無線傳感器網(wǎng)絡(luò)秘鑰管理方案分析

上海潤欣科技股份有限公司創(chuàng)研社

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network,WSN)是一種由大量集成了傳感器、微處理器、無線通信單元的傳感器節(jié)點自組織形成的通信網(wǎng)絡(luò)，一般部署在特殊敏感地區(qū)進行數(shù)據(jù)采集以及傳輸。由于其易于布置，無需值守的特點，大量運用于軍事監(jiān)測、無線安防、反恐暴力等應(yīng)用環(huán)境下。網(wǎng)絡(luò)安全性是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的需要考慮的因素，安全要求包括有數(shù)據(jù)機密性、數(shù)據(jù)完整性、數(shù)據(jù)真實性、不可抵賴性等。由于傳感器節(jié)點具有低能量、低資源、低運算能力的“三低”特性，基于非對稱密碼學(xué)的DH以及RSA算法無法應(yīng)用與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，基于對稱密碼學(xué)具有簡單高效的特性更適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。對稱秘鑰管理方案一般采用秘鑰預(yù)分配模型，在傳感器節(jié)點部署之前預(yù)先從全局秘鑰池里給每個節(jié)點分配一定數(shù)量的秘鑰，兩個需要相互通信的節(jié)點使用各自的秘鑰信息創(chuàng)建一個共享的密鑰對來保證通信的安全性。本文就當(dāng)前典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)秘鑰管理方案進行分析，支出各種方案的優(yōu)勢以及缺點。

1、E-G方案

該方案是隨機秘鑰分配模式，在節(jié)點部署之前，生成一個有P個秘鑰以及對應(yīng)標(biāo)識的秘鑰池，每個節(jié)點在從秘鑰池中隨機選取k個不同的秘鑰(k < P)，節(jié)點部署后，通過廣播各自秘鑰標(biāo)識發(fā)現(xiàn)直接鄰居節(jié)點之間是否存在相同秘鑰，從中隨機選取一個作為密鑰對，如果相鄰節(jié)點直接沒有相同的秘鑰，則需要通過已經(jīng)建立的鏈路迂回建立密鑰對。該方案具有易于部署，網(wǎng)絡(luò)連通性較好，缺點是安全性較弱，較少被俘節(jié)點就容易導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)被攻陷。

2、q-composite隨機秘鑰預(yù)分配方案

該方案基于預(yù)置密鑰對，引入隨機圖理論。在節(jié)點部署之前，每個節(jié)點不需要存儲與其他所有節(jié)點的密鑰對，只需要預(yù)存部分秘鑰對。每個節(jié)點從秘鑰池S中隨機選取m個秘鑰存儲在本地空間里， mq)，則通過預(yù)先設(shè)置的哈希函數(shù)創(chuàng)建通信秘鑰K=hask(K1|K2|…|Kt)。該方案具有的優(yōu)勢在于對節(jié)點被俘有很強的自恢復(fù)能力，少數(shù)節(jié)點被俘不會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的完整性，缺點也顯而易見，由于要求相鄰的節(jié)點具有相同秘鑰的數(shù)量大于t個，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的連通性稍差。且要保證兩個節(jié)點至少具有相同秘鑰的概率大于預(yù)先設(shè)置的概率p，同樣在節(jié)點部署后，通過廣播發(fā)現(xiàn)和鄰居節(jié)點之間具有的相同秘鑰。不同于e-g方案的任意兩個相鄰節(jié)點只要有一個相同的秘鑰就能建立安全鏈路，本方案要求兩個節(jié)點之間至少要有q個相同秘鑰才能建立安全鏈路。如果某兩個之間有t個相同秘鑰(t>

3、多秘鑰空間的秘鑰預(yù)分配方案

該方案想法是讓網(wǎng)絡(luò)中的任意兩個節(jié)點直接存在共享密鑰對，同時該方案預(yù)設(shè)了一個安全系數(shù)，確保網(wǎng)絡(luò)中被俘節(jié)點沒有超過該系數(shù)整個網(wǎng)絡(luò)的安全性就能得到保證。該方案部署時，秘鑰服務(wù)器在有限域GF(q)(其中q是比密鑰空間尺寸大的最小質(zhì)數(shù)) 上生成矩陣G，矩陣G大小為 (λ+1)×N (N為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)，λ為安全系數(shù))。G公布作為公共信息，同時生成一個大小為(λ+1)×(λ+1)隨機對稱矩陣，計算矩陣A=(D×G)T，A作為私有信息保密。A×G是一個對稱矩陣，即有Aij=Aji，A×G最終對應(yīng)一個N×N的密鑰對分配矩陣。每個節(jié)點根據(jù)自己的編號i，記憶A矩陣的第i行A(i)和G矩陣的第i列G(j)。當(dāng)兩個節(jié)點i和j要生成密鑰時，彼此交換各自記憶的G矩陣的列G(j)，按照矩陣的乘法各自可以計算 Aij=A(i)×G(j)=A(j)×G(i)==Aji。該方案在相同的存儲空間的支持下，能夠獲得更好的網(wǎng)絡(luò)安全性，提高被破解的難度。缺點在于計算開銷大，攻擊者只要破解一個密鑰空間就能俘獲使用該密鑰空間的一對節(jié)點。

4、基于多秘鑰空間隨機秘鑰分配方案

該方案提出一種基于多密鑰空間密鑰對預(yù)分布模型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)密鑰管理方案。該方案結(jié)合q-composite隨機密鑰預(yù)分布模型，并且通過引入地理位置信息，有效提高了節(jié)點之間安全連通的概率。該方案在節(jié)點部署前給每個節(jié)點分配一個唯一的標(biāo)識ID，從1計數(shù)到N，設(shè)定5個安全參數(shù)t、p、λ、ω（2≤t≤ω）和q。類似多秘鑰空間預(yù)分配方案，私鑰服務(wù)器生成一個大小為(λ+1)×N公共信息矩陣G，同時生成ω個大小為(λ+1)×(λ+1)的隨機對稱矩陣D1，D2，…,Dω。計算矩陣Ai=(Di×G)T(i=1,2…,ω)同時給Ai分配一個目標(biāo)區(qū)域期待值（Xi，Yi），將所有的生成矩陣A和對應(yīng)的期待位置作為密鑰池。把Si=(Ai，Xi，Yi)(i=1，2，…ω)作為一個密鑰空間。對于任意節(jié)點j從ω個密鑰空間中隨機選取t個不同的密鑰空間，當(dāng)密鑰空間Si被節(jié)點j所選中時，將Ai的第j行Ai(j)存入節(jié)點j的存儲空間中，這個信息是保密的。節(jié)點部署后，節(jié)點通過定位得知自己的位置（x,y）, 節(jié)點計算它所存儲的t個密鑰空間的期待位置與它的實際坐標(biāo)的距離distance（i）=（i=1，2…,t），節(jié)點將計算得到的t個距離值從小到大進行排序，選取前面p個具有較小距離值的的密鑰空間作為最終存儲的密鑰空間，從存儲空間中刪除余下的(t-p)個密鑰空間。i節(jié)點將所存儲的個密鑰空間對應(yīng)的矩陣的i行進行相加，然后與G矩陣的第j列進行內(nèi)積得到K-ij。該方案能大大降低了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信密鑰被破解的概率，同時引入了地理位置信息，在節(jié)點部署后可以，可以刪除一些無效的秘鑰信息，減小了存儲空間的需求。

圖1 被俘節(jié)點與安全鏈路被破解的概率關(guān)系