CN103220668B - 一种基于邻居发现的无线传感网络动态密钥管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于邻居发现的无线传感网络动态密钥管理方法，属于无线传感网络技术领域。本方法包括以下步骤：步骤一：进行网络初始化，建立整个簇的拓扑结构模型；步骤二：采用节点分层算法决定无线传感网络中普通传感节点SN的密钥组合，在簇首CH中生成EBS矩阵；步骤三：管理密钥分配。该方法中，节点通过邻居发现过程而不需要通过节点定位，由此形成网络的拓扑结构，降低了对节点的要求和功耗；通过节点分层生成EBS矩阵进行管理密钥分配，降低了簇首节点的计算开销和分配开销，同时增强了网络抵抗共谋攻击的性能。

Description

一种基于邻居发现的无线传感网络动态密钥管理方法

技术领域

本发明属于无线传感网络技术领域，涉及一种基于邻居发现的无线传感网络动态密钥管理方法。

背景技术

在当今信息技术飞速发展的时代，互联网为人们提供了快捷的通信平台，极大地方便了人们的信息交流，无线传感器网络技术的产生将彻底改变人类自古以来仅仅靠自身的触觉、视觉、嗅觉来感知信息的现状，极大的提高人类获取信息的准确性和灵敏度。作为信息时代的一项变革性的技术，无线传感器网络可以使人们在任何时间、任何地点和任何环境条件下获取大量详实、可靠的信息，真正实现“无处不在的计算”理念。无线传感器网络是计算机科学技术的一个新的研究领域，具有十分广阔的应用前景，它的出现引起了全世界范围的广泛关注。美国《商业周刊》将无线传感器网络列为21世纪高技术领域中的四大支柱型产业之一，《技术评论》杂志也将其列为未来改变世界的10大新兴技术之首。可以预言，无线传感器网络的发展和广泛应用，将对人们的社会生活和产业变革带来极大的影响和产生巨大地推动力。

无线传感器网络往往部署在无人监管或容易受损被俘获的环境中，保证无线传感器网络的安全是应用中首先考虑的问题，其中密钥管理机制是保证无线传感器网络安全的核心机制。但是由于节点资源有限，无固定基础设施支持，节点易受损等问题，传统网络中的密钥管理机制往往不能直接应用于无线传感器网络中，安全问题一直是学术界研究的重点。

近年来，研究人员提出了大量应用于无线传感器网络的动态密钥管理方案，Moharrum和Eltoweissy提出了基于EBS的动态密钥管理方案，但该方案属于集中式密钥管理方案，不能适用于节点数目较多的大规模网络；Elwoweissy等人提出了基于EBS动态密钥管理方案LOCK，在分簇的基础上为簇内普通传感节点动态分配管理密钥，具有节点删除，密钥更新等功能，但存在共谋攻击的问题；Younis在层次式WSN里提出基于位置信息的EBS动态密钥管理方案SHELL，该方案能够有效抵御节点共谋攻击，但是该方案需要节点具有定位能力获得节点的具体位置，且网络拓扑结构发生变化后，该方案抵抗共谋攻击的能力下降。

EBS是由Eltoweissy等于2004年提出的一种分层式的基于组合优化原理的应用于无线传感器网络中的组通信密钥管理方案(ELTOWIEISSYM,HEYDARIH,MORALESL,etal.Combinatorial optimization of key management in group communications[J].Journal of Networkand Systems Management,2004,12(1):33-50)。EBS系统通常表示为集合（n,k,m）,其中n为每一组传感器节点的数量，k+m表示每一组传感节点所拥有的管理密钥的总量，k表示每个节点分配的管理密钥的数量，m为密钥更新的信息数。EBS系统是由包含部分节点的子集（A1,A2,A3……）构成的集合Г。每个子集A是由一系列含有同一管理密钥的节点构成的集合。该理论包括以下定理：

定理1当时k+m中的任意k+m个组合均可以构成EBS（n,k,m），从而形成一个EBS动态密钥分配方案。

定理2通过广播最多m个数据包动态取消或更新任意节点所有的k个密钥，从而实现节点的删除。

假设传感节点N1被捕获，则需要通过密钥k4和k5取消并更新节点N1拥有的密钥k1，k2，k3删除节点N1：

$\left(1\right)E_{k_4}(S^{\′},E_{k_1}\left(k_1^{\′}\right),E_{k_2}\left(k_2^{\′}\right),E_{k_3}\left(k_3^{\′}\right))$

$\left(2\right)E_{k_5}(S^{\′},E_{k_1}\left(k_1^{\′}\right),E_{k_2}\left(k_2^{\′}\right),E_{k_3}\left(k_3^{\′}\right))$

其中表示数据x用密钥k_i进行加密，密钥k_i更新为k_i'，S_i'为更新后的会话密钥。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于邻居发现的无线传感网络动态密钥管理方法，该方法通过邻居发现过程在簇首中形成整个簇的拓扑结构模型，进一步生成密钥分配方案，并采用节点分层算法用于生成EBS矩阵进行密钥分配。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于邻居发现的无线传感网络动态密钥管理方法，包括以下步骤：步骤一：进行网络初始化，建立整个簇的拓扑结构模型；步骤二：采用节点分层算法决定无线传感网络中普通传感节点SN的密钥组合，在簇首CH中生成EBS矩阵；步骤三：管理密钥分配。

进一步，步骤一具体包括：1）在无线传感网络部署好之后，节点进行一跳邻居发现过程，节点在一跳范围内广播邻居节点发现信息，接收到信息的节点将信息保存在自己的邻居列表中；2）对无线传感网络进行分簇；3）普通传感节点将邻居列表发送至自己所在簇的簇首CH，在簇首中形成整个簇的拓扑结构模型。

进一步，步骤二具体包括：1）计算所有节点度数，选取度数最大的节点作为根节点，根节点的邻居节点处在第二层，依此类推；2）根据层数优先、同层节点中度数较大的节点优先分配密钥的准则，划分节点分配密钥的优先次序；3）根据簇内的节点数量选取合适的k和m，在k+m值最小的前提下，保证k的值最小，其中k表示每个节点分配的管理密钥的数量，m为密钥更新的信息数；4）根据节点分配次序，依次指定节点密钥组合，并保证邻居节点中分配的密钥组合汉明距离最小，在对节点分配密钥时只挑选未使用的密钥组合。

进一步，步骤三具体包括：1）簇首CH向基站申请用于分配管理密钥的种子seed，并利用seed生成分配密钥k_s=F(seed)，其中F为密钥生成函数；2）簇首CH在簇内广播seed和利用k_s加密的EBS矩阵，簇内节点SN收到消息后根据seed生成密钥k_s同时解密得到EBS矩阵；3）密钥生成节点KGN生成同化多项式密钥k_a，并利用k_s加密后发送给簇首CH，簇首CH在簇内逐个广播k_a；4）SN利用k_s和EBS矩阵接收仅属于自己的k个密钥多项式。

进一步，所述基于邻居发现的无线传感网络动态密钥管理方法还包括步骤四：添加节点；所述添加节点的过程具体包括：1）添加的节点部署后向其邻居节点广播邻居发现信息；2）收到该邻居发现信息的传感节点将添加的节点信息添加在自己的邻居列表中，同时向添加的节点发送回复消息；3）添加的节点收到回复消息后形成节点邻居列表，向合适的簇首发送节点加入请求消息；4）簇首收到节点加入请求消息后对添加的节点的身份进行验证，验证成功后为该节点分配与邻居节点汉明距离最小的管理密钥组合。

进一步，所述基于邻居发现的无线传感网络动态密钥管理方法还包括步骤五：更新密钥；具体过程为：1）当簇的拓扑结构不发生变化：簇首向密钥生成节点KGN发送密钥更新请求，KGN生成新的管理密钥多项式k_a’并将k_a’用k_a加密得到E(k_a’,k_a)，并进一步用k_s加密得到E(E(k_a’,k_a),k_S)发送给簇首，簇首使用k_s解密，得到E(k_a’,k_a)，同时在簇内广播E(k_a’,k_a)，普通传感节点收到后用k_a解密的到新的管理密钥k_a’，删除更新前的管理密钥k_a；2）当簇的拓扑结构发生变化，簇首根据更新后的拓扑结构重新进行管理密钥分配。

本发明的有益效果在于：本发明提出的基于邻居发现的动态密钥管理方法，该方法中的节点均为普通传感节点，节点通过邻居发现过程而不需要通过节点定位，形成网络的拓扑结构，降低了对节点的要求和功耗；通过节点分层生成EBS矩阵进行管理密钥分配，降低簇首节点的计算开销和分配开销，同时增强了网络抵抗共谋攻击的性能；在节点添加和密钥更新的过程，簇首根据节点的邻居列表动态更新网络的拓扑结构，从而使节点获得最优的密钥组合，提高网络抵抗共谋攻击的性能。分析结果表明，与相关文献比较，该方案增强了网络安全性能，整体上降低了网络开销。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明中簇拓扑结构模型图；

图2为节点添加示意图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

本发明设计一种无线传感器网络中基于邻居发现的动态密钥管理方法，首先利用节点的一跳邻居节点发现过程在簇首中建立整个簇的拓扑结构模型，簇首根据整个簇的拓扑模型进行动态密钥管理。主要研究内容包括：网络初始化，EBS矩阵的生成，管理密钥的分配，节点添加和密钥更新等方面的内容。该方法包括如下步骤。

1、网络初始化阶段

在网络部署前，每个节点预载入仅与基站共享的节点密钥KI，一个全网唯一的ID和一个统一的单向密钥生成函数F。节点部署后，开始进行网络初始化。假设网络在初始化阶段是安全，攻击者不能俘获并破解任何传感节点。具体步骤如下：

Step1：网络部署之后，节点进行一跳邻居发现过程，节点u在一跳范围内广播邻居节点发现信息。

NM_u={ADV-discovery,u,ID_u}

其中ADV-discovery为节点邻居发现消息标志。接收到NM_u的节点v将节点u及其ID保存在自己的邻居列表ID-list_v中。

Step2：本方法在分簇的基础上进行动态密钥的管理，以簇为单位进行动态密钥管理。本方法采用已有的分簇方式进行分簇(余磊，李建中，骆吉洲.一种无线传感器网络分布式安全成簇协议[J].软件学报,2009，20(10):2705-2720.)。

Step3：分簇完成后，普通传感节点u将ID-list_u发送至u所在簇的簇首CH_i。

u→CH_i:{ID_CH,ID_u,ID-list_u}

在簇首中形成整个簇的拓扑结构模型。

2、EBS矩阵的生成

网络初始化完成之后，为保证邻居节点分配的密钥组合汉明距离最小，采用节点分层算法决定普通传感节点SN的密钥组合即在簇首CH中形成EBS矩阵。在本实施例中采用无向图G(V,E)说明算法，如图1所示，用V表示所有顶点的集合V={A,B,C…,G}。用E表示所有边的集合，边的存在代表两个节点在彼此的通信范围内互为邻居节点。

（1）首先计算所有节点度数，选取度数最大的节点作为根节点，根节点的邻居节点处在第二层，依次类推。

（2）根据层数优先，同层节点中度数较大的节点优先分配密钥的准则，划分节点分配密钥的优先次序。如图1所示：B,F处在同一层中，B的度数为4，E的度数为3，优先对B进行分配。

（3）根据簇内节点数量n选取合适的k和m的值，在k+m值最小的前提下，保证k的值最小。

（4）根据节点分配次序，依次指定节点密钥组合，并保证邻居节点中分配的密钥组合汉明距离最小，在对节点分配密钥时只挑选未使用的密钥组合。本方法选择EBS参数k=2,m=3对图1中节点进行密钥分配，生成EBS矩阵如表1所示。

表1EBS(8,2,3)的密钥子集

3、管理密钥分配

EBS矩阵生成之后，簇首节点CH从邻居节点中选择密钥生成节点KGN，KGN的数量为t且t>(k+m)/k，这样保证部分KGN的俘获不会导致全部管理密钥泄漏。首先，CH向基站申请用于分配管理密钥的种子seed，簇首利用seed生成分配密钥k_s=F(seed)；然后，CH在簇内广播seed和利用k_s加密的EBS矩阵，簇内节点SN收到消息后根据seed生成密钥k_s同时解密得到EBS矩阵；其次，KGN生成同化多项式密钥k_a，并利用k_s加密后发送给簇首,簇首在簇内逐个广播k_a；最后，SN利用k_s和EBS矩阵接收仅属于自己的k个密钥多项式。密钥多项式的分配过程描述见表2。

表2密钥多项式分配过程

KGN生成的同化二元多项式，如下式所示：

$f_l(x_1,x_2)=l+\underset{i=1}{\overset{t+1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{t+1}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{\mathrm{ij}}{(x_1-x_l)}^i{(x_2-x_l)}_j$

其中l∈[1,2,…,k+m],对于分配了同一个同化多项式的一组节点可以形成相同的共享密钥。密钥分配完成之后，CH销毁其存储的全部管理密钥，SN销毁其存储的EBS矩阵。

4、节点添加

在网络的运行过程中，由于节点能量耗尽或者节点俘获被删除等原因，需要向网络中添加新的节点。新添加节点部署前预载入节点发现密钥k_sg,同时基站BS向网络中所有的簇首发送新添加节点的ID和节点发现密钥k_sg。以图2为例子说明节点u的添加过程：

（1）节点u部署后向其邻居节点广播邻居发现消息。

u→*:{ADV-discovery,u,ID_u}，*代表在广播范围内所有的节点

（2）收到邻居发现消息的传感节点v，将新加入的节点u及其ID添加在自己的邻居列表中，同时v向u发送回复消息,回复消息包括该节点的ID和其所在的簇的簇首ID。

v→u:{REP,ID_u,ID_v,ID_CH}

（3）收到回复消息的后u形成节点邻居列表，向合适簇首CH_i发送节点加入请求消息。

u→CH_i:{join,ID_CH,ID_u,MAC(…,k_sg)}

其中join为新节点加入请求标志。

（4）簇首CH_i收到节点加入请求消息后，通过k_sg和节点ID验证u身份。验证成功后为u分配与邻居节点汉明距离最小的管理密钥组合。节点添加成功后删除k_sg。

CH_i→u:{IDu,ID_CH,E(k_ai||k_aj||…,k_sg)MAC(…,k_sg)}

5、密钥更新

为提高网络的安全性能，动态密钥管理系统需要周期性的进行密钥更新。本方法假设网络为静态网络即节点在部署之后位置不发生变化。由于网络在运行过程中由于节点的删除和添加等原因，网络的拓扑结构可能会发生变化。本方法以簇为单位进行的密钥管理，所以根据簇的拓扑结构是否发生变化将密钥更新分为两个不同的方案。

（1）簇的拓扑结构不发生变化：簇首向KGN发送密钥更新请求，KGN生成新的管理密钥多项式k_a’并将k_a’用k_a加密得到E(k_a’,k_a)，并进一步用k_s加密得到E(E(k_a’,k_a),k_S)发送给簇首，簇首使用k_s解密，得到E(k_a’,k_a)，同时在簇内广播E(k_a’,k_a)，普通传感节点收到后用k_a解密的到新的管理密钥k_a’，删除更新前的管理密钥k_a。

（2）簇的拓扑结构发生变化：由于节点能量耗尽或节点被俘获等原因，网络中需要进行节点的删除和添加，此时簇的拓扑结构发生变化。簇首根据更新后的拓扑结构按照前述方法重新进行管理密钥分配。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (3)

1.一种基于邻居发现的无线传感网络动态密钥管理方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：进行网络初始化，建立整个簇的拓扑结构模型；

步骤二：采用节点分层算法决定无线传感网络中普通传感节点SN的密钥组合，在簇首CH中生成EBS矩阵；

步骤三：管理密钥分配；

步骤一具体包括：1)在无线传感网络部署好之后，节点进行一跳邻居发现过程，节点在一跳范围内广播邻居节点发现信息，接收到信息的节点将信息保存在自己的邻居列表中；2)对无线传感网络进行分簇；3)普通传感节点将邻居列表发送至自己所在簇的簇首CH，在簇首中形成整个簇的拓扑结构模型；

步骤二具体包括：1)计算所有节点度数，选取度数最大的节点作为根节点，根节点的邻居节点处在第二层，依此类推；2)根据层数优先、同层节点中度数较大的节点优先分配密钥的准则，划分节点分配密钥的优先次序；3)根据簇内的节点数量选取合适的k和m，在k+m值最小的前提下，保证k的值最小，其中k表示每个节点分配的管理密钥的数量，m为密钥更新的信息数；4)根据节点分配次序，依次指定节点密钥组合，并保证邻居节点中分配的密钥组合汉明距离最小，在对节点分配密钥时只挑选未使用的密钥组合；

步骤三具体包括：1)簇首CH向基站申请用于分配管理密钥的种子seed，并利用seed生成分配密钥k_s＝F(seed)，其中F为密钥生成函数；2)簇首CH在簇内广播seed和利用k_s加密的EBS矩阵，簇内节点SN收到消息后根据seed生成密钥k_s同时解密得到EBS矩阵；3)密钥生成节点KGN生成同化多项式密钥k_a，并利用k_s加密后发送给簇首CH，簇首CH在簇内逐个广播k_a；4)SN利用k_s和EBS矩阵接收仅属于自己的k个密钥多项式。

2.根据权利要求1所述的基于邻居发现的无线传感网络动态密钥管理方法，其特征在于：所述基于邻居发现的无线传感网络动态密钥管理方法还包括步骤四：添加节点；所述添加节点的过程具体包括：1)添加的节点部署后向其邻居节点广播邻居发现信息；2)收到该邻居发现信息的传感节点将添加的节点信息添加在自己的邻居列表中，同时向添加的节点发送回复消息；3)添加的节点收到回复消息后形成节点邻居列表，向合适的簇首发送节点加入请求消息；4)簇首收到节点加入请求消息后对添加的节点的身份进行验证，验证成功后为该节点分配与邻居节点汉明距离最小的管理密钥组合。

3.根据权利要求1所述的基于邻居发现的无线传感网络动态密钥管理方法，其特征在于：所述基于邻居发现的无线传感网络动态密钥管理方法还包括步骤五：更新密钥；具体过程为：1)当簇的拓扑结构不发生变化：簇首向密钥生成节点KGN发送密钥更新请求，KGN生 成新的管理密钥多项式k_a’并将k_a’用k_a加密得到E(k_a’,k_a)，并进一步用k_s加密得到E(E(k_a’,k_a),k_S)发送给簇首，簇首使用k_s解密，得到E(k_a’,k_a)，同时在簇内广播E(k_a’,k_a)，普通传感节点收到后用k_a解密得到新的管理密钥k_a’，删除更新前的管理密钥k_a；2)当簇的拓扑结构发生变化，簇首根据更新后的拓扑结构重新进行管理密钥分配。