無線傳感器網絡中可跨簇非對稱群組密鑰協商方法與流程

2023-08-12 23:59:11 1

本發明涉及信息安全及密碼學的技術領域，具體涉及一種無線傳感器網絡中可跨簇非對稱群組密鑰協商方法，涉及群組成員之間秘密信息交換及傳輸的技術，實現在無線傳感器網絡環境下的傳感器節點群組間可跨簇的信息交換及安全傳輸的跨簇非對稱群組密鑰協商。

背景技術：

無線傳感網絡中群組密鑰協商是傳感器節點成員為保障通信安全而共同計算的群組之間秘密通信所需的群組加密及解密密鑰，是保障節點群組成員通過公開無線傳感網絡進行安全的協同計算、資源共享、信息交換等關鍵技術之一。傳感器網絡廣泛應用於國防、工業、農業等，保障無線傳感器節點間通信信息的保密性、完整性和不洩露性至關重要。但由於傳感器節點的資源受限，其通信能力和計算能力較弱，導致傳感器節點間不能直接進行遠距離、大規模地建立群組間秘密通信信道。無線傳感器網絡環境下往往需要大規模的傳感器節點協同收集和處理信息，但由於傳感器節點的通信範圍及計算能力受到限制，不能大範圍的進行資源共享及協同計算，同樣在安全信息交換方面也只在局部、小範圍內進行。本發明針對無線傳感器節點間進行大規模的、遠距離的資源秘密共享及安全信息交換技術提出一種可跨簇非對稱群組密鑰協商方案。

目前，針對無線傳感器網絡可跨簇的非對稱群組密鑰協商的研究尚未出現。一系列的挑戰性問題有待解決，包括傳感器節點在群組密鑰協商過程中的跨簇秘密傳遞群組密鑰因子及密鑰計算正確性自證實等方面的工作尚無先例。

技術實現要素：

針對在無線傳感器網絡應用環境，無線傳感器節點間不能直接進行遠距離、大規模地建立群組間秘密通信信道的技術問題，本發明提出一種無線傳感器網絡中可跨簇非對稱群組密鑰協商方法，通過簇頭的橋接作用為分布在不同簇內傳感器群組節點間建立一種安全秘密通信信道，保障群組節點之間的安全秘密通信，通過密鑰因子函數映射關係使得傳感器節點在不經過第三方或額外通信的情況下，自身能夠證實其所計算的群組密鑰的正確性，減少群組密鑰協商的輪數，從而節省傳感器節點的通信消耗。

為了解決上述技術問題，本發明的技術方案是：

本發明的有益效果：

①跨簇信息交換性：在傳感器節點通信範圍受限的情況下，為保障傳感器節點進行大規模、遠距離的信息交換，實現分布在不同簇的傳感器節點間跨簇進行秘密信息交換。

②傳感器節點對群組密鑰正確性自證實：群組節點能協商出一致的群組加密密鑰和群組解密密鑰，不需要額外廣播信息證實群組密鑰的正確性，每個節點成員自己即可證實其計算的群組密鑰的正確性，減少群組密鑰協商的輪數，從而節省傳感器節點的通信消耗。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發明模型的結構示意圖。

圖2為實施例一的簇頭節點的聯盟密鑰生成的邏輯結構圖。

圖3為實施例一的跨簇非對稱群組密鑰協商方法流程圖。

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有付出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。

一種無線傳感器網絡中可跨簇非對稱群組密鑰協商方法，針對無線傳感器網絡環境提出了一種可跨簇的輕量級非對稱群組密鑰協商(cross-clusterlightweightasymmetricgroupkeyagreement,cl-agkg)方法，以密碼學為理論基礎，結合新型算法和研究技術實現分布在不同簇的傳感器節點群組之間進行信息交換和傳輸的密鑰協商方法，為簇間傳感器節點間建立一條安全高效的群組通信信道。本本命首先建立簇頭間的聯盟共享秘密信息；以簇頭為橋接節點實現不同簇的傳感器節點具有相同的群組密鑰信息，進而實現跨簇非對稱群組密鑰協商；全網節點都可以與群組內部節點共享其秘密信息，實現消息發送者不受群組約束的群組安全通信機制；通過非對稱計算將更多傳感器節點的計算與通信量遷移到能量較大的節點，確保傳感器節點的計算及通信開銷輕量級性。

1.本發明相關的符號

本發明所涉及到的相關符號表示說明見表1：

表1本發明相關的關鍵符號

2.本發明所涉及的理論基礎知識和相關定義

2.1雙線性映射

設g1為加法群，g2為乘法循環群，其具有共同的大素數階q，q≥2k+1，k是安全參數，且g1和g2上的離散對數是困難的，加法群g1和乘法循環群g2是一對雙線性群，設g1＝，e是可計算的雙線性映射，e:g1×g1→g2。

性質1.雙線性：對所有的g1,g2∈g1，及有e(ag1,bg1)＝e(g1,g2)ab。

性質2.非退化性：e(g1,g2)≠1。

性質3.可計算性：存在有效的算法，對於g1,g2∈g1可計算e(g1,g2)。

2.2計算複雜性問題

假設1.離散對數問題：設g1,g1'∈g1，尋找一個整數a使得g1'＝ag1在計算上是困難的。

假設2.divisiblecomputationaldiffie–hellman(dcdh)問題：假設一個三元組(g1,ag1,bg1)∈g1，對於未知數計算(a/b)g1是困難的。

實施例一

一種無線傳感器網絡中可跨簇非對稱群組密鑰協商方法，如圖1所示，其步驟如下：①簇頭間建立聯盟密鑰；②簇內節點通過各自的公私密鑰對盲化各自的群組貢獻密鑰因子參數，並將這些群組密鑰因子發送給簇頭節點；③簇頭接收到本簇內所有參與群組密鑰協商的節點發送的群組密鑰因子參數後，將其建立的聯盟密鑰分別和每個節點的群組密鑰因子進行融合計算，然後廣播融合計算的密鑰因子；④各簇內節點收到廣播後，對這些密鑰因子進行組合計算得到群組密鑰；⑤各節點成員自證實所計算的群組密鑰是否正確，如果群組密鑰計算正確，即可通過群組密鑰加密通信信息，進行群組安全信息交換。本實施例中可跨簇非對稱群組密鑰協商方法的流程圖，如圖3所示。

3可跨簇非對稱群組密鑰協商方法

3.1初始化協議參數

設加法群g1和循環乘法群g2上的離散對數在多項式時間內無法求解，且g1＝，g1為g1的生成元，加法群g1和循環乘法群g2具有相同大素數階q，e是可計算的雙線性映射，e:g1×g1→g2，哈希函數h1,h2:為兩個散列函數，系統的參數為params＝(q,g1,g2,g1,e,h1,h2)。

3.2模型建立

將無線傳感器網絡劃分成n個簇，每個簇由簇頭來管理本簇的密鑰分配，通信有四種類型：簇頭之間、簇內成員之間、簇頭與簇內成員之間以及簇頭與基站之間。簇頭參與簇內部成員的密鑰協商及密鑰更新，且起到不同簇之間成員節點間通信橋梁的作用。因此，整個簇可採用統一的密鑰生成模式，網絡模型如圖1所示。

整個網絡的節點分可分為3種類型，基站(basestation)、簇頭(clusterhead)和傳感器節點(sensornode)。基站具有大量的能量和存儲空間，能夠進行大量複雜的計算，管理整個網絡。簇頭具有較大的能量和存儲空間，通信範圍較大，一般覆蓋整個簇區域，收集傳感器節點數據並傳送給基站。傳感器節點具有有限的存儲空間和計算能力，通信範圍較小。

3.3簇頭間聯盟密鑰生成

設n個簇的簇頭集合為任意簇頭ui(1≤i≤n)隨機選擇並計算pki＝skig1，則簇頭ui(2≤i≤n)的公私密鑰對為(pki,ski)，私密鑰ski由簇頭秘密保存，公密鑰pki廣播出去，並對外公開。

將n個簇的簇頭ui作為三叉樹的葉子節點，構建一個完全三叉樹，如圖2所示。其中，th,l表示非葉子節點，h為分枝節點th,l在樹中的高度或層數，l為分枝節點th,l在h層中的第l個節點，且

每個左孩子的葉子節點ui，用自己的私鑰及其兄弟節點的公鑰可計算出其父節點的私鑰，其父節點的私鑰表示為父節點的私鑰秘密保存，父節點對應的公鑰對外廣播。每個葉子節點逐層向上計算，直到根節點t0,0。當某個葉子節點ui(1≤i≤n)沒有兄弟節點，其可計算其父節點的私鑰其父節點對應的公鑰當某個左孩子葉子節點ui(1≤i≤n)缺少一個兄弟節點時，其可計算其父節點的私鑰其父節點對應的公鑰根據雙線性映射的性質可知，所有簇頭節點(葉子節點)都能計算出一個共同的樹根節點t0,0的私鑰tx0,0，把私鑰tx0,0作為簇頭節點之間共享的群組會話密鑰就是簇頭ui間的聯盟私鑰。

3.4可跨簇非對稱群組密鑰協商方法

本發明以一個簇的傳感器節點的群組密鑰協商為例，有兩種假設需要考慮：

(1)每個簇有一個簇頭和n個傳感器節點組成。簇頭ui內的低能量節點集合表示為u＝{ui,1,ui,2,...,ui,n}，其對應的身份集合表示為任意節點ui,t(1≤t＜n)的公私密鑰對為(pki,t,ski,t)，其中，pki,t＝ski,tg1，n表示簇頭ui內的低能量傳感器的節點數量。ui為本簇能量較大的簇頭，其對應的身份表示為簇頭ui的公私密鑰對(pki,ski)，其中為私鑰，pki＝skig1為公鑰。

(2)每個節點在執行協議之前都能知道其它成員的身份信息。

3.4.1跨簇傳感器節點非對稱群組密鑰協商

如果參與群組密鑰協商的傳感器節點分布在不同的簇，則跨簇群組密鑰協商過程如下：

(1)簇頭ui內的每個傳感器節點ui,t(1≤i≤n,1≤t≤n)隨機選擇兩個數mi,t,計算qi,t＝qi,tg1，ti,t＝((mi,t+ski,t)/qi,t)g1，mi,t＝mi,tpki，並將發送給簇頭ui。mi,t為密鑰參數，qi,t為一個隨機選擇的整數。提前存儲在對應傳感器的內存卡上，以減少在線計算量，延長傳感器的使用壽命。

(2)收到後，簇頭ui(1≤i≤n)驗證等式是否成立，如果成立，則簇頭ui可以確保消息是由ui,t發送的，然後令計算

(3)當參與群組密鑰協商的傳感器節點分布在不同簇的情況下，各簇頭ui(1≤i≤n)之間將各簇內參與群組密鑰協商的傳感器節點的信息fi,t相互傳遞共享。為描述方便，假設有兩個簇的傳感器節點參與群組密鑰協商，分別是以簇頭ui和簇頭uj為首的跨簇群組密鑰協商。簇頭ui將其內部參與密鑰協商的節點信息(fi,t,qi,t,ti,t,pki,t)(1≤t≤n)發送給簇頭uj，簇頭uj將其內部參與密鑰協商的節點信息(fj,t,qj,t,tj,t,pkj,t)(1≤t≤n)發送給簇頭ui。

1)簇頭ui選擇一個隨機數簇頭ui計算其中，是簇頭ui計算的群組密鑰參數。簇頭ui計算出群組加密密鑰和群組解密密鑰最後，簇頭ui將廣播給簇內傳感器節點。

2)同理，①簇頭uj內的每個傳感器節點uj,t(1≤j≤n,1≤t≤n)隨機選擇兩個數計算qj,t＝qj,tg1，tj,t＝((mj,t+skj,t)/qj,t)g1，mj,t＝mj,tpkj，並將發送給簇頭uj，mj,t為密鑰參數。②收到後，簇頭uj(1≤j≤n,j≠i)驗證等式是否成立，如果成立，則簇頭uj可以確保消息是由uj,t發送的，然後令計算③簇頭uj選擇一個隨機數簇頭uj計算④簇頭uj可以計算出群組加密密鑰和群組解密密鑰最後，簇頭uj將廣播給簇內傳感器節點。

(4)群組密鑰計算：簇頭ui內每個傳感器節點ui,t(1≤i≤n,1≤t≤n)在接收到簇頭ui的廣播之後，驗證等式是否立，如果成立，則每個傳感器節點ui,t(1≤i≤n,1≤t≤n)可以確保信息是由簇頭ui發送過來的；然後各個傳感器節點ui,t(1≤i≤n,1≤t≤n)可獲得群組加密密鑰並通過自己的密鑰參數mi,t計算及群組解密密鑰

(5)因為所以

(6)傳感器節點ui,t(1≤i≤n,1≤t≤n)通過驗證等式是否成立，來驗證群組加密密鑰和群組解密密鑰計算的正確性。此方案的示意圖見圖3。

4.無線傳感器節點間群組安全通信

對任意明文信息為明文空間，任意傳感器節點ui,t擁有群組加密密鑰和群組解密密鑰作如下操作。

加密.消息發送者ui,t隨機選擇整數並計算然後廣播密文c＝，簇間傳感器節點的通信，可由兩個簇的簇頭進行轉發廣播。

解密.當收到消息發送者廣播的密文c＝，群組內任意傳感器節點uj,t可用計算的群組解密密鑰dkuj,t計算出明文信息

實施例二

為了說明本發明的內容及實施方法，給出了一個具體實施例。在本實施例中引入細節的目的不是限制權利要求書的範圍，而是幫助理解本發明的方法。本領域的技術人員應理解：在不脫離本發明及其所附權利要求的精神和範圍內，對最佳實施例步驟的各種修改、變化或替換都是可能的。因此，本發明不應局限於最佳實施例及附圖所公開的內容。

1初始化協議參數

設g1是加法群，g2是循環乘法群，且加法群g1和循環乘法群g2上的離散對數在多項式時間內無法求解。設g1＝，g1為加法群g1的生成元，加法群g1和循環乘法群g2具有相同階為大素數q的循環群，e是可計算的雙線性映射，e:g1×g1→g2，h1,h2:為兩個散列函數。系統的參數為params＝(q,g1,g2,g1,e,h1,h2)。

2簇頭聯盟密鑰的建立

為了簡述方便，以9個簇頭的傳感器網絡為例，設9個簇的簇頭集合為任意簇頭ui(1≤i≤9)隨機選擇並計算pki＝skig1，則簇頭ui(1≤i≤9)的公私密鑰對為(pki,ski)，ski由簇頭秘密保存，pki廣播出去，並對外公開。由9個簇頭組建的完全三叉樹分三層，簇頭作為三叉樹的葉子節點。設簇頭u1、u2、u3、u4、u5、u6、u7、u8、u9對應的私公密鑰對分別為(sk1,pk1)、(sk2,pk2)、(sk3,pk3)、(sk4,pk4)、(sk5,pk5)、(sk6,pk6)、(sk7,pk7)、(sk8,pk8)、(sk9,pk9)，則簇頭的群組密鑰協商過程如下：

(1)簇頭u1、u2、u3通過各自的私鑰和其兄弟節點的公鑰可計算出其父節點t1,0的私鑰tx1,0。簇頭u1計算及對應的公鑰並廣播父節點t1,0的公鑰ty1,0。簇頭u2計算u3計算

(2)簇頭u4、u5、u6各自計算出其父節點的私鑰簇頭u4計算對應的公鑰ty1,1＝tx1,1g1，並廣播出去；

(3)簇頭u7、u8、u9各自計算出其父節點的私鑰簇頭u7計算父節點對應的公鑰ty1,2＝tx1,2g1，並廣播出去；

(4)所有葉子節點收到簇頭u1、u4和u7的廣播後，可計算出根節點t0,0的私鑰：

則傳感器網絡中每個簇頭協商出一個共同的聯盟密鑰tx0,0進行會話。

3傳感器節點跨簇非對稱群組密鑰協商

3.1初始化參數

(1)為方便陳述，設每個簇內有一個節點參加群組密鑰協商，則簇頭ui(1≤i≤9)中參與群組密鑰協商的成員集合表示為u＝{u1,0,u2,0,…u9,0}，其對應的身份集合表示為任意節點ui,0(1≤i≤9)的公私密鑰對(pki,0,ski,0)，其中，pki,0＝ski,0g1。簇頭ui為本簇能量較大的簇頭，其對應的身份表示為簇頭ui的公私密鑰對(pki,ski)，其中pki＝skig1。

(2)每個節點在執行協議之前都能知道其它成員的身份信息。

3.2跨簇傳感器節點非對稱群組密鑰協商方法

跨簇群組密鑰協商過程如下：

(1)每個傳感器節點ui,0(1≤i≤9)隨機選擇兩個密鑰參數mi,0,然後計算qi,0＝qi,0g1，ti,0＝((mi,0+ski,0)/qi,0)g1，mi,0＝mi,0pki；將發送給簇頭ui。提前存儲在對應傳感器內存卡上，以減少在線計算量，延長傳感器使用壽命。

(2)簇頭ui收到後，簇頭ui(1≤i≤9)驗證等式是否成立，如果成立，則簇頭ui可以確保消息是由傳感器節點ui,0發送的，然後令計算

(3)各簇頭ui(1≤i≤9)之間將各簇內參與群組密鑰協商的傳感器節點信息fi,0相互傳遞共享。簇頭ui將其內部參與密鑰協商的節點信息(fi,0,qi,0,ti,0,pki,0)發送給簇頭uj(1≤j≤9,j≠i)，簇頭uj將其內部參與密鑰協商的節點信息(fj,0,qj,0,tj,0,pkj,0)發送給簇頭ui(1≤i≤9,i≠j)。

1)簇頭ui選擇一個隨機數簇頭ui計算其中，是ui計算的群組密鑰參數。簇頭ui可以計算出群組加密密鑰和群組解密密鑰最後，簇頭ui將廣播給簇內傳感器節點ui,0。

2)簇頭uj內的每個傳感器節點uj,0(1≤j≤9)隨機選擇兩個數mj,0,計算qj,0＝qj,0g1，tj,0＝((mj,0+skj,0)/qj,0)g1，mj,0＝mj,0pkj，並將發送給簇頭uj，mj,0為密鑰參數。收到後，簇頭uj(1≤j≤9,j≠i)驗證等式是否成立，如果成立，則簇頭uj可以確保消息是由uj,0發送的，然後令計算簇頭uj選擇一個隨機數簇頭uj計算簇頭uj可以計算出群組加密密鑰和群組解密密鑰最後，簇頭uj將廣播給簇內傳感器節點uj,0。

(4)群組密鑰計算：每個簇內傳感器節點ui,0(1≤i≤9)在接收到其各自簇頭ui(1≤i≤9)廣播之後，驗證等式是否立，如果成立，則每個傳感器節點ui,0(1≤i≤9)可以確保是由簇頭ui發送過來的。然後各個傳感器節點ui,0(1≤i≤9)可獲得群組加密密鑰並通過自己的密鑰參數mi,0計算及群組解密密鑰

(5)傳感器節點ui,0(1≤i≤9)通過驗證等式是否成立，來驗證群組加密密鑰和群組解密密鑰計算的正確性。

4無線傳感器節點間群組安全通信

對任意明文信息為明文空間，任意成員傳感器節點ui,0(1≤i≤9)擁有群組加密密鑰和群組解密密鑰作如下操作。

加密.消息發送的傳感器節點ui,0隨機選擇整數並計算然後廣播密文c＝，簇間傳感器節點的通信可由兩個簇的簇頭進行轉發廣播。

解密.當收到消息發送者廣播的密文c＝，群組內任意成員uj,0可用計算的群組私鑰計算出明文信息

本發明以非對稱密碼體制為理論基礎，以diffe-hellman逆問題為安全假設前提，採用雙線映射技術建立傳感器簇頭間的聯盟密鑰，提出一種盲籤名算法，實現傳感器節點與簇頭間的身份認證，以抵抗假冒攻擊，避免密鑰託管的安全缺陷。傳感器節點成員通過簇頭橋接，將自己貢獻的群組密鑰因子與簇頭的聯盟密鑰進行融合，並接收和組合簇外傳感器節點的密鑰因子，計算出可跨簇群組安全通信的加密、解密密鑰；然後，每個傳感器節點通過群組密鑰因子、群組加密密鑰和群組解密密鑰之間的函數映射關係，自己證實其所計算群組加密密鑰和解密密鑰的正確性。本發明屬於無證書非對稱群組密鑰協商的範疇。因此，除了具有無證書方案的安全性，還具有非對稱密鑰協商的靈活性，同時涉及到的跨簇息安全交換的特有性質。

以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。