適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)密鑰管理LEAP方案的改進(jìn)與優(yōu)化

余宜誠,張文才,胡 亮,吳方明,初劍峰

(1. 吉林大學(xué) 計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,長春 130012；2. 吉林省公安廳 交通警察總隊,長春 130028)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor networks,WSN)廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)控、 軍事、 醫(yī)療、 交通控制、 森林防火等領(lǐng)域[1-3],但由于傳感器節(jié)點大多數(shù)部署在無人觸及、 易受損、 易被俘獲的環(huán)境下,因此保證無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全性十分重要[4-6].

為實現(xiàn)WSN中節(jié)點通信的機密性、 完整性和可認(rèn)證性等安全特性,人們提出了許多密鑰管理方案,如E-G方案[7]、 基于E-G模型的實現(xiàn)方案[8]、 基于多項式的密鑰管理方案[9]、 基于部署信息的方案[10]、 LEAP方案[11]和基于橢圓曲線點加的方案[12]等.

本文提出一種基于LEAP方案改進(jìn)的密鑰管理方案,通過引入秘密信息驗證節(jié)點的合法性,用Diffie-Hellman算法生成配對密鑰以增強方案的安全性,與LEAP方案相比,本文提出的方案在計算代價上略有增加,但能克服LEAP方案的缺點.

1 預(yù)備知識

1.1 LEAP方案

LEAP方案是基于單一密鑰機制無法實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全通信思想而提出的,該方案的優(yōu)點是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點被俘獲時,不會對其他節(jié)點的安全產(chǎn)生威脅,但在節(jié)點部署后特定的時間段內(nèi),節(jié)點需要保存WSN全網(wǎng)通用的主密鑰,而一旦該密鑰暴露,網(wǎng)絡(luò)的安全極其危險.

LEAP方案的提出基于如下假設(shè)：攻擊者想要俘獲WSN中的傳感器節(jié)點,至少需要花費Tmin時間,而新節(jié)點部署后,尋找鄰居節(jié)點并產(chǎn)生與鄰居節(jié)點的配對密鑰需花費Test時間(Tmin>Test). 該方案根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中傳送的消息包類別和安全級別,將網(wǎng)絡(luò)中的通信密鑰分為4種類型：基站與節(jié)點進(jìn)行通信的唯一密鑰、 簇頭節(jié)點間通信的對偶密鑰、 簇內(nèi)節(jié)點間通信的簇密鑰和全組通信的組密鑰.

1.2 Diffie-Hellman算法

1) 存在兩個全局公開的參數(shù)：素數(shù)q和整數(shù)α,α是q的一個原根.

2) 假設(shè)A,B用戶需要交換一個密鑰,A用戶生成一個隨機數(shù)XA

3) 用戶A以K= (YB)XAmodq產(chǎn)生共享密鑰. 同樣,用戶B產(chǎn)生共享密鑰K= (YA)XBmodq,

因此雙方能夠得到相同的共享密鑰.

由于計算以素數(shù)為模的指數(shù)相對容易,而計算離散對數(shù)較難,因此用Diffie-Hellman算法計算配對密鑰能保證密鑰的安全性.

2 改進(jìn)方案

設(shè)u,v表示傳感器節(jié)點中的普通節(jié)點；Ki表示基站與節(jié)點間的通信密鑰；Ek(M)表示用密鑰K對消息M進(jìn)行加密；MAC(K,M)表示消息M使用對稱密鑰K返回的消息認(rèn)證碼；h(x)表示對x求其哈希值.

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中,由于基站、 簇頭和普通節(jié)點在計算能力、 存儲空間等方面存在較大差距,因此它們在WSN中的作用也不同.

2.1 方案初始化

在網(wǎng)絡(luò)部署前,每個節(jié)點先預(yù)存自身的ID、 與基站的通信密鑰Ki及大素數(shù)p和p的本原根α.

2.2 密鑰的建立

簇內(nèi)普通節(jié)點密鑰分配過程分為如下4個階段.

1) 主密鑰分配階段.

② 基站收齊所有節(jié)點的秘密信息后,用與各節(jié)點相對應(yīng)的Ki進(jìn)行解密,得到各節(jié)點的秘密信息Hi和節(jié)點ID,計算

p(x)=(x-H1)(x-H2)…(x-Hn) modp;

基站生成主密鑰K,計算

g(x)=[p(x)+K] modp,

將g(x)廣播發(fā)送給WSN中的所有傳感器節(jié)點;

③ 節(jié)點收到g(x),將各自的秘密信息Hi代入g(x)進(jìn)行計算得到主密鑰K,刪除自身的秘密信息Hi.

2) 簇內(nèi)發(fā)現(xiàn)鄰居節(jié)點階段.

傳感器節(jié)點部署到網(wǎng)絡(luò)后都將初始化一個計時器,時間一旦超過Tmin便會報警. 節(jié)點廣播包含其節(jié)點ID的Hello消息,節(jié)點u等待每個鄰居節(jié)點v以其ID號作為回應(yīng)消息,消息均通過主密鑰K進(jìn)行加密及解密,其中：

如圖1所示.

圖1 節(jié)點u發(fā)現(xiàn)鄰居節(jié)點的過程Fig.1 Process of neighbor discovery

3) 配對密鑰生成階段.

節(jié)點u生成一個隨機數(shù)Xu

Ku,v= (Yv)Xumodq=αXvXumodq= (Yu)Xvmodq.

4) 密鑰信息刪除階段.

節(jié)點中的定時器時間一超過Test,節(jié)點u便刪除主密鑰K、 大素數(shù)p和p的本原根α.

3 性能分析

3.1 安全性分析

在LEAP方案中,當(dāng)Test>Tmin時,攻擊者即可能獲取初始化密鑰KI,而在本文改進(jìn)方案中,合法節(jié)點存有基站與其通信的密鑰Ki,并用其對Hi進(jìn)行加密,發(fā)送給基站. 攻擊者沒有Ki,發(fā)送的非法秘密信息無法通過基站認(rèn)證,從而保證了秘密信息的合法性,且只有合法節(jié)點才能通過g(x)計算出主密鑰K,保證了密鑰安全,且在發(fā)現(xiàn)鄰居節(jié)點階段,節(jié)點間的合法性認(rèn)證可通過主密鑰K的加解密實現(xiàn),能有效識別非法節(jié)點,因此本文改進(jìn)方案也能抵抗Hello Message攻擊. 在配對密鑰生成階段,通信雙方通過Diffie-Hellman密鑰交換算法獲得會話密鑰,即使交換的中間參數(shù)被攻擊者獲取,會話密鑰也不會暴露. 因此,本文改進(jìn)方案的安全性強于LEAP方案.

3.2 節(jié)點開銷分析

3.2.1 存儲開銷 在LEAP方案中,普通節(jié)點只需存儲初始化密鑰KI和節(jié)點標(biāo)志ID,而本文改進(jìn)方案中,雖然每個節(jié)點需存儲的信息有與基站通信的密鑰Ki、 節(jié)點標(biāo)志ID、 自身的秘密信息Hi、 本原根α、 大素數(shù)p及與鄰居節(jié)點間的會話密鑰,但在密鑰分配完成過程中,這些信息都先后被刪除了,所以兩個方案在存儲代價上相等.

3.2.2 計算開銷 與LEAP方案相比,本文改進(jìn)方案在主密鑰分配階段,進(jìn)行了一次哈希運算和一次加密運算；在鄰居發(fā)現(xiàn)階段發(fā)送的信息經(jīng)過主密鑰K加密,收到的信息也經(jīng)過主密匙K進(jìn)行解密；在生成配對密鑰階段,節(jié)點生成Yu,進(jìn)行了一次指數(shù)運算,在生成配對密鑰時,又進(jìn)行了一次指數(shù)運算得到配對密鑰. 雖然本文改進(jìn)方案的計算開銷大于LEAP方案,但考慮到指數(shù)運算只在生成或更新配對密鑰時才需進(jìn)行,故本文改進(jìn)方案的計算開銷可以接受.

3.2.3 通信開銷 本文改進(jìn)方案只在主密鑰分配時,普通節(jié)點將秘密信息Hi發(fā)送給基站,比LEAP方案多一次通信,但在系統(tǒng)中僅發(fā)生一次,因此,兩個方案的通信代價相等.

表1列出了本文改進(jìn)方案與原LEAP方案的對比結(jié)果.

表1 本文改進(jìn)方案與原LEAP方案的對比Table 1 Comparison of this scheme and LEAP scheme

綜上所述， 本文提出了一種基于LEAP方案改進(jìn)的密鑰管理方案,通過引入一個節(jié)點秘密信息驗證節(jié)點合法性的方法,計算網(wǎng)絡(luò)中的主密鑰,利用Diffie-Hellman算法生成節(jié)點間配對密鑰,保障了密鑰的安全性. 性能分析結(jié)果表明,與LEAP方案相比,本文改進(jìn)方案的存儲開銷和通信開銷與原方案相同,在計算代價上略有增加,但能克服LEAP方案的缺點,提高了網(wǎng)絡(luò)的安全性.

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