傳感器網(wǎng)絡(luò)簇內(nèi)密鑰分配方案研究.pdf

1、部署區(qū)域的開放性和節(jié)點(diǎn)資源的限制性給無線傳感器網(wǎng)絡(luò)帶來安全隱患,密鑰管理是解決網(wǎng)絡(luò)安全問題的前提與基礎(chǔ)。層次型傳感器網(wǎng)絡(luò)中,簇頭與簇成員的資源異構(gòu)性使解決簇間與簇內(nèi)密鑰管理問題的方法存在差異。作為簇數(shù)據(jù)中心與管理中心,簇頭是連接簇成員與基站的重要橋梁,因此簇間(簇頭-簇頭)密鑰管理成為以往研究的重點(diǎn),而針對簇內(nèi)(簇頭-簇成員)安全問題的研究相對薄弱。然而,簇內(nèi)通信也是決定傳感器網(wǎng)絡(luò)工作能效的關(guān)鍵,它向下傳遞基站的監(jiān)測任務(wù)和控制指令,向上

2、發(fā)送傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)。簇內(nèi)密鑰管理問題解決不好,將直接降低源數(shù)據(jù)的安全性和節(jié)點(diǎn)投放的有效性,進(jìn)而影響網(wǎng)絡(luò)的部署成本和應(yīng)用價值。因此,研究簇內(nèi)密鑰管理問題意義重大。
　　簇內(nèi)安全協(xié)議應(yīng)滿足簇成員低能耗、簇頭高安全、簇內(nèi)高連通、節(jié)點(diǎn)高自主性的需求,這使得簇內(nèi)密鑰管理成為極富挑戰(zhàn)性的研究課題。而目前一些簇內(nèi)方案僅作為簇間密鑰管理的附屬方案被提出,存在過分依賴基站、資源消耗大、安全連通度低等問題。
　　針對該研究現(xiàn)狀,本文以安全有效

3、的簇內(nèi)密鑰管理為目標(biāo),對傳感器網(wǎng)絡(luò)的簇內(nèi)密鑰分配進(jìn)行深入研究。利用秘密共享實現(xiàn)密鑰的分布式存儲與自主式重構(gòu),在不依賴基站在線參與的前提下建立“簇頭-簇成員”共享密鑰對。與傳統(tǒng)的基于秘密共享的群組密鑰管理相比,既達(dá)到分散風(fēng)險、容忍入侵的目的,又實現(xiàn)了提高節(jié)點(diǎn)抗俘獲性、降低密鑰更新開銷的目標(biāo)。本文的主要研究成果及創(chuàng)新點(diǎn)包括:
　　1.提出基于秘密共享的簇內(nèi)密鑰分配(SS-IKD)框架,
　　SS-IKD框架為簇內(nèi)密鑰分配提供統(tǒng)一

4、解決方法。首先,該框架基于節(jié)點(diǎn)異構(gòu)性,通過少量增加簇頭開銷,實現(xiàn)簇成員能耗最低、抗俘獲性最優(yōu)的目標(biāo)。其次,框架提出獨(dú)立于基站的“虛擬簇頭共享密鑰,物理簇頭重構(gòu)密鑰”的“自主”工作方式,以降低網(wǎng)絡(luò)通信開銷。第三,利用秘密共享實現(xiàn)密鑰的分布式存儲,以提高簇頭抗俘獲性和網(wǎng)絡(luò)俘后連通度。對框架及其基本方案的理論與實驗分析表明,與其它簇內(nèi)密鑰管理方案相比,SS-IKD框架具備4方面優(yōu)勢:(1)基于對稱加密體制;(2)保證高度的簇內(nèi)連通;(3)建立

5、“自主式”的密鑰分配;(4)綜合考慮節(jié)點(diǎn)異構(gòu)性。
　　2.基于SS-IKD框架構(gòu)造具體的密鑰管理方案
　　(1)基于SS-IKD框架的基本思想,提出了基本簇內(nèi)密鑰分配方案(B-IKS(v))及其門限擴(kuò)展方案(M-IKS)。B-IKS(v)方案將SS-IKD框架具體化,繼承了框架的自主性、節(jié)能性、連通性和安全性優(yōu)勢。M-IKS方案基于門限秘密共享將B-IKS(v)進(jìn)行擴(kuò)展,通過調(diào)節(jié)參數(shù)u、v來影響網(wǎng)絡(luò)俘后連通度和簇頭抗俘獲性,

6、從而滿足不同的應(yīng)用需求。
　　(2)在SS-IKD框架下采用低能耗LEKM協(xié)議,提出基于單虛擬簇頭的簇內(nèi)密鑰分配方案(S-IKS),該方案利用秘密共享將節(jié)點(diǎn)密鑰拆分成密鑰分片存儲于虛擬簇頭與簇成員節(jié)點(diǎn)中,攻擊者從被俘節(jié)點(diǎn)處只能得到部分分片而無法直接獲取密鑰,因此節(jié)點(diǎn)抗俘獲性得到提高。實驗結(jié)果表明,該方案繼承了低能耗協(xié)議(LEKM)高效、節(jié)能的優(yōu)點(diǎn),并實現(xiàn)了簇頭與簇成員節(jié)點(diǎn)的“完全”抗俘獲性。
　　(3)在 SS-IKD框架中

7、引入投放知識,提出基于組投放模型的簇內(nèi)密鑰分配方案(DM-IKS(d))及其擴(kuò)展方案(DM-IKS(U,V))。該方案以組為單位進(jìn)行節(jié)點(diǎn)投放、密鑰拆分、存儲與重構(gòu),由此提高密鑰分配與協(xié)商的效率。實驗結(jié)果表明, DM-IKS方案繼承了B-IKS(v)方案在連通性與安全性方面的優(yōu)點(diǎn),而且使簇頭重構(gòu)密鑰的效率比B-IKS(v)方案提高d倍(d為簇的規(guī)模)。
　　綜上所述,本論文對層次型傳感器網(wǎng)絡(luò)的簇內(nèi)密鑰分配問題展開了深入的系統(tǒng)性研究,