基于分簇的有效無線傳感器網(wǎng)絡(luò)密鑰管理方案

李明，熊盛武，鄭曉亮

（武漢理工大學(xué)湖北武漢430070）

近年來，隨著微機(jī)電系統(tǒng)、無線通信、信息網(wǎng)絡(luò)與集成電路等技術(shù)的迅速發(fā)展，新興的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)運(yùn)而生。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量分布式傳感節(jié)點(diǎn)組成的面向任務(wù)型自組織網(wǎng)絡(luò)。由于擁有廣泛的應(yīng)用前景，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)得到了迅速發(fā)展，廣泛應(yīng)用于國防軍事、工業(yè)控制、環(huán)境監(jiān)測、交通管理等領(lǐng)域。雖然無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有許多優(yōu)點(diǎn)，但由于很多傳感器網(wǎng)絡(luò)有可能被部署在敵方區(qū)域，而且由于它的無線通信特性，很容易遭到攻擊，如何加強(qiáng)它的抗攻擊能力，提高安全性就顯得極為重要[1]。一般來說，無線傳感器節(jié)點(diǎn)擁有有限的資源，比如計(jì)算能力、存儲(chǔ)空間和能量等，這導(dǎo)致了非對(duì)稱密碼算法難以在其上被使用，所以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)普遍使用基于對(duì)稱密碼的密鑰管理算法來保證其安全。通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特性以及可能面臨的攻擊，綜合已有的多種算法，在分簇結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上提出一種新的密鑰管理方案，并給出了這種方案的性能分析與仿真結(jié)果，結(jié)果顯示提高了算法的安全性能。

1 分簇?zé)o線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

分簇?zé)o線傳感器網(wǎng)絡(luò)[2]是現(xiàn)在使用比較廣泛的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，分簇?zé)o線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 分簇結(jié)構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1Clustering structure of wireless sensor network topology

將基于該結(jié)構(gòu)進(jìn)行密鑰管理。該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是由基站、簇頭與簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)3種類型的節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。其中基站的主要功能是數(shù)據(jù)匯總，對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送命令，基站具有無限能量、高計(jì)算能力以及充足的存儲(chǔ)空間。簇頭節(jié)點(diǎn)主要是將本簇內(nèi)成員收集到的信息進(jìn)行簡單的數(shù)據(jù)融合并發(fā)送到基站，同時(shí)下達(dá)基站對(duì)本簇成員的命令，簇頭節(jié)點(diǎn)是具有特殊功能的傳感器節(jié)點(diǎn)，其能量、計(jì)算能力和存儲(chǔ)空間都很有限。簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)感知周圍環(huán)境，將采集到的數(shù)據(jù)傳送到簇頭節(jié)點(diǎn)。

2 基于隨機(jī)概率的密鑰預(yù)分配方案相關(guān)算法

2.1 KPD算法

KPD概率密鑰共享算法[3]首先創(chuàng)建一個(gè)密鑰池，密鑰池里包含了密鑰及其所對(duì)應(yīng)的ID，然后為每個(gè)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)從密鑰池里分配一定數(shù)目的密鑰，當(dāng)節(jié)點(diǎn)被投放后，每個(gè)節(jié)點(diǎn)會(huì)廣播它所擁有的密鑰ID來發(fā)現(xiàn)互相之間共享的密鑰，任意兩個(gè)共享密鑰的節(jié)點(diǎn)都可以建立安全信道，任意節(jié)點(diǎn)通過安全信道來通信。由不同的密鑰池大小P和每個(gè)節(jié)點(diǎn)所存儲(chǔ)的密鑰數(shù)k，這個(gè)算法能獲得不同的連通性和抗攻擊性。假設(shè)任意兩個(gè)通信節(jié)點(diǎn)能建立安全鏈接的概率用p1表示，則p1=了提高算法的抗攻擊性，可在此基礎(chǔ)上約定共享q個(gè)密鑰才能建立鏈接，即q-composite方案[4]。

2.2 基于分簇的算法

分簇算法是將傳感器節(jié)點(diǎn)分成很多簇，簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)和簇間節(jié)點(diǎn)擁有不同的密鑰共享概率。每個(gè)簇都擁有一個(gè)單獨(dú)的密鑰池，而且同一簇內(nèi)的節(jié)點(diǎn)有很多概率被投放到同一片區(qū)域，這樣每個(gè)節(jié)點(diǎn)有很大概率同相鄰節(jié)點(diǎn)共享密鑰。如果兩個(gè)簇在投放點(diǎn)上是鄰居的話，其相應(yīng)的密鑰池也被看成是相鄰的，而且這些密鑰池有如下性質(zhì)[5]：

1）兩個(gè)垂直或者平行的相鄰密鑰池共享α|Sc|個(gè)密鑰，0≤α≤0.25。

2）兩個(gè)斜相鄰密鑰池共享β|Sc|個(gè)密鑰，0≤β≤0.25，4α+4β=1。3）兩個(gè)不相鄰的密鑰池不共享密鑰。

其中|Sc|為密鑰池的大小，根據(jù)上述性質(zhì)，在節(jié)點(diǎn)被投放后，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有一定概率與同簇及相鄰簇的節(jié)點(diǎn)共享密鑰。

2.3 基于節(jié)點(diǎn)身份的密鑰預(yù)分配方案

該方案[6]采用將節(jié)點(diǎn)身份與節(jié)點(diǎn)密鑰、密鑰標(biāo)識(shí)3者相結(jié)合的思想完成密鑰的預(yù)分配階段和共享密鑰發(fā)現(xiàn)階段來提高抵抗被俘獲攻擊的能力。

假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中放置n個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，符號(hào)表示如下：id：每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的唯一標(biāo)識(shí)，其中id=1，2，…n；Sid：標(biāo)識(shí)為id的傳感器節(jié)點(diǎn)；

P：密鑰分配中心產(chǎn)生的密鑰池；

m：每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的密鑰個(gè)數(shù)，m個(gè)密鑰構(gòu)成節(jié)點(diǎn)的密鑰環(huán)；

IDid：節(jié)點(diǎn)Sid所有m個(gè)密鑰組成的標(biāo)識(shí)集合；

1）密鑰預(yù)分配階段

①給每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)分配唯一的id，基站密鑰中心生成大量的密鑰組成一個(gè)密鑰池P，每個(gè)接入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)選出m個(gè)不同的密鑰構(gòu)成該節(jié)點(diǎn)的密鑰環(huán)，并給出每個(gè)密鑰的標(biāo)識(shí)ID，i=1，2，…m；

②利用Hash函數(shù)建立節(jié)點(diǎn)身份與密鑰標(biāo)識(shí)之間的關(guān)系。對(duì)于節(jié)點(diǎn)Sid來說，輸入節(jié)點(diǎn)id以及第i個(gè)密鑰的標(biāo)識(shí)IDiid，將Hash函數(shù)的輸出作為第i個(gè)密鑰新的標(biāo)識(shí)，重復(fù)執(zhí)行m次得到該節(jié)點(diǎn)一個(gè)新的密鑰標(biāo)識(shí)集合，通過這一步使得密鑰中心產(chǎn)生的密鑰標(biāo)識(shí)與所配置的節(jié)點(diǎn)身份聯(lián)系了起來，將重新得到的密鑰和密鑰標(biāo)識(shí)集載入節(jié)點(diǎn)的內(nèi)存中。

③按照與②中相同的規(guī)則，將基站的身份id與每個(gè)節(jié)點(diǎn)的密鑰建立聯(lián)系，得出基站與每個(gè)節(jié)點(diǎn)的共享密鑰。到此，節(jié)點(diǎn)密鑰的預(yù)分配已經(jīng)完成，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都分配了各自的密鑰環(huán)，并且完成了節(jié)點(diǎn)與基站的密鑰協(xié)商。

2）共享密鑰發(fā)現(xiàn)階段

每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)廣播自己的身份標(biāo)識(shí)id，對(duì)于節(jié)點(diǎn)i的其中一個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)j，將j的身份作為輸入求出該節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的密鑰標(biāo)識(shí)集合IDj。然后將IDj與自己的密鑰標(biāo)識(shí)集合比較，如果存在相同的密鑰標(biāo)識(shí)，那么就以該密鑰標(biāo)識(shí)對(duì)應(yīng)的密鑰作為這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的共享密鑰。

3）路徑密鑰建立階段

如果兩個(gè)節(jié)點(diǎn)沒有發(fā)現(xiàn)共享密鑰，那么需要第3個(gè)節(jié)點(diǎn)作為中間節(jié)點(diǎn)，分別與第3個(gè)節(jié)點(diǎn)建立安全的鏈接協(xié)商路徑密鑰，這個(gè)過程與上述兩個(gè)階段相同。

3 基于分簇的有效密鑰管理方案

在上述算法中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都存儲(chǔ)一定數(shù)目的密鑰，不同的節(jié)點(diǎn)可能會(huì)共享密鑰，當(dāng)節(jié)點(diǎn)被攻破時(shí)，它所存儲(chǔ)的密鑰將被泄露，所有其它使用這些密鑰進(jìn)行的通信都將不再安全。我們可以把一部分存儲(chǔ)的密鑰替換為包含某種中間信息的特殊信息，這些特殊信息也可以建立安全鏈接，而且泄露后不會(huì)對(duì)其它鏈接產(chǎn)生任何不利后果，這樣可以有效地提高安全性，同時(shí)對(duì)連通度沒有太大影響。

3.1 初始化階段

首先為每個(gè)簇創(chuàng)建一個(gè)容量為P的密鑰池，簇內(nèi)每個(gè)節(jié)點(diǎn)從密鑰池里隨機(jī)選擇m個(gè)密鑰，并從這串密鑰中隨機(jī)選u個(gè)密鑰，將它們替換成特殊信息。特殊信息EK可計(jì)算如下，EKk=k（H（K′⊕IDk））其中IDk為密鑰k所對(duì)應(yīng)的ID，⊕為二進(jìn)制異或，H0為哈希操作，k0為使用密鑰k進(jìn)行的加密操作，節(jié)點(diǎn)會(huì)存儲(chǔ)一個(gè)各自不同的密鑰K′。由于K′對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)都不同，一旦某個(gè)節(jié)點(diǎn)被俘獲，它所擁有的K′不能被用于解密其它節(jié)點(diǎn)間的加密通信。當(dāng)節(jié)點(diǎn)把某個(gè)密鑰k替換成對(duì)應(yīng)的EK后，只需存儲(chǔ)EK而不再存儲(chǔ)對(duì)應(yīng)的k以節(jié)省存儲(chǔ)空間，因?yàn)樗惴ㄖ兴恍枰縦來對(duì)EK進(jìn)行解密操作，每個(gè)節(jié)點(diǎn)通過K′，ID和H求出EK解密后的值，即H（K′⊕IDk），這個(gè)值被作為建立通信的密鑰，而另外一個(gè)節(jié)點(diǎn)只需擁有k，就可以通過解密EK來獲取這個(gè)通信密鑰，從而建立安全鏈接。

3.2 鏈接建立過程

在通信密鑰建立過程中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都需要發(fā)現(xiàn)周圍能和其密鑰相匹配的節(jié)點(diǎn)。如果兩個(gè)節(jié)點(diǎn)擁有相同的密鑰，或者一個(gè)節(jié)點(diǎn)擁有密鑰，另一個(gè)節(jié)點(diǎn)擁有由該密鑰運(yùn)算得到的EK，都可以認(rèn)為兩個(gè)節(jié)點(diǎn)擁有相匹配的密鑰。在密鑰發(fā)現(xiàn)過程中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)將自己的密鑰ID列表進(jìn)行廣播，這些ID對(duì)應(yīng)自己擁有的密鑰以及EK。當(dāng)廣播完成后，擁有匹配密鑰的節(jié)點(diǎn)就可以建立安全鏈接了。這可以由2種方式達(dá)成，第1種，如果雙方都擁有密鑰k，他們可以使用k作為通信密鑰來建立安全鏈接。第2種，如果一方擁有密鑰k，另一方擁有對(duì)應(yīng)的EK，那么它們也能建立安全鏈接，所使用的密鑰雙方可以按如下步驟計(jì)算，對(duì)于擁有EK的一方，它計(jì)算如下kreal=H（K′⊕IDk）。對(duì)于擁有k的一方，它首先接受另一方傳輸過來的EK，然后計(jì)算kreal=Dk（EKk），其中Dk（）為使用k來進(jìn)行的解密操作。當(dāng)雙方都擁有了相同的密鑰K′后，可以用它來加密通信。由于每個(gè)節(jié)點(diǎn)的K′都不一樣，每個(gè)密鑰的ID也不相同，所以每個(gè)K′只在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間共享，即使它被泄露了也不會(huì)影響其它節(jié)點(diǎn)間的通信。哈希函數(shù)H用于保護(hù)密鑰信息，如果攻擊者已經(jīng)獲取了密鑰k，以及某個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)密鑰k的EK，攻擊者也無法解密EK來獲取這個(gè)節(jié)點(diǎn)的K′信息，這樣也就無法計(jì)算出這個(gè)節(jié)點(diǎn)跟另外節(jié)點(diǎn)通信所使用的kreal。

4 安全性能分析及仿真結(jié)果

4.1 安全性能判斷標(biāo)準(zhǔn)[7]

1）連通性連通性代表網(wǎng)絡(luò)安全連通的能力。即節(jié)點(diǎn)在可通訊的范圍內(nèi)，建立安全鏈接的概率。

2）抗攻擊性抗攻擊性指網(wǎng)絡(luò)在某些節(jié)點(diǎn)被攻破的情況下仍能保持通信安全的能力。

4.2 安全性能分析

4.2.1 抗攻擊性

當(dāng)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)選擇替換特殊信息的u個(gè)密鑰占節(jié)點(diǎn)密鑰m的比例r不同時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生不同的安全性。在算法中給定一個(gè)t，它能在網(wǎng)絡(luò)部署之前計(jì)算出來，r的取值在t的兩邊可以采取兩種不同的密鑰串選擇方法，來使安全性能得到最優(yōu)化。如果P代表密鑰的容量大小，m代表傳感器節(jié)點(diǎn)能容納的密鑰數(shù)目，n代表無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所有節(jié)點(diǎn)的數(shù)目，則m（1-r）n＜=p表示整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中被直接存儲(chǔ)的密鑰數(shù)目小于密鑰池大小。如果讓每個(gè)節(jié)點(diǎn)都存儲(chǔ)不一樣的密鑰，一旦這些節(jié)點(diǎn)被攻破，它們所泄露的密鑰對(duì)其它節(jié)點(diǎn)的鏈接不會(huì)造成任何威脅，這樣整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的抗攻擊性一直會(huì)保持最大值1。當(dāng)r等于t時(shí)上述不等式取等在算法中，一個(gè)節(jié)點(diǎn)會(huì)存儲(chǔ)直接密鑰以及另一些密鑰的間接信息，數(shù)目分別是m（1-r）以及mr。如果它被攻破了，m（1-r）個(gè)密鑰將被泄露，而以及密鑰間接信息對(duì)攻擊者而言沒有任何價(jià)值。當(dāng)S個(gè)節(jié)點(diǎn)被攻破時(shí)仍能保持安全的概率可計(jì)算如由上述分析可知，當(dāng)0≤r＜t時(shí)被攻破的節(jié)點(diǎn)數(shù)目越多那已建立的安全鏈接越不安全，當(dāng)t≤r≤1時(shí)被攻破的節(jié)點(diǎn)不會(huì)對(duì)其它的鏈接產(chǎn)生影響，此時(shí)安全性能達(dá)到最大值。

4.2.2 連通性

如果P表示密鑰池的大小，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)分別存儲(chǔ)K1和K2個(gè)密鑰，不存儲(chǔ)特殊信息，那么這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)能建立安全鏈接點(diǎn)存儲(chǔ)m（1-r）個(gè)密鑰以及mr個(gè)間接密鑰信息。首先，讓A從容量為P的密鑰池中隨機(jī)選擇m（1-r）個(gè)密鑰，然后讓B從剩下的密鑰池中隨機(jī)選擇m（1-r）個(gè)密鑰，最后讓A，B分別從剩下密鑰池中選擇mr個(gè)密鑰，并將他們替換成EK。當(dāng)0≤r＜t時(shí)，A存儲(chǔ)的m（1-r）個(gè)密鑰與B的密鑰及特殊信息沒有匹配的概率為：p1=1-p（P，m，m（1-r）），A存儲(chǔ)的特殊信息與B也無匹配的概率為：p2=1-p（P-m（1-r），mr，m（1-r）），這樣A與B能建立安全鏈接的概率為pn=1-（1-p1）（1-p2）。當(dāng)t≤r＜1時(shí)，任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)都不會(huì)共享密鑰，它們依靠間接密鑰信息來建立鏈接，連通性為pn=1-（1-p（P，mr，m（1-r）））2。

4.2.3 r對(duì)性能的影響

r為可變參數(shù)，不同的值會(huì)導(dǎo)致不同的安全性。一般來說，給定P和m，增加r會(huì)導(dǎo)致更好的抗攻擊性，但會(huì)降低連通性。由于連通性和抗攻擊性在我們改變r(jià)后都會(huì)發(fā)生改變，因此可以通過固定某一個(gè)性能指標(biāo)值來觀察另一個(gè)性能指標(biāo)的變化來判斷綜合性能的變化情況。此處固定m，通過調(diào)節(jié)P來使連通性保持同一個(gè)值。當(dāng)0≤r＜t時(shí)，r與安全性能的關(guān)系如圖2所示。其中連通性取值0.4，每個(gè)節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)能力為200。從圖2中我們知道與KPD算法相比，算法改善了安全性能。

圖2 抗攻擊性（0≤r＜t）Fig.2Performance of anti-attack（0≤r＜t）

當(dāng)t≤r＜1時(shí)節(jié)點(diǎn)被攻破并不會(huì)泄露任何密鑰，網(wǎng)絡(luò)的抗攻擊性能為最好。圖3為與KPD算法的性能比較結(jié)果，其中網(wǎng)絡(luò)規(guī)模分簇規(guī)模為500個(gè)節(jié)點(diǎn)，m為100，P為500，r為0.99，連通性為0.4。

圖3 抗攻擊性（t≤r＜1）Fig.3Performance of anti-attack（t≤r＜1）

由上述性能分析知，算法較其它算法在安全性上有所提高。不同的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，密鑰存儲(chǔ)數(shù)，密鑰池大小，r等參數(shù)均會(huì)導(dǎo)致不同的安全性能，可以根據(jù)實(shí)際情況選擇適當(dāng)?shù)膮?shù)。

5 結(jié)束語

本文提出了一個(gè)基于分簇的有效無線傳感器網(wǎng)絡(luò)密鑰管理方案。在不降低連通性的同時(shí)提高了安全性。在未來，可以探索采用怎樣的分簇算法以及分簇的大小來提高性能，同時(shí)也可以研究11這個(gè)算法與其它算法一起使用的適用性，從而開發(fā)出一個(gè)基于這個(gè)算法的分組框架算法。

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