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      基于秘密共享的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組密鑰管理方案

      2023-12-31 00:00:00榮光順張舒
      電腦迷 2023年13期

      【摘 "要】 伴隨無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全問題也日益突出。傳統(tǒng)密鑰管理并不能很好滿足當(dāng)前無線傳感器網(wǎng)絡(luò),因此,想要提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全,需要推動密鑰管理技術(shù)的發(fā)展。通常,以秘密共享為基礎(chǔ)的,無限傳感器網(wǎng)絡(luò)組密鑰管理方案的英文縮寫為GKMSSS。在網(wǎng)絡(luò)分簇的基礎(chǔ)上,GKMSSS通過LEACH協(xié)議,利用秘密共享原理和對稱密鑰加密原理,將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組的密鑰,按照分量分布式的方式,存儲在網(wǎng)絡(luò)組的所有成員中,達(dá)成了網(wǎng)絡(luò)分簇、密鑰設(shè)置、密鑰更新、組員更新等多個重要程序。根據(jù)有關(guān)研究分析和實驗結(jié)果表明,當(dāng)通信和存儲開銷維持在合理范圍內(nèi)時,能夠有效保證無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組通信的保密性及抗串謀攻擊性,并且具備比較好的節(jié)點抗俘虜能力。

      【關(guān)鍵詞】 無線傳感器網(wǎng)絡(luò);秘密共享;安全密鑰;管理

      一、基于秘密共享無線傳感器網(wǎng)絡(luò)密鑰管理安全目標(biāo)

      (一)安全性

      基于秘密共享的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組密鑰管理,其首要目標(biāo)就是保障網(wǎng)絡(luò)通信的安全性。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點經(jīng)常會面臨復(fù)雜、惡劣的環(huán)境,使得網(wǎng)絡(luò)節(jié)點非常容易受到損害或被俘獲。若網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中的某些節(jié)點被俘獲,則對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組其余節(jié)點的通信安全也會造成不良的影響,進(jìn)而對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組整體的安全、穩(wěn)定運行產(chǎn)生影響。因此,提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組抵抗惡意攻擊的能力,提升網(wǎng)絡(luò)運行的穩(wěn)定性和安全性,是基于秘密共享的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組密鑰管理的首要目標(biāo)。

      (二)連通性

      連通性是指以密鑰管理為基礎(chǔ)形成的密鑰連通圖,密鑰連通圖的連通性,即無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組的相鄰節(jié)點之間,能夠構(gòu)建共同分享密鑰的可能性。網(wǎng)絡(luò)組節(jié)點進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞酵ǔJ嵌嗵欣^。由于網(wǎng)絡(luò)組節(jié)點的部署一般是隨機(jī)性的,相鄰節(jié)點的狀態(tài)無法進(jìn)行確定。因此,為保障網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間可以進(jìn)行有效、有序的數(shù)據(jù)傳輸,密鑰管理方案的設(shè)計要最大可能提高相鄰節(jié)點間密鑰的連通性。尤其在隨機(jī)密鑰預(yù)分配的程序中,相鄰節(jié)點間的密鑰連通性是非常重要的安全目標(biāo)之一。

      (三)能耗

      通常,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組節(jié)點的電力供應(yīng),來自其自身配備的能量模塊。當(dāng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組的網(wǎng)絡(luò)部署結(jié)束之后,節(jié)點配備的能量模塊會在使用過程中慢慢地消耗殆盡。因此,基于節(jié)點電力供應(yīng)的特點,密鑰管理對能耗的要求將更高。一般來說,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組使用期限和節(jié)點能源消耗之間,兩者的關(guān)系呈負(fù)相關(guān)。在密鑰管理研究的前期,非對稱密鑰管理的計算相對復(fù)雜,產(chǎn)生的能耗也較高。因此,密鑰管理中主要采取對稱密碼方案。此外,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組的安全性和節(jié)點能源消耗之間,兩者的關(guān)系呈正相關(guān)。因此,當(dāng)密鑰管理通過復(fù)雜的計算機(jī)通信提高網(wǎng)絡(luò)安全性時,節(jié)點能耗也會隨之提高。

      二、基于秘密共享的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組密鑰管理方案

      (一)秘密共享理論

      20世紀(jì)70年代末,Shamir最先提出了秘密共享的概念。秘密共享,是把秘密分解成多個份額,并將份額隨機(jī)分配給整組的成員,使得全組成員都可以獲得該秘密的一個分解份額。然而,只有擁有特定授權(quán)的組成員才可以有效恢復(fù)秘密,而組里其他沒有獲得特定授權(quán)的成員不能恢復(fù)秘密,且無法了解任何有關(guān)秘密的有用信息。本研究設(shè)計的密鑰管理方案以秘密分享理論為基礎(chǔ)。

      (二)密鑰預(yù)配置

      安裝無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組的節(jié)點前,需要假設(shè)在一個安全中心,網(wǎng)絡(luò)組的節(jié)點預(yù)先安裝了以下內(nèi)容的密鑰資料:

      初始組密鑰分量GSK0:初始組密鑰GKi的分量。依據(jù)秘密共享理論中門限密碼理論,無線傳感器網(wǎng)路基站提前為節(jié)點設(shè)置GKi的分量。其設(shè)置的過程主要是,通過基站安全中心初始化服務(wù)器進(jìn)行隨機(jī)選擇,并選擇t階的GKi多項式f0(x)。

      共享對稱密鑰:通常,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基站安全中心,為網(wǎng)絡(luò)組中的所有節(jié)點分別配置數(shù)據(jù)加密和解密的對稱密鑰。

      (三)網(wǎng)絡(luò)分簇

      無線傳感器網(wǎng)絡(luò)許多分簇算法中,最先使用和非常具有代表性的分簇算法是低功耗自適應(yīng)簇類路由協(xié)議LEACH(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)。該分簇算法的基本思想是簇首的選擇利用相同概率的隨機(jī)循環(huán)方式,把網(wǎng)絡(luò)的能量負(fù)載通過平均分配的方式,分配給傳感器的所有節(jié)點。從而實現(xiàn)增加網(wǎng)絡(luò)生命周期,減少網(wǎng)絡(luò)能量消耗。本研究設(shè)計的密鑰管理方案,GKMSSS通過LEACH協(xié)議,完成網(wǎng)絡(luò)分簇。

      (四)密鑰更新

      由于基于秘密共享的密鑰管理中,傳感器網(wǎng)絡(luò)中的全部組成員共同分享組密鑰,不同的成員節(jié)點通過組密鑰進(jìn)行數(shù)據(jù)的解密。因此,本研究設(shè)計的管理方案,通過更新定時器、更新組成員等方式,引發(fā)組密鑰的更新。組密鑰更新的過程如下:

      首先,當(dāng)更新定時器超時,或組成員有新組員加入或舊組員退出時,無線傳感器的網(wǎng)絡(luò)基站會將組密鑰更新的信息傳送至各簇頭節(jié)點,開始更新組密鑰;

      其次,當(dāng)各簇頭節(jié)點接收更新組密鑰的信息后,簇頭節(jié)點會向簇內(nèi)節(jié)點進(jìn)行廣播,經(jīng)簇密鑰加密后的組密鑰分量請求,同時會附加相關(guān)的MAC數(shù)值;

      再次,當(dāng)簇內(nèi)節(jié)點接收到分量請求的信息之后,為驗證簇頭節(jié)點是否是合法的,簇內(nèi)節(jié)點會對相關(guān)的MAC數(shù)值進(jìn)行驗證比較。

      最后,當(dāng)簇成員接收到經(jīng)過加密處理的組密鑰分量,首先將請求信息進(jìn)行解密,對簇成員節(jié)點的合法身份進(jìn)行驗證。

      (五)組成員的退出

      針對出現(xiàn)組成員退出的情況,GKMSSS密鑰管理方案的處理過程如下:

      當(dāng)簇頭節(jié)點或退出組成員的相鄰節(jié)點檢測到退出事件發(fā)生時,簇頭節(jié)點會在層次密鑰表中,將俘虜節(jié)點相應(yīng)的ID表項進(jìn)行刪除,并更新由組成員推出的簇密鑰,以及更新組密鑰。此外,該簇頭節(jié)點會將組成員退出的信息傳送至基站和其余簇頭節(jié)點,并展開相應(yīng)的密鑰更新程序。

      三、密鑰管理方案分析

      密鑰管理方案展開執(zhí)行的過程中,為了保證通信的安全性與私密性,進(jìn)行信息傳輸和信息交換都會利用對稱密鑰,對信息進(jìn)行加密和解密。同時,方案中會引入密鑰管理機(jī)制以及秘密共享。其中,秘密共享是把秘密分解成多個份額,并將份額隨機(jī)分配給整組的成員,使得全組成員都可以獲得該秘密的一個分解份額。然而,只有擁有特定授權(quán)的組成員才可以有效恢復(fù)秘密,而組里其他沒有獲得特定授權(quán)的成全不能恢復(fù)秘密,且無法了解任何有關(guān)秘密的有用信息。因此,本研究設(shè)計基于秘密共享的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組密鑰管理具備以下的安全特性:

      前向安全性。前向安全性可以保障已經(jīng)退出的組成員不能再參與組播,除非重新加入,組播一般包括傳送加密的報文以及獲取組播報文內(nèi)容。在基于秘密共享的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組密鑰管理中,當(dāng)簇頭節(jié)點或退出組成員的相鄰節(jié)點檢測到退出事件發(fā)生時,簇頭節(jié)點會在層次密鑰表中,將俘虜節(jié)點相應(yīng)的ID表項進(jìn)行刪除,并更新有阻成員推出的簇密鑰,以及更新組密鑰。此外,該簇頭節(jié)點會將組成員退出的信息傳送至基站和其余簇頭節(jié)點,展開相應(yīng)的密鑰更新程序。因此,當(dāng)組成員退出無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組之后,在前向安全性的保障之下,不能獲得重新更新的組密鑰以及簇密鑰。

      后向安全性。后向安全性可以保障新加入網(wǎng)絡(luò)組的成員,不能對其之前網(wǎng)絡(luò)組播報文進(jìn)行內(nèi)容的獲取。在基于秘密共享的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組密鑰管理中,當(dāng)新加入的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點被分配至為謀簇中的節(jié)點成員后,該簇的簇頭會對新加入組成員的身份進(jìn)行驗證。當(dāng)身份驗證通過之后,為了保障傳感器網(wǎng)絡(luò)組的后向安全性,組密鑰和簇密鑰兩個過程的更新將會分別進(jìn)行,并為新加入的組成員分配對應(yīng)的層次密鑰。

      抗串謀攻擊性??勾┲\攻擊性可以預(yù)防多個組成員結(jié)合對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)進(jìn)行破解。在基于秘密共享的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組密鑰管理中,當(dāng)網(wǎng)絡(luò)組中的某個節(jié)點被俘虜之后,攻擊者能夠獲取該節(jié)點分配的秘密共享對應(yīng)的組密鑰分量。

      四、總結(jié)

      無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是無線式的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),該系統(tǒng)能夠?qū)?shù)據(jù)信息感知并收集,將收集到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行無線傳輸或者無線通信,并可以對數(shù)據(jù)信息完成一些簡單的計算處理。伴隨無線傳感器網(wǎng)絡(luò)獲得了更加廣泛的應(yīng)用,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全問題也日益突出。在網(wǎng)絡(luò)通信的過程中,為了保證信息的安全性和私密性,通過秘密共享和密鑰管理方案進(jìn)行信息加密是非常重要的。密鑰管理和秘密共享作為推動無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組的安全性能,對其進(jìn)行研究分析有著很重要的理論價值以及現(xiàn)實意義。

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