(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211010009.1 (22)申请日 2022.08.22 (71)申请人 桂林理工大 学 地址 541004 广西壮 族自治区桂林市七 星 区建干路12号 (72)发明人 邓昀　郑梓涛　王宇　 (74)专利代理 机构 桂林市华杰 专利商标事务所 有限责任公司 451 12 专利代理师 罗玉荣 (51)Int.Cl. H04W 12/03(2021.01) H04W 84/18(2009.01) H04L 9/08(2006.01) H04L 9/06(2006.01) (54)发明名称 基于翻转0-1编码和布隆过滤的传感网范围 查询方法 (57)摘要 本发明公开了一种基于翻转0 ‑1编码和布隆 过滤的传感 网范围查询方法， 基于A ES加密算法、 翻转0‑1编码、 HMAC算法， 长度可变的布隆过滤 器， 校验索引链等， 设计了感知数据提交协议、 范 围查询处理协议和查询结果完整性验证算法， 其 特征是感知 节点通信能耗低， 包括如下步骤： （1） 将感知数据加密上传至存储节点； （2） 基站向存 储节点发送密文形式的查询请求； （3） 存储节点 执行查询操作； （4） 存储节点将查询结果返回给 基站， 基站解密并验证数据真实性完整性。 这种 方法不仅能够增强安全比较项的隐私安全性， 还 进一步降低了感知节点的通信能耗。 权利要求书3页 说明书7页 附图1页 CN 115361679 A 2022.11.18 CN 115361679 A 1.基于翻转0 ‑1编码和布隆过 滤的传感网范围查询方法， 其特 征在于， 包括如下步骤： 1)感知数据上传至存储节点： 查询单元Ci由一个存储节点和若干感知节点组成， 设在查 询单元Ci中存在感知节点si， 在采集周期ti内采集N个第h维感知数据， 表示为： 若感知节点si采集 ε维感知数据， 则表示为： A＝(A1， A2， ...， Aε)， 此时与 基站的共享密钥为 keyi， 感知节点si依次执行如下操作： 1‑1)提取第j维感知数据Aj中的最小值和最大值， Aj中的最小值、 最大值分别表示为 和 1‑2)对于数值d， 假设二进制 表示为d＝dndn‑1dn‑2...， d∈{0， 1}w为w位二进制数， 对d的 二进制进行翻转0 ‑1编码得到的集 合为： FE0(d)＝{1di+1di+2...dn|di＝0， 1≤i≤n}， FE1(d)＝{didi+1...dn|di＝1， 1≤i≤n}， 将 和 进 行 翻 转 0 ‑1 编 码 得 到 和 并获取翻转0 ‑1编码的最小元 素集合： 其中NUM(*)为用于计算 集合元素个数的函数； 1‑3)对数值a经过翻转0 ‑1编码后得到的最小元素集合进行HMAC摘要运算， 表示为 1‑4)将数值a对应的HMAC摘要集合中的元素映射到时空高效的布隆过滤器中， 表示为 则安全比较项 为： 1‑5)采用共享密钥keyi对每个维度的数据进行AES加密得到多维数据密文 θ(t)： θ(t)＝{AES(A1)， AES(A2)， ...， AES(Aε)}， 其中， AES(*)为采用共享密钥keyi进行AES加密的函数； 1‑6)将单个采集周期采集到的每个维度的感知数据最小值 最大值 和每个维 度感知数据的理论 最小值 最大值 采用AES加密生成校验索引链γ(t)， 表示 为： 其中，“～”表示校验子链之间的连接符号， 表示第i个校验子链的第j维校验因子， 其 中， 1≤i≤ 3， 1‑7)将下列信息发送给存 储节点M： 2)基站向存储节点发送查询 命令： 基站收到来自用户的查询 命令Query＝{ID(Ci)， tr， (r1， r2， ...， rε)}， rj＝[lowj， highj]， 将查询单元Ci对应单元内的每个感知节点， 采用 询命权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115361679 A 2令转化成以感知节点 为单位的多个查询命令， 具体为： 2‑1)计算每个查询属性lowj和highj对应的翻转0 ‑1编码， 得到翻转0 ‑1编码集FE0 (lowj)， FE1(lowj)， FE0(highj)和FE1(highj)； 2‑2)对步骤2 ‑1)中的翻转0 ‑1编码集采用感知节点si在时间tr范围内的共享密钥进行 HMAC摘要运 算得到摘要编码集 2‑3) 采 用ID (si) 和 替代Q中的 ID (Ci) 和rj， 得到密文查 询指令 ， 将 发送给感知节点si对应的存 储节点； 3)存储节点执行查询操作： 在接收到查询命令 后， 执 行如下过程： 3‑1)存储节点从数据库中取出符合ID(si)和查询时间tr的数据纪录， 并按提交时间先 后进行排序； 3‑2)设取出数据为第i条、 设该条数据提交周期时间为ti， 恢复比较编码集合中每个数 据属性对应的布隆过滤器， 取出Qu ery中每个数据属性对应的比较编码集合， 集合中的每个 元素采用Hash函数计算出它在布隆过滤器上位图的位置， 来检查是否存在于布隆过滤器所 表示的集 合中， 进一 步采用翻转0 ‑1编码的比较规则将集 合关系转换成数值大小关系； 3‑3)若每个属性最大值 最小值 与查询范围lowj、 highj的关系都满足以下三 个条件之一， 存储节 点则从该条数据纪录提取节点ID信息、 周期时间、 加密数据集和加密索 引链， 并计算校验索引链的位图编码信息B(t)， 组成集合d1(si， t)、 格式为： d1(si， t)＝＜ID (si)， t， θ(t)， γ(t)， B(t)＞； 若不符合查询范围， 则组成集合d2(si， t)、 格式为： d2(si， t)＝ ＜ID(si)， t， γ(t)， B(t)＞， 三个条件分别为： 3‑3‑1)： 3‑3‑2)： 3‑3‑3)： 3‑4)将查询结果d1(si， t)或d2(si， t)发送给基站， 再提取第 i+1条待处理数据回到步骤 3‑2)， 直到处 理完所有满足感知节点si在tr范围内的提交的数据； 4)基站收到查询结果： 当基站接收到存储节点发来的反馈数据消息， 采用对应的密钥 对返回的校验索引链中的校验子链进行解密， 获取每个数据维度的校验因子， 进一步根据 位图编码B过滤出满足查询条件的校验因子与基站的多维数据明文查询范围进行对比， 判 断是否满足以下三个条件： 4‑1)： LB(head(Pj))≤lowj≤UB(head(Pj))； 4‑2)： LB(tai l(Pj))≤highj≤UB(tai l(Pj))； 4‑3)： LB(Pj)＝UB(Pj)(2≤j≤ 3)， 其中， head(Pj)表示根据位图编码信息从返回的校验索引链中获取第j维数据满足查询 条件的第一个校验因子， 则 tail(Pj)表示最后一个校验因子当校验索引链只包含一条校验权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115361679 A 3