适用于大规模无线传感器网络的分布式组密钥管理方案

【 收 稿 日期 ］ ２ ０ １ ３ － ０ ４ — １ ７ ［ 基 金项 目】 国家 自然 科 学 基 金 资 助项 目（ ６ １ ２ ７ ２ ０ ４ ５ ） ； 浙 江 省 自然 科 学基 金 资助 项 目 （ Ｙ１ １ ０ ０ ３ １ ８ ） 【 作 者 简 介】 周建钦（ １ ９ ６ ３ 一 ） ， 男， 山东巨野人 ， 教授 ， 硕士 ， 研究方 向： 通信 、 密 码 学 与理 论 计 算 机 科 学 。
理 信息 同先进 的数字传 输 网络连 接在一 起 ， 促 进 了人类 与 自然界 的交互 。 目前来 看 ， 无 线传 感器 网络 在环境 监测 、 智 能家 居 、 医疗 护理 等人 们 日常生 活方 面 的应 用前 景非 常广 阔 ， 同时 也 比较容 易 实施 ， 但 是在 军事 、 国 防等信 息传 输需 要严格 保 密 的应 用方 面还 面临 着严重 的安 全 问题 。
第 ３ １卷 第 ３期
２ ０ １ ４年 ９ 月
苏 州 科 技 学 院 学 报 （自 然 科 学 版 ）
Ｖｏ １ ． ３ １ Ｎｏ ． ３
Ｓ ｅ ｏ ．２ ０１ ４
适Байду номын сангаас用于大规模无线传感器 网络 的 分布式组密钥 管理方案
周 建钦 一，王 影
（ １ ． 杭 州 电 子 科 技 大学 通 信 工 程 学 院 ， 浙江 杭州 ３ １ ０ ０ １ ８ ； ２ ． 安 徽 工 业 大学 计 算 机 科 学 与 技 术学 院 ， 安徽 马鞍 山 ２ ４ ３ ０ ０ ２ ） 摘 要 ：当节 点资 源 受 限 且处 于敌 对 环 境 中 时 ， 无 线 传 感 器 网 络极 易受 到 攻 击 且 易被 俘 获 。对 基 于 簇协 作 的密 钥 管 理 方 案进 行 了改 进 ， 提 出一 种 适 用 于 大规 模 无 线 传 感 器 网 络 的分 布 式 组 密 钥 管 理方 案 。 利 用 距 离 最 近 的邻 居 头 节 点
关键词 ： 无 线 传 感 器 网络 ； 组 密钥 管 理 ； 协作 ； 自愈 ； 安 全 性
中 图分 类 号 ：ｒ ｒ Ｐ ３ ０ ９ 文献 标 识 码 ：Ａ 文章 编 号 ：１ ６ ７ ２ — ０ ６ ８ ７ （ ２ ０１ ４） ０ ３ — ０ ０ ３ ６ — ０ ７
无 线传感 器 网络 能够独 立地 获取 客观 的物理 信息 ， 大 幅提高 人们 的信 息获取 能力 ， 将 客观世 界 的众 多 物
的多个 邻居 节点 中 ， 密 钥更新 时需 要 多个邻 居节 点返 回相应 份额 。 中心 节点 通过 这些份 额值 解多 项式 方程组 并 进行 相应 运算 得 出更 新密 钥 。但是 该 方案需 要 邻居 节 点 的积 极 配合 ， 如果 头 节点 接 收到 的份 额少 于 一定
值时 ， 中心节 点本 身也 无法 得 到更新 组 密钥 。基 于簇 协作 的方 案 中 ， 充分 利 用 了簇 内通信 和簇 间通 信 的局 部特性 ， 分 别提 出 了组 内成 员 和邻 居 组头节 点被 妥协 两种情 况 下 ， 簇 间通 过节 点协作 进行 密钥更 新 的解决 方
间 的 相互 协 作 来 实 时 更 新组 密钥 ，降 低 敌 手 利 用妥 协 节 点对 网络 进 行 的攻 击 的 几率 。 当妥 协 节 点 个 数 低 于 门限 值
时， 由本 组 头 节 点 发 起 组 密 钥 更 新 ； 当妥协节点个数高于门限值时 ， 由邻 居 组 头 节 点 协 作 告 知 基 站 和 其 他 邻 居 头 节
攻击能力增强 ； 网络 中增 加 了 自愈 机 制 ， 通过设置相关参数 ， 可 以改 变 网络 的 自愈 性 。实 验 结 果 表 明 ： 每 组 成 员 节 点
的 数 量 增 加 到一 定 值 时 ． 头 节 点 的 通 信 开 销趋 于平 稳 。 因此 ， 该 方 案适 用 于 具 有 多 个 不 同 自愈 性需 求 等 级 的 大规 模 网络 。
军事 应用 中 ， 无 线传 感 器 网络 节点 通 常被 部署 在 条件 恶 劣 且无 人 监 控 的 区域 ， 加 之这 些 节 点在 计 算 能 力、 电池容量 以及存储 能力 上 的限制 ， 使其 更容 易受 到各种安 全 威胁 。在这 种条 件下 ， 节 点问安 全认证 、 密 钥
管理 等手段 对节 点 间的安 全通信 就显 得格 外重要 。 组 播是无 线传 感器 网络 中传 输数据 的重 要通 信方 式之一 ， 但是 其 安全性 还 有待 进一 步研 究 。 由于组 密钥 管理 的特 殊性 ， 敌 手可 以从 被俘 节 点 中得 到 组密 钥 进而 展 开 对该 组其 他成 员 的攻击 ， 威胁 整个组 ， 所 以 网络 中节 点一 旦被俘 ， 应 立 即被识别 并屏 蔽 ， 同时进 行相 关 的组 密 钥更 新 ， 维护 网络 中信息 的安 全 。 国内外 已有 许多 学者 对 如何进 行 安全 的组 密钥 更新 做 了深入 研 究 。其 中 ， 基 于分 层 的管理 方 案… 中， 子 组 的头 节点是 更 高层组 的成员 ， 每 组头 节点 负责本 组密 钥信 息 的生成 和分配 。节 点数量 发生 变化 时 ， 网络进 行本 组 密钥更新 和相关层 密钥 更新 。同构 模型 下基 于对称 多项 式 的动态 密钥管 理方 案 中， 引入虚 拟节点 和 密 钥变 更戳 ， 在不 影 响正常应 用 的条件 下 ， 巧 妙地 处理 了网络对节 点变 更 时的动 态处理 和安 全认证 。基 于预 分 配 和本地 协作 的密钥 管理 方案 【 ３ ］ 中， 为各节 点 内预 置 当前 和未来 组 密钥信 息 ， 并将 其 相应份 额 分 配到 最近
点： 该组已妥协 ， 切断与其通信 ， 要 求 重 新 布 置该 组 节 点 ； 当 妥 协 节 点 为头 节 点 时 ， 由 最 近 的 邻 居 头 节 点 协 作 其 他 邻
居 节 点 在 该组 内选 取 新 的 头 节点 。 网络 中为 每 个 组 分 配 不 同 的 多 项式 ， 与 整 个 网络 使 用 同一 个 多 项 式 相 比 ， 抗 共 谋