基于CPK和能量的安全路由算法

蔡志偉，江 汀，李銀勇，李 佳，褚偉銘

（中國(guó)人民解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院 南京 210007)

1 引言

由于傳感器網(wǎng)絡(luò)具有自組織、無(wú)線通信等特點(diǎn)，被運(yùn)用于軍事通信、地震等緊急情況下的通信。隨著傳感器廣泛地運(yùn)用于各種領(lǐng)域，其網(wǎng)絡(luò)的安全性日益被關(guān)注。傳感器網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線通信的特點(diǎn)，比固定網(wǎng)絡(luò)面臨著更多的安全問(wèn)題，構(gòu)建良好的安全路由協(xié)議是其必要的一種手段。傳統(tǒng)路由協(xié)議的主要設(shè)計(jì)目標(biāo)是如何提供更好的QoS和高效利用網(wǎng)絡(luò)帶寬，安全節(jié)約的問(wèn)題被放到了次要的地位。本文根據(jù)傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，提出一種基于CPK和能量的安全路由算法。

2 相關(guān)工作

2.1 傳感器網(wǎng)絡(luò)面臨的安全威脅

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（wireless sensor network,WSN）是一種特殊類型的網(wǎng)絡(luò)，其約束條件很多 (相對(duì)于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò))，這些約束條件加劇了網(wǎng)絡(luò)的安全問(wèn)題[1]。參考文獻(xiàn)[2]列出了WSN在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的各個(gè)層次可能受到的攻擊和主要的防御手段，如表1所示。

本文研究融合網(wǎng)絡(luò)安全路由機(jī)制，因此重點(diǎn)分析網(wǎng)絡(luò)層面臨的安全威脅。針對(duì)網(wǎng)絡(luò)層的攻擊主要有以下幾種[3～5]。

表1 傳感器網(wǎng)絡(luò)各層攻防手段

·選擇性的轉(zhuǎn)發(fā)，基于多跳傳輸?shù)穆酚蓹C(jī)制，中間節(jié)點(diǎn)需要忠實(shí)地轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。但處在數(shù)據(jù)傳輸路徑上的惡意節(jié)點(diǎn)在轉(zhuǎn)發(fā)信息包時(shí)會(huì)有意丟棄，造成信息包的丟失。

·黑洞攻擊，就是通過(guò)一個(gè)惡意節(jié)點(diǎn)吸引一個(gè)特定區(qū)域的幾乎所有的數(shù)據(jù)流量。這個(gè)節(jié)點(diǎn)使路由算法認(rèn)為數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)它能達(dá)到最優(yōu)的性能。黑洞形成后，惡意節(jié)點(diǎn)可以實(shí)施其他攻擊，比如選擇性轉(zhuǎn)發(fā)攻擊。

·偽造、篡改或者重放路由信息，攻擊者通過(guò)改變?cè)酚桑诰W(wǎng)絡(luò)中形成路由環(huán)路，創(chuàng)造不存在的路由，吸引或抑制網(wǎng)絡(luò)流量，縮短或延長(zhǎng)路由長(zhǎng)度，產(chǎn)生虛假錯(cuò)誤消息，延長(zhǎng)端到端的時(shí)延，分割網(wǎng)絡(luò)等。

2.2 傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議研究

傳統(tǒng)路由協(xié)議的主要設(shè)計(jì)目標(biāo)是如何提供更好的QoS和高效利用網(wǎng)絡(luò)帶寬，節(jié)約能量的問(wèn)題被放到了次要的地位。

針對(duì)不同的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，研究人員提出了不同的路由協(xié)議。到目前為止，路由協(xié)議分類仍然不具有確定性，參考文獻(xiàn)[6]總結(jié)了不同的分類方法如圖1所示。有時(shí)一種協(xié)議具有多種屬性，可以同時(shí)分屬于多類。

2.3 傳感器網(wǎng)絡(luò)安全路由設(shè)計(jì)原則

傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全需求主要表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面。

·數(shù)據(jù)機(jī)密性：無(wú)線通信的廣播特性使節(jié)點(diǎn)間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包很容易被截聽。機(jī)密性的含義是即使攻擊者截獲節(jié)點(diǎn)間的物理通信信號(hào)仍然不能破解其所攜帶的具體內(nèi)容。

·數(shù)據(jù)完整性：在WSN通信環(huán)境下，惡意節(jié)點(diǎn)極容易對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行改動(dòng)。完整性要求網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)收到的數(shù)據(jù)包在傳輸過(guò)程中未被插入、刪除、篡改等，即保證收到的消息和源方發(fā)出的消息是完全一致的。

·數(shù)據(jù)真實(shí)性：數(shù)據(jù)的真實(shí)性需求主要體現(xiàn)在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的消息認(rèn)證和廣播認(rèn)證。前者指任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)在收到來(lái)自另一節(jié)點(diǎn)的消息時(shí)，能夠核實(shí)這個(gè)消息的來(lái)源真實(shí)性，不是被偽造或假冒的。

3 基于CPK和能量的安全路由算法

3.1 密鑰分配

傳感器網(wǎng)絡(luò)專門設(shè)立了安全管理中心用來(lái)實(shí)現(xiàn)密鑰的生成與分配。安全管理中心主要作用就是負(fù)責(zé)用戶的注冊(cè)和認(rèn)證，為每個(gè)新接入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)分配ID。如圖2所示，節(jié)點(diǎn)在通信前以現(xiàn)場(chǎng)接觸的方式到安全管理中心獲取橢圓曲線參數(shù)、公鑰矩陣、自己的私鑰以及身份標(biāo)識(shí)ID，通過(guò)這些參數(shù)節(jié)點(diǎn)就能得到全網(wǎng)的公鑰和自己的私鑰。

傳感器節(jié)點(diǎn)需要與其他節(jié)點(diǎn)通信時(shí)，只要知道其ID就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)加解密、數(shù)字簽名等操作。若節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)給節(jié)點(diǎn)i時(shí)（IDi），節(jié)點(diǎn)需要先計(jì)算公鑰。首先節(jié)點(diǎn)將節(jié)點(diǎn)的身份標(biāo)識(shí)IDi通過(guò)標(biāo)識(shí)映射算法Functionmap得出值data：

圖1 WSN路由協(xié)議分類

圖2 密鑰分配

然后在公鑰矩陣PKM中找出與data對(duì)應(yīng)的元素A：

最后，組合這些元素A生成節(jié)點(diǎn)i的公鑰PKi：

節(jié)點(diǎn)通過(guò)得到公鑰 PKi對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理，數(shù)據(jù)包到達(dá)節(jié)點(diǎn)i時(shí)，節(jié)點(diǎn)i通過(guò)自己的私鑰對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行解密處理。

該體制的優(yōu)點(diǎn)就是網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性很好，容易實(shí)現(xiàn)新節(jié)點(diǎn)的加入。新節(jié)點(diǎn)只需要到安全管理中心獲取自己的私鑰、公鑰矩陣、標(biāo)識(shí)映射算法以及使用的橢圓曲線的一系列參數(shù)即可獲得加入網(wǎng)絡(luò)的資格，而其他節(jié)點(diǎn)不需要進(jìn)行額外的通信開銷。

3.2 簇頭建立

在LEACH中采取等概率的方式進(jìn)行簇頭選擇，這樣會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的能量分布不均。為了延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命，本協(xié)議是以能量為依據(jù)進(jìn)行簇頭選擇，以此來(lái)保證網(wǎng)絡(luò)能量的均衡，其基本思想是簇頭的選擇盡量靠近低能量節(jié)點(diǎn)，避免低能量節(jié)點(diǎn)能量消耗過(guò)快退出網(wǎng)絡(luò)。

在簇頭選舉之初，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)交換自己的剩余能量，首先廣播自己的能量包。能量報(bào)文格式如圖3所示。

圖3 能量報(bào)文格式

并在每個(gè)節(jié)點(diǎn)內(nèi)設(shè)置兩個(gè)參數(shù)：N為收到廣播包的總數(shù)，L為收到廣播包能量小于自己的數(shù)目。根據(jù)參考文獻(xiàn)中指出的簇優(yōu)化方案，當(dāng)每個(gè)簇節(jié)點(diǎn)接近20個(gè)左右時(shí)，網(wǎng)絡(luò)壽命最長(zhǎng)，故在本算法中盡量使得每個(gè)簇接近20個(gè)，即網(wǎng)絡(luò)可分為N/20個(gè)簇。

假設(shè)節(jié)點(diǎn)i在時(shí)間t其能量為Ei(t)，每次收到廣播包的能量Ej(t)，若 Ej(t)

通過(guò)簇頭初選之后，簇頭節(jié)點(diǎn)發(fā)布自己為簇頭的消息，非簇頭節(jié)點(diǎn)根據(jù)收到簇頭消息中的能量指示加入該簇頭，為了保證安全性，在加入簇頭階段時(shí)，雙方要進(jìn)行身份認(rèn)證。當(dāng)節(jié)點(diǎn)經(jīng)過(guò)身份認(rèn)證后，發(fā)布入簇消息，然后進(jìn)行時(shí)隙分配。

節(jié)點(diǎn)確定可以成為簇頭之后：

·生成隨機(jī)數(shù)NHead，用自身私鑰SKHead對(duì)廣播消息BHead加密，得到 MSG=DSK(BHead+NHead)；

·候選簇頭廣播消息BHead、MSG和自己的ID；

·等待節(jié)點(diǎn)加入消息。

如圖4所示，其為簇頭節(jié)點(diǎn)進(jìn)行認(rèn)證的步驟。

圖4 簇頭節(jié)點(diǎn)認(rèn)證步驟

上述步驟可以看出，當(dāng)非簇頭節(jié)點(diǎn)使用簇頭的公鑰解密密文MSG時(shí)，如果得不到原明文，則證明簇頭并沒(méi)有使用簇頭節(jié)點(diǎn)的私鑰加密，從而判斷來(lái)源不真實(shí)，實(shí)現(xiàn)了核實(shí)發(fā)送者的功能；如果報(bào)文遭他人篡改，則非簇頭節(jié)點(diǎn)解密密文MSG時(shí)，不能得到可閱讀的明文，從而實(shí)現(xiàn)了報(bào)文的完整性驗(yàn)證功能。

3.3 數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸

在數(shù)據(jù)傳輸階段，普通節(jié)點(diǎn)采集監(jiān)測(cè)地域的數(shù)據(jù)，然后把這些數(shù)據(jù)上傳給簇頭節(jié)點(diǎn)。簇頭節(jié)點(diǎn)將收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，得到用戶所需的信息，然后沿路由傳輸給用戶。由于傳輸?shù)男畔⒕怯脩舻拿舾行畔?，為了保證數(shù)據(jù)的機(jī)密性，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行安全加密處理，其處理流程如下。

節(jié)點(diǎn)A在向節(jié)點(diǎn)B發(fā)包之前，對(duì)報(bào)文進(jìn)行如下處理。

第一步，節(jié)點(diǎn)A首先根據(jù)節(jié)點(diǎn)B的ID組合出B的公鑰PKB，使用PKB加密數(shù)據(jù)。加密計(jì)算式如式（4）所示：

其中EnMsg表示加密后的密文；Msg表示加密前的明文；PKB表示簇頭節(jié)點(diǎn)的公鑰。

圖5 數(shù)據(jù)的安全傳輸

第二步，對(duì)密文進(jìn)行報(bào)文摘要運(yùn)算Fone-way后得到報(bào)文摘要MD，如式（5）所示，將簽名的報(bào)文摘要附加在密文EnMsg的尾端等待發(fā)送。

節(jié)點(diǎn)B收包之后，進(jìn)行如下處理。

第一步，節(jié)點(diǎn)B收包后，首先從數(shù)據(jù)包中分離出密文EnMsg和報(bào)文摘要MD。

第二步，對(duì)報(bào)文EnMsg’進(jìn)行報(bào)文摘要運(yùn)算得到報(bào)文摘要 MD’：

比較MD與MD’，一致則消息完整、真實(shí)，不一致則消息被人篡改。

第三步，節(jié)點(diǎn)B使用其私鑰SKB、計(jì)數(shù)器C的值，解密密文 EnMsg，獲取明文Msg。

其具體的傳輸流程如圖5所示。

4 仿真實(shí)驗(yàn)

本文采用NS2仿真工具建立了網(wǎng)絡(luò)仿真模型，對(duì)改進(jìn)算法和LEACH路由算法進(jìn)行了仿真和性能比較。模擬將100個(gè)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布在（100×100）的空間中，SINK節(jié)點(diǎn)的位置為（0，0）。所有的節(jié)點(diǎn)都是靜止的。帶寬設(shè)置為1 Mbit/s，消息的長(zhǎng)度為500 byte，發(fā)送與接收的時(shí)延均為25 s，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的初始能量相同，為2 J。

指標(biāo)主要有3個(gè)：網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定周期以及網(wǎng)絡(luò)的生存期。其中網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定周期是指?jìng)鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)到第一個(gè)節(jié)點(diǎn)能量耗盡的時(shí)間。

圖6 網(wǎng)絡(luò)生存期

圖6 顯示了兩種協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)生命周期。從中可以看出，第一個(gè)節(jié)點(diǎn)的死亡時(shí)間，BECPK協(xié)議要晚于LEACH，網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定周期比LEACH要長(zhǎng)，全部節(jié)點(diǎn)死亡時(shí)BECPK比LEACH多運(yùn)行了31輪，網(wǎng)絡(luò)生存期要比LEACH要長(zhǎng)。這說(shuō)明，新協(xié)議加入了安全機(jī)制和能量計(jì)算，雖然造成了一定的能量消耗，但是由于可以使能量損耗更加均勻地分布到所有的節(jié)點(diǎn)中，避免了單個(gè)節(jié)點(diǎn)因能量損耗過(guò)大而過(guò)早死亡，從而延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的生存期。本文的仿真場(chǎng)景僅包含100個(gè)節(jié)點(diǎn)，當(dāng)WSN網(wǎng)絡(luò)規(guī)模更大時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的性能提升會(huì)更好。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了適用于基于能量和組合密鑰的安全路由算法。本算法借鑒鄰近節(jié)點(diǎn)信息交換的思想，在成簇過(guò)程中與探測(cè)范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)交換能量信息，保護(hù)低能量節(jié)點(diǎn)，有效延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定周期，并且加入了基于CPK的安全機(jī)制，能夠在一定程度上防御有害節(jié)點(diǎn)的入侵。該算法具有分布式算法的優(yōu)點(diǎn)，無(wú)需任何全局信息和地理位置信息，因此有很好的可擴(kuò)展性。

1 李善倉(cāng)，張克旺．無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)原理與應(yīng)用．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008

2 趙海霞．無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全路由研究．國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文，2005

3 Wood A，Stankovic J．Denial of service in sensor networks．IEEE Computer，2002，35(10)：54～62

4 Yu B，Xiao B．Detecting selective forwarding attacks in wireless sensor networks．In:Proceedings of the 2nd International Workshop on Security in Systems and Networks，Greece，2006

5 Newsome J， Shi E， Song D， et al．The sybil attack in sensor networks analysis and defenses．In:Proceedings of Third Int'1 Symposium on Information Processingin SensorNetworks，Berkeley，2004

6 嚴(yán)國(guó)強(qiáng)．無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議研究．蘭州西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文，2007

7 何美紅，徐成謙，張東良.基于NS2的LEACH協(xié)議仿真與分析.電子測(cè)量技術(shù),2009,32(1):40～42