Ad Hoc网络密钥管理方案综述

第２７卷第２期２０１０年２月计算机应用与软件ＣｏｍｐｕｔｅｒＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓａｎｄＳｏｆｔｗａｒｅＶ０１．２７Ｎｏ．２Ｆｅｂ．２０１０ＡｄＨｏｃ网络密钥管理方案综述张小彬韩继红王亚弟黄河刘敏（ＩｌＪ国人民解放军信息工程大学电子技术学院河南郑州４５００（）４）摘要密钥管理作为加密和认证的基础，在ＡｄＨｏｃ网络安全中扮演着重要的角色。

研究ＡｄＨｏｃ网络的特点及面临的安全威胁，根据网络的通信方式，对ＡｄＨｏｃ网络中的密钥管理方案进行分类，详细介绍具有代表性的方案的基本思想，并对其优缺点进行分析比较。

最后对ＡｄＨｏｅ网络密钥管理的难点和发展趋势进行了总结。

关键词ＡｄＨｏｃ网络安全密钥管理对密钥组密钥ＡＳＵＲＶＥＹｏＮＫＥＹＭＡＮＡＧＥＭＥＮＴＳＣＨＥＭＥＳＦＯＲＡＤＨｏＣＮＥＴＷｏＲＫＺｈａｎｇＸｉａｏｂｉｎＨａｎＪｉｈｏｎｇＷａｎｇＹａｄｉＨｕａｎｇＨｅＬｉｕＭｉｎ（１ｍｔｉｔｕｍｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＰＬＡＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥ呼ｎｅｅｒｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ４５０００４，Ｈｅｎａｎ，Ｃｈｉｎａ）ＡｂｓｔｒａｃｔＡｓｔｈｅｂａｓｉｓｏｆｅｎｃｒｙｐｔｉｏｎａｎｄａｕｔｈｅｎｔｉｃａｔｉｏｎ，ｋｅｙｍａｎａｇｅｍｅｎｔｐｌａｙｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｒｏｌｅｉｎＡｄＨｏｃｎｅｔｗｏｒｋ．ＩｎｔｈｉｓｐａｐｅｒｗｅｓｔｕｄｉｅｄｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＡｄＨｏｃｎｅｔｗｏｒｋａｎｄｔｈｅｔｈｒｅａｔｓｉｔｆａｃｅｄ，ｃｌａｓｓｉｆｉｅｄｋｅｙｍａｎａｇｅｍｅｎｔｓｃｈｅｍｅｓａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｍｏｄｅｏｆｃｏｍｍｕｎｉ—ｃａｔｉｏｎｉｎＡｄＨｏｃｎｅｔｗｏｒｋ，ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｉｎｄｅｔａｉｌｔｈｅｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｔｈｏｕｇｈｔｓｏｆｓｏｍｅｔｙｐｉｃａｌｋｅｙｍａｎａｇｅｍｅｎｔｓｃｈｅｍｅｓ，ａｎｄｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅｌｙａｎａ—ｌｙｓｅｄｔｈｅｉｒａｄｖａｎｔａｇｅｓａｎｄｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ．Ｉｎｔｈｅｅｎｄ，ｔｈｅｄｉｆｆｉｃｕｌｔｉｅｓａｎｄｔｒｅｎｄｏｆｋｅｙｍａｎａｇｅｍｅｎｔｉｎＡｄＨｏｃｎｅｔｗｏｒｋｆｉｒｅｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．ＫｅｙｗｏｒｄｓＡｄＨｏｃｎｅｔｗｏｒｋＳｅｃｕｒｉｔｙ．ＫｅｙｍａｎａｇｅｍｅｎｔＰａｉｒｗｉｓｅｋｅｙＧｒｏｕｐｋｅｙ０引言ＡｄＨｏｃ网络是由一噶ｌ带有无线收发装置的移动终端组成的多跳临时性自治系统。

与传统无线网络不同的是，ＡｄＨｏｃ网络不依赖于任何固定的基础设施，通过移动节点间的相互协作进行组网，具有动态变化的网络拓扑、受限的无线传输带宽、移动终端的局限性等特征。

由于采用尤线信道和分布式控制技术，ＡｄＨｏｃ网络相对传统网络更易遭受被动窃听、主动入侵、拒绝服务等攻击。

因此，ＡｄＨｏｃ网络节点间的安全通信面临极其严峻的挑战。

与传统网络一样，加密是保证网络安全的基本手段，ＡｄＨｏｃ网络加密系统的安全性依赖于正确的密钥管理。

１ＡｄＨｏｃ网络密钥管理方案分类ＡｄＨｏｅ网络的通信方式可以分为单播通信和组播通信两种，相应地町以将现有的密钥管理方案分为单播通信的密钥管理方案（对密钥管理方案）和组播通信的密钥管理方案（组密钥管理方案）。

具体分类如下所示：荔ｆ对密钥管理方案｛凳筹蒙鬻笔嘉罂耋妻案曷｛ｒ集中式组密钥管理方案壅Ｉ组密钥管理方案｛分散式组密钥管理方案一Ｌ【分布式组密钥管理方案２对密钥管理方案对密钥管理主要是在单播通信巾为通信双方提供身份验证，并在此基础上安全地建立双方通信的会话密钥。

２．１对称密钥的密钥管理方案对称密钥的密钥管理方案主要有以下两种方案：（１）“复活鸭子”方案文献［１］提出了“复活鸭子”安全方案，初始化时．节点将第一个为其分发密钥的节点作为它的拥有者，并只接受拥有者的控制，这种控制一直保持到节点死亡，等下一个拥有者出现时节点复活，这样就形成了一种树状的密钥管理模式。

此方案汁算开销小，但通过物理上的接触来解决初始密钥的分发，限制了“复活鸭子”方案的应用，另外该方案缺乏灵活性，如果一个节点失灵，其所有的子节点和孙节点都将无法进行安全通信。

（２）密钥预分配方案文献［２］提出了密钥预分配方案，每个节点从密钥服务器得到一个随机密钥对的集合，当两个节点需要安全通信时，就检查是否共享同一密钥，如果没有，就利用拥有共享密钥的中间节点来建立会话密钥。

在此方案中需要密钥服务器的参与。

另外，节点预分配密钥的数量直接影响着系统的安全性和叮用性。

文献［３］对文献［２］的方案进行了改进，不需要密钥服务器的参与，全网节点预先共享一个密钥，节点利用该密钥和其一跳邻居节点建立对密钥，然后使用一跳对收稿同期：２００８—０７—０９。

张小彬，硕士生，主研领域：计算机网络安全。

万方数据第２期张小彬等：ＡｄＨｏｅ网络密钥管理方案综述１４５密钥和更远的节点建立对密钥。

但此方案强适用于静态的网络：文献４Ｊ对文献：３１提出的方案又进行了改进，利用全网节点共享的密钥，每个节点都与它ｉ跳距离内的节点建立本地密钥，两个节点可以利用本地密钥建立会话密钥，如果无直接的本地密钥，就通过路由上的与其共享本地密钥的节点来建立会话密钥．此力‘案具有较高的安全性，但由于网络节点的快速移动，频繁地肘密钥建立给节点造成很大的负担。

２．２非对称密钥的密钥管理方案２．２．１自组织管理方案文献［５］提出了完全自组织的密钥管理方案，在该方案中，允许用户产生自己的公私钥对，并签发证书来完成认证。

当两个节点需要建立信仟关系时，就合并他们的本地汪书库从而形成一张证书图，并试ｌ稠从该图中发现一条认证链路。

如果发现一条认证链路，则认证成功，否则认证失败。

文献［６］进行了改进，提出了基于双向信任的完全自组织方案，在此方案中，禁止单向发证，即如果节点Ａ给Ｂ颁发一个证书，Ｂ也必须颁发一个证书给Ａ。

此方案的平均证：挡路径更短，认证效率更高。

自组织密钥管理方案不需要任何可信第三方，节点自己完成证书的颁发、更新等操作。

但节点的存储量和计算量较大，且只能从概率Ｅ保证节点问存在证书链。

２．２．２分布式管理方案分布式密钥管理方案采用信任分散的思想，将可信任的第三方认证服务器ＣＡ由一个节点扩展到多个节点，任意门限个节点合作可以组成一个分布式的ＣＡ，完成ＣＡ的功能。

分布式的管理方案可以分为以下两种：（】）部分分布式管理方案基于Ｓｈａｍｉｒ的（ｋ，ｎ）门限秘密分享思想ｐ’，文献［８］提出了部分分布式管理方案，将ＣＡ的私钥分为ｎ份，分给网络中的ｎ个服务节点，每个服务节点可以使用获得的私钥份额来签发一个部分证ｔ５，组合门限个部分证书才能得到一个有效证书。

经过足够跃的时间后，移动敌手可以俘获不少于门限个服务节点来重构ＣＡ的私钥，从而造成系统崩溃。

为有效防止这种情况的发生，服务节点可用先应式秘密分享更新机制来更新私钥份额而不更改ＣＡ的私钥，从而增强系统的安全性。

此方案安全性较高，但由于服务节点的数量有限，可用性不强。

（２）完全分布式管理方案由于部分分布式方案存在可用性不强的缺点，文献［９］提出了完全分布式的方案，将ＣＡ的私钥份额分发给网络中的所有节点，增强了分布式服务的可用性，但是，所有节点都拥有ＣＡ的私钥份额，这增加了ＣＡ私钥暴露的风险，降低了系统的安全性。

２．２．３复合式管理方案分布式的管理方案安全性较高，但计算和通信开销大。

自组织的管理方案灵活，但无法保证认证成功率且缺少信任基点，不适合安全需求较高的网络。

结合这两类方案的优点，文献［１０］提出ｒ复合式密钥管理方案，基本思想是在网络中同时使用分布式ＣＡ和证书链，利用一种技术来弥补另一种技术的不足。

网络中存在ｉ种类型的节点：分布式ＣＡ服务节点、证书链参与节点、普通用户节点。

利用分布式ＣＡ来满足安全性要求，利用证书链来满足可用性要求：比起单独使用分布式ＣＡ或证书链的方案，性能得到较大提高。

但缺乏有效的证书撤消机制，且恶意用户可能伪造大量的虚假证书破坏网络的安全。

２．２．４基于身份的管理方案文献［１１］提ｍ了－种基于身份标识的公钥系统。

该系统用主体易识别且唯一的特征比如姓名或Ｅｍａｉｌ地址作为公钥和证书，所以在认证之前不需要交换公钥，但需要一个集中式的密钥产生中心（ＫＧＣ）来产生系统的公私钥以及用户的私钥。

由于ＫＧＣ知道所有用户的私钥，一旦被俘虏将造成整个系统的崩溃。

结合基于身份的密码体制和门限密码体制，文献［２］提出了一种基于身份的密钥管理方案，把ＫＣ，Ｃ的功能分给多个节点，这些节点分布式产生系统主公私钥，并为每个节点产生及分发私钥，节点的身份标识作为公钥和证书。

此方案不需要产生、传递和存储证书，计算通信消耗小，解决了集中式ＫＧＣ存在的单点失效问题，但没有解决用于分发节点私钥的可信信道问题。

文献［１３］利用节点临时公钥加密解决了可信信道问题，但节点的私钥无法进行更新，且缺乏对恶意节点的防御方法。

３组密钥管理方案组密钥管理为组成员生成、分发和更新组通信密钥。

与对密钥相比，组密钥有更多的安全需求，比如：前向安全性、后向安全性、同谋破解等。

因此，组密钥管理也更具挑战性。

３．１集中式组密钥管理方案集中式组密钥管理方案的基本思想是：方案中存在单一的组控制者来对整个组播组的密钥进行管理，由组控制者生成组密钥并使用每个组成员的密钥加密密钥加密后进行分发。

３．１．１基于密钥预分发的方案文献［１４］提出了一种可扩展的组密钥管理方案，在网络展开前，为每个节点预导入一个密钥集合，该集合作为密钥加密密钥（ＫＥＫ）。

由密钥服务器产生并分发组密钥到邻居节点，然后逐跳进行组密钥分发，使用节点间共享的ＫＥＫ来保证组密钥的安全传输，而节点间共享的ＫＥＫ则通过共享密钥发现或路径密钥建立来得到。

当有节点被俘虏时，剩余节点并不抛弃被俘虏节点的密钥ｋ。

，而是使用一个未被俘虏的密钥ｋ。

来进行更新，更新后的密钥ｋ’。

＝以。

（ｋ。

），其中厂为一伪随机函数。

此方案采用对称加密，节点计算量较小，且节点本地保存的密钥集合不需要占用太大的存储空间，在节点被俘虏时，对被俘虏的密钥进行更新，增强了方案的可用性。

但密钥服务器可能会成为通信瓶颈，且会造成单点失效问题。

３．１．２无密钥预分发的方案文献［１５］中提出了一种基于证书的动态组密钥管理协议。

节点以离线方式获得服务资格证书，参与到组播组中。

证书撤消动作由组播源完成，以证书撤消链表的方式记录，并周期性地广播给每个组成员。

组成员节点与组播源之间通过节点的ＧＰＳ位置信息构造最优逻辑路径，形成组播树。

该树的父子成员节点间通过协商会话密钥来保证组播信息的机密性。

该方案通过ＧＰＳ信息构造最优组播逻辑树，有效地减少了组播信息的通信开销。

但组播数据需要在每一跳进行加密和解密，节点的计算资源和能量消耗较大。