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无线传感网络(Wireless Sensor Network,WSN)是由部署在监控范罔内的大规模传感器节点组成,为安全监控、过程控制、智能电网等领域提供不同功能的自组织网络系统。与传统的网络不同,WSN中的传感器节点硬件受到处理器计算能力,存储空间,能量供应等许多限制,导致其不能执行复杂的运算,因此针对WSN的应用开发和协议设计面临很大的挑战。范围查询是WSN的一项重要应用,许多查询方式都可以转化为范围查询。由于WSN开放的通信环境,使得它很容易受到各种攻击,传统的范围查询技术并不能直接应用到WSN中。
本文针对WSN的安全范围查询问题展开研究,设计并实现了基于TinyOS平台,使用保持前缀的加密算法的无线传感网络安全范围查询机制。由于单层的无线传感网络架构存在缺乏可扩展性,汇聚节点瓶颈等问题,所提机制采用了双层的无线传感网络架构。该机制主要关注两个方面的问题:数据的隐私性和查询结果的完整性。通过使用保持前缀的加密算法对传感器节点采集到的数据和汇聚节点的查询命令进行加密,保证数据的值不会暴露给敌方和主节点。为了保证查询结果的完整性,本文提出了一种新颖的数据结构——AI树。汇聚节点利用来自主节点的查询结果和验证信息构建一个AI树,来验证查询结果是否是真实的和完整的。由于传感器节点大都配备了多种传感器,节点采集到的数据一般是多维的,用户可能发起多维数据的范围查询。本文首先提出了针对单维数据的范围查询机制,接下来对它进行了扩展,以支持多维数据的范围查询。此外,为了减少主节点端的存储开销,根据主节点flash的特点,设计了AI树的压缩算法。
与既有WSN范围查询机制相比,本文设计的范围查询机制具有安全、灵活、轻量的特点。本文通过多角度的充分实验验证了所提机制的有效性,不管是传感器节点端的能量开销,还是主节点端的能量开销和存储开销均有显著下降。