專利名稱：在網(wǎng)絡(luò)中選擇聚集節(jié)點的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在網(wǎng)絡(luò)中選擇聚集節(jié)點(aggregatornode)的方法，其中， 所述網(wǎng)絡(luò)包括多個用于測量數(shù)據(jù)的傳感器節(jié)點，其中至少一個傳感器節(jié)點 起聚集節(jié)點的作用，用于聚集由至少傳感器節(jié)點的子集獲得的傳感數(shù)據(jù)， 所述網(wǎng)絡(luò)還包括至少一匯節(jié)點(sink node)，用于收集聚集節(jié)點所聚集的 數(shù)據(jù)。
背景技術(shù)：
上述方法是現(xiàn)有技術(shù)中公知的，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)環(huán)境下尤其 重要。WSN是自組織網(wǎng)絡(luò)，包括具有有限計算能力和能量容量(energy capacity)的小型傳感器。
傳感器網(wǎng)絡(luò)中的全部傳感器是以無線方式進行通信的傳感器節(jié)點，所 述傳感器節(jié)點通常包括探頭、處理單元、通信設(shè)備、和電池。傳感器節(jié) 點包括最小空間上的數(shù)據(jù)獲取、通信以及計算功能。由于傳感器節(jié)點能 力有限，所以它們通常不包括防篡改(tamperresistant)單元。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在生活的許多方面變得越來越普遍。為了提供使用傳 感器網(wǎng)絡(luò)的示例，此處會提到監(jiān)控機(monitoring and controlling machine)、 控制(體內(nèi)和體外)健康參數(shù)或環(huán)境監(jiān)測(如溫度、濕度和地震活動)。 盡管如此，傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用可能性的范圍是無窮無盡的。在特定領(lǐng)域， 如檢查水污染或氣象預(yù)報的領(lǐng)域中，極為有利的是，能夠以微小的尺寸實 現(xiàn)傳感器節(jié)點以及能夠?qū)鞲衅鞴?jié)點容易地固定和使用于難以訪問的區(qū) 域。
具體而言，將傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用可能性限制在特定環(huán)境下的關(guān)鍵參數(shù) 是單個傳感器節(jié)點的物理限定因素，如發(fā)送器的發(fā)送范圍(reach)、處 理器功率、電池容量、現(xiàn)有存儲空間等等。與傳感數(shù)據(jù)聚集在那里的匯節(jié) 點不同，單個傳感器節(jié)點在諸多方面物理受限，因此傳感器網(wǎng)絡(luò)的高能效(energy-efficient)組織尤為重要。在這種情況下，首先必須說明的是，迄 今為止向匯節(jié)點傳輸所有傳感數(shù)據(jù)會引起過多的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，因此通常首先 在網(wǎng)絡(luò)中在充當所謂聚集節(jié)點的特定傳感器節(jié)點處積累數(shù)據(jù)。由于在發(fā)送 期間設(shè)備(即傳感器節(jié)點)的能耗隨著發(fā)送數(shù)據(jù)量線性地增長，因此將全 部傳感數(shù)據(jù)發(fā)送至其最終目的地將導(dǎo)致過短的生存期。
一般而言，將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生存期分成時期(epoch),每個時期 具有特定的持續(xù)時間。通常對于一時期的持續(xù)時間選擇一聚集節(jié)點，在該 時期內(nèi)，該聚集節(jié)點從其他傳感器節(jié)點接收數(shù)據(jù)，對這些數(shù)據(jù)進行網(wǎng)內(nèi)處 理，并轉(zhuǎn)發(fā)結(jié)果數(shù)據(jù)。對于下一時期，選擇新的傳感器節(jié)點作為聚集節(jié)點。
聚集節(jié)點選擇機制的一主要目的是，平衡網(wǎng)絡(luò)中單個傳感器^ 點的剩 余能源。因此，在WSN中，針對下個時期，優(yōu)先選擇具有較多剩余能源 的傳感器節(jié)點。
另一方面，對于惡意行為，重要的是應(yīng)當考慮到在聚集選擇過程期間 傳感器節(jié)點有很多好的理由來進行欺騙。欺騙的動機可能有兩方面 一方 面，由于傳感器節(jié)點不希望浪費其剩余能量，因此傳感器節(jié)點可能有興趣 不成為聚集節(jié)點。另一方面，由于傳感器節(jié)點想要窺探盡可能多的數(shù)據(jù)， 因此傳感器節(jié)點可能有相反的興趣，§卩，有興趣成為聚集節(jié)點。
發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是對起初描述的那種類型的、在網(wǎng)絡(luò)中選擇聚集 節(jié)點的方法進行改進和進一步開發(fā)，使得從單個傳感器節(jié)點不能以任何方 向操控選擇過程的角度而言，聚集節(jié)點選擇過程是安全、可靠和公平的。
根據(jù)本發(fā)明，利用包含權(quán)利要求1的特征在內(nèi)的方法實現(xiàn)了前述目的。
根據(jù)該權(quán)利要求，這樣的方法的特征在于
在當前聚集節(jié)點與傳感器節(jié)點的子集的每個傳感器節(jié)點之間建立成 對密鑰，其中所述當前聚集節(jié)點從所述傳感器節(jié)點的子集獲取傳感數(shù)據(jù)；
在所述子集的每個傳感器節(jié)點處，選擇隨機數(shù)并且使用所建立的密鑰
對隨機數(shù)進行加密；
在所述子集的傳感器節(jié)點之間提供通信鏈，并對所述子集的所有傳感 器節(jié)點的、加密后的隨機數(shù)求和；以及根據(jù)預(yù)定義的計算方案，基于得到的總和，確定新聚集節(jié)點。
根據(jù)本發(fā)明，首先認識到的是，當以完全隨機化的方式實現(xiàn)整個選擇 過程時，無論欺騙性傳感器節(jié)點的具體動機是什么，均可以阻止任何操控。
此外，可以發(fā)現(xiàn)，在關(guān)于欺騙性傳感器節(jié)點的魯棒(robust)聚集節(jié)點選
擇過程中，傳感器節(jié)點向判決過程的輸入相當于任意其他參與其中的傳感 器節(jié)點的輸入。根據(jù)本發(fā)明，選擇過程不依賴于任何具體的選擇度量
(metric),攻擊者無法向判決過程輸入有用值以采用受控方式影響聚集節(jié) 點選擇。
在當前聚集節(jié)點與傳感器節(jié)點的子集的各傳感器節(jié)點之間的密鑰協(xié) 商方面(其中所述當前聚集節(jié)點從所述傳感器節(jié)點的子集獲取傳感器數(shù) 據(jù))，當前聚集節(jié)點可以以隱藏(conceal)的方式向該子集的所有傳感器 節(jié)點廣播多個數(shù)據(jù)對，每個數(shù)據(jù)對分別包含密鑰kj和標識符IDi。接著， 所述子集的每個傳感器節(jié)點可以從所述多個數(shù)據(jù)對中隨機選擇一個數(shù)據(jù) 對，并破解隱藏以獲取密鑰ki。這種本身以Merkle's Puzzle著稱的過程， 使得可以在聚集節(jié)點與每個傳感器節(jié)點之間建立成對密鑰，即，傳感器節(jié) 點不知道其他傳感器節(jié)點約定的密鑰。
對所廣播的數(shù)據(jù)對的隱藏是通過加密予以實現(xiàn)的。為了使傳感器節(jié)點 以較低計算量破解加密，優(yōu)選輕量級加密(lightweight encryption)。具體 而言，可以采用弱塊密碼(weak block cipher),如RC5。
由于發(fā)送數(shù)據(jù)是開銷極大的操作，因此在優(yōu)選方式下，根據(jù)給定安全 需求來指定由當前聚集節(jié)點廣播的數(shù)據(jù)對的數(shù)目。具體而言，如果預(yù)計攻 擊者能力較弱，那么同更強大更有潛力的攻擊者相比，發(fā)送較少的數(shù)據(jù)對 就足夠了。假設(shè)攻擊者與傳感器節(jié)點的性能比是可用的，那么可以精確測 量安全級別，并且可以準確地確定所需的廣播數(shù)據(jù)對的數(shù)量(以及所應(yīng)用 的加密的強度)。
作為密鑰協(xié)商環(huán)境下的最后一個步驟，可以提供的是各傳感器節(jié)點 廣播其選定數(shù)據(jù)對的標識符。所廣播的標識符可以作為約定，以便每個傳 感器節(jié)點能夠檢驗其他傳感器節(jié)點是否行為一致。
關(guān)于求和過程，可以定義通信鏈內(nèi)傳感器節(jié)點的特定順序。舉例而言，可以根據(jù)傳感器節(jié)點到當前聚集節(jié)點的距離來確定所述順序?？梢愿鶕?jù)預(yù) 先定義的協(xié)議來執(zhí)行該過程。可選地，可以動態(tài)地或根據(jù)傳感器節(jié)點的ID 確定該順序。根據(jù)另一候選方案，簡單地在當前聚集節(jié)點方面確定該順序， 盡管在當前聚集節(jié)點方面，該方法允許對選擇過程施加特定影響。
特別有利的是，用于根據(jù)密鑰ki對隨機數(shù)I"i進行加密的加密方案E關(guān)
于隨機數(shù)ri和密鑰ki都是同態(tài)的。該意味著
r) +五(A + r')=+ A;', r + r') 具體而言，可以采用由C. Castelluccia、 E. Mykletun、禾Q G. Tsudik在 "Efficient Aggregation of encrypted data in Wireless Sensor Networks"中提出
的同態(tài)加密方案。
為了使各傳感器節(jié)點能夠檢驗聚集節(jié)點選擇過程正在正確執(zhí)行并且
當前聚集節(jié)點和任何其他傳感器節(jié)點都未作出欺騙行為，當前聚集節(jié)點可 以在完成對加密后的隨機數(shù)的求和之后公開所有己建立的密鑰。在當前聚 集節(jié)點廣播已建立的密鑰時，每個傳感器能夠首先檢査其自身的已建立密 鑰是否存在于廣播密鑰之中。此外，可能需要聚集節(jié)點還公開哪個密鑰與 起初廣播的哪個隱藏對一致。這可以防止聚集節(jié)點與有惡意的節(jié)點相互協(xié) 作以在密鑰協(xié)商階段結(jié)束后引入新密鑰。其次，各傳感器節(jié)點可以對己建 立的密鑰求和，并將得到的總和用作密鑰以對加密后的隨機值的和進行解 密。由于所采用的加密方案的雙同態(tài)特性，該操作是可行的?；诮饷芙Y(jié) 果，可以確定新聚集節(jié)點。
關(guān)于對欺騙行為的進一步的防范，可以定義時間間隔At，從而給出在 當前聚集節(jié)點廣播數(shù)據(jù)對的時刻與廣播所建立的密鑰的時刻之間的最大 允許時間間隔。該特征考慮到，當前聚集節(jié)點只有在以下情況下才能以有
意義的方式行騙當前聚集節(jié)點知曉全部相關(guān)傳感器節(jié)點的隨機值的、最
終加密后的和。通過按上述方式預(yù)先配置At，就可以明確地限制剩余時間，
所述剩余時間用于當前聚集節(jié)點通過修改密鑰從而以有意義的方式行 騙。
為了避免在當前聚集節(jié)點與傳感器節(jié)點之一之間的任何合作，可以 使在至少一傳感器節(jié)點記錄了任何異常的情況下，中止并從幵始重新啟 動選擇過程。舉例而言，如果傳感器節(jié)點之一記錄當前聚集節(jié)點廣播除了實際的已建立的密鑰以外的任何信息，則可以中止并重新啟動選擇過 程。
存在多種以有利方式設(shè)計并進一步開發(fā)本發(fā)明教義的方式。為此，一 方面可以參考從屬于權(quán)利要求1的權(quán)利要求，另一方面可以參考以下對于 附圖所示的本發(fā)明實施例優(yōu)選示例的闡釋。下面，將結(jié)合借助附圖對本發(fā) 明實施例優(yōu)選示例的說明，闡釋本發(fā)明教義的一般的優(yōu)選實施例和迸一步 開發(fā)。
唯一的附圖是根據(jù)本發(fā)明的、在網(wǎng)絡(luò)中選擇聚集節(jié)點的方法的應(yīng)用場 景的實施例的示意圖。
具體實施例方式
更詳細地參考附圖，唯一的附圖示出了根據(jù)本發(fā)明的方法的應(yīng)用情 景。作為示意，該附圖示出了傳感器網(wǎng)絡(luò)1，傳感器網(wǎng)絡(luò)l具有多個傳感 器節(jié)點，利用S,至Sn按照這些傳感器節(jié)點的號碼來標記這些傳感器節(jié)點。 聚集節(jié)點At對傳感器節(jié)點S,至Sn感測到的傳感數(shù)據(jù)進行聚集。通常，在
匯節(jié)點2請求時，聚集節(jié)點At將所聚集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至匯節(jié)點2，所述匯節(jié) 點2與傳感器節(jié)點Si和聚集節(jié)點At不同，是具有足夠大的物理資源的特 定設(shè)備。為清楚起見，在附圖中僅示出了一個聚集節(jié)點At，并且在At和 匯節(jié)點2之間不存在中間節(jié)點。
傳感器網(wǎng)絡(luò)l被示為處于時期t的狀態(tài)，在時期t內(nèi)，標記為At的傳 感器節(jié)點充當聚集節(jié)點。在下一時期t+l的開始，協(xié)議開始隨機選擇傳感 器節(jié)點S,至&之一作為下一聚集節(jié)點At+1。原則上，聚集節(jié)點選擇過程
可以分為以下三個階段
第一階段是密鑰協(xié)商階段。該階段的目標是在當前聚集節(jié)點At與每個 傳感器節(jié)點Si之間建立成對密鑰。為此目的，聚集節(jié)點At應(yīng)用所謂Merkle's Puzzle來建立與傳感器節(jié)點S,、……、Sn中的每個傳感器節(jié)點的成對密鑰 kj。在該過程中，每個傳感器節(jié)點Si廣播與其密鑰ki相關(guān)聯(lián)的標識符IDi， 在需要的情況下以后標識符IDi可用作該密鑰的約定(commitment)。由于聚集節(jié)點選擇過程只持續(xù)一段明確規(guī)定的短時間間隔，因此僅僅需要在這
段時間保持Merkle's Puzzle所提供的安全性。在附圖中，以兩端帶有箭頭 的虛線表示密鑰協(xié)商。
在密鑰協(xié)商完成后，執(zhí)行聚集節(jié)點選擇過程的第二階段。該第二階段 的目標是安全地計算傳感器對選擇過程的貢獻之和。因此，安全指在完成 求和計算前，沒有節(jié)點看到任何其他節(jié)點的貢獻，從而防止任何欺騙者以 受控方式影響結(jié)果。
每個傳感器節(jié)點Si選擇其對于選擇過程的隨機貢獻ri，并利用E和ki 對其進行加密。E(k， r)表示利用加密方案E根據(jù)密鑰k對r進行加密，所 述加密方案E關(guān)于k和r是同態(tài)的(homomorphic)。這意味著
雄,r) +塒'+ OA', r + O
每個傳感器節(jié)點Si將結(jié)果與來自其他傳感器節(jié)點Sj的、加密后的隨機 貢獻相結(jié)合。更精確地說，提供節(jié)點間的通信鏈，即，S,向S2報告，s2
向S3報告等等。具體而言，當Si接收到
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時，計算
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起始于Sp其中SUM^E(ld,n)。接著Si向Si+1轉(zhuǎn)發(fā)SUMi。當全部 n個節(jié)點向加密后的貢獻之和作出貢獻后，過程結(jié)束。
沒有傳感器節(jié)點Si能夠以有意義的方式進行欺騙，這是因為要獲知 其他傳感器節(jié)點Si的貢獻需要知道其他傳感器節(jié)點Sj的密鑰，而傳感器節(jié) 點在不知道其他傳感器節(jié)點Si的貢獻的情況下無法預(yù)見其自身隨機值i"i 對最終結(jié)果R-r, +…+rn的影響。
聚集節(jié)點選擇過程終結(jié)于第三階段。在該階段中，實際聚集節(jié)點At 向所有傳感器節(jié)點Si廣播實際密鑰。每個Si通過計算k = k, + ... +1^和解 密
對SUMn進行解密。
將滿足i = Rmodn的傳感器節(jié)點S,確定為新聚集節(jié)點At+1。 受益于前述說明和相關(guān)附圖的教導(dǎo)的本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員將能夠想到此處記載的發(fā)明的多種變型和其他實施例。因此，應(yīng)當理解 的是，本發(fā)明不限于所公開的特定實施例，各種變型和其他實施例意在包 含于所附權(quán)利要求的范圍以內(nèi)。雖然此處采用了特定的術(shù)語，但它們僅僅 是以通用的和說明性的意義來使用的，而不是用于限制的目的。
權(quán)利要求
1. 一種在網(wǎng)絡(luò)中選擇聚集節(jié)點的方法，其中，所述網(wǎng)絡(luò)(1)包括用于測量數(shù)據(jù)的多個傳感器節(jié)點(Si)，其中所述傳感器節(jié)點(Si)中至少有一個傳感器節(jié)點充當聚集節(jié)點(A)，以聚集由至少所述傳感器節(jié)點(Si)的子集獲得的傳感數(shù)據(jù)，所述網(wǎng)絡(luò)還包括至少一個匯節(jié)點(2)，用于收集聚集節(jié)點(A)所聚集的數(shù)據(jù)，所述方法包括在當前聚集節(jié)點(At)與傳感器節(jié)點的子集的每個傳感器節(jié)點(Si)之間建立成對密鑰(ki)，其中所述當前聚集節(jié)點(At)從所述傳感器節(jié)點的子集獲取傳感數(shù)據(jù)；在所述子集的每個傳感器節(jié)點(Si)處，選擇隨機數(shù)(ri)并且使用所建立的密鑰(ki)對所述隨機數(shù)(ri)進行加密；在所述子集的傳感器節(jié)點(Si)間提供通信鏈，并對所述子集的所有傳感器節(jié)點(Si)的加密后的隨機數(shù)(ri)求和；以及根據(jù)預(yù)定義的計算方案，基于得到的總和，確定新聚集節(jié)點(At+1)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，在密鑰協(xié)商的環(huán)境下，所述 當前聚集節(jié)點(At)以隱藏的方式向所述子集的所有傳感器節(jié)點(SO廣播多 個數(shù)據(jù)對，每個數(shù)據(jù)對分別包含密鑰(ki)和標識符(IDj)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，所述子集的每個傳感器節(jié)點(Si) 從所述多個數(shù)據(jù)對中隨機選擇一個數(shù)據(jù)對，并破解隱藏以獲取密鑰(ki)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的方法，其中，通過優(yōu)選的輕量級加密來實現(xiàn)對所廣播的數(shù)據(jù)對的隱藏。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，以弱塊密碼或使用短密鑰來加密所廣播的數(shù)據(jù)對。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2至5中任一項所述的方法，其中，根據(jù)給定的安 全需求來指定當前聚集節(jié)點(At)所廣播的數(shù)據(jù)對的數(shù)目。
7. 根據(jù)權(quán)利要求2至6中任一項所述的方法，其中，每個傳感器節(jié) 點(Si)廣播其選定數(shù)據(jù)對的標識符(IDi)，作為約定。
8. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中，根據(jù)明確定義的 規(guī)則來確定通信鏈中傳感器節(jié)點(Si)的順序。
9. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中，用于根據(jù)密鑰(k,) 對隨機數(shù)(rj)進行加密的加密方案E關(guān)于隨機數(shù)(ri)和密鑰(ki)都是同態(tài)的。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中，在完成對加密后的隨機數(shù)(i"i) 的求和之后，當前聚集節(jié)點(At)向所述子集的所有傳感器節(jié)點(Sj)廣播所建 立的密鑰(ki)。
11. 根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的方法，其中，所述子集的每個傳感器 節(jié)點(Si)對所建立的密鑰(ki)求和，并應(yīng)用得到的總和(k)對加密后的隨機值 (rO的總和進行解密。
12. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中，將所述子集中滿 足i二R/77^/n的傳感器節(jié)點(Si)確定為新聚集節(jié)點(At+,)，其中R表示隨機 值(rO的總和。
13. 根據(jù)權(quán)利要求IO至12中任一項所述的方法，其中，將最大允許 時間At限定在廣播數(shù)據(jù)對的時刻與廣播所建立的密鑰(ki)的時刻之間。
14. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中，如果至少一傳感器節(jié)點(so記錄了任何異常，所述選擇過程就中止并從開始重新啟動。
全文摘要
一種在網(wǎng)絡(luò)中選擇聚集節(jié)點的方法，其中，所述網(wǎng)絡(luò)(1)包括用于測量數(shù)據(jù)的多個傳感器節(jié)點(S<sub>i</sub>)，其中所述傳感器節(jié)點(S<sub>i</sub>)中至少有一個傳感器節(jié)點充當聚集節(jié)點(A)，以聚集由至少所述傳感器節(jié)點(S<sub>j</sub>)的子集獲得的傳感數(shù)據(jù)，所述網(wǎng)絡(luò)還包括至少一個匯節(jié)點(2)，用于收集聚集節(jié)點(A)所聚集的數(shù)據(jù)，所述方法包括在當前聚集節(jié)點(A<sub>t</sub>)和與傳感器節(jié)點的子集的每個傳感器節(jié)點(S<sub>i</sub>)之間建立成對密鑰(k<sub>i</sub>)，其中所述當前聚集節(jié)點(A<sub>t</sub>)從所述傳感器節(jié)點的子集獲取傳感數(shù)據(jù)；在所述子集的各傳感器節(jié)點(S<sub>i</sub>)處，選擇隨機數(shù)(r<sub>i</sub>)并且使用所建立的密鑰(k<sub>i</sub>)對所述隨機數(shù)(r<sub>i</sub>)進行加密；在所述子集的傳感器節(jié)點(S，)之間提供通信鏈，并對所述子集的所有傳感器節(jié)點(S<sub>i</sub>)的、加密后的隨機數(shù)(r<sub>i</sub>)求和；以及根據(jù)預(yù)定義的計算方案，基于得到的總和，確定新聚集節(jié)點(A<sub>t+1</sub>)。
文檔編號H04L29/08GK101513007SQ200680055793
公開日2009年8月19日 申請日期2006年10月6日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月6日
發(fā)明者弗雷德里克·阿姆內(nèi)切, 德克·韋斯特霍夫 申請人:Nec歐洲有限公司