CN104980921B - 一种无线传感器网络密钥分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线传感器网络密钥分配方法，属于无线传感器网络中的密钥分配技术领域。该方法采用中国剩余定理为每个节点分配必要的密钥信息，确保每个从传感器节点都可以与所属簇头建立通信密钥，并且普通节点的存储开销和计算开销较小。本发明提出的方案适用于对连通度和安全性要求较高的场景。

Description

一种无线传感器网络密钥分配方法

技术领域

本发明涉及一种无线传感器网络密钥分配方法，属于无线传感器网络密钥预分配方法技术领域。

背景技术

无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）是由大量成本低廉、资源受限的传感器节点部署而成的移动自组织网络。WSN与传统的无线网络相比具有感知能力高、布置灵活性强、布局快速、成本低廉等特点，使其应用极为广泛。其中通信安全是非常重要的一个课题，而密钥管理是很多安全服务的基石，如机密性和认证等。由于WSN资源受限，所以与非对称密码体制相比对称密码体制更适合用于WSN的保密通信。针对该问题目前提出了多种方案。

Eschenauer和Gligor首先提出随机密钥预分配方案（EG）。该方案中要求基站产生一个大的密钥池，网络中的每个节点都从中随机选择若干密钥存入到节点的内存中。若两相邻节点保存有共同的密钥，则把该共享密钥作为它们之间的通信密钥，否则将不能进行直接通信，而是需借助中间节点的帮助建立路径密钥。EG方案的首次提出，为无线传感器网络中的密钥管理方案提供了新的思路，后人也针对该方案中连通率和安全性等方面的诸多问题，做了相应的改善。例如由Chan等人提出的q-composite方案，就是在EG方案基础上做出的改进。该方案要求只有当两节点共享至少q个密钥时，才能建立安全路径进行通信。通过这样的方式可以有效地提高网络的安全性，但是网络连通率也随之降低。

由Blom等人提出的密钥管理方案利用对称矩阵的性质，使得网络中任意两个节点计算产生的通信密钥都是对称矩阵的对称元素，因此是相同的。即网络中的任意两个节点都能够建立对密钥进行通信。但该方案存在安全阈值，即如果被捕获的节点数不超过个，那么该方案就是安全的，否则该方案将很容易被攻击者攻破。为了改进这一现状，Du等人提出了基于多密钥空间的密钥管理方案，该方案中每个节点都保存了多个密钥空间的信息，而只有拥有共享密钥空间的两个节点，才可以利用Blom的方法建立共享密钥。分析结果表明该方案提高了网络的安全性，但是也降低了网络的连通率。

Blundo等人提出了基于二元对称多项式的密钥管理方案，该方案利用二元多项式的对称性，也能够实现全连通的网络。该方案中由基站随机生成一个二元次多项式，该多项式满足性质，即改变两个参数的位置，多项式的值仍保持不变。基站根据每个节点的标识符，为每个节点，例如节点，分配一个多项式，其中为节点的标识符。同样地，节点也保存了一个多项式。在计算共享密钥时，任意两节点和都只需互相交换它们的节点标识符，便可分别计算得到共享密钥为，可见该方案的网络连通率也是1。但是该方案并不是绝对安全的，它存在安全性：只要被捕获的节点不超过个，攻击者将不能利用得到的信息恢复出原本的二元多项式，也不能对其他节点之间的通信造成威胁。但是如果攻击者捕获了超过个节点，那么它就可以恢复出该二元多项式，进而可使整个网络陷入瘫痪。

商晓阳提出的簇状WSN的分层密钥管理方案中，采用中国剩余定理分配簇头与普通节点间的通信密钥。首先由基站产生一组彼此互素的正整数，和一个初始密钥，由此得到同余方程组的系数。根据中国剩余定理计算由n个同余多项式组成的同余方程组的解。并且把和分配给簇内的每个节点。最后普通节点便可通过一次取模运算、一次异或运算来计算自己与簇头的通信密钥。但是经过实验证明，该算法并不能保证簇头与簇内普通节点成功建立共享密钥。而且一旦有新的普通节点加入网络，基站需要重新生成一个更大的同余方程组，并且重复密钥信息分配过程，所以新节点加入操作复杂。

发明内容

为了适应分簇式网络的结构特点，提高WSN中节点之间的网络连通度和安全性，本发明提出了一种无线传感器网络密钥分配方法，该方法采用中国剩余定理产生簇内节点与簇头节点之间的通信密钥，由于复杂的计算都由基站来完成，所以普通节点的计算开销和存储开销都大大降低。这样就能够保证网络具有较高的连通率，同时也提高了该方法的安全性。

本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：

一种无线传感器网络密钥分配方法，包括以下步骤：

1）成簇阶段

节点部署完成后，会自动根据成簇协议组成分簇式网络；

2）簇内节点密钥预分配阶段

分簇式网络形成后，基站根据中国剩余定理为簇内节点分配必要的密钥信息；

3）簇内密钥生成阶段

簇内节点根据基站分配的密钥信息，计算其与所属簇头节点之间的共享密钥；

4）密钥擦除阶段

在时间后，网络中的节点自动触发密钥擦除过程，删除若干密钥信息；

5）网络更新阶段

当有新的节点加入网络，或有节点因被攻击者捕获而离开网络时，需要进行网络的更新操作。

所述步骤1）的具体实现方式是：

节点部署完成后，根据分簇算法，选择网络中能量较高的节点作为该区域的簇头节点，网络中的普通节点则选取能量最强的簇头节点进行通信；具体实现过程如下：节点一经部署，网络中的每个高能节点便用最大功率随机延迟广播一条“Hello”消息，该Hello消息包含此高能节点的ID和所处的位置信息；普通节点找到其中接收信号最强的Hello消息，发送该Hello消息的高能节点也就成了该普通节点的簇头，而接收到的其他Hello消息对应的高能节点则作为该普通节点的备用簇头。

所述步骤2）的具体实现方式是：

经过上述成簇阶段后，每个节点都找到了自己分属的簇，自动组成了分簇式网络；基站首先将主密钥预置到网络中的每个节点中，然后为网络中第i个簇头节点分配一个唯一的簇头节点，并为其内部每个节点分配在簇内唯一的标识符，该标识符表示第i个簇内的第j个节点；同时每个簇内节点需要预先生成一个初始密钥，而每个簇头节点也与基站共享一个初始密钥。

所述步骤3）的具体实现方式是：

经过密钥预分配阶段，各簇内节点和簇头节点都保存了同余方程组的解和个互素整数中一个，根据中国剩余定理，计算出通信密钥，具体过程如下：

Step1：簇内节点和簇头节点都做一次取模运算、一次加法运算计算出基站随机生成的整数A为

Step2：簇内节点和簇头节点都做一次Hash运算便得到

所以每个簇内节点最终保存了、、及2个密钥：和；而簇头节点保存了、、个簇内节点的初始密钥、个新生成的簇内通信密钥。

所述步骤4）的具体实现方式是：

密钥分配完成后，保存了主密钥、所属簇内同余多项式的解、素数、初始密钥和刚生成的密钥；经过时间后，节点内的定时器触发，将、和删除，只保存其初始密钥及其与所属簇头的通信密钥。

本发明的有益效果如下：

1、本发明能够实现全连通的网络，提高了共享密钥概率，同时也降低了普通节点的存储开销和计算开销。

2、本发明能够将被捕获节点和普通节点隔离开来，与现有技术方案相比，本发明的抗毁性得到了明显改善。

附图说明

图1 为簇内节点密钥预分配过程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明创造做进一步详细说明。

为加强网络的抗毁性，有些现有技术通常假设节点是由抗篡改硬件集成的，但是这样势必会加重网络的成本。在本发明中，我们采用密钥擦除的方法来提高网络的安全性。假设攻击者要捕获一个节点的时间下限为，即攻击者最少需要的时间才能够捕获网络中的某个节点，而节点一经部署直到建立密钥所需时间为，又根据实验证明是符合实际情况的。因此本发明中的节点在部署完成时间后，需立即擦除节点存储的若干密钥信息，以防节点被捕获后，其密钥信息被攻击者获取。该方案可分为成簇阶段、簇内节点密钥预分配阶段、簇内节点与簇头之间的密钥生成、密钥擦除阶段以及网络更新阶段。

具体实施算法如下：

1）成簇阶段

节点部署完成后，可以根据分簇算法，选择网络中能量较高的节点作为该区域的簇头节点，网络中的普通节点则选取能量最强的簇头节点进行通信。具体实现过程如下：节点一经部署，网络中的每个高能节点便用最大功率随机延迟广播一条“Hello（你好）”消息，该Hello消息包含此高能节点的ID（标识符）和所处的位置信息。其中采用随机延迟广播是为了避免与邻近高能节点的广播消息发生碰撞，致使普通节点无法正常接收到通信范围内所有高能节点的Hello消息。在高能节点广播完成后，只要网络中高能节点的数量和能量够多够强，网络中绝大多数普通节点都可以收到至少一个高能节点的广播消息。之后普通节点便可以找到其中接收信号最强的Hello消息，发送该Hello消息的高能节点也就成了该普通节点的簇头，而接收到的其他Hello消息对应的高能节点可以作为该普通节点的备用簇头。

2）簇内节点密钥预分配阶段

经过上述成簇阶段后，每个节点都找到了自己分属的簇，自动组成了分簇式网络。为了减小普通节点的开销，簇内节点仅与所属簇头直接通信，与其他簇内节点或者基站的通信都需要借助其分属簇头的帮助才能建立。基站首先将主密钥预置到网络中的每个节点中。然后为网络中第i个簇头（Cluster Head，CH）节点分配一个唯一的簇头节点，并为其内部每个节点分配在簇内唯一的标识符，该标识符表示第i个簇内的第j个节点。同时每个簇内节点需要预先生成一个初始密钥，以保证在密钥预分配阶段，簇内节点与其簇头节点之间的通信是保密的。而每个簇头节点也与基站共享一个初始密钥，以保证簇头节点与基站的通信是保密的。根据图1，以簇头节点为例，将由这两个初始密钥生成后续通信密钥的详细过程叙述如下：

Step1：簇内节点的初始密钥是通过对预置在节点中的主密钥变型得到的，形式如下：。而簇头节点的初始密钥是通过用主密钥与簇头节点标识符异或，而后做Hash（哈希）运算得到的，为。

Step2：每个簇内节点启动自己的定时器，将定时时间设置为，当定时时间结束后便启动密钥擦除操作。

Step3：每个簇内节点都将自己的标识符用其初始密钥计算MAC（消息校验码，Message Authentication Code），并且将MAC校验码附在标识符后面，发送给分属的簇头节点，以便簇头节点统计簇内节点的数量，进行数据汇总。

Step4：簇头节点收到其每个簇内节点发送来的消息后，首先根据节点标识符计算出该节点的初始密钥，并利用初始密钥产生节点标识符的MAC校验码认证该消息，若与簇内节点发送来的消息相符，则说明该消息未经篡改，该节点是安全的，否则说明该节点非法，应丢弃该消息，并要求簇内节点重发。以同样的方式，簇头节点对簇内每个节点发送来的消息都进行如此处理。

Step5：经过上述步骤，簇头节点便可对所有簇内节点进行数据汇总，并将汇总后的消息发送给基站，申请建立簇内节点与簇头节点之间的通信密钥。

其中为表示基站（Base Station）；表示加密操作，K为加密密钥，M为待加密的消息。

Step6：基站收到簇头节点发送来的数据包后，首先根据其标识符计算其初始密钥。然后用初始密钥解密消息得到簇内节点标识符集合，并对数据包中的MAC消息进行验证。最后基站利用中国剩余定理产生密钥的生成所需的必要信息。具体过程如下：

基站随机选取个彼此互素的正整数，其中的取值需根据应用网络中新节点的加入频率而定。若应用网络中频频有新节点加入，则可将设置的大一些，比如，否则可将设置的小一些，比如。然后基站随机选择一个小于的整数，并由此构建一个由个等式构成的同余方程组

其中。根据前文所述中国剩余定理，基站可计算得到该方程的唯一解为

其中，，。之后基站随机选择个互素的整数，和同余方程组的解一起用密钥加密，并计算它们的MAC校验码，最后将密文和MAC校验码一同发送给簇头节点。其余的个素数则由基站保存，方便新节点加入时使用。

假设基站统计到标识符为的簇内有个节点，而且网络更新不频繁，那么基站可以选择生成个彼此互素的正整数和一个整数。由此可以得到个为：。则同余方程组为

根据中国剩余定理可得该方程组的解为。最后基站便将个彼此互素的整数和同余方程组的解一起发送给簇头节点。

Step7：簇头节点收到该消息后，用其初始密钥解密得到的秘密消息有，再用初始密钥计算其MAC校验码便可验证该消息的安全性。若不安全就丢弃该消息，并请求基站重新发送。否则将和保存在簇头节点的内存中，并将其他互素整数和分别发送给簇内各节点。

Step8：簇内节点收到消息数据包后，用自己的初始密钥解密得到和，并生成相应的MAC校验码，与数据包中的MAC码比较。若相同就把和保存在自己的内存中，否则丢弃，并请求簇头节点重发。

最终每个簇内节点和簇头节点都分别保存了生成它们之间通信密钥的必要信息，包括同余方程组的解和个互素整数中的一个：或。

3）簇内节点与簇头之间的密钥生成

经过密钥预分配阶段，各簇内节点和簇头节点都保存了同余方程组的解和个互素整数中一个。它们都可以根据中国剩余定理，计算出通信密钥。具体过程如下：

Step1：簇内节点和簇头都可以做一次取模运算、一次加法运算，计算出基站随机生成的整数为

根据上面的例子，假设簇内节点保存的密钥信息为，，簇头节点保存的密钥信息为，，则根据上式两节点簇内节点和簇头节点均可计算得到。

Step2：簇内节点和簇头节点都做一次Hash运算便可得到

所以每个簇内节点最终保存了、、及2个密钥：和。而簇头节点保存了、、个簇内节点的初始密钥、个新生成的簇内通信密钥。

4）密钥擦除阶段

经过时间后，网络中节点都完成了密钥的预分配和建立阶段，接下来为了保证网络的安全性将触发密钥擦除阶段，具体过程如下：

密钥分配完成后，保存了主密钥、所属簇内同余多项式的解、素数、初始密钥和刚生成的密钥。经过时间后，节点内的定时器触发，将、和删除，只保存其初始密钥及其与所属簇头的通信密钥，保证该簇内节点后续与所属簇头节点及基站的保密通信安全进行。

5）网络更新阶段

为了满足应用的需求，势必要添加新的节点或者删除不需要的节点，因此网络的拓扑结构并不是恒久不变的。相应地节点之间通信所需的密钥也需同步进行更新。

根据前文的叙述，基站在为簇内节点分配密钥信息时生成了个互素的整数，并构造了一个包含个方程式的同余方程组，其中的值是根据网络的更新频率而定的。并将其中的个素数连通同余方程组的解一同发送给相应的簇头，使簇头与簇内节点顺利建立通信密钥，而其余的个素数则是为了方便新节点的加入而保存的。

当簇有新节点加入时，若基站中还有未经使用的符合该簇同余方程组的素数存在，即，那么基站从未经使用的素数中选择一个素数连同该同余方程组的解一起保存到节点的内存中，然后由新加入的节点重复上述密钥生成过程，即可与簇头节点建立安全链接。否则，整个簇内的密钥都需要进行更新，基站需要再重新产生一组两两互素的正整数，重复以上簇内节点的密钥信息预分配过程及密钥生成过程。最后整个簇内的密钥都将被重新分配。

当节点的能量耗尽或被捕获时，节点将不得不被撤销。所属簇头只需移除与其通信密钥即可不再与其通信。

由于本发明采用中国剩余定理为簇内节点分配必要的密钥信息，簇内节点只需通过简单的计算即可得到其与所属簇头的通信密钥。由于大部分的计算工作都由基站完成，所以簇内节点的计算开销大大降低。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种无线传感器网络密钥分配方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)成簇阶段

节点部署完成后，会自动根据成簇协议组成分簇式网络；

2)簇内节点密钥预分配阶段

分簇式网络形成后，基站根据中国剩余定理为簇内节点分配必要的密钥信息；

所述步骤2)的具体实现方式是：

经过上述成簇阶段后，每个节点都找到了自己分属的簇，自动组成了分簇式网络；基站首先将主密钥K_M预置到网络中的每个节点中，然后为网络中第i个簇头节点分配一个唯一的簇头节点CH_i，并为其内部每个节点S_ij分配在簇内唯一的标识符ID_ij，该标识符表示第i个簇内的第j个节点；同时每个簇内节点S_ij需要预先生成一个初始密钥K_ij，而每个簇头节点CH_i也与基站共享一个初始密钥K_i；

3)簇内密钥生成阶段

簇内节点根据基站分配的密钥信息，计算其与所属簇头节点之间的共享密钥；

所述步骤3)的具体实现方式是：

经过密钥预分配阶段，各簇内节点S_ij和簇头节点CH_i都保存了同余方程组的解x_i和t+1个互素整数中一个，根据中国剩余定理，计算出通信密钥具体过程如下：

Step1：簇内节点S_ij和簇头节点CH_i都做一次取模运算、一次加法运算计算出基站随机生成的整数A为

A＝m_ij-(x_imodm_ij)＝m_i(t+1)-(x_imodm_i(t+1))

Step2：簇内节点S_ij和簇头节点CH_i都做一次Hash运算便得到

所以每个簇内节点S_ij最终保存了x_i、m_ij、及2个密钥：K_ij和而簇头节点CH_i保存了x_i、m_i(t+1)、t个簇内节点的初始密钥K_ij j＝1,…,t、t个新生成的簇内通信密钥

4)密钥擦除阶段

在时间T_min后，网络中的节点自动触发密钥擦除过程，删除若干密钥信息；

所述步骤4)的具体实现方式是：

密钥分配完成后，S_ij保存了主密钥K_M、所属簇内同余多项式的解x_i、素数m_ij、初始密钥K_ij和刚生成的密钥经过T_min时间后，节点内的定时器触发，S_ij将x_i、m_ij和K_M删除，只保存其初始密钥K_ij及其与所属簇头的通信密钥

5)网络更新阶段

当有新的节点加入网络，或有节点因被攻击者捕获而离开网络时，需要进行网络的更新操作。

2.根据权利要求1所述的一种无线传感器网络密钥分配方法，其特征在于，所述步骤1)的具体实现方式是：

节点部署完成后，根据分簇算法，选择网络中能量较高的节点作为邻近节点的簇头节点，网络中的普通节点则选取能量最强的簇头节点进行通信；具体实现过程如下：节点一经部署，网络中的每个高能节点便用最大功率随机延迟广播一条“Hello”消息，该Hello消息包含此高能节点的ID和所处的位置信息；普通节点找到其中接收信号最强的Hello消息，发送该Hello消息的高能节点也就成了该普通节点的簇头，而接收到的其他Hello消息对应的高能节点则作为该普通节点的备用簇头。