超球形分布式多播密鑰更新方法研究

楊 帆

（安徽商貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程系，安徽蕪湖241002）

超球形分布式多播密鑰更新方法研究

楊 帆

（安徽商貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程系，安徽蕪湖241002）

提出了一種超球形的分布式安全多播密鑰管理方案。該方案充分利用了分布式多播中成員之間既獨立又協(xié)同的特點，解決了安全多播密鑰的更新問題，更新效率較高，有效地降低了組密鑰更新的通信開銷，且不增加計算開銷和存儲開銷，并能很好地保證更新時的前向安全性和后向安全性。

分布式多播；安全多播；密鑰更新；超球形

目前，分布式多播密鑰管理方案或多或少都存在一些問題，如：在Clique［1］方案中，由于組密鑰是基于Diffie-Hellman［2］算法產(chǎn)生的，密鑰傳輸是線性的，故這種方案存在密鑰存儲量、計算量和通信量的數(shù)量級偏高的問題；基于樹型的TGDH［3］密鑰管理方案雖然較Clique方案在上述幾個方面問題有所改進，但是它存在樹狀結(jié)構(gòu)不平衡的缺點，當節(jié)點分布極度不平衡時，這種方案會變成線性的形式。

對集中式的密鑰管理方案，文獻［4］提出了一種超球形的密鑰組織方式，文獻［5］提出了一種M維幾何球形組播密鑰批量更新方案，它們的實質(zhì)都是在集中式密鑰管理的基礎(chǔ)上引入了超幾何體。在分布式多播中，由于組密鑰是由成員共同參與產(chǎn)生的，協(xié)同性和獨立性更加突出，更加適合利用超球模型來進行密鑰的組織和管理，因此筆者將超球模型引入到分布式多播中，提出一種基于超球模型的分布式安全多播密鑰管理方案。

1 密鑰管理機制

先假設(shè)需要進行多播通信的節(jié)點有n個，將節(jié)點按照一定的規(guī)則進行分組，每組m個，根據(jù)每組節(jié)點的坐標可確定M維超球模型的球心及其半徑，該球心即為這m個節(jié)點的父節(jié)點，再將這些父節(jié)點按m個一組進行劃分，再次產(chǎn)生父節(jié)點，按此規(guī)則繼續(xù)劃分，直至產(chǎn)生根節(jié)點為止，這個根節(jié)點的坐標就是超球模型的超級球心的坐標，最后計算出的半徑就是n個成員的組密鑰?？梢钥闯觯我庖粋€節(jié)點的變化，都會影響其所在球的球心及與其相關(guān)聯(lián)的所有球的球心坐標，而其他球的球心不受影響。為了保證分布式多播的前向和后向安全性，組成員發(fā)生變化時需要進行組密鑰的更新。完成一次組密鑰更新的過程是：通過某些組成員對組密鑰加密后，再將密鑰發(fā)送給多播組中剩余的成員，這些成員用解密密鑰就可計算得到新的組密鑰。

1.1 組密鑰的生成機制

組成員相互協(xié)商可以產(chǎn)生一個共同的密鑰，也就是說，不同的分布式多播組能夠安全地協(xié)商出一個共同的加密密鑰。設(shè)節(jié)點被分成4個多播組L、R、N、S，L的發(fā)起人是ML，密鑰加密密鑰是KL，R的發(fā)起人是MR，密鑰加密密鑰是KR，N的發(fā)起人是MN，密鑰加密密鑰是KN，S的發(fā)起人是MS，密鑰加密密鑰是KS。這里，對任意以非葉子節(jié)點（包括最頂節(jié)點）為根節(jié)點的子樹，可選擇其中一個葉子節(jié)點作為該子樹的發(fā)起人。這4個小組通過如下步驟產(chǎn)生一個共同的組密鑰。

1）ML、MR、MN、MS根據(jù)自身的坐標，計算出共同的球心，然后計算出這個球的半徑，即組密鑰K。

2）ML通過KL加密K并把它多播給L中的其他成員，MR通過KR加密K并把它多播給R中的其他成員，MN通過KN加密K并把它多播給N中的其他成員，MS通過KS加密K并把它多播給S中的其他成員，直到多播組L、R、N、S中所有成員都安全地接收到新的組密鑰K。

例如：分布式多播組有n=4m個成員，先將其分成4個子組，每個子組包含4m-1個成員，再將子組繼續(xù)以4個成員為一組進行劃分，直到最后產(chǎn)生若干個小組，每

個小組都有4個成員；然后通過如下步驟生成組密鑰。

1）第一組的4個成員M1、M2、M3和M4計算出所在球的球心O1，然后計算出半徑R1。

2）第二組M5、M6、M7和M8計算出所在球的球心O2，然后計算出半徑R2。

3）以此類推，直到最后一組計算出它們所在球的球心On和半徑Rn。

4）將1）和2）中得到的球心O1、O2、…、On按4個一組再次進行劃分，然后重復(fù)1）和2），直到得到根球心O和根半徑R。這個根半徑就是分布式多播的組密鑰，如圖1所示。

圖1 n個成員協(xié)商組密鑰

1.2 組成員的加入和離開

當有成員加入或離開多播組時，為了保證分布式多播的安全性，組密鑰必須進行更新。本文考慮具有16個成員的分布式多播組的組密鑰更新。

（1）假設(shè)M4請求加入多播組，由用戶M1所在的子組接納，如圖2所示，那么從M1所在球的球心到根球心之間的所有相關(guān)的球心和半徑都會發(fā)生變化。組密鑰更新的具體步驟如下：

1）M1與M2、M3、M4計算出新的球心和半徑，這個新的半徑成為該組新的子組密鑰，記為；

2）M1與M5、M9、M13根據(jù)各組的球心計算出新的父球心和半徑，這個新的半徑即為新的組密鑰，記為；

以下表達式說明了組密鑰的更新過程，如第1行是指以M1用加密發(fā)送給｛M2，M3，M4｝。

M16｝收到更新報文后，用各自所在子組的子組密鑰解密即可得到。

圖2 成員M4加入時需要更新的密鑰

（2）假設(shè)M1離開多播組，為了保證后向安全性，M1知道的密鑰都需要更新，如圖3所示。

圖3 成員離開時需要更新的密鑰

密鑰更新的步驟如下：

1）M2取代M1成為M3和M4的發(fā)起人；

2）M2與M3、M4共同決定一個球，計算出該球的球心和半徑，這個半徑即為新的子組密鑰；

3）M2與M5、M9、M13根據(jù)各組的球心重新計算父球心和半徑，以新的半徑作為新的組密鑰，記為；

圖4 成員M1離開后的超球結(jié)構(gòu)

2 性能分析

2.1 安全性分析

在本方案中，當有成員加入多播組時，必然會引起從該成員所在的葉子節(jié)點到超球的根球心這條路徑上的所有節(jié)點的坐標的變化，那么這條路徑上的所有相關(guān)球的半徑也會發(fā)生變化，即這條路徑上所有的密鑰全部更新。新的組密鑰由每組的發(fā)起成員用子組密鑰加密后，安全地傳遞給多播組中的其他成員，使新加入的組成員無法獲取原來的組密鑰，也就無法破解在其加入之前的多播消息，保證了多播的后向安全性。

同樣，當有成員離開多播組時，從該成員所在的子組到超球的根球心這條路徑上的所有節(jié)點的坐標也都會發(fā)生變化，即將產(chǎn)生新的子組密鑰和多播組密鑰。每組的發(fā)起成員將組密鑰安全地發(fā)送給多播組內(nèi)的剩余成員，而離開的成員是無法計算出新的子組密鑰和新的組密鑰的，即保證了多播的前向安全性。

2.2 復(fù)雜度分析

從以上分析可以看出，在n個成員組成的超球模型分布式多播中，只需要進行l(wèi)og4n輪迭代運算就可以產(chǎn)生組密鑰。

從密鑰存儲的角度來分析，每一組中除了發(fā)起成員以外，其他成員只參與了該子組的密鑰協(xié)商運算，剩下的迭代運算都只是由每一組的發(fā)起成員來完成，組密鑰產(chǎn)生以后，也由發(fā)起成員負責(zé)將其轉(zhuǎn)發(fā)給各組的其他成員。因此，在基于超球模型的分布式多播中，每個成員只需要保存兩個密鑰即可。

當有成員加入時，新加入的成員所在的子組需重新計算子組密鑰，并和其他的子組進行l(wèi)og4n輪迭代運算來產(chǎn)生新的組密鑰。新的組密鑰由各組的發(fā)起成員加密后發(fā)送給各組的成員，共需要進行l(wèi)og4n次加密運算，故計算量為O（log4n）。由于每一組中除發(fā)起成員以外，都需要通過發(fā)送更新報文進行密鑰更新，對每組4個成員的多播組來說，通信開銷為3log4n。

成員離開時情形與成員加入時相同，發(fā)起成員需要進行l(wèi)og4n輪迭代運算產(chǎn)生新的組密鑰，之后進行l(wèi)og4n次加密運算后發(fā)送給其他多播成員，通信開銷為3log4n。

綜上所述，在多播組成員數(shù)為n的情況下，密鑰存儲的復(fù)雜度為O（1），計算量和通信量為O（log4n），該方案具有良好的可縮放性。

3 結(jié)束語

基于超球模型的分布式密鑰管理方案是將超球模型引入到了分布式多播中，該方案具有良好的擴展性和安全性，這種密鑰組織方式可以有效降低密鑰更新時的開銷，提高分布式多播密鑰更新的效率。

［1］STEINER M，WAIDNER M，TSUDIK G.CLIQUES：A New Approach to Group Key Agreement［C］//Proceedings of the The 18thInternational Conference on Distributed Computing Systems，IEEE Computer Society，Baltimore，Maryland，May 10-13，1997，IEEE，1998：380.

［2］DIFFIEW，HELLMANME.NewDirectionsin Cryptography［J］.IEEE Trans onInformation Theory，1976，22（6）：644-654.

［3］KIM Y，PERRIG A，TSUDIK G.Tree-based Group Key Agreement［J］.ACM TransInf Syst Secur，2004，7（1）：60-96.

［4］陳少軍，馮年榮，許勇，等.基于超球形的多播密鑰更新方法［J］.安徽工程科技學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2007（3）：48-50.

［5］謝海濤，王玉明，楊宗凱，等.一種M維幾何球形組播密鑰批量更新方案［J］.小型微型計算機系統(tǒng)，2010（2）：254-258.

【責(zé)任編輯 梅欣麗】

Research on Distributed Multicast Rekeying Schema Based on Super Geometry Sphere

YANG Fan
（Department of ElectronicInformation and Engineering，Anhui Business College，Wuhu 241002，China）

A distributed multicast rekeying schema based on super geometry sphere was proposed.The schema took full advantage of both independent and collaborative features among members of distributed multicast to solve the security problem of multicast rekeying；in the same time，the higher efficiency updating of the program effectively reduced communication overhead of the group rekeying without increasing the computational and storage overhead and it could ensure the forward and backward security while updating.

distributed multicast；multicast security；rekeying；super geometry sphere

TP393

A

2095-7726（2015）12-0040-04

2015-07-01

楊帆（1989-），男，安徽懷寧人，助教，碩士，研究方向：網(wǎng)絡(luò)安全與移動互聯(lián)。