适用于大规模无线传感器网络的分布式组密钥管理方案-论文.pdf

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1、第31卷第3期苏州科技学院学报(自然科学版)Vo1．31No．32014年9月Seo．2014适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310018；2．安徽工业大学计算机科学与技术学院，安徽马鞍山243002)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

2、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。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：rP309文献标识码：A文章编号：1

3、672—0687(2014)03—0036—07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。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

4、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

5、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【收稿日期]2013-04—17[基金项目】国家自然科

6、学基金资助项目(61272045)；浙江省自然科学基金资助项目(Y1100318)【作者简介】周建钦(1963一)，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。第3期周建钦，等：适用于大规模无线传感器网络的分布式组密钥管理方案37案。但是该方案中整个网络使用同一个簇间密钥函数，敌手只需在一段时间内对(t+1)个簇进行攻击，并在每个簇中捕获(t+1)／2个节点，就可由这些节点信息计算当前和未来的更新组密钥。文中在总结了多个方案的基础上，对基于簇的密钥管理方案进行了改进，提出了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。网络中为每个组分配不同的多项式，与已

7、有方案【相比，网络的抗共谋攻击能力大幅增强：该方案增加了网络自愈能力，安全性明显提高。结果表明：该方案更适用于大规模传感器网络。1网络模型该方案针对静态网络，在已有方案的基础上进行改进，提出了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。网络中有两种类型的节点：一种是具有较强计算能力、能量资源相对丰富的基站；另一种是计算和通信能力弱、能量资源受限的传感器节点。传感器节点根据职能又分为头节点和普通成员节点，网络中传感器节点根据一定的规则或