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基于Tangle网络的移动群智感知数据安全交付模型

赵国生 张慧 王健

引用本文: 赵国生, 张慧, 王健. 基于Tangle网络的移动群智感知数据安全交付模型[J]. 电子与信息学报, 2020, 42(4): 965-971. doi: 10.11999/JEIT190370 shu
Citation:  Guosheng ZHAO, Hui ZHANG, Jian WANG. A Mobile Crowdsensing Data Security Delivery Model Based on Tangle Network[J]. Journal of Electronics and Information Technology, 2020, 42(4): 965-971. doi: 10.11999/JEIT190370 shu

基于Tangle网络的移动群智感知数据安全交付模型

    作者简介: 赵国生: 男,1977年生,博士,教授,研究方向为可生存技术、认知网络、可信计算;
    张慧: 女,1994年生,硕士生,研究方向为群智感知;
    王健: 女,1979年生,博士,教授,研究方向为SDN、可生存技术、认知网络、群智感知
    通讯作者: 张慧,18746424159@163.com
  • 基金项目: 国家自然科学基金(61202458, 61403109),黑龙江自然科学基金(F2017021),哈尔滨市科技创新人才研究专项资金(2016RAQXJ036)

摘要: 针对现有群智感知平台在数据和酬金交付过程中存在的安全风险和隐私泄露问题,该文提出一种基于Tangle网络的分布式群智感知数据安全交付模型。首先,在数据感知阶段,调用局部异常因子检测算法剔除异常数据,聚类获取感知数据并确定可信参与者节点。然后,在交易写入阶段,使用马尔科夫蒙特卡洛算法选择交易并验证其合法性,通过注册认证中心登记完成匿名身份数据上传,并将交易同步写入分布式账本。最后,结合Tangle网络的累计权重共识机制,当交易安全性达到阈值时,任务发布者可进行数据和酬金的安全交付。仿真试验表明,在模型保护用户隐私的同时,增强了数据和酬金的安全交付能力,相比现有感知平台降低了时间复杂度和任务发布成本。

English

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  • 图 1  基于Tangle网络的感知数据交付模型

    图 2  Tangle网络交易结构

    图 3  交易结构

    图 4  身份匿名过程

    图 5  隐私数据泄露的概率

    图 6  时间复杂性分析

    图 7  TNM模型与AMT机制服务费对比

    表 1  算法1:基于参与者选择的LOF算法

     输入:参与者的位置信息集N, k近邻参数
     输出:前k个数据的LOF
     (1) 计算任意数据点之间的欧式距离${\rm{disk}}(i,j)$;
     (2) 计算所有数据点和其前k个数据点间的距离${\rm{disk}}_k^{}(i)$;
     (3) 计算所有数据点的k距离邻居${N_K}(i)$; $ {N_K}(i) = \left\{ {\left. {i'} \right|} \right.i' \in N, $
    $ \left.{\rm{dist}}(i,i') \le {\rm{dis}}{{\rm{t}}_k}(i) \right\}$
     (4) 计算所有数据点的局部可达密度${\rm{lr}}{{\rm{d}}_k}(i)$:
      $\begin{array}{*{20}{l} }\quad\quad { {\rm{lr} }{ {\rm{d} }_k}(i) = \frac{ {\left\| {\left. { {N_K}(i)} \right\|} \right.} }{ {\displaystyle\sum\limits_{i' \in {N_k}(i)} { {\rm{reachdis} }{ {\rm{t} }_k}(i' \leftarrow i)} } } }\\\qquad { {\rm{reachdis} }{ {\rm{t} }_k}(i' \leftarrow i) = {\rm{max} }\left. {\left\{ { {\rm{dis} }{ {\rm{t} }_k}(i),{\rm{dist} }(i,i')} \right.} \right\} }\end{array}\;\;\;\;\;\;\;\;\quad\ \ \left( 1 \right)$
     (5) 计算${\rm{LO}}{{\rm{F}}_K}(i)$
      $\begin{array}{*{20}{l}}\quad\quad\ \ {{\rm{LO}}{{\rm{F}}_K}(i) = \frac{{\displaystyle\sum\limits_{i' \in {N_K}(i)} {\frac{{{\rm{lr}}{{\rm{d}}_k}(i')}}{{{\rm{lr}}{{\rm{d}}_k}(i)}}} }}{{\left\| {\left. {{N_K}(i)} \right\|} \right.}} }\\\quad\quad \quad = {\displaystyle\sum\limits_{i' \in {N_K}(i)} {{\rm{lr}}{{\rm{d}}_k}(i') \cdot \sum\limits_{i' \in {N_K}(i)} {{\rm{reachdis}}{{\rm{t}}_k}(i' \leftarrow i)} } }\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\left( 2 \right)\end{array}$
     (6) 对${\rm{LO}}{{\rm{F}}_K}(i)$进行排序,剔除LOF高的数据。
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    表 2  算法2:基于MCMC的端点选择算法

     输入:马尔可夫链状态转移矩阵Q,平稳分布$\pi (x)$,最大转移次数n1,选定时间间隔[W, 2W]及该间隔下的样本个数n2(此时的样本个数为
    新到的交易所观察到的交易数目)。
     输出:两个最先走到Tip的粒子为新交易将验证的端点。
     for t=0 to n1 + n2–1:
     (1) 初始化马尔可夫链${X_0} = {x_0}$;
     (2) 独立的在该选定的间隔中随机放入N个粒子定义为“Walker”;
     (3) 每个粒子根据定义的转移概率P随机的选出一条路径,向着Tip的方向进行游走。其中转移概率定义为:
     $\qquad{P_{xy} } = \dfrac{ { { {\rm e}^{ - a({H_x} - {H_y})} } } }{ {\displaystyle\sum\limits_{z:x \leftarrow z} { { {\rm e}^{ - a({H_x} - {H_z})} } } } }\qquad\qquad\qquad\qquad\qquad\qquad\qquad\qquad\qquad\qquad\qquad\qquad\qquad\qquad\qquad\qquad\qquad\qquad\qquad\qquad\qquad\qquad\qquad \left( 3 \right)$
       其中,$a > 0$,为自定义参数,${H_x}$和${H_y}$为交易x和交易y的累计权重,转移后第t个时刻的马尔可夫链状态为${X_t} = {{{x}}_t}$,下一个交易可
    能的状态为${y_{t + 1}} = {x_t}p(x|{x_t})$,此时$\pi (x) = ({x_{n1} },{x_{n1 + 1} },···,{x_{n1 + n2 - 1} })$。
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    表 3  群智感知过程中的隐私泄露点

    隐私泄露过程隐私泄露位置窃取隐私难易程度
    参与者将采集数据上传至TS参与者与TS通信的中间网络遭受中间人攻击
    参与者与其他传感器交互传感器设备
    交易写入Tangle网络Tangle网络
    TS调用LOF算法TS
    TS指定获胜节点TS
    PS支付酬金PS
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    表 4  Tangle网络处理数据的时间花销

    名称任务发布任务接收交易上传
    任务大小(kb)处理时间(ms)任务大小(kb)处理时间(ms)任务大小(kb)处理时间(ms)
    Task_501179.59489.401289.694.474.7945245.67
    Task_1002356.45620.432416.157.899.7255245.69
    Task_1503552.86722.713932.7713.7914.0229245.65
    Task_2004841.76905.324825.9811.6321.3921245.67
    Task_2505761.841219.455832.9718.2325.7526478.90
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  • 通讯作者:  张慧, 18746424159@163.com
  • 收稿日期:  2019-05-23
  • 录用日期:  2019-09-03
  • 网络出版日期:  2019-09-17
  • 刊出日期:  2020-04-01
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

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