一個可用于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的簇密鑰管理方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種在分簇?zé)o線傳感網(wǎng)絡(luò)中的基于復(fù)合公鑰矩陣和門限秘鑰相結(jié)合 的簇秘鑰管理方法，屬于信息安全、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和分布式計算等交叉技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由散布在工作區(qū)域中大量自組織、利用電池供電的傳感器組成。 這些傳感器嵌入了各種模型，包括數(shù)據(jù)處理模型、能量模型、存儲模型、通信模型等。這些 傳感器可以用來監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)的物理或環(huán)境條件，如溫度、聲音、振動壓力、運(yùn)動或 污染物等，并通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)作將數(shù)據(jù)傳輸出去。近年來，無線傳感網(wǎng)絡(luò)被廣泛地應(yīng)用在多種領(lǐng) 域和環(huán)境下，如軍事應(yīng)用、工業(yè)過程自動化（監(jiān)視和控制）、氣象領(lǐng)域、家庭應(yīng)用和健康監(jiān)測 等。然而，無線傳感器節(jié)點具有資源受限、無中心、電源容量有限、自組織、多跳路由、動態(tài)拓 撲、節(jié)點數(shù)目及計算資源有限等缺點。此外，由于傳感器網(wǎng)絡(luò)通常使用在惡劣的環(huán)境中，這 使得它們更容易受到惡意攻擊者的攻擊。因此，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)面臨更多數(shù)據(jù)入侵、拓?fù)浣Y(jié) 構(gòu)破壞等安全問題，例如Sinkhole攻擊、Sybil攻擊、Wormholes攻擊、Hello泛洪攻擊、節(jié) 點俘獲等。這使得提供一個安全的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)成為當(dāng)前一個非常具有挑戰(zhàn)性的課題。 目前，抵抗入侵的主要通過提供安全密鑰管理方案和建立安全路由來完成。
[0003] 在分簇結(jié)構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中不存在固定的基礎(chǔ)設(shè)施，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的能量和功率 都在同一層上，節(jié)點具有傳感能力、信號處理功能和無線通信功能，節(jié)點利用預(yù)設(shè)密鑰來建 立安全通道進(jìn)行通信。在分簇式結(jié)構(gòu)中，節(jié)點分為三類：基站，簇頭，普通節(jié)點?；咀鳛榉?布式中心，負(fù)責(zé)分發(fā)和更新密鑰；普通節(jié)點只需要存儲節(jié)點ID和一些相應(yīng)的密鑰或算法； 其他的功能都由簇頭來完成。在已有的方案中，μ TESLA在整個網(wǎng)絡(luò)中采用共享密鑰生成 算法，真實的密鑰存儲在基站中，全網(wǎng)共享密鑰生成算法，利用單向哈希函數(shù)生成密鑰鏈。 算法的缺陷是時間必須高度同步以及由于密鑰發(fā)布延遲所造成的存儲冗余比較大；另一種 multi- μ TESLA方法引入了多級密鑰環(huán)的概念，但該算法不能丟包；MM μ TESLA算法利用門 限加密的概念，將認(rèn)證密鑰分解成密鑰片并分發(fā)到多個基站，傳感器節(jié)點利用密鑰片來重 組認(rèn)證密鑰并將它們廣播出去，但是基站的數(shù)量又成為了新的安全問題。另一種改進(jìn)的密 鑰管理方法是利用單向函數(shù)來減少受到影響的傳感器數(shù)量，并且不影響相鄰傳感器節(jié)點之 間的連接，但是該方法還是不能抵抗、解決針對普通節(jié)點的DoS攻擊，以及衍生密鑰沖突問 題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種新的可用于無線傳 感網(wǎng)絡(luò)的簇密鑰管理方法，該方法是基于分簇管理機(jī)制的復(fù)合矩陣密鑰和門限密鑰認(rèn)證機(jī) 制，能夠做到簇頭與匯聚節(jié)點的復(fù)合密鑰安全認(rèn)證和簇內(nèi)節(jié)點的門限密鑰安全認(rèn)證，以達(dá) 到不會因為個別節(jié)點影響而破壞整個網(wǎng)絡(luò)的安全數(shù)據(jù)傳輸，提高動態(tài)分簇網(wǎng)絡(luò)中路由安全 的魯棒性和網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)能力。
[0005] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是通過以下的技術(shù)方案來實現(xiàn)的。本發(fā)明是一種可用 于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的簇密鑰管理方法，其特點是：該方法不考慮分簇的具體劃分方法，節(jié)點在 部署之前由密鑰管理中心進(jìn)行初始化，其中包括對每個傳感節(jié)點相關(guān)參數(shù)和算法的設(shè)置； 整個無線傳感網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過分簇之后，分成基站、簇頭和簇內(nèi)節(jié)點；基站和簇頭之間通過復(fù)合矩 陣密鑰保證兩者之間的通信和數(shù)據(jù)傳輸安全，簇頭和簇內(nèi)節(jié)點形成內(nèi)部安全通信區(qū)域；簇 頭負(fù)責(zé)簇內(nèi)節(jié)點的安全數(shù)據(jù)傳輸，當(dāng)簇頭節(jié)點的剩余能量低于設(shè)置的閥值時，則放棄成為 簇頭的條件轉(zhuǎn)變成普通節(jié)點，普通節(jié)點的剩余能量低于某個閥值時，則自銷毀芯片中的算 法和參數(shù)。
[0006] 本發(fā)明所述的一個可用于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的簇密鑰管理方法，進(jìn)一步優(yōu)選的技術(shù)方 案是，其具體方法如下：
[0007] ( -）簇頭與基站之間的復(fù)合秘鑰矩陣的確立：
[0008] (1)首先由密鑰管理中心構(gòu)建基于ECC的CPK認(rèn)證系統(tǒng)的初始公/私秘鑰矩，確定 橢圓曲線、基點G、子群S、私鑰矩陣SSK和公鑰矩陣PSK ;
[0009] (2)復(fù)合秘鑰矩陣的生成：標(biāo)識密鑰是有實體的標(biāo)識通過密鑰矩陣生成；隨機(jī)密 鑰是有系統(tǒng)定義的隨機(jī)序列，與標(biāo)識密鑰復(fù)合產(chǎn)生一階復(fù)合秘鑰，隨機(jī)序列消除私鑰變量 之間的線性關(guān)系；標(biāo)識密鑰和隨機(jī)密鑰均由密鑰管理中心負(fù)責(zé)定義，更新密鑰有個人自行 定義，與一階復(fù)合秘鑰再次復(fù)合形成二階復(fù)合秘鑰，提供個人隱私性；二階復(fù)合秘鑰允許個 人定義簽名密鑰；更新密鑰用于秘鑰的更新公私秘鑰分別用即心，1181^來表示；
[0010] (3)將隨機(jī)密鑰序列存放于密鑰管理中心的線庫中，對簇頭提供查詢服務(wù)；隨機(jī) 公鑰建立到隨機(jī)密鑰的映射表，傳感節(jié)點標(biāo)識通過散列運(yùn)算得到散列值，用一定長度的散 列值來自動確定隨機(jī)密鑰坐標(biāo)；由于簇頭的交替更換，為了保證數(shù)字簽名的私密性，安全性 完全取決于隨機(jī)密鑰，隨機(jī)密鑰是互為獨立的隨機(jī)數(shù)序列，而且每一個傳感節(jié)點一個密鑰， 因此各個節(jié)點的私密要之間不存在線性關(guān)系，通過節(jié)點自定義的更新密鑰動態(tài)更新簽名密 鑰，解決簽名密鑰更新問題；
[0011] (二）簇管理的門限密鑰方法：
[0012] 在分簇結(jié)構(gòu)下，網(wǎng)絡(luò)部署節(jié)點之前，密鑰管理中心選擇所需使用的哈希函數(shù)，橢 圓曲線以及相關(guān)參數(shù)，生成公/私密鑰矩陣，并且將上述信息分發(fā)給節(jié)點，每個節(jié)點都有其 所屬ID、密鑰、函數(shù)以及相關(guān)參數(shù)；
[0013] 假定在門限密鑰方案中的公開信息有：一個大素數(shù)!· > ηβ是有限域GF(r)的本 原元，m = pq，其中p和q是不同的兩個秘密素數(shù)；在簇成員中，有η個節(jié)點，P1, P2，…，Pn 分享由簇頭生成的密鑰k e GF(r)，密鑰和認(rèn)證片由下列算法生成和分布；
[0014] (1)首先，秘密選擇t-
[0015] 1 次多項式函數(shù)，f(x) = Iv1Xt-1+...+bp+kmodr，其中，Id1, b2, b3,…，V1 和 f(x) 均屬于GF (r)。隨機(jī)選擇與供㈨互素的兩個不同素數(shù)ei，e2, 是歐拉函數(shù)值；
[0016] (2)計算
【主權(quán)項】
1. 一種可用于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的簇密鑰管理方法，其特征在于：該方法不考慮分簇的具 體劃分方法，節(jié)點在部署之前由密鑰管理中心進(jìn)行初始化，其中包括對每個傳感節(jié)點相關(guān) 參數(shù)和算法的設(shè)置；整個無線傳感網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過分簇之后，分成基站、簇頭和簇內(nèi)節(jié)點；基站和 簇頭之間通過復(fù)合矩陣密鑰保證兩者之間的通信和數(shù)據(jù)傳輸安全，簇頭和簇內(nèi)節(jié)點形成內(nèi) 部安全通信區(qū)域；簇頭負(fù)責(zé)簇內(nèi)節(jié)點的安全數(shù)據(jù)傳輸，當(dāng)簇頭節(jié)點的剩余能量低于設(shè)置的 閥值時，則放棄成為簇頭的條件轉(zhuǎn)變成普通節(jié)點，普通節(jié)點的剩余能量低于某個閥值時，則 自銷毀芯片中的算法和參數(shù)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可用于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的簇密鑰管理方法，其特征在于，其具 體方法如下： (一） 簇頭與基站之間的復(fù)合秘鑰矩陣的確立： (1) 首先由密鑰管理中心構(gòu)建基于ECC的CPK認(rèn)證系統(tǒng)的初始公/私秘鑰矩，確定橢圓 曲線、基點G、子群S、私鑰矩陣SSK和公鑰矩陣PSK; (2) 復(fù)合秘鑰矩陣的生成：標(biāo)識密鑰是有實體的標(biāo)識通過密鑰矩陣生成；隨機(jī)密鑰是 有系統(tǒng)定義的隨機(jī)序列，與標(biāo)識密鑰復(fù)合產(chǎn)生一階復(fù)合秘鑰，隨機(jī)序列消除私鑰變量之間 的線性關(guān)系；標(biāo)識密鑰和隨機(jī)密鑰均由密鑰管理中心負(fù)責(zé)定義，更新密鑰有個人自行定義， 與一階復(fù)合秘鑰再次復(fù)合形成二階復(fù)合秘鑰，提供個人隱私性；二階復(fù)合秘鑰允許個人定 義簽名密鑰；更新密鑰用于秘鑰的更新公私秘鑰分別用即心，1181^來表示； (3) 將隨機(jī)密鑰序列存放于密鑰管理中心的線庫中，對簇頭提供查詢服務(wù)；隨機(jī)公鑰 建立到隨機(jī)密鑰的映射表，傳感節(jié)點標(biāo)識通過散列