安全组播中组密钥管理协议的研究

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1、I--．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．—．．．．一ADissertationinComputerApplicationTechnology11111111111111111111111111111111IIIfillY1717226ResearchofGroupKeyManagementProtocolinSecureMulticastbyLiuGuangweiSupervisor：ProfessorZhangBinNortheasternUnivers

2、ityNovember2009-独创性声明本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作⋯：剖严砖日期：z9㈨，Jf，g学位论文版权使用授权书本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查

3、阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后：半年一一年口一年半口两年口签字日期：咖忏彳wMf(。导师签名：1肝签字日期：70／汐．f．驴／‘jt■-孝0●■，东北大学博士学位论文摘要安全组播中的组密钥管理协议研究摘要随着网络技术的发展，组播得到了越来越广泛的应用，如视频会议、金融市场数据、远程教学等。组密钥管理是解决组播安全性问题的关键。因此设计一个高效率、低代价的安全密钥管理协议是当前安全组播研究的核心问题。按

4、照密钥产生方式，组播密钥管理协议主要可以分为集中式和分布式两种。本文即针对以上两类组密钥管理协议展开深入的分析和研究。在集中式组密钥管理协议研究中，提出了基于分层数据处理(HDP,HierarchicalDataProcessing)的组播逻辑密钥树代价分析模型、基于子树移动思想的完全树密钥管理算法和基于门限思想TOFT密钥管理协议；在分布式密钥管理协议研究中，将双线性配对思想引入分布式组播密钥管理，提出了DSTR分布式组密钥生成算法，设计了基于双线性配对的STR组密钥管理协议，为提供协议认证性，将

5、证书机制引入分布式组密钥管理中，提出了基于双线性配对和证书的分布式组密钥管理协议；最后，对组播协议的容错性进行研究，通过引入失效检测器和口令认证机制，提出了一种具有容错性的安全组播密钥管理协议(FaultTolerantandSecureProtocol，FTS协议)。以下几个方面是本文所取得的一些主要研究成果：(1)通过对组播逻辑密钥树的分析与研究，给出了有向逻辑密钥树系统化的定义和描述。应用HDP，从理论上提出了基于逻辑密钥树的集中式组播密钥管理代价分析模型，并应用该模型对m叉逻辑密钥作以理论上

6、的代价分析。结合HDP的理论分析成果，构建了一种新的基于子树移动思想的完全组播密钥管理算法，该算法以4叉完全树作为密钥树逻辑上的管理和存储结构，采用子树移动思想进行完全树重建，从而减少了为维持树的平衡结构所付出的额外代价，因此该算法实现算法简单，代价开销较低，适用于组播规模较大且成员变化较频繁的情况。(2)研究和探讨了门限密秘共享理论和组播密钥管理的本质联系，并基于门限密码机制，提出了新的集中式TOFT密钥管理协议。TOFT协议引入了门限密码体制，采用了性能最优化的四叉树结构，提高了密钥管理系统综合

7、性能。文中给出了TOFT协议的原理、密钥生成和密钥更新过程等方面的内容，并以通信代价、计算代价、存储代价和一II—东北大学博士学位论文摘要安全性四个方面作为衡量协议性能优劣的指标，对TOFT协议和其他组播密钥管理协议进行性能比较和分析，经过比较与分析，该协议优于其它同类协议。(3)根据双线性配对密码体制提出了新的分布式组播密钥生成算法和协商协议，即基于DSTR组密钥生成算法和基于双线性配对的STR组密钥协商协议(PSTR协议)。由于采用DSTR密钥树结构来求解组内成员相关节点的盲密钥，使得DSTR组

8、密钥生成算法具有较低代价的开销。对DSTR的安全性分析，证明其在计算上是安全的。针对STR组密钥管理协议没有提供密钥认证，不能抵御主动攻击的问题，引入双线性配对密码体制和三叉密钥树来实现组密钥管理，提出PSTR协议，其中包括密钥产生过程及其6个子协议，对PSTR协议安全性进行分析，证明了PSTR协议在计算上是安全的。分析与比较了PSTR协议和STR协议的性能，结果表明PSTR协议在通信代价、计算代价和存储代价均优于STR协议。(4)进一步对分布式组播密钥管理协议进行深