基于密鑰技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)安全通信方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及密碼應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種基于密鑰技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)安全通信方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)廣泛應(yīng)用于智能家居、智能制造等領(lǐng)域，成為物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng) 領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。與普通的有線網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)不同，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有計(jì)算資源少、存 儲量小，通信容易被竊聽等特點(diǎn)。因此，通信加密是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)的重要手段之 一，而密鑰管理是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)通信加密的關(guān)鍵技術(shù)。
[0003] 現(xiàn)有的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)密鑰管理方案主要分為兩類：一是共享主密鑰方案，即所 有節(jié)點(diǎn)共享同一主密鑰，節(jié)點(diǎn)間利用主密鑰協(xié)商產(chǎn)生會話密鑰；另外一種是隨機(jī)密鑰分配 方案，傳感器節(jié)點(diǎn)在部署前，從事先生成的密鑰池中隨機(jī)選取一定數(shù)目的密鑰子集，節(jié)點(diǎn)部 署到指定區(qū)域后，通信雙方在各自的密鑰子集中尋找共同密鑰為主密鑰。前者所需存儲空 間不大，但安全性很低，一個(gè)節(jié)點(diǎn)被俘獲，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)就失去安全保障；后者安全性較高，但需 要較大的密鑰存儲空間。因此，理論界和產(chǎn)業(yè)界都在尋求一種安全性高且能適合無線傳感 器網(wǎng)絡(luò)存儲空間小、計(jì)算資源少、運(yùn)算速度快等特點(diǎn)的密鑰管理方案。

【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)存在的問題，提供一種基于密鑰技 術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)安全通信方法，其利用排列組合理論，在網(wǎng)絡(luò)簇中使用少量 的密鑰種子產(chǎn)生大量的組合密鑰，提供密鑰分發(fā)、更新所需的密鑰池，根據(jù)組合關(guān)系制定節(jié) 點(diǎn)之間密鑰資源的關(guān)聯(lián)規(guī)則，簇頭利用組密鑰對密鑰資源加密后下發(fā)至各節(jié)點(diǎn)；簇頭采用 SHAl函數(shù)產(chǎn)生任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間會話密鑰，并根據(jù)節(jié)點(diǎn)分配密鑰資源，利用HMAC函數(shù)生成 臨時(shí)會話密鑰，用來保護(hù)會話密鑰，并完成會話密鑰協(xié)商，減少了密鑰的生成時(shí)間和存儲空 間，降低了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳輸量，滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)間通信加密需求。
[0005] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：
[0006] 一種基于密鑰技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)安全通信方法包括：
[0007] 步驟1 :利用排列組合理論，為簇內(nèi)各節(jié)點(diǎn)組合出不同的密鑰資源；利用對稱加密 算法對生成的上述密鑰資源進(jìn)行加密后分發(fā)至簇內(nèi)各節(jié)點(diǎn)；
[0008] 步驟2 :簇頭Hd利用SHAl函數(shù)產(chǎn)生任意兩節(jié)點(diǎn)隊(duì)與\的會話密鑰，然后分別根據(jù) 兩個(gè)節(jié)點(diǎn)所分配的密鑰資源，構(gòu)造相應(yīng)保護(hù)會話密鑰的加密密鑰，使得簇內(nèi)任意節(jié)點(diǎn)隊(duì)與 N,之間進(jìn)行通信加密，其中i、j分別都表示同一簇內(nèi)任意節(jié)點(diǎn)，但i與j不相同。
[0009] 進(jìn)一步的，所述步驟1具體過程是：簇頭Hd根據(jù)節(jié)點(diǎn)數(shù)目，利用排列組合理論， 為簇內(nèi)各節(jié)點(diǎn)組合出不同的密鑰資源，即根據(jù)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)noden、簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)存儲密鑰容量 keyn以及更新密鑰數(shù)量upkeyn，利用排列組合方法為每個(gè)節(jié)點(diǎn)生成相應(yīng)密鑰資源，簇內(nèi)節(jié) 點(diǎn)數(shù)::，然后使用簇內(nèi)共享組密鑰KHd，利用對稱加密算法對生成的密鑰資 源進(jìn)行加密后分發(fā)至簇內(nèi)各節(jié)點(diǎn)。
[0010] 進(jìn)一步的，所述步驟2具體過程是：
[0011] 步驟21 :節(jié)點(diǎn)Ni向簇頭Hd提出會話申請，要求與節(jié)點(diǎn)N _j進(jìn)行會話；
[0012] 步驟22 :簇頭Hd為隊(duì)與N」生成會話密鑰
Random為簇 頭臨時(shí)產(chǎn)生的隨機(jī)值；
[0013] 步驟23 :簇頭Hd利用公￥
產(chǎn)生 與節(jié)點(diǎn)N1間的臨時(shí)會話密鑰&:，并利用對稱加密算法，使用夂@，_將心\,>加密后發(fā) 送給節(jié)點(diǎn)N1;其中HMAC函數(shù)中K n，Kni，…為分配給節(jié)點(diǎn)N1的密鑰資源，n>0, m>0，Φ符號表 示按比特逐位進(jìn)行異或運(yùn)算，⑩表示字符串直接級聯(lián)；
[0014] 步驟24 :簇頭Hd利用公^
生與節(jié)點(diǎn)N/司的臨時(shí)會話密鑰，并利用對稱加密算法，使用&^/>將加密 后發(fā)送給節(jié)點(diǎn)％。公式中1(11，，1(|11，，~為分配給節(jié)點(diǎn)％的密鑰資源，其中11、1]1、11'、1]1'都表 示任意節(jié)點(diǎn)資源序號，但11、111、11'、111'不相同；
[0015] 步驟25 :節(jié)點(diǎn)隊(duì)與N，別采用與簇頭Hd相同的HMAC函數(shù)構(gòu)造出密鑰和 ,^，然后分別解密簇頭Hd發(fā)送的消息，獲得隊(duì)與\之間的會話密鑰完成簇內(nèi) 任意節(jié)點(diǎn)隊(duì)與N ^之間的會話密鑰協(xié)商。
[0016] 一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)密鑰的安全通訊方法還包括步驟3 :當(dāng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 中有新節(jié)點(diǎn)加入或者有任意節(jié)點(diǎn)Ni退出時(shí)，進(jìn)行密鑰更新。
[0017] 進(jìn)一步的，所述步驟3具體過程是：
[0018] 步驟31 :當(dāng)新節(jié)點(diǎn)加入時(shí)，若新節(jié)點(diǎn)加入前，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)目noden小于 簇頭查找剩余的密鑰組合，同時(shí)由簇頭產(chǎn)生一個(gè)新的組密鑰，然后將新的組密 鑰以及密鑰組合發(fā)送給新加入的節(jié)點(diǎn)，并更新其它節(jié)點(diǎn)的組密鑰；若節(jié)點(diǎn)加入前，網(wǎng)絡(luò)中 節(jié)點(diǎn)數(shù)目noden等于，此時(shí)簇頭中無剩余密鑰組合資源，簇頭根據(jù)節(jié)點(diǎn)數(shù)目調(diào)整 upkeyn或keyn參數(shù)，即增加 upkeyn或keyn，使得< Cgg.二?同時(shí)生成新的密鑰資 源，然后將其加密分發(fā)給各個(gè)節(jié)點(diǎn)。
[0019] 步驟32 :若任意節(jié)點(diǎn)隊(duì)退出網(wǎng)絡(luò)，則使用未分配給節(jié)點(diǎn)N i的密鑰資源K n，Kni，…作 為加密密鑰，利用對稱加密算法加密新的組密鑰K' HjP各節(jié)點(diǎn)分配密鑰資源，并將加密后 的組密鑰Kn(f Hd)或KniO^ J及密鑰資源Kn(f J下發(fā)給各節(jié)點(diǎn)，至此完 成簇內(nèi)密鑰更新，而此時(shí)節(jié)點(diǎn)N1無法解密新的密鑰，確保網(wǎng)絡(luò)的前向安全，其中所述組密鑰 K' Hd由簇頭產(chǎn)生，Kn(K' Hd)表示應(yīng)是Knt對f Hd進(jìn)行加密；Hd)表示Kni對K'陽進(jìn) 行加密；K n(K' J表示應(yīng)是心對1^ i進(jìn)行加密；K J表示Kni對f i進(jìn)行加密；K', 為密鑰資源中已分配節(jié)點(diǎn)資源的任意密鑰，n、m e i。
[0020] 綜上所述，由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明的有益效果是：
[0021] 1.安全性高。本發(fā)明中節(jié)點(diǎn)之間的通信采用臨時(shí)會話密鑰加密，密鑰被截取后無 法再次使用；當(dāng)有節(jié)點(diǎn)退出無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)，簇內(nèi)組密鑰會進(jìn)行更新，簇頭采用退出節(jié)點(diǎn) 未分配的密鑰資源加密新的組密鑰發(fā)送給簇內(nèi)成員，退出節(jié)點(diǎn)無法根據(jù)退出前擁有的密鑰 來解密新的組密鑰，從而保證了網(wǎng)絡(luò)的前向安全；節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)進(jìn)行組密鑰更新，新的組 密鑰無法解密以前的數(shù)據(jù)，保證了網(wǎng)絡(luò)的后向安全。
[0022] 2.計(jì)算量小。本技術(shù)屬于密碼應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中利用排列組合 理論，使用少量的密鑰種子產(chǎn)生大量的組合密鑰，提供密鑰分發(fā)、更新所需的密鑰池，制定 網(wǎng)絡(luò)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)間密鑰資源的關(guān)聯(lián)規(guī)則，簇頭采用SHAl函數(shù)產(chǎn)生任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間會話密鑰， 并根據(jù)節(jié)點(diǎn)分配資源，利用HMAC函數(shù)生成臨時(shí)會話密鑰，用來保護(hù)會話密鑰，并完成會話 密鑰協(xié)商，減少了密鑰的生成時(shí)間和存儲空間，降低了網(wǎng)絡(luò)的傳輸量，滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)間通信加密需求。
[0023] 3.消耗資源少。本發(fā)明僅需少量的密鑰即可以產(chǎn)生大量的組合密鑰，形成密鑰資 源池，消耗密鑰資源和計(jì)算資源較少。
[0024] 4.本發(fā)明使用排列組合方法減少了密鑰的生成時(shí)間和存儲空間，降低了無線傳感 器網(wǎng)絡(luò)的傳輸量，滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)間通信加密需求。
[0025] 5.本發(fā)明中采用簇結(jié)構(gòu)可以減少傳輸產(chǎn)生的能量開銷，有利于網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展。
【附圖說明】
[0026] 本發(fā)明將通過例子并參照附圖的方式說明，其中：
[0027] 圖1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)加入時(shí)密鑰分發(fā)與更新。
【具體實(shí)施方式】
[0028] 本說明書中公開的所有特征，或公開的所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥 的特征和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。
[0029] 本說明書（包括任何附加權(quán)利要求、摘要和附圖）中公開的任一特征，除非特別敘 述，均可被其他等效或具有類似目的的替代特征加以替換。即，除非特別敘述，每個(gè)特征只 是一系列等效或類似特征中的一個(gè)例子而已。
[0030] 工作原理：本發(fā)明中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用分級式結(jié)構(gòu)進(jìn)行管理。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)劃分為 多個(gè)簇，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)只隸屬于1個(gè)簇，每個(gè)簇由1個(gè)簇頭和多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)組成。簇 內(nèi)共享1個(gè)組密鑰，簇頭綜合考慮簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)存儲密鑰容量、更新密鑰數(shù)量，生成相應(yīng)密鑰資 源，簇頭利用排列組合理論，為各節(jié)點(diǎn)組合出不同的密鑰資源（各個(gè)節(jié)點(diǎn)分配的密鑰資源 不同），然后使用共享的組密鑰，利用對稱加密算法對生成的密鑰資源進(jìn)行加密后分發(fā)至簇 內(nèi)各節(jié)點(diǎn)
[0031] 在網(wǎng)絡(luò)簇中利用排列組合理論使用少量的密鑰種子產(chǎn)生大量的組合密鑰，提供密 鑰分發(fā)、更新所需的密鑰資源池。利用排列組合理論，在網(wǎng)絡(luò)簇中使用少量的密鑰種子產(chǎn)生 大量的組合密鑰，提供簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)間通信中密鑰分發(fā)、更新所需的密鑰池，制定簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)間密 鑰資源的關(guān)聯(lián)規(guī)則，簇頭采用SHAl函數(shù)產(chǎn)生任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間會話密鑰，并根據(jù)節(jié)點(diǎn)分配密 鑰資源，利用HMAC函數(shù)生成臨時(shí)會話密鑰，用來保護(hù)會話密鑰，并完成會話密鑰協(xié)商，減少 了密鑰的生成時(shí)間和存儲空間，降低了網(wǎng)絡(luò)的傳輸量，滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)間通 信加密需求。
[0032] 具體步驟：
[0033] 1、密鑰資源分發(fā)：簇頭利用SHAl (簇頭產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)）函數(shù)產(chǎn)生任意兩節(jié)點(diǎn)間的 會話密鑰，然后分別根據(jù)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)所分配的密