基于分簇的有效無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)密鑰管理方案

摘要：針對(duì)現(xiàn)有無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)密鑰管理中計(jì)算量過(guò)太、存儲(chǔ)空間過(guò)多和網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題，在分簇結(jié)構(gòu)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，提出一種新的密鑰管理方案，它通過(guò)將已存儲(chǔ)的密鑰部分地轉(zhuǎn)化為即使被攻擊者截獲也無(wú)影響的特殊信息，來(lái)獲取更加良好的安全性。同時(shí)又不降低網(wǎng)絡(luò)的連通性。通過(guò)仿真與其他算法進(jìn)行性能對(duì)比，結(jié)果顯示這種方案具有更好的性能。
關(guān)鍵詞：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；傳感器節(jié)點(diǎn)；密鑰管理；密鑰預(yù)分配算法

    近年來(lái)，隨著微機(jī)電系統(tǒng)、無(wú)線通信、信息網(wǎng)絡(luò)與集成電路等技術(shù)的迅速發(fā)展，新興的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)運(yùn)而生。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量分布式傳感節(jié)點(diǎn)組成的面向任務(wù)型自組織網(wǎng)絡(luò)。由于擁有廣泛的應(yīng)用前景。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)得到了迅速發(fā)展，廣泛應(yīng)用于國(guó)防軍事、工業(yè)控制、環(huán)境監(jiān)測(cè)、交通管理等領(lǐng)域。雖然無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)有許多優(yōu)點(diǎn)，但由于很多傳感器網(wǎng)絡(luò)有可能被部署在敵方區(qū)域，而且由于它的無(wú)線通信特性，很容易遭到攻擊，如何加強(qiáng)它的抗攻擊能力，提高安全性就顯得極為重要。一般來(lái)說(shuō)，無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)擁有有限的資源，比如計(jì)算能力、存儲(chǔ)空間和能量等，這導(dǎo)致了非對(duì)稱密碼算法難以在其上被使用，所以無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)普遍使用基于對(duì)稱密碼盼密鑰管理算法來(lái)保證其安全。通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特性以及可能面臨的攻擊，綜合已有的多種算法，在分簇結(jié)構(gòu)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上提出一種新的密鑰管理方案，并給出了這種方案的性能分析與仿真結(jié)果，結(jié)果顯示提高了算法的安全性能。

1 分簇?zé)o線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
    分簇元線傳感器網(wǎng)絡(luò)是現(xiàn)在使用比較廣泛的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，分簇?zé)o線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

    將基于該結(jié)構(gòu)進(jìn)行密鑰管理。該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是由基站、簇頭與簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)3種類型的節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。其中基站的主要功能是數(shù)據(jù)匯總，對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送命令，基站具有無(wú)限能量、高計(jì)算能力以及充足的存儲(chǔ)空間。簇頭節(jié)點(diǎn)主要是將本簇內(nèi)成員收集到的信息進(jìn)行簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)融合并發(fā)送到基站，同時(shí)下達(dá)基站對(duì)本簇成員的命令，簇頭節(jié)點(diǎn)是具有特殊功能的傳感器節(jié)點(diǎn)，其能量、計(jì)算能力和存儲(chǔ)空間都很有限。簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)感知周圍環(huán)境，將采集到的數(shù)據(jù)傳送到簇頭節(jié)點(diǎn)。

2 基于隨機(jī)概率的密鑰預(yù)分配方案相關(guān)算法
2．1 KPD算法
    KPD概率密鑰共享算法首先創(chuàng)建一個(gè)密鑰池，密鑰池里包含了密鑰及其所對(duì)應(yīng)的ID，然后為每個(gè)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)從密鑰池里分配一定數(shù)目的密鑰，當(dāng)節(jié)點(diǎn)被投放后，每個(gè)節(jié)點(diǎn)會(huì)廣播它所擁有的密鑰ID來(lái)發(fā)現(xiàn)互相之間共享的密鑰，任意兩個(gè)共享密鑰的節(jié)點(diǎn)都可以建立安全信道，任意節(jié)點(diǎn)通過(guò)安全信道來(lái)通信。由不同的密鑰池大小P和每個(gè)節(jié)點(diǎn)所存儲(chǔ)的密鑰數(shù)k，這個(gè)算法能獲得不同的連通性和抗攻擊性。假設(shè)任意兩個(gè)通信節(jié)點(diǎn)能建立安全鏈接的概率用p1表示，則，為了提高算法的抗攻擊性，可在此基礎(chǔ)上約定共享q個(gè)密鑰才能建立鏈接，即q-composite方案。
2．2 基于分簇的算法
    分簇算法是將傳感器節(jié)點(diǎn)分成很多簇，簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)和簇間節(jié)點(diǎn)擁有不同的密鑰共享概率。每個(gè)簇都擁有一個(gè)單獨(dú)的密鑰池，而且同一簇內(nèi)的節(jié)點(diǎn)有很多概率被投放到同一片區(qū)域，這樣每個(gè)節(jié)點(diǎn)有很大概率同相鄰節(jié)點(diǎn)共享密鑰。如果兩個(gè)簇在投放點(diǎn)上是鄰居的話，其相應(yīng)的密鑰池也被看成是相鄰的，而且這些密鑰池有如下性質(zhì)：
    1)兩個(gè)垂直或者平行的相鄰密鑰池共享α|Sc|個(gè)密鑰，0≤α≤0．25。
    2)兩個(gè)斜相鄰密鑰池共享β|Sc|個(gè)密鑰，0≤β≤0.25，4α+4β=1。
    3)兩個(gè)不相鄰的密鑰池不共享密鑰。
    其中|Sc|為密鑰池的大小，根據(jù)上述性質(zhì)，在節(jié)點(diǎn)被投放后，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有一定概率與同簇及相鄰簇的節(jié)點(diǎn)共享密鑰。
2．3 基于節(jié)點(diǎn)身份的密鑰預(yù)分配方案
    該方案采用將節(jié)點(diǎn)身份與節(jié)點(diǎn)密鑰、密鑰標(biāo)識(shí)3者相結(jié)合的思想完成密鑰的預(yù)分配階段和共享密鑰發(fā)現(xiàn)階段來(lái)提高抵抗被俘獲攻擊的能力。
    假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中放置n個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，符號(hào)表示如下：
    id：每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的唯一標(biāo)識(shí)，其中id=1，2，…n；
    Sid：標(biāo)識(shí)為id的傳感器節(jié)點(diǎn)；
    P：密鑰分配中心產(chǎn)生的密鑰池；
    m：每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的密鑰個(gè)數(shù)，m個(gè)密鑰構(gòu)成節(jié)點(diǎn)的密鑰環(huán)；
  
    1)密鑰預(yù)分配階段
    ①給每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)分配唯一的id，基站密鑰中心生成大量盼密鑰組成—個(gè)密鑰池P，每個(gè)接入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)選出m個(gè)不同的密鑰構(gòu)成該節(jié)點(diǎn)的密鑰環(huán)，并給出每個(gè)密鑰的標(biāo)識(shí)
    ②利用Hash函數(shù)建立節(jié)點(diǎn)身份與密鑰標(biāo)識(shí)之聞的關(guān)系。對(duì)于節(jié)點(diǎn)Sid來(lái)說(shuō)，輸入節(jié)點(diǎn)id以及第i個(gè)密鑰的標(biāo)識(shí)，將Hash函數(shù)的輸出作為第i個(gè)密鑰新的標(biāo)識(shí)。重復(fù)執(zhí)行m次得到該節(jié)點(diǎn)一個(gè)新的密鑰標(biāo)識(shí)集合，通過(guò)這一步使得密鑰中心產(chǎn)生的密鑰標(biāo)識(shí)與所配置的節(jié)點(diǎn)身份聯(lián)系了起來(lái)，將重新得到的密鑰和密鑰標(biāo)識(shí)集載入節(jié)點(diǎn)的內(nèi)存中。
    ③按照與②中相同的規(guī)則，將基站的身份id與每個(gè)節(jié)點(diǎn)的密鑰建立聯(lián)系，得出基站與每個(gè)節(jié)點(diǎn)的共享密鑰。到此，節(jié)點(diǎn)密鑰的預(yù)分配已經(jīng)完成，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都分配了各自的密鑰環(huán)，并且完成了節(jié)點(diǎn)與基站的密鑰協(xié)商。
    2)共事密鑰發(fā)現(xiàn)階段
    每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)廣播自己的身份標(biāo)識(shí)id，對(duì)于節(jié)點(diǎn)i的其中一個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)j，將j的身份作為輸入求出該節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的密鑰標(biāo)識(shí)集合IDj。然后將IDj與自己的密鑰標(biāo)識(shí)集合比較，如果存在相同的密鑰標(biāo)識(shí)，那么就以該密鑰標(biāo)識(shí)對(duì)應(yīng)的密鑰作為這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的共享密鑰。
    3)路徑密鑰建立階段
    如果兩個(gè)節(jié)點(diǎn)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)共享密鑰，那么需要第3個(gè)節(jié)點(diǎn)作為中間節(jié)點(diǎn)，分別與第3個(gè)節(jié)點(diǎn)建立安全的鏈接協(xié)商路徑密鑰，這個(gè)過(guò)程與上述兩個(gè)階段相同。

3 基于分簇的有效密鑰管理方案
    在上述算法中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都存儲(chǔ)一定數(shù)目的密鑰，不同的節(jié)點(diǎn)可能會(huì)共事密鑰，當(dāng)節(jié)點(diǎn)被攻破時(shí)，它所存儲(chǔ)的密鑰將被泄露，所有其它使用這些密鑰進(jìn)行的通信都將不再安全。我們可以把一部分存儲(chǔ)的密鑰替換為包含某種中間信息的特殊信息，這些特殊信息也可以建立安全鏈接，而且泄露后不會(huì)對(duì)其它鏈接產(chǎn)生任何不利后果，這樣可以有效地提高安全性，同時(shí)對(duì)連通度沒(méi)有太大影響。
3．1 初始化階段
    首先為每個(gè)簇創(chuàng)建一個(gè)容量為P的密鑰池。簇內(nèi)每個(gè)節(jié)點(diǎn)從密鑰池里隨機(jī)選擇m個(gè)密鑰，并從這串密鑰中隨機(jī)選u個(gè)密鑰，將它們替換成特殊信息。特殊信息EK可計(jì)算如下，其中IDk為密鑰k所對(duì)應(yīng)的ID，為二進(jìn)制異或，H0為哈希操作，k0為使用密鑰k進(jìn)行的加密操作，節(jié)點(diǎn)會(huì)存儲(chǔ)一個(gè)各自不同的密鑰K'。由于K'對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)都不同，一旦某個(gè)節(jié)點(diǎn)被俘獲，它所擁有的K'不能被用于解密其它節(jié)點(diǎn)問(wèn)的加密通信。當(dāng)節(jié)點(diǎn)把某個(gè)密鑰k替換成對(duì)應(yīng)的EK后，只需存儲(chǔ)EK而不再存儲(chǔ)對(duì)應(yīng)的k以節(jié)省存儲(chǔ)空間，因?yàn)樗惴ㄖ兴恍枰縦來(lái)對(duì)EK進(jìn)行解密操作，每個(gè)節(jié)點(diǎn)遙過(guò)K'，ID和H求出EK解密后的值，即，這個(gè)值被作為建立通信的密鑰，而另外一個(gè)節(jié)點(diǎn)只需擁有k，就可以通過(guò)解密EK來(lái)獲取這個(gè)通信密鑰，從而建立安全鏈接。
3．2 鏈接建立過(guò)程
    在通信密鑰建立過(guò)程中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都需要發(fā)現(xiàn)周圍能和其密鑰相匹配的節(jié)點(diǎn)。如果兩個(gè)節(jié)點(diǎn)擁有相同的密鑰，或者一個(gè)節(jié)點(diǎn)擁有密鑰，另一個(gè)節(jié)點(diǎn)擁有由該密鑰運(yùn)算得到的EK，都可以認(rèn)為兩個(gè)節(jié)點(diǎn)擁有相匹配的密鑰。在密鑰發(fā)現(xiàn)過(guò)程中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)將自己的密鑰ID列表進(jìn)行廣播，這些ID對(duì)應(yīng)自己擁有的密鑰以及EK。當(dāng)廣播完成后，擁有匹配密鑰的節(jié)點(diǎn)就可以建立安全鏈接了。這可以由2種方式達(dá)成，第1種，如果雙方都擁有密鑰k，他們可以使用k作為通信密鑰來(lái)建立安全鏈接。第2種，如果一方擁有密鑰k，另一方擁有對(duì)應(yīng)的EK，那么它們也能建立安全鏈接，所使用的密鑰雙方可以按如下步驟計(jì)算，對(duì)于擁有EK的一方，它計(jì)算如下。對(duì)于擁有k的一方，它首先接受另一方傳輸過(guò)來(lái)的EK，然后計(jì)算kreal=Dk(EKk)，其中Dk()為使用k來(lái)進(jìn)行的解密操作。當(dāng)雙方都擁有了相同的密鑰K’后，可以用它來(lái)加密通信。由于每個(gè)節(jié)點(diǎn)的K’都不一樣，每個(gè)密鑰的ID也不相同，所以每個(gè)K’只在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間共享，即使它被泄露了也不會(huì)影響其它節(jié)點(diǎn)間的通信。哈希函數(shù)H用于保護(hù)密鑰信息，如果攻擊者已經(jīng)獲取了密鑰k，以及某個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)密鑰k的EK，攻擊者也無(wú)法解密EK來(lái)獲取這個(gè)節(jié)點(diǎn)的K’信息，這樣也就無(wú)法計(jì)算出這個(gè)節(jié)點(diǎn)跟另外節(jié)點(diǎn)通信所使用的kreal。

4 安全性能分析及仿真結(jié)果
4．1 安全性能判斷標(biāo)準(zhǔn)
    1)連通性  連通性代表網(wǎng)絡(luò)安全連通的能力。即節(jié)點(diǎn)在可通訊的范圍內(nèi)，建立安全鏈接的概率。
    2)抗攻擊性  抗攻擊性指網(wǎng)絡(luò)在某些節(jié)點(diǎn)被攻破的情況下仍能保持通信安全的能力。
4. 2 安全性能分析
4. 2. 1 抗攻擊性
    當(dāng)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)選擇替換特殊信息的u個(gè)密鑰占節(jié)點(diǎn)密鑰m的比例r不同時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生不同的安全性。在算法中給定一個(gè)t，它能在網(wǎng)絡(luò)部署之前計(jì)算出來(lái)，r的取值在t的兩邊可以采取兩種不同的密鑰串選擇方法，來(lái)使安全性能得到最優(yōu)化。如果P代表密鑰的容量大小，m代表傳感器節(jié)點(diǎn)能容納的密鑰數(shù)目，n代表無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)所有節(jié)點(diǎn)的數(shù)目，則m(1-r)n<=p表示整個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中被直接存儲(chǔ)的密鑰數(shù)目小于密鑰池大小。如果讓每個(gè)節(jié)點(diǎn)都存儲(chǔ)不一樣的密鑰，一旦這些節(jié)點(diǎn)被攻破，它們所泄露的密鑰對(duì)其它節(jié)點(diǎn)的鏈接不會(huì)造成任何威脅，這樣整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的抗攻擊性一直會(huì)保持最大值1。當(dāng)r等于t時(shí)上述不等式取等號(hào)，。在算法中，一個(gè)節(jié)點(diǎn)會(huì)存儲(chǔ)直接密鑰以及另一些密鑰的間接信息，數(shù)目分別是m(1-r)以及mr。如果它被攻破了，m(1-r)個(gè)密鑰將被泄露，而以及密鑰間接信息對(duì)攻擊者而言沒(méi)有任何價(jià)值。當(dāng)S個(gè)節(jié)點(diǎn)被攻破時(shí)仍能保持安全的概率可計(jì)算如下，當(dāng)0≤r<t時(shí)，，當(dāng)t≤r≤1時(shí)，p(s)=1。由上述分析可知，當(dāng)0≤r<t時(shí)被攻破的節(jié)點(diǎn)數(shù)目越多那已建立的安全鏈接越不安全，當(dāng)t≤r≤1時(shí)被攻破的節(jié)點(diǎn)不會(huì)對(duì)其它的鏈接產(chǎn)生影響，此時(shí)安全性能達(dá)到最大值。
4. 2. 2 連通性
    如果P表示密鑰池的大小，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)分別存儲(chǔ)K1和K2個(gè)密鑰，不存儲(chǔ)特殊信息，那么這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)能建立安全鏈接的可能。在算法中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)m(1-r)個(gè)密鑰以及mr個(gè)間接密鑰信息。首先，讓A從容量為P的密鑰池中隨機(jī)選擇m(1-r)個(gè)密鑰，然后讓B從剩下的密鑰池中隨機(jī)選擇m(1-r)個(gè)密鑰，最后讓A，B分別從剩下密鑰池中選擇mr個(gè)密鑰，并將他們替換成EK。當(dāng)0≤r<t時(shí)，A存儲(chǔ)的m(1-r)個(gè)密鑰與B的密鑰及特殊信息沒(méi)有匹配的概率為：p1=1-p(P,m,m(1-r))，A存儲(chǔ)的特殊信息與B也無(wú)匹配的概率為：p2=1-p(P-m(1-r)，mr，m(1-r))，這樣A與B能建立安全鏈接的概率為pn=1-(1-p1)(1-P2)。當(dāng)t≤r<1時(shí)，任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)都不會(huì)共享密鑰，它們依靠間接密鑰信息來(lái)建立鏈接，連通性為pn=1-(1-p(P，mr，m(1-r)))2。
4. 2．3 r對(duì)性能的影響
    r為可變參數(shù)，不同的值會(huì)導(dǎo)致不同的安全性。一般來(lái)說(shuō)，給定P和m，增加r會(huì)導(dǎo)致更好的抗攻擊性，但會(huì)降低連通性。由于連通性和抗攻擊性在我們改變r(jià)后都會(huì)發(fā)生改變，因此可以通過(guò)固定某一個(gè)性能指標(biāo)值來(lái)觀察另一個(gè)性能指標(biāo)的變化來(lái)判斷綜合性能的變化情況。此處固定m，通過(guò)調(diào)節(jié)P來(lái)使連通性保持同一個(gè)值。當(dāng)0≤r<t時(shí)，r與安全性能的關(guān)系如圖2所示。其中連通性取值0．4，每個(gè)節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)能力為200。從圖2中我們知道與KPD算法相比，算法改善了安全性能。

    當(dāng)t≤r<1時(shí)節(jié)點(diǎn)被攻破并不會(huì)泄露任何密鑰，網(wǎng)絡(luò)的抗攻擊性能為最好。圖3為與KPD算法的性能比較結(jié)果，其中網(wǎng)絡(luò)規(guī)模分簇規(guī)模為500個(gè)節(jié)點(diǎn)，m為100，P為500，r為0．99，連通性為0．4。

    由上述性能分析知，算法較其它算法在安全性上有所提高。不同的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，密鑰存儲(chǔ)數(shù)，密鑰池大小，r等參數(shù)均會(huì)導(dǎo)致不同的安全性能，可以根據(jù)實(shí)際情況選擇適當(dāng)?shù)膮?shù)。

5 結(jié)束語(yǔ)
    本文提出了一個(gè)基于分簇的有效無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)密鑰管理方案。在不降低連通性的同時(shí)提高了安全性。在未來(lái)，可以探索采用怎樣的分簇算法以及分簇的大小來(lái)提高性能，同時(shí)也可以研究11這個(gè)算法與其它算法一起使用的通用性，從而開(kāi)發(fā)出一個(gè)基于這個(gè)算法的分組框架算法。