏感,数据的丢失将造成个人与团体
的重大损失,需要应对各种的攻击手段如共谋攻
击、洪泛攻击、分布式拒绝服务(DDoS, distributed
denial of service)攻击等。目前隐私保护主要分
为机密性与完整性 2 个方面,机密性方面主要通
过加密的方式,而完整性方面一般使用摘要认证
码来实现。但由于隐私保护协议的高能量消耗与
WSN 资源受限的对立矛盾,已成为亟待解决的问
题
[2]
,分析如下。
1) 传统的逐跳加密融合机制会将明文数据暴
露给聚集节点,如果聚集节点被俘获控制将带来敏
感信息泄露的风险。基于此,椭圆曲线密码
[3]
(ECEG, elliptic curve eigamal)、可恢复原始数据的
融合协议
[4]
(RCDA, recoverable concealed data ag-
gregation)等基于同态加密的隐私方案被提出,这
些协议实现端到端的安全检查,保证数据在传输过
程中不被感知。但是由于使用的校验方法比较复杂
或缺少校验方案,导致资源开销比较大或不安全的
后果。
2) WSN 中主要使用消息认证码(MAC,
message authenticaion code)进行完整性校验,
即在数据流中附加认证信息,但 MAC 如安全散
列算法 SHA-1(SHA-1, secure hash algorithm-1)
需要 160 bit 长度,消息摘要(MD5, message digest 5)
算法需要 128 bit,这些计算 MAC 的同时也带
来了高额的数据传输与计算能耗的增加。文献
[5]通过引入 MAC 技术,提出一种能量有效的、
抗数据丢失的隐私保护聚合方案,有效抵御多
种外部攻击。文献[6]提出一种低能耗的非对称
簇内隐私保护数据融合方法,进一步降低网络
节点的计算量和通信量。文献[7]基于隐私同态
和聚合 MAC 技术提出一种同时保障数据隐私
性与完整性的可恢复数据聚合方案。由于需要
附加认证消息,所以仍存在验证完整性开销等较
大的问题。
近年来,数字水印技术具有安全性、隐蔽性、
顽健性等特点,将信息嵌入原始数据流中可节省
完整性验证部分的资源开销,因此,基于数字水
印的 WSN 认证方法得到较多的研究。文献[8]提
出了一种链式水印方法对数据流分组,通过嵌入
水印构建前后相连的散列链来实现完整性认证。
文献[9]提出了一种节点数据采样间隔的数字水
印算法,可以阻止克隆攻击。文献[10]提出了一
种基于零水印的方法,每个传感器节点对应一个
独特的水印并嵌入数据中,通过基站来验证数据
的完整性。基于传统数字水印的方法,虽然不增
加额外的传输数据量,但在数据流上嵌入水印需
要修改原始数据,这对于某些敏感的 WSN 应用
是不允许的,而可逆数字水印
[11]
可以避免在产生
额外数据的同时对数据进行完全恢复,满足某些
特殊应用对原始数据的需求文献[12]设计了一种
支持数据信任的可逆水印技术方案,解决物理信
息和社会计算中海量数据的版权保护和完整性问
题。文献[13]利用了 WSN 数据流相邻数据之间的
相关性,通过拓展当前数据与前导数据预测值之
间的误差嵌入水印,使汇聚节点在提取水印之后
能恢复原始数据。
本文方案将可逆数字水印技术引入无线传感
网数据的完整性验证中,提出了一种融合椭圆曲线
加密的同态加密算法与可逆数字水印技术的新方
法——基于可逆数字水印认证的无线传感网安全数
据融合协议(RDWPDI, reversible digital water-
marking based protocol for data integrity in wireless
sensor network)。通过计算量分析和实验数据对比,
在通信开销、传输时延等方面具有显著优势,能够
抵抗大多数攻击且其计算开销比同类协议更低,对
于资源受限的 WSN 的整体性能提高有很大帮助。
2 关键技术
2.1 可逆数字水印
可逆数字水印是用可逆的方法将数据嵌入一
个数字图像中,算法的操作流程与普通数字水印相
同,如图 1 所示。普通水印会对载体中存在的敏感
信息造成损害,因此,在接收端,原始数据的完全
恢复几乎是不可能的,而可逆数字水印则可以避免
这些问题。
2018046-2
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