傳感器節(jié)點(diǎn)相互協(xié)作的廣播認(rèn)證

曾小飛　盧建朱　王潔

摘要：針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）中基于數(shù)字簽名的公鑰加密體制的廣播認(rèn)證需要耗費(fèi)大量的能量，以及傳感器節(jié)點(diǎn)資源有限的問題，為了減少傳感器節(jié)點(diǎn)的能量耗費(fèi)和加快傳感器節(jié)點(diǎn)的認(rèn)證，提出一種傳感器節(jié)點(diǎn)相互協(xié)作的廣播認(rèn)證方案。首先，用戶向無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)絡(luò)廣播其簽名信息，但不廣播簽名信息中點(diǎn)的縱坐標(biāo)；然后，組網(wǎng)絡(luò)中的高能量節(jié)點(diǎn)依據(jù)點(diǎn)的橫坐標(biāo)和橢圓曲線方程計(jì)算得出縱坐標(biāo)，并將其廣播給組內(nèi)的一般節(jié)點(diǎn)，同時(shí)利用vBNN-IBS數(shù)字簽名對(duì)用戶廣播的簽名信息進(jìn)行認(rèn)證，并轉(zhuǎn)播有效的簽名信息；最后，組網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的一般節(jié)點(diǎn)收到縱坐標(biāo)后，利用橢圓曲線方程驗(yàn)證其有效性和正確性，同時(shí)執(zhí)行和高能節(jié)點(diǎn)相同的簽名認(rèn)證過程，并轉(zhuǎn)播有效的簽名信息。此外，該方案通過整合立即撤銷和自動(dòng)撤銷以最大限度地減小授權(quán)撤銷列表（ARL）的長(zhǎng)度。仿真實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)認(rèn)證節(jié)點(diǎn)收到來自鄰居節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包達(dá)到一定數(shù)目時(shí)，該方案的能量耗費(fèi)和認(rèn)證總時(shí)間比

利用WSN中傳感器節(jié)點(diǎn)間的相互協(xié)作來加速

vBNN-IBS的簽名方案分別減少了41%和66%。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；數(shù)字簽名；公鑰加密體制；廣播認(rèn)證；用戶撤銷

中圖分類號(hào)：TP309.7

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

廣播是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）中數(shù)據(jù)分發(fā)和收集的主要方式， 不但用于基站向網(wǎng)絡(luò)中發(fā)布查詢、配置命令和管理信息，也用于傳感器節(jié)點(diǎn)和其鄰居之間的通信。為了獲得WSN中的有用信息，用戶也可動(dòng)態(tài)地向WSN中廣播一些命令或需求信息[1]。由于無線鏈路的開放性，如果不對(duì)其廣播信息實(shí)施安全機(jī)制，攻擊者很容易冒充授權(quán)用戶、基站或合法的傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行攻擊。廣播認(rèn)證是保證廣播信息的完整性和廣播源的真實(shí)性的重要手段，是WSN的基本安全服務(wù)之一[2]。

當(dāng)廣播認(rèn)證的問題一開始出現(xiàn)時(shí)，人們首先想到的是使用基于對(duì)稱加密的μTESLA（an extension to Timed Efficient Stream Loss-tolerant Authentication）方案，但是μTESLA方案會(huì)導(dǎo)致拒絕服務(wù)攻擊（Denial of Service， DoS）攻擊[3]。由于廣播信息的接收者往往是互不信任的，因此廣播認(rèn)證要求一種非對(duì)稱的機(jī)制。WSN廣播認(rèn)證目前主要存在兩種方式：基于消息認(rèn)證碼（Message Authentication Code， MAC）方式和基于數(shù)字簽名認(rèn)證的方式?；谙⒄J(rèn)證碼的認(rèn)證方案主要是μTESLA[4]及其改進(jìn)方案。Perrig[5]等通過時(shí)間劃分，將每個(gè)小的時(shí)隙與一個(gè)由密鑰種子生成的反向散列鏈上的密鑰對(duì)應(yīng)，并通過延遲公布密鑰的方法實(shí)現(xiàn)了認(rèn)證的非對(duì)稱性。但由于密鑰的延遲發(fā)布，敵手易發(fā)動(dòng)泛洪攻擊和蟲洞攻擊[6]。

基于數(shù)字簽名的公鑰方案一度被認(rèn)為不適用于傳感器網(wǎng)絡(luò)，但研究表明：即使是軟件實(shí)現(xiàn)的公鑰方案也可用于傳感器網(wǎng)絡(luò)[7]。由于橢圓曲線上的數(shù)字簽名系統(tǒng)為160b的密鑰提供了與1024b密鑰的RSA（Rivest-Shamir-Adleman）方案相同的安全性，且不需要延遲發(fā)布密鑰，提供了比μTESLA 等方案更好的安全性及靈活性，為WSN中的廣播認(rèn)證提供了一種重要的認(rèn)證方式[8]。由于傳感器節(jié)點(diǎn)資源有限，開銷是一個(gè)不容忽視的問題。因此，在基于數(shù)字簽名的廣播認(rèn)證方案中以低能耗的方式對(duì)虛假數(shù)據(jù)進(jìn)行認(rèn)證過濾尤為重要[6]。

近兩年，有研究者提出可以通過傳感器節(jié)點(diǎn)的相互協(xié)作來加快簽名認(rèn)證[9]。受此啟發(fā)，Benzaid等[10]利用WSN中傳感器節(jié)點(diǎn)間的相互協(xié)作來加速vBNN-IBS（a variant of Bellare-Namprempre-Neben-Identity-Based Signature）簽名方案的廣播認(rèn)證（以下簡(jiǎn)稱Benzaid方案），以減少傳感器節(jié)點(diǎn)的能耗。具體地，傳感器節(jié)點(diǎn)通過接收β個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)傳送過來的中間計(jì)算結(jié)果實(shí)現(xiàn)簽名認(rèn)證，以加速節(jié)點(diǎn)的廣播認(rèn)證和減少認(rèn)證節(jié)點(diǎn)的能耗。該方法僅當(dāng)β個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)傳送過來的中間計(jì)算結(jié)果完全相同時(shí)，認(rèn)證節(jié)點(diǎn)執(zhí)行點(diǎn)乘運(yùn)算的次數(shù)從3降為1（簡(jiǎn)記為情形Ⅰ）；否則，該節(jié)點(diǎn)仍需要3次點(diǎn)乘運(yùn)算執(zhí)行通常的簽名認(rèn)證（簡(jiǎn)記為情形Ⅱ）。

后一種情形（情形Ⅱ）不僅沒有減少認(rèn)證節(jié)點(diǎn)的計(jì)算成本、認(rèn)證時(shí)間，反而使認(rèn)證節(jié)點(diǎn)在等待β個(gè)數(shù)據(jù)包和鄰居節(jié)點(diǎn)傳送中間計(jì)算結(jié)果時(shí)增加了其認(rèn)證時(shí)間、通信成本和能量耗費(fèi)。對(duì)于前一種情形（情形Ⅰ），通過分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)要求的鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)目β較大時(shí)，也不能實(shí)現(xiàn)節(jié)能，而且認(rèn)證延時(shí)增加；而較小的β值又可能導(dǎo)致攻擊者的假數(shù)據(jù)信息不能及時(shí)有效地識(shí)別過濾。為此，本文設(shè)計(jì)了一種新的節(jié)點(diǎn)協(xié)作機(jī)制，以節(jié)約傳感器節(jié)點(diǎn)的能量和快速實(shí)現(xiàn)基于數(shù)字簽名的廣播認(rèn)證。

為減少通信成本和縮短認(rèn)證延時(shí)，本文提出一種數(shù)字簽名的有效認(rèn)證機(jī)制，以實(shí)現(xiàn)WSN中的廣播認(rèn)證。為了節(jié)約通信成本，在簽名中點(diǎn)的y坐標(biāo)不與簽名一起發(fā)送，認(rèn)證節(jié)點(diǎn)通過與鄰居的高能量節(jié)點(diǎn)合作獲取對(duì)應(yīng)點(diǎn)的y坐標(biāo)，其中高能量節(jié)點(diǎn)根據(jù)點(diǎn)的x坐標(biāo)和橢圓曲線表達(dá)式執(zhí)行一個(gè)平方根計(jì)算得到其y坐標(biāo)。認(rèn)證節(jié)點(diǎn)利用點(diǎn)的x坐標(biāo)和橢圓曲線表達(dá)式可檢查高能節(jié)點(diǎn)中間計(jì)算結(jié)果的有效性，然后根據(jù)恢復(fù)的點(diǎn)執(zhí)行通常的簽名認(rèn)證。進(jìn)一步地，通過整合即時(shí)撤銷和自動(dòng)撤銷，減小授權(quán)撤銷列表（Authorization Revocation List， ARL）的長(zhǎng)度，加快用戶授權(quán)撤銷的檢查，提升簽名認(rèn)證速度。與改進(jìn)vBNN-IBS簽名方案相比，本文所提出的機(jī)制減小了廣播認(rèn)證的延時(shí)，加快了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的廣播認(rèn)證，降低了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能量耗費(fèi)。

1本文設(shè)計(jì)方案

依據(jù)vBNN-IBS簽名方案的有效性和傳感器節(jié)點(diǎn)資源有限的特性，本章設(shè)計(jì)了一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)相互協(xié)作的廣播認(rèn)證方案。系統(tǒng)包含向無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)布信息的用戶，驗(yàn)證用戶發(fā)布信息的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)、管理用戶及其無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)管理者。該方案由系統(tǒng)初始化、用戶授權(quán)、用戶簽名的生成、簽名認(rèn)證和用戶授權(quán)撤銷五部分組成。相關(guān)的具體操作將在下面描述。

1.1系統(tǒng)初始化

令q是一個(gè)整數(shù)，p是一個(gè)大素?cái)?shù)。假設(shè)G是定義在數(shù)域Fq中橢圓曲線Ep（a，b）上的加法群，P是G的n階生成元。系統(tǒng)為基站分配一個(gè)私鑰/公鑰對(duì)（x，P0），其中x∈Zn，P0=xP；然后選取兩個(gè)安全的Hash函數(shù)H1：{0，1}*G*1→Zn和H2：{0，1}*→Zn；最后系統(tǒng)廣播公共參數(shù)（q，p，n，Ep（a，b），P，P0，H1，H2）。

1.2用戶授權(quán)

對(duì)于有需要生成相關(guān)簽名信息的用戶，系統(tǒng)運(yùn)行私鑰生成器（Private Key Generator， PKG）為其簽發(fā)一個(gè)私鑰/公鑰對(duì)（R，s，tU），其中：R=rP，s=r+cx，c=H1（IDU‖tU‖R），r是Zn中的一個(gè)隨機(jī)整數(shù)，IDU是用戶U的身份標(biāo)識(shí)符，tU是系統(tǒng)發(fā)布簽名密鑰的時(shí)間。系統(tǒng)可通過一個(gè)安全渠道（如密鑰信道）將簽名密鑰（R，s，tU）發(fā)送給用戶U。

系統(tǒng)維護(hù)管理一個(gè)授權(quán)撤銷列表ARL，初始設(shè)置為空集。如果一個(gè)用戶的身份標(biāo)識(shí)符在ARL中，則其簽名密鑰的授權(quán)被撤銷。

1.3用戶簽名的生成

假設(shè)用戶U現(xiàn)需要向無線傳感器網(wǎng)絡(luò)廣播消息m=m′‖IDU‖tt，其中：m′是用戶U的簽名信息，tt是用戶U當(dāng)前的時(shí)間戳。用戶U利用簽名密鑰（R，s，tU）生成對(duì)應(yīng)信息m的簽名，具體操作如下：

在簽名的協(xié)作認(rèn)證中，首先檢測(cè)用戶IDU是否包含在撤銷列表ARL中。為此，傳感器節(jié)點(diǎn)需要遍歷ARL。冗長(zhǎng)的ARL將降低簽名認(rèn)證的效率，減少ARL的長(zhǎng)度是提高數(shù)字簽名認(rèn)證效率的一個(gè)重要因素。

1.5用戶授權(quán)撤銷

假設(shè)每個(gè)授權(quán)的最長(zhǎng)有效期為Δ。對(duì)于持有授權(quán)簽名密鑰（R，s，tU）的用戶U，有效期為[tU，tU+Δ）時(shí)間段，在時(shí)刻tU+Δ將自動(dòng)地撤銷該授權(quán)。若該用戶申請(qǐng)保留授權(quán)，系統(tǒng)在時(shí)刻tU+Δ之前，生成一個(gè)在時(shí)刻tU+Δ啟用的新授權(quán)簽名密鑰（R′，s′，tU+Δ）。

對(duì)于持有授權(quán)簽名密鑰（R，s，tU）的用戶U，在時(shí)間段[tU，tU+Δ）其簽名密鑰泄露或被確認(rèn)為惡意用戶，系統(tǒng)將撤銷該授權(quán)。為此，系統(tǒng)將用戶的IDU和授權(quán)時(shí)間tU放入ARL中，實(shí)現(xiàn)用戶授權(quán)的即時(shí)撤銷。然后，系統(tǒng)自動(dòng)清除ARL中滿足t-tU′≥Δ的授權(quán)數(shù)據(jù)（IDU′，tU′），向WSN所有傳感器節(jié)點(diǎn)廣播更新的ARL，其中t是系統(tǒng)的當(dāng)前時(shí)間。

通過授權(quán)到期的自動(dòng)撤銷和對(duì)ARL中到期撤銷數(shù)據(jù)的清除操作，極大地減少了ARL的長(zhǎng)度，可節(jié)約傳感器節(jié)點(diǎn)的遍歷時(shí)間。進(jìn)一步地，Δ越小，相應(yīng)的ARL的長(zhǎng)度越短，但系統(tǒng)需要頻繁地更新申請(qǐng)保留授權(quán)的更新，所以選擇合適的Δ，需要平衡系統(tǒng)的有效性與傳感器節(jié)點(diǎn)遍歷ARL的有效性，它是對(duì)這兩者的折中。

2安全性分析

本文方案的安全性是基于安全的Hash函數(shù)和vBNN-IBS簽名方案的有效性。下面將從三方面對(duì)本文方案進(jìn)行安全性分析：本文簽名方案的安全性、攻擊者私自修改帶時(shí)間戳的用戶授權(quán)的安全性和廣播信息認(rèn)證的安全性。

2.1本文簽名方案的安全性分析

定理1

若BNN-IBS簽名方案是可對(duì)抗偽造攻擊的，則vBNN-IBS簽名方案也可對(duì)抗偽造攻擊[7]。

定理2

若vBNN-IBS簽名方案是可對(duì)抗偽造攻擊的，則本文簽名方案也可對(duì)抗偽造攻擊。

由定理1得定理2，下面用反證法證明定理2，具體如下：

3性能分析

本文方案與文獻(xiàn)[10]都是基于橢圓曲線上的vBNN-IBS簽名方案。在vBNN-IBS簽名認(rèn)證中，傳感器節(jié)點(diǎn)的能量主要耗費(fèi)在信息的接受和發(fā)送、簽名驗(yàn)證中的相關(guān)計(jì)算以及對(duì)授權(quán)撤銷列表ARL的遍歷。本章將從計(jì)算成本和通信成本兩方面對(duì)本文方案的性能進(jìn)行分析，并與Benzaid方案[10]作比較。

3.1計(jì)算成本分析

假設(shè)TP是橢圓曲線上一個(gè)加法群G上的點(diǎn)乘運(yùn)算消耗的時(shí)間；TS是加法群G上兩個(gè)點(diǎn)的加法運(yùn)算消耗的時(shí)間；Ty是計(jì)算橢圓曲線上一個(gè)點(diǎn)的橫坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的縱坐標(biāo)消耗的時(shí)間；Th是執(zhí)行一次哈希運(yùn)算消耗的時(shí)間；Tb是授權(quán)撤銷列表ARL執(zhí)行一次掃描和比較操作消耗的時(shí)間；L表示當(dāng)前授權(quán)撤銷列表ARL的長(zhǎng)度。表1給出了本文方案與Benzaid方案關(guān)于高能節(jié)點(diǎn)和一般節(jié)點(diǎn)的計(jì)算成本比較。

本文方案和Benzaid方案高能節(jié)點(diǎn)的能量耗費(fèi)對(duì)比如圖2所示；本文方案和Benzaid方案一般節(jié)點(diǎn)的能量耗費(fèi)對(duì)比如圖3所示；本文方案和Benzaid方案高能節(jié)點(diǎn)的認(rèn)證總時(shí)間對(duì)比如圖4所示；本文方案和Benzaid方案一般節(jié)點(diǎn)的認(rèn)證總時(shí)間對(duì)比如圖5所示。

綜上所述，從理論分析和實(shí)驗(yàn)仿真可知，與Benzaid方案相比，本文方案減小了廣播認(rèn)證的延時(shí)，加快了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的廣播認(rèn)證，降低了傳感器節(jié)點(diǎn)的能量耗費(fèi)。

5結(jié)語

本文提出了一種關(guān)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中廣播簽名的有效認(rèn)證機(jī)制，其安全性是基于單向的哈希函數(shù)和基于橢圓曲線上離散對(duì)數(shù)難問題的vBNN-IBS簽名方案。本文所提出的方案通過設(shè)置組網(wǎng)絡(luò)和高能節(jié)點(diǎn)，通過高能節(jié)點(diǎn)和一般節(jié)點(diǎn)的相互協(xié)作，可及時(shí)有效地認(rèn)證所接收的廣播簽名信息。和Benzaid方案相比，能較好地在復(fù)雜多變的攻擊環(huán)境中正確有效地認(rèn)證網(wǎng)絡(luò)中的廣播簽名，同時(shí)減少了高能節(jié)點(diǎn)和一般節(jié)點(diǎn)的能量耗費(fèi)，減小了廣播認(rèn)證延時(shí)，從而達(dá)到更快速的廣播認(rèn)證。此外，本文方案使用帶時(shí)間戳的用戶授權(quán)，使用戶授權(quán)到期自動(dòng)取消，提高了系統(tǒng)地實(shí)用性。在廣播簽名的認(rèn)證中，關(guān)于傳感器節(jié)點(diǎn)的相互協(xié)作與隱私保護(hù)將是我們需要深入探討的一個(gè)方面。

參考文獻(xiàn)：

[1]陶硯蘊(yùn)，徐萃華，林家駿.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全性研究[J].計(jì)算機(jī)安全，2007（4）：8-13. （TAO Y Y， XU C H， LIN J J. Research on security of wireless sensor networks[J]. Network and Computer Security， 2007（4）： 8-13.