專(zhuān)利名稱(chēng)：分簇結(jié)構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)的有效密鑰管理方法及其運(yùn)行方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的密鑰管理方法，具體是一種分簇結(jié)構(gòu)傳 感器網(wǎng)絡(luò)的有效密鑰管理方法。
背景技術(shù)：
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在大多數(shù)的非商業(yè)應(yīng)用中，如環(huán)境監(jiān)測(cè)、森林放火、侯鳥(niǎo) 遷徙跟蹤等應(yīng)用，安全問(wèn)題并不是一個(gè)非常重要的問(wèn)題。而在另外一些領(lǐng)域， 如商業(yè)上的小區(qū)無(wú)線安防網(wǎng)絡(luò)，軍事上在敵控區(qū)域監(jiān)視敵方軍事部署的傳感器 網(wǎng)絡(luò)等，對(duì)數(shù)據(jù)的釆樣、數(shù)據(jù)的傳輸過(guò)程，甚至節(jié)點(diǎn)的物理分布方面，安全問(wèn) 題就顯得尤為重要。而傳感器網(wǎng)路的安全問(wèn)題的解決思路和方法與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安 全問(wèn)題不同，這主要是有網(wǎng)絡(luò)自身的特點(diǎn)決定的如有限的存儲(chǔ)空間和計(jì)算能 力；缺乏后期節(jié)點(diǎn)布置的先驗(yàn)知識(shí)；布置區(qū)域的物理安全無(wú)法保證；有限的帶 寬和通信能量；不僅是點(diǎn)到點(diǎn)的安全，更是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的安全等。正是因?yàn)闊o(wú)線 傳感器網(wǎng)絡(luò)存在以上特點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)的能量消耗和信道復(fù)用是首要解決的問(wèn)題，另 外，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的數(shù)量較多，而可用的帶寬資源有限。傳感器網(wǎng)絡(luò)受到的安全威脅和移動(dòng)adhoc網(wǎng)絡(luò)所受到的安全威脅不同，所 以現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)安全機(jī)制不適合此領(lǐng)域，需要開(kāi)發(fā)針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的專(zhuān)門(mén)協(xié) 議。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層的研究主要集中在密鑰管理和安全組播的研究。特 別是密鑰管理協(xié)議的研究逐漸收到廣泛的關(guān)注。密鑰管理包括密鑰的產(chǎn)生、裝 入、存儲(chǔ)、備份、分配、更新、吊銷(xiāo)和銷(xiāo)毀等內(nèi)容，其中分配和存儲(chǔ)可能是最 棘手的問(wèn)題。最有代表性的密鑰管理方案有如下兩種。其一使分布式密鑰管
模型，如基于門(mén)限密碼管理論，利于實(shí)現(xiàn)分布式的CA來(lái)進(jìn)行密鑰管理的算法。 其二是自組織的密鑰管理模型，對(duì)于分布式的密鑰管理協(xié)議，算法本身對(duì)網(wǎng)絡(luò) 節(jié)點(diǎn)的i十算能力有較高的要求，且頻繁的密鑰分發(fā)增加了系統(tǒng)的處理開(kāi)銷(xiāo)，降 低了方案在能量受限的傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的可應(yīng)用性。自組織的密鑰管理協(xié)議 適用于長(zhǎng)期存在的、有詳細(xì)布局的網(wǎng)絡(luò)，其隨機(jī)自組織性也可能引發(fā)主干鏈路 選擇過(guò)程的大量重復(fù)，該方案在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中有一定的適用性?；趥鞲?器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，有限的電源能量、通信能力和計(jì)算與存儲(chǔ)能力，開(kāi)發(fā)有效節(jié)能 的密鑰管理協(xié)議是當(dāng)今傳感器網(wǎng)絡(luò)在安全應(yīng)用方面需要解決的迫在眉睫的問(wèn) 題。發(fā)明內(nèi)容針對(duì)以上技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明目的是提供一種分簇結(jié)構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)的有效密 鑰管理協(xié)議方法及運(yùn)行方法，共享密鑰的建立和密鑰的更新協(xié)議更為簡(jiǎn)單，減 小保密機(jī)制的能量開(kāi)銷(xiāo)，同時(shí)有效縮短密鑰使用周期以提高系統(tǒng)安全性，滿(mǎn)足 低功耗要求又保證網(wǎng)絡(luò)的安全性能。本發(fā)明的技術(shù)方案是這種分簇結(jié)構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)的有效密鑰管理方法，每個(gè) 節(jié)點(diǎn)可以對(duì)不同的消息采用不同類(lèi)型的密鑰加密，同時(shí)相應(yīng)設(shè)置不同的密鑰對(duì) 存儲(chǔ)方式，其特征在于，不同類(lèi)型的密鑰對(duì)存儲(chǔ)方式分為如下幾類(lèi)A.基站(command node)存儲(chǔ)初始化時(shí)和所有的傳感器節(jié)點(diǎn)之間共享的密鑰即主密鑰 (masterkey),發(fā)現(xiàn)有節(jié)點(diǎn)失效時(shí)及時(shí)更新主密鑰；B.簇頭節(jié)點(diǎn)(clusterhead) 存儲(chǔ)和基站共享的密鑰，存儲(chǔ)與其簇成員節(jié)點(diǎn)之間的密鑰(clusterkey),存儲(chǔ)和 其他簇頭共享的密鑰(groupkey); C.簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)(sensor node)存儲(chǔ)與基站共享的密鑰和與其所在簇的簇頭共享的密鑰。 進(jìn)一步，所述簇頭節(jié)點(diǎn)(duster head)與其簇成員節(jié)點(diǎn)之間的密鑰(cluster key) 和與其他簇頭共享的密鑰(group key)存于RAM中。進(jìn)一步，所述簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)(sensornode)與其所在簇的簇頭共享的密鑰可存儲(chǔ)于 RAM中。進(jìn)一步，密鑰管理協(xié)議的運(yùn)行方法是基于簇的低功耗自適應(yīng)聚類(lèi)體系即 LEACH (Low energy adaptive clustering hierarchy)路由機(jī)制初始化過(guò)程是在 配置網(wǎng)絡(luò)的時(shí)候隨機(jī)確定的，簇頭與簇的形成均預(yù)先確定，經(jīng)過(guò)一輪的通信完 成后，協(xié)議再按照LEACH的執(zhí)行過(guò)程進(jìn)行密鑰的分配與傳輸，具體運(yùn)行步驟 如下1) 每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)s (有唯一的ID)預(yù)置與基站共享的獨(dú)立密鑰，該密鑰 的生成方式為其中/是一個(gè)偽隨機(jī)函數(shù)，《m是基站掌控的主加密密鑰。2) 簇頭候選節(jié)點(diǎn)。.發(fā)送消息到基站請(qǐng)求當(dāng)選簇頭，基站(co腿and node) 接收后反饋消息進(jìn)行確認(rèn)C. ~>BS: IDC II E (Kc ， nonce || data)BS — q: E (Kc ， nonce || data) || MAC (Ka， nonce || data)其中Ka是認(rèn)證密鑰，由單向散列函數(shù)決定。簇頭候選節(jié)點(diǎn)。.廣播消息，以便周?chē)?jié)點(diǎn)知道其已成為簇頭，方便它們選擇合適的簇迸行加入Cy —Broadcast: IDC, || data3) 簇的形成過(guò)程當(dāng)某一傳感器節(jié)點(diǎn)、(本屬于c,)請(qǐng)求加入新的簇。中 時(shí)，相關(guān)的兩個(gè)簇頭c,和。需要利用簇頭共享密鑰KG進(jìn)行秘密會(huì)話，以驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)、的身份，具體過(guò)程如下 IDC || ID《卩E (、 ，c ， nonce || data) — C: IDC |i E (Kg, nonce || ID。)C-:HV ||E(KC ,c ，畫(huà)eH,c,，nV，data)C-~>S.:IDc II E(、 ，c ， nonce IIIDC ||、 ，c || data)其中，K",。是新的簇頭q與節(jié)點(diǎn)Sj共享的簇密鑰，取代原始或上一輪 的簇密鑰Ky ，e 。4) 簇頭與簇均確定后，簇頭將為每個(gè)簇成員分配時(shí)隙以便數(shù)據(jù)的及時(shí)接收。5) 簇頭接收簇成員傳送的信息后，進(jìn)行處理將簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)融合再傳送到基站。6) 發(fā)動(dòng)新一輪的消息傳輸，網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入下一循環(huán)，要求簇頭再次選擇并重新組建新的簇同時(shí)更新原始密鑰。下面結(jié)合附圖2對(duì)本發(fā)明做出進(jìn)一步說(shuō)明。根據(jù)分簇結(jié)構(gòu)的傳感器網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以對(duì)不同的消息采用不同的密鑰加密，同時(shí)以不同的存儲(chǔ)方式存儲(chǔ)相應(yīng)的密鑰對(duì)，具體密鑰預(yù)分配方案如下基站(command node/Base Station)存儲(chǔ)初始化時(shí)和所有的傳感器節(jié)點(diǎn)之間 共享的密鑰即主密鑰(masterkey)，發(fā)現(xiàn)有節(jié)點(diǎn)失效時(shí)必須及時(shí)更新主密鑰。簇頭節(jié)點(diǎn)(cluster head)如d存儲(chǔ)和基站共享的密鑰，存儲(chǔ)與其簇成員節(jié)點(diǎn) S10、 S,,、 S,2之間的密鑰(dusterkey)，存儲(chǔ)和其他簇頭共享的密鑰(group key), 后兩者可以存于RAM中以便在薪的一輪中進(jìn)行的密鑰更新以節(jié)約存儲(chǔ)空間。簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)(sensor node)如S,o存儲(chǔ)與基站BS共享的密鑰和與其所在簇的簇 頭Q共享的密鑰，同樣，后者可以存儲(chǔ)于RAM中適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的更新。本發(fā)明能夠使共享密鑰的建立和密鑰的更新協(xié)議更為簡(jiǎn)單，減小保密機(jī)制 的能量開(kāi)銷(xiāo)，同時(shí)有效縮短密鑰使用周期以提高系統(tǒng)安全性，滿(mǎn)足低功耗要求 又保證網(wǎng)絡(luò)的安全性能。


圖1是本發(fā)明所述系統(tǒng)應(yīng)用的分層分簇網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)圖； 圖2是本發(fā)明所述系統(tǒng)應(yīng)用的分簇網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分布圖。
具體實(shí)施方式
按照?qǐng)Dl所示的結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)以自組織的方式進(jìn)行組網(wǎng)通信， 底層節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集，高層節(jié)點(diǎn)進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)融合和轉(zhuǎn)發(fā)。層次是通過(guò) 的普通節(jié)點(diǎn)中選出一定數(shù)目的簇頭，簇頭中又選出一定數(shù)目的簇頭作為高一層 次的簇頭形成。圖中簇頭Co， d和C2是比簇頭C加、Cu)、 C 、 C2o、 (321更高 一級(jí)的簇頭，按照通信規(guī)模要求依此進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的層次擴(kuò)展。按照?qǐng)D2，本發(fā)明系統(tǒng)劃分為三個(gè)簇的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。以簇Cluster l來(lái)分析 簇內(nèi)包括一系列的普通傳感器節(jié)點(diǎn)如S,。、 S 、 S,2和簇頭節(jié)點(diǎn)d。所有簇成員 收集網(wǎng)絡(luò)需要的數(shù)據(jù)信息后傳送到簇頭節(jié)點(diǎn)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)融合處理后傳輸?shù)絽R聚節(jié) 點(diǎn)即基站BS。簇內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)之間可以進(jìn)行有效的信息傳輸和信息處理， 但不能與其他簇成員節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。各個(gè)簇頭之間可以進(jìn)行相互通信，將所需 信息及時(shí)傳輸?shù)交?，各種數(shù)據(jù)由簇頭和基站處理。按照?qǐng)D1和圖2所示的網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)系統(tǒng)采用的雙重組加密方式如下采用雙重的組密鑰管理機(jī)制，即簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)共享的組密鑰和簇頭節(jié)點(diǎn)之間共享的組密鑰，采用對(duì)稱(chēng)加密算法即不同簇內(nèi)共享不同的密鑰。將改進(jìn)的Diffie-Hdlman 協(xié)議利用到分層結(jié)構(gòu)的傳感器網(wǎng)絡(luò)中，簇密鑰/組密鑰的計(jì)算一般通過(guò)初始化節(jié)
點(diǎn)和主導(dǎo)節(jié)點(diǎn)計(jì)算出來(lái)。初始化節(jié)點(diǎn)發(fā)動(dòng)密鑰的更新計(jì)算，主導(dǎo)節(jié)點(diǎn)通過(guò)鏈路 上所有節(jié)點(diǎn)提供的局部密鑰計(jì)算出最終的共享密鑰，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都會(huì)為密鑰的計(jì)算提供一都分局都崈鑰。在圖2所樂(lè)的模型中，簇內(nèi)的共享組密鑰可以通過(guò)如下方式計(jì)算，在簇1中任選一普通節(jié)點(diǎn)作為計(jì)算密鑰的初始化節(jié)點(diǎn)，根 據(jù)簇內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)提供的局部密鑰，利用某一隨機(jī)數(shù)計(jì)算出來(lái)的子密鑰是《二^^&，因此簇d的共享密鑰為A:二gS"^^。 對(duì)于簇間共享的密鑰計(jì)算方式，按照?qǐng)Di所示的模型可以依據(jù)相同的原理計(jì)算出來(lái)。簇c。、 d和c2產(chǎn)生的局部密鑰為《intra = getxA ，《intra =gqoqiq ，《intra= g^^&，因此，主導(dǎo)簇頭節(jié)點(diǎn)利用這些值計(jì)算出最后的簇間共享密鑰為G二g^Aqo^q^Q^ 。密鑰管理協(xié)議的傳輸過(guò)程是基于簇的低功耗自適應(yīng)聚類(lèi)體系即LEACH (Low energy adaptive clustering hierarchy)路由機(jī)制初始化過(guò)程是在配置網(wǎng) 絡(luò)的時(shí)候隨機(jī)確定的，簇頭與簇的形成均預(yù)先確定，經(jīng)過(guò)一輪的通信完成后， 協(xié)議再按照LEACH的執(zhí)行過(guò)程進(jìn)行密鑰的分配與傳輸，下面結(jié)合附圖2對(duì)具 體運(yùn)行步驟作如下說(shuō)明-1) 每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)s (有唯一的ID)預(yù)置與基站共享的獨(dú)立密鑰，該密鑰的生成方式為《=^(4，其中/是一個(gè)偽隨機(jī)函數(shù)，《朋是基站掌控的主加密密鑰。2) 簇頭候選節(jié)點(diǎn)q發(fā)送消息到基站請(qǐng)求當(dāng)選簇頭，基站(co醒a(bǔ)nd node) 接收后反饋消息進(jìn)行確認(rèn):~>BS: IDCi II E (Kc, ， nonce || data) BS ~> : E (KCi ， nonce || data) || MAC (Ka, nonce || data)
其中Ka是認(rèn)證密鑰，由單向散列函數(shù)決定。簇頭候選節(jié)點(diǎn)q廣播消息，以便周?chē)?jié)點(diǎn)知道其已成為簇頭，方便它們選 擇合適的簇進(jìn)行加入?！狟roadcast: ID、 || data3) 簇的形成過(guò)程當(dāng)某一傳感器節(jié)點(diǎn)^o(本屬于(^)請(qǐng)求加入新的簇c, 中時(shí)，相關(guān)的兩個(gè)簇頭^和(^需要利用簇頭共享密鑰Ke進(jìn)行秘密會(huì) 話，以驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)52。的身份，具體過(guò)程如下 S" 7 n ~> Broadcast: IDC || ID《 || E (K^ ，c ， nonce || data)二 V/ 2 2 0 2 0 2q ~> C: IDC, II E (KG， nonce || IDCi)Ci:ID「。 II E (Kc ,,C2， nonce II K^。,c2，ID^o,data) —S20 :IDC, ||E(KS2。,C2,n0nCe||IDCi ||KS2。,Ci || data) 其中，K^。，q是新的簇頭q與節(jié)點(diǎn)S^共享的簇密鑰，取代原始或上一 輪的簇密鑰K, ,c，。4) 簇頭與簇均確定后，簇頭將為每個(gè)簇成員分配時(shí)隙以便數(shù)據(jù)的及時(shí)接收。5) 簇頭接收簇成員傳送的信息后，進(jìn)行處理將簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)融合再傳送到基站。6) 發(fā)動(dòng)新一輪的消息傳輸，網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入下一循環(huán)，要求簇頭再次選擇并重新 組建新的簇同時(shí)更新原始密鑰。
權(quán)利要求
1、一種分簇結(jié)構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)的密鑰管理方法，每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以對(duì)不同的消息采用不同類(lèi)型的密鑰加密，同時(shí)相應(yīng)設(shè)置不同的密鑰對(duì)存儲(chǔ)方式，其特征在于，不同類(lèi)型的密鑰對(duì)存儲(chǔ)方式分為如下幾類(lèi)A.基站)存儲(chǔ)初始化時(shí)和所有的傳感器節(jié)點(diǎn)之間共享的密鑰即主密鑰，發(fā)現(xiàn)有節(jié)點(diǎn)失效時(shí)及時(shí)更新主密鑰；B.簇頭節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)和基站共享的密鑰，存儲(chǔ)與其簇成員節(jié)點(diǎn)之間的密鑰，存儲(chǔ)和其他簇頭共享的密鑰；C.簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)與基站共享的密鑰和與其所在簇的簇頭共享的密鑰。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種分簇結(jié)構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)的密鑰管理方法，每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以對(duì)不同的消息采用不同類(lèi)型的密鑰加密，同時(shí)相應(yīng)設(shè)置不同的密鑰對(duì)存儲(chǔ)方式，不同類(lèi)型的密鑰對(duì)存儲(chǔ)方式分別針對(duì)基站、簇頭節(jié)點(diǎn)、簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)采取不同方式存儲(chǔ)。本發(fā)明還針對(duì)密鑰管理方法公開(kāi)了一種基于簇的低功耗自適應(yīng)聚類(lèi)體系即LEACH路由機(jī)制的運(yùn)行方法。本發(fā)明能夠減少節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)空間和通信能量，滿(mǎn)足低功耗需求又保證網(wǎng)絡(luò)安全性能，使網(wǎng)絡(luò)更完善，并可以有效地防止暴露節(jié)點(diǎn)數(shù)目和數(shù)據(jù)被非法截獲。
文檔編號(hào)H04L9/00GK101155024SQ20061003235
公開(kāi)日2008年4月2日 申請(qǐng)日期2006年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月29日
發(fā)明者彬 付, 崔艷玲, 曾凡仔, 李仁發(fā), 娟 羅, 玲 肖 申請(qǐng)人:湖南大學(xué)