一个低能耗和保护隐私的数据聚合方法技术

本发明专利技术公开了一种低能耗和保护隐私的数据聚合方法，用于无线传感器网络中节点负载不均衡和高能耗的问题，其中方法包括：将网络组织成类似二叉树结构，树的非叶子节点为单个传感器，叶子节点是由多个传感器串联而成的一条链，且只对链尾的节点进行切片加密。本发明专利技术对无线传感器网络拓扑结构做出了一定的改进，缩短了父节点和子节点之间的距离，降低了节点的能耗，均衡了节点的负载，解决了网络中部分节点过早失效的问题，减少数据传输过程中碰撞导致的数据丢失，延长了网络的生存时间，提高了聚合结果的精确度。聚合结果的精确度。聚合结果的精确度。

【技术实现步骤摘要】
一个低能耗和保护隐私的数据聚合方法


[0001]本专利技术属于无线传感器网络路由安全领域，特别是一个低能耗和保护隐私的数据聚合方法

技术介绍

[0002]随着物联网的快速发展，无线传感器网络在军事、环境监测、医疗、工业生产、交通控制等领域的应用越来越广泛。然而，由于节点的计算能力、存储容量、能量等有限，而每个节点的能量又和网络的生存时间息息相关。为了延长网路的生命周期，这就要求传感器节点尽可能的节能。此外，在设计协议时，必须考虑个别节点失效的情况，在最小化能耗的前提下实现容错机制。所以协议应该能够对数据进行网内过滤和处理以降低能耗。数据聚合技术是减少网络传输量，降低能耗，提高安全性的重要技术手段，被广泛的应用于无线传感器网络中。其思想是将不同传感器节点的数据进行合并，消除冗余，减少传输次数，从而节约能源。
[0003]早期，He等人在TAG算法的基础上提出了SMART算法，该算法采用了分片混合聚合(slice
‑
mix
‑
aggregate)的思想，每一个节点都将数据分成J片，其中J
‑
1片发送给邻居节点，1片留给自己。对叶子节点的数据采用加密的手段保护数据隐私，对非叶子节点的数据不提供保护。此算法在一定程度上保护了数据隐私，但是切片分发带来的大量消息交换缩短了网络的寿命。在此基础上，Li等人提出了ESMART算法，该算法基于了切片混合技术，且只对叶子节点采用数据切片技术，切片数量在设定的范围内随机。Wang等人提出了PECDA算法，同样的，只对叶子节点采用数据切片技术，并通过安全通道发送数据给邻居节点，特别的，PECDA可以进行连续的数据聚合，且具备可扩展性，在一定程度上改善了节点的能耗，提高了安全性。Zhou等人提出了EPDA算法，该算法将网路组织成一棵树，并将树上的叶子节点相连成链，且只对链尾的节点数据进行切片，保护了数据隐私，减少了数据聚合的能耗。
[0004]综上所述，安全路由协议的设计已成为近几十年来无线传感器网络的研究热点，如何均衡节点的能量消耗，并且兼顾数据的传输安全，已经成为本领域亟待解决的问题。

技术实现思路

[0005]为了解决上述
技术介绍
提到的技术问题，本专利技术提出了一个低能耗和保护隐私的数据聚合方法。
[0006]为了实现上述技术目的，本专利技术的技术方案为：
[0007]一个低能耗和保护隐私的数据聚合方法，包括以下步骤：
[0008](1)基站向网络中的节点广播消息，将网络中的节点按照一定规则组织成树形结构。
[0009](2)在形成的树形结构的基础上按照重构算法重构，形成类似二叉树的结构，树的非叶子节点为单个传感器，叶子节点是由多个传感器串联而成的一条链。
[0010](3)网络中的节点感知数据，叶子节点将感知的数据切成J片，J
‑
1片加密随机发送
给邻居节点进行混合，1片保留。
[0011](4)链尾节点将加密数据发送给父节点进行聚合，数据沿着链表结构到达链头节点，再沿着二叉树结构到达基站。
[0012]进一步地，在步骤(1)中，网络构建的方法如下：
[0013](101)非叶子节点(最初非叶子节点为基站)向邻居节点广播“Hi”消息邀请邻居节点加入网络。
[0014](102)节点接受到“Hi”消息后，若节点未加入网络，回复“Join”消息表达加入的意愿。若接受到多个“Hi”消息，优先回复先到达的“Hi”消息。
[0015](103)非叶子节点接受到“Join”消息后，计算和消息发送者的距离d，若d<d0(d0为预设值)，回复“Accept”消息允许其加入网络。
[0016](104)节点接受到“Accept”消息后，成为“Accept”消息发送者的子节点，加入网络，并以一定概率P选为非叶子节点，P为预设值。
[0017](105)若节点选为非叶子节点，则重复步骤(101)
‑
(104)，直到网络中的非叶子节点通信范围内的节点都加入网络。
[0018](106)没有加入网络的节点(没有父节点的节点)向通信范围内的节点广播“RHi”消息请求加入网络。
[0019](107)加入网络的节点接受到“R Hi”消息后，回复“R Join”消息。
[0020](108)节点接受到“R Join”消息后，回复“Accept”消息。
[0021](109)节点接受到“Accept”消息后，若不是非叶子节点，则选为非叶子节点，并执行步骤(101)
‑
(105)。
[0022]进一步地，在步骤(2)中，重构算法如下：
[0023](201)网络中的每个非叶子节点Node的子节点划分为叶子节点列表和非叶子节点列表。设LastNode＝Node。分别对叶子节点列表和非叶子节点列表执行步骤(202)
‑
(212)。
[0024](202)对于节点列表List，LastNode向周围的节点广播“Rebuild”消息。
[0025](203)List中的节点接受消息，回复LastNode节点“Join”消息。
[0026](204)若LastNode接受到“Join”消息，回复先到达的消息的发送者“Accept消息”，否则向Node发送“Check”消息，并执行(207)。
[0027](205)节点Node
i
接受到“Accept”消息后，成为消息发送者的子节点。令LastNode＝Node
i
，并发送“Join Network”消息给Node，告知Node将其从List中删除。
[0028](206)重复执行(202)
‑
(205)，直到LastNode接受不到“Join”消息。
[0029](207)Node随机选取List中未加入网络的节点Node
j
，向其发送“Head”消息，并将Node
j
从列表中删除，同时向链头节点发送“Change Head”消息。
[0030](208)链头节点接受到消息后，发送“Join”消息给Node
j
。
[0031](209)Node
j
接受到“Head”消息后，成为Node节点的子节点。
[0032](210)Node
j
接受到“Join”消息后，回复消息的发送者“Accept消息允许其加入网络。
[0033](211)节点接受到Node
j
发送的“Accept消息后，成为Node
j
的子节点。
[0034](212)重复步骤(207)
‑
(211)直到List为空。
[0035]进一步地，在步骤(3)中，数据切片的方法如下：
[0036](301)网络中的节点感知收集数据。
[0037本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.低能耗和保护隐私的数据聚合方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)基站向网络中的节点广播消息，将网络中的节点按照一定规则组织成树形结构。(2)在形成的树形结构的基础上按照重构算法重构，形成类似二叉树的结构，树的非叶子节点为单个传感器，叶子节点是由多个传感器串联而成的一条链。(3)网络中的节点感知数据，叶子节点将感知的数据切成J片，J
‑
1片加密随机发送给邻居节点进行混合，1片保留。(4)链尾节点将加密数据发送给父节点进行聚合，数据沿着链表结构到达链头节点，再沿着二叉树结构到达基站。2.根据权利要求1所述一种低能耗和保护隐私的数据聚合方法，其特征在于，步骤(1)的具体过程如下：(101)非叶子节点(最初非叶子节点为基站)向邻居节点广播“Hi”消息邀请邻居节点加入网络。(102)节点接受到“Hi”消息后，若节点未加入网络，回复“Join”消息表达加入的意愿。若接受到多个“Hi”消息，优先回复先到达的“Hi”消息。(103)非叶子节点接受到“Join”消息后，计算和消息发送者的距离d，若d<d0(d0为预设值)，回复“Accept”消息允许其加入网络。(104)节点接受到“Accept”消息后，成为“Accept”消息发送者的子节点，加入网络，并以一定概率P选为非叶子节点，P为预设值。(105)若节点选为非叶子节点，则重复步骤(101)
‑
(104)，直到网络中的非叶子节点通信范围内的节点都加入网络。(106)没有加入网络的节点(没有父节点的节点)向通信范围内的节点广播“RHi”消息请求加入网络。(107)加入网络的节点接受到“R Hi”消息后，回复“R Join”消息。(108)节点接受到“R Join”消息后，回复“Accept”消息。(109)节点接受到“Accept”消息后，若不是非叶子节点，则选为非叶子节点，并执行步骤(101)
‑
(105)。3.根据权利要求1所述一种低能耗和保护隐私的数据聚合方法，其特征在于，在步骤(2)中重构算法的步骤如下：(201)网络中的每个非叶子节点Node的子节点划分为叶子节点列表和非叶子节点列表。设LastNode＝Node。分别对叶子节点列表和非叶子节点列表执行步骤(202)
‑
(212)。(202)对于节点列表List，LastNode向周围的节点广播“Rebuild”消息。(203)List中的节点接受消息，回复La...

【专利技术属性】
技术研发人员：许峰，陈书航，宿凯铭，沈赛杰，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：