一種分層無線傳感器網絡中的密鑰管理方法
2023-05-29 15:53:41
一種分層無線傳感器網絡中的密鑰管理方法
【專利摘要】本發明公開了一種分層無線傳感器網絡中的密鑰管理方法，支持靈活地加入新節點和擴充整個網絡。對整個網絡實行分簇管理，當新節點加入時，簇頭為新節點安全地分配系統參數和節點私鑰，簇內通信採用基於身份的加密解密算法。每個簇頭均具有私鑰生成器的功能，解決了傳統基於身份的密鑰分配方案中，唯一的PKG被俘獲而使整個網絡癱瘓的問題。本發明使得更新密鑰消耗資源少、更新速度快，提高了整個網絡的安全性。
【專利說明】一種分層無線傳感器網絡中的密鑰管理方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及無線傳感器網絡中密鑰管理方案，屬於網絡安全【技術領域】。
【背景技術】
[0002]無線傳感器網絡(Wireless Sensor Network, WSN)是由大量部署在檢測區域內的微型無線傳感器節點組成。每個節點都具有無線通信能力、數據感知能力和數據處理能力，以自組織或者多跳的方式相互之間協同工作，能夠實時地監測和採集網絡分布區域內的物理或環境條件信息，如溫度、聲音、振動、壓力、運動或汙染物等，並通過傳感器節點將所收集到的信息發送給網絡所有者。
[0003]無線傳感器的基本特徵是節點數目巨大、無線通信和拓撲自組織，因為其部署環境大多在野外，部署的位置、環境條件不易控制，相比較於傳統的無線網絡，無線傳感器網絡面臨更多的安全性威脅，如:物理節點破壞、阻塞攻擊、信道竊聽、資源耗盡攻擊、碰撞攻擊、拒絕服務攻擊等。此外，節點計算能力小、通信能力弱和電池能量有限等特點也是無線傳感器網絡中不可忽略的問題。
[0004]無線傳感器網絡中通過鄰居節點協作進行的會話密鑰生成方案，當密鑰需要更新時，存在開銷較大以及孤立節點的問題。在密鑰預置方案中，密鑰預置無法保證網絡部署後任意相鄰節點間都能有共享密鑰。在大型動態網絡通信中，頻繁地變動成員導緻密鑰更新開銷極大，要求密鑰能夠迅速高效的更換，有效的密鑰管理機制是其他安全機制(安全路由、安全定位、數據 安全聚合、能量管理、拓撲控制等)解決方案的基礎和有力的保障。
【發明內容】
[0005]發明目的:本發明是針對節點之間能量耗盡的時間差別大、主幹節點消亡較快以及無線傳感器網絡中節點連通率不高的問題提出的輪簇頭制組密鑰管理方法，用來解決傳感器電源能量和存儲空間有限的問題。
[0006]技術方案:一種分層無線傳感器網絡中的密鑰管理方法，包括如下步驟:
[0007]I)部署網絡環境，包括初始私鑰和初始系統參數；
[0008]2)以基站為中心部署傳感器節點，基站按照地理位置分布均勻地選出N個簇頭CH ；
[0009]3)基站生成N個隨機數K作為每簇的主密鑰，分發給每個簇頭節點並保存在基站中，每個普通傳感器節點到簇頭註冊身份IDi ；
[0010]4)每個簇頭作為私鑰生成器PKG，選擇隨機數Sqi e Z:作為簇的主密鑰，向簇內節點發布新的Pai,其表達式為Pai = sCHP ；
[0011]5)簇頭節點選取隨機數O，計算gi = H2^(QnvPcH)rI*構造多項式函數
F(g) =其中e為自然常數，e = 2.718，gi是每個節點公鑰的映射值；
[0012]6)簇頭將基站發放的組密鑰K和新的主公共值Pra，廣播給簇內成員，簇內節點收到簇頭的廣播後，利用步驟5)計算的^解密得到組密鑰K，計算得到新的
【權利要求】
1.一種分層無線傳感器網絡中的密鑰管理方法，其特徵在於整個網絡由若干簇組成，每個簇頭執行PKG的職能，具體過程包括如下步驟: 1)部署網絡環境，包括初始私鑰和初始系統參數； 2)以基站為中心部署傳感器節點，基站按照地理位置分布均勻地選出N個簇頭CH； 3)基站生成N個隨機數K作為每簇的主密鑰，分發給每個簇頭節點並保存在基站中，每個普通傳感器節點到簇頭註冊身份IDi ； 4)每個簇頭作為私鑰生成器PKG，選擇隨機數Sqie Z:作為簇的主密鑰，向簇內節點發布新的Pch,其表達式為Pch = sCHP ； 5)簇頭節點選取隨機數σ,計算gi= H2(g(QIDjI PCH)r),構造多項式函數F(g) =其中e為自然常數，e = 2.718，gi是每個節點公鑰的映射值； 6)簇頭將基站發放的組密鑰K和新的主公共值Pch,廣播給簇內成員，簇內節點收到簇頭的廣播後，利用步驟5)計算的^解密得到組密鑰K，計算得到新的gi = H2(e(QiDj?PcH)r)； 7)普通節點用本簇的簇頭公鑰加密收集到的信息，連同發送者身份用組密鑰K進行加密，發送給鄰近節點，距離簇頭近的節點直接廣播給簇頭；對於距離簇頭較遠的節點，節點之間進行中繼； 8)當輪換簇頭或者一輪信息收集完畢時，更新組密鑰K和Pqi，重新構造多項式F(g) = σ(σο)Μ^Λ~β--廣播給簇內成員。
2.根據權利要求1所述的分層無線傳感器網絡中的密鑰管理方法，其特徵在於，所述步驟I)具體為:在節點部署之前，基站產生隨機的定義在有限域Fp上的橢圓曲線E，選擇橢圓曲線E上的點P，為簇頭節點和普通節點預置相同的初始系統參數π = {q, G1,G2, e,n, r, P, Ppub, H1, H2),其中q為大素數，G1, G2為q階子群，雙線性映射eG1XG1 — G2, P為G1的生成元，n、r為常數，η表示hash長度，r用於公鑰映射值的計算，H1,H2是兩個不同的hash函數，H1: {O，1}* —G1^H2:G2— {O, l}n,Ppub = sP，其中s為整個網絡的初始主密鑰，節點公鑰Qroi = H1(IDi) e G1，節點私鑰S1D| = SQltv
【文檔編號】H04W12/04GK104038936SQ201410246037
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年6月4日 優先權日:2014年6月4日
【發明者】秦中元, 馮可榮, 黃杰, 胡帥奇, 廖如天, 陶雷, 楊遠益, 胡尊麗 申請人:東南大學