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福建师范大学学报（自然科学版） 2022年第3期38卷 35-45页

作者：刘海辉陈建伟黄川福建师范大学计算机与网络空间安全学院福建福州350117 福建省网络安全与密码技术重点实验室福建福州350117 福建师范大学数字福建大数据安全技术研究所福建福州350117

针对物联网数据收集过程中的隐私保护问题,提出了一个无可信权威中心的隐私保护数据聚合方案.首先,在不依赖可信权威中心的前提下,终端设备之间利用密钥交换算法生成共享秘钥并构建加密密钥,保证上报数据的隐私性;其次,根据Carmichael... 详细信息

针对物联网数据收集过程中的隐私保护问题,提出了一个无可信权威中心的隐私保护数据聚合方案.首先,在不依赖可信权威中心的前提下,终端设备之间利用密钥交换算法生成共享秘钥并构建加密密钥,保证上报数据的隐私性;其次,根据Carmichael定理设计了一种容错机制,当终端设备故障或者网络连接出错时,控制中心仍然可以对已接收数据进行聚合统计;此外,采用批量验证的方式保证上报数据的完整性.最后,理论分析证明了本文方案的正确性和安全性.性能实验表明,相比于已有方案,所需的计算开销较低,而为了具备容错能力和提升数字签名的验证效率,增加了部分通信开销.

关键词：物联网隐私保护数据聚合无可信权威中心容错

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物联网中隐私保护的数据聚合技术研究

物联网中隐私保护的数据聚合技术研究

引用

作者：刘海辉福建师范大学

学位级别：硕士

物联网作为未来经济发展和科技创新的战略制高点之一,逐渐成为世界各国构造未来发展模式的重要一环。随着信息通信技术快速发展,融合智能感知、边缘计算和多层次通信的物联网取得了巨大进步。物联网通过大量终端设备收集海量数据,并对... 详细信息

物联网作为未来经济发展和科技创新的战略制高点之一,逐渐成为世界各国构造未来发展模式的重要一环。随着信息通信技术快速发展,融合智能感知、边缘计算和多层次通信的物联网取得了巨大进步。物联网通过大量终端设备收集海量数据,并对这些数据展开针对性分析,以便为用户提供更优质的服务。然而,这些数据往往含有用户的敏感信息,使用户隐私面临泄露的巨大风险,因此,保护用户隐私是物联网可持续发展的重要前提和保障。数据聚合作为保护用户隐私的重要技术之一,目前已受到许多研究者的关注。然而,已有的数据聚合方案在支持任意统计函数,对恶意用户的追踪和无可信权威中心条件下的数据聚合等方面的研究仍存在不足。因此,本文结合物联网实际应用场景,围绕隐私保护数据聚合问题,分别从支持任意统计函数,对恶意用户进行追踪和无可信权威中心条件下的数据聚合等方面展开研究,提出一系列新的数据聚合方案。具体来讲,本文的主要工作如下: (1)提出了支持任意统计函数的隐私保护数据聚合方案。针对现有方案在支持任意统计函数方面的不足,基于环和伪随机函数设计了一种轻量级加密方法,并采用随机序列对移动终端设备的感知数据进行位置混淆,由此提出了一种新的隐私保护数据聚合方案;在此基础上,为了对移动终端设备进行动态管理,设计了移动终端设备加入和退出协议,使得移动终端设备能够高效的动态加入或退出系统;进一步,利用将来数据缓冲机制来提高系统的容错性,当某些原因使得无法正常接收到部分移动终端设备的感知数据时,云服务器仍然能够进行数据聚合处理。理论分析证明方案取得(n-k)-源匿名并能够抗合谋攻击;实验分析表明方案在计算和通信开销方面具有较好的性能。 (2)提出了支持数据查询且可追踪的隐私保护数据聚合方案。针对已有数据聚合方案在支持数据查询方面存在的局限,基于Domingo-Ferrer同态加密技术设计了一种支持数据查询的数据聚合方案,使得网关设备能够对数据高效的聚合,而控制中心可以对数据进行查询;在此基础上,为了进一步防止恶意电表篡改数据,对数据聚合的准确性造成影响,结合短群签名技术和Shamir秘密共享方案设计了一种针对恶意用户的追踪机制。考虑到对恶意电表追踪后必然要采取剔除措施,设计了一种设备密钥更新协议。安全性分析证明了该方案能够保护用户隐私;性能实验表明了方案的高效性。 (3)提出了无可信权威中心保护隐私的数据聚合方案。针对现有的部分方案过度依赖可信权威中心管理和分发密钥,基于Diffie–Hellman密钥交换算法设计一种加密密钥构建方法,该方法利用终端设备之间相互独立的特性,自主协商产生加密密钥,不涉及可信权威中心,由此提出了一个无可信权威中心保护隐私的数据聚合方案;在此基础上,根据Carmichael定理设计了一种容错机制提高系统容错能力,即当终端设备故障或者网络连接出错时,控制中心仍然可以对已接收数据进行聚合统计,增强数据传输的可靠性;考虑到对数据完整性验证过程产生大量计算开销,利用双线性聚合签名技术提高系统签名验证效率。理论证明了方案的正确性和安全性;实验分析表明了方案具有较高的通信和计算效率。

关键词：物联网隐私保护数据聚合任意聚合函数可追踪无可信权威中心

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