無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)秘鑰管理方案分析

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無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network,WSN)是一種由大量集成了傳感器、微處理器、無(wú)線通信單元的傳感器節(jié)點(diǎn)自組織形成的通信網(wǎng)絡(luò)，一般部署在特殊敏感地區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集以及傳輸。由于其易于布置，無(wú)需值守的特點(diǎn)，大量運(yùn)用于軍事監(jiān)測(cè)、無(wú)線安防、反恐暴力等應(yīng)用環(huán)境下。網(wǎng)絡(luò)安全性是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的需要考慮的因素，安全要求包括有數(shù)據(jù)機(jī)密性、數(shù)據(jù)完整性、數(shù)據(jù)真實(shí)性、不可抵賴性等。由于傳感器節(jié)點(diǎn)具有低能量、低資源、低運(yùn)算能力的“三低”特性，基于非對(duì)稱密碼學(xué)的DH以及RSA算法無(wú)法應(yīng)用與無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，基于對(duì)稱密碼學(xué)具有簡(jiǎn)單高效的特性更適合無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。對(duì)稱秘鑰管理方案一般采用秘鑰預(yù)分配模型，在傳感器節(jié)點(diǎn)部署之前預(yù)先從全局秘鑰池里給每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配一定數(shù)量的秘鑰，兩個(gè)需要相互通信的節(jié)點(diǎn)使用各自的秘鑰信息創(chuàng)建一個(gè)共享的密鑰對(duì)來(lái)保證通信的安全性。本文就當(dāng)前典型的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)秘鑰管理方案進(jìn)行分析，支出各種方案的優(yōu)勢(shì)以及缺點(diǎn)。

1、E-G方案

該方案是隨機(jī)秘鑰分配模式，在節(jié)點(diǎn)部署之前，生成一個(gè)有P個(gè)秘鑰以及對(duì)應(yīng)標(biāo)識(shí)的秘鑰池，每個(gè)節(jié)點(diǎn)在從秘鑰池中隨機(jī)選取k個(gè)不同的秘鑰(k < P)，節(jié)點(diǎn)部署后，通過(guò)廣播各自秘鑰標(biāo)識(shí)發(fā)現(xiàn)直接鄰居節(jié)點(diǎn)之間是否存在相同秘鑰，從中隨機(jī)選取一個(gè)作為密鑰對(duì)，如果相鄰節(jié)點(diǎn)直接沒有相同的秘鑰，則需要通過(guò)已經(jīng)建立的鏈路迂回建立密鑰對(duì)。該方案具有易于部署，網(wǎng)絡(luò)連通性較好，缺點(diǎn)是安全性較弱，較少被俘節(jié)點(diǎn)就容易導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)被攻陷。

2、q-composite隨機(jī)秘鑰預(yù)分配方案

該方案基于預(yù)置密鑰對(duì)，引入隨機(jī)圖理論。在節(jié)點(diǎn)部署之前，每個(gè)節(jié)點(diǎn)不需要存儲(chǔ)與其他所有節(jié)點(diǎn)的密鑰對(duì)，只需要預(yù)存部分秘鑰對(duì)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)從秘鑰池S中隨機(jī)選取m個(gè)秘鑰存儲(chǔ)在本地空間里， mq)，則通過(guò)預(yù)先設(shè)置的哈希函數(shù)創(chuàng)建通信秘鑰K=hask(K1|K2|…|Kt)。該方案具有的優(yōu)勢(shì)在于對(duì)節(jié)點(diǎn)被俘有很強(qiáng)的自恢復(fù)能力，少數(shù)節(jié)點(diǎn)被俘不會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的完整性，缺點(diǎn)也顯而易見，由于要求相鄰的節(jié)點(diǎn)具有相同秘鑰的數(shù)量大于t個(gè)，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的連通性稍差。且要保證兩個(gè)節(jié)點(diǎn)至少具有相同秘鑰的概率大于預(yù)先設(shè)置的概率p，同樣在節(jié)點(diǎn)部署后，通過(guò)廣播發(fā)現(xiàn)和鄰居節(jié)點(diǎn)之間具有的相同秘鑰。不同于e-g方案的任意兩個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)只要有一個(gè)相同的秘鑰就能建立安全鏈路，本方案要求兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間至少要有q個(gè)相同秘鑰才能建立安全鏈路。如果某兩個(gè)之間有t個(gè)相同秘鑰(t>

3、多秘鑰空間的秘鑰預(yù)分配方案

該方案想法是讓網(wǎng)絡(luò)中的任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)直接存在共享密鑰對(duì)，同時(shí)該方案預(yù)設(shè)了一個(gè)安全系數(shù)，確保網(wǎng)絡(luò)中被俘節(jié)點(diǎn)沒有超過(guò)該系數(shù)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的安全性就能得到保證。該方案部署時(shí)，秘鑰服務(wù)器在有限域GF(q)(其中q是比密鑰空間尺寸大的最小質(zhì)數(shù)) 上生成矩陣G，矩陣G大小為 (λ+1)×N (N為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)，λ為安全系數(shù))。G公布作為公共信息，同時(shí)生成一個(gè)大小為(λ+1)×(λ+1)隨機(jī)對(duì)稱矩陣，計(jì)算矩陣A=(D×G)T，A作為私有信息保密。A×G是一個(gè)對(duì)稱矩陣，即有Aij=Aji，A×G最終對(duì)應(yīng)一個(gè)N×N的密鑰對(duì)分配矩陣。每個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)自己的編號(hào)i，記憶A矩陣的第i行A(i)和G矩陣的第i列G(j)。當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)i和j要生成密鑰時(shí)，彼此交換各自記憶的G矩陣的列G(j)，按照矩陣的乘法各自可以計(jì)算 Aij=A(i)×G(j)=A(j)×G(i)==Aji。該方案在相同的存儲(chǔ)空間的支持下，能夠獲得更好的網(wǎng)絡(luò)安全性，提高被破解的難度。缺點(diǎn)在于計(jì)算開銷大，攻擊者只要破解一個(gè)密鑰空間就能俘獲使用該密鑰空間的一對(duì)節(jié)點(diǎn)。

4、基于多秘鑰空間隨機(jī)秘鑰分配方案

該方案提出一種基于多密鑰空間密鑰對(duì)預(yù)分布模型的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)密鑰管理方案。該方案結(jié)合q-composite隨機(jī)密鑰預(yù)分布模型，并且通過(guò)引入地理位置信息，有效提高了節(jié)點(diǎn)之間安全連通的概率。該方案在節(jié)點(diǎn)部署前給每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)唯一的標(biāo)識(shí)ID，從1計(jì)數(shù)到N，設(shè)定5個(gè)安全參數(shù)t、p、λ、ω（2≤t≤ω）和q。類似多秘鑰空間預(yù)分配方案，私鑰服務(wù)器生成一個(gè)大小為(λ+1)×N公共信息矩陣G，同時(shí)生成ω個(gè)大小為(λ+1)×(λ+1)的隨機(jī)對(duì)稱矩陣D1，D2，…,Dω。計(jì)算矩陣Ai=(Di×G)T(i=1,2…,ω)同時(shí)給Ai分配一個(gè)目標(biāo)區(qū)域期待值（Xi，Yi），將所有的生成矩陣A和對(duì)應(yīng)的期待位置作為密鑰池。把Si=(Ai，Xi，Yi)(i=1，2，…ω)作為一個(gè)密鑰空間。對(duì)于任意節(jié)點(diǎn)j從ω個(gè)密鑰空間中隨機(jī)選取t個(gè)不同的密鑰空間，當(dāng)密鑰空間Si被節(jié)點(diǎn)j所選中時(shí)，將Ai的第j行Ai(j)存入節(jié)點(diǎn)j的存儲(chǔ)空間中，這個(gè)信息是保密的。節(jié)點(diǎn)部署后，節(jié)點(diǎn)通過(guò)定位得知自己的位置（x,y）, 節(jié)點(diǎn)計(jì)算它所存儲(chǔ)的t個(gè)密鑰空間的期待位置與它的實(shí)際坐標(biāo)的距離distance（i）=（i=1，2…,t），節(jié)點(diǎn)將計(jì)算得到的t個(gè)距離值從小到大進(jìn)行排序，選取前面p個(gè)具有較小距離值的的密鑰空間作為最終存儲(chǔ)的密鑰空間，從存儲(chǔ)空間中刪除余下的(t-p)個(gè)密鑰空間。i節(jié)點(diǎn)將所存儲(chǔ)的個(gè)密鑰空間對(duì)應(yīng)的矩陣的i行進(jìn)行相加，然后與G矩陣的第j列進(jìn)行內(nèi)積得到K-ij。該方案能大大降低了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信密鑰被破解的概率，同時(shí)引入了地理位置信息，在節(jié)點(diǎn)部署后可以，可以刪除一些無(wú)效的秘鑰信息，減小了存儲(chǔ)空間的需求。

圖1 被俘節(jié)點(diǎn)與安全鏈路被破解的概率關(guān)系