專利名稱：基于快速ECDSA的大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)輕量級Byzantine容錯(cuò)路由的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于快速E⑶SA的大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)輕量級Byzantine容錯(cuò) 路由，采用添加了節(jié)點(diǎn)認(rèn)證因子和可信因子的蟻群優(yōu)化算法來增強(qiáng)算法的可信性，能有效 消除拜占庭節(jié)點(diǎn)的錯(cuò)誤影響，快速實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的安全認(rèn)證并搜索建立可信路由，保證了網(wǎng)絡(luò) 的通信安全，同時(shí)使網(wǎng)絡(luò)能耗更加均衡。
背景技術(shù)：
對于含有1000個(gè)以上節(jié)點(diǎn)的大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來說，容錯(cuò)能力是網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定 運(yùn)行的重要因素。在網(wǎng)絡(luò)中的個(gè)別節(jié)點(diǎn)、個(gè)別鏈路、個(gè)別子網(wǎng)可能發(fā)生故障的狀況下，網(wǎng)絡(luò) 中的其它節(jié)點(diǎn)、鏈路、子網(wǎng)仍能正常協(xié)作工作，即我們通常所指的容錯(cuò)性能。相比于傳統(tǒng)網(wǎng) 絡(luò)，大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量巨大、分布范圍廣，且多分布在險(xiǎn)惡的工作環(huán)境中，網(wǎng) 絡(luò)的維護(hù)十分困難甚至不可維護(hù)。同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能量極其有限且都須有路由功能，更易受 到攻擊。BGP (Byzantine Generals Problem拜占庭將軍問題)起源于5 15世紀(jì)拜占庭 軍隊(duì)的將軍達(dá)成一致的問題。當(dāng)時(shí)駐扎在敵人城外的拜占庭軍隊(duì)有很多分支，每一分支由 各自的將軍指揮。將軍之中可能存在叛徒，因此將軍們進(jìn)行通信的方法應(yīng)該實(shí)現(xiàn)兩個(gè)確保， 一要確保所有忠誠的將軍必須基于相同的行動(dòng)計(jì)劃做出統(tǒng)一決策；二要確保少數(shù)叛徒不能 使忠誠的將軍做出錯(cuò)誤的行動(dòng)計(jì)劃。BGP的可解性可描述為以下三點(diǎn)
1、叛徒數(shù)大于或等于1/3，Byzantine問題不可以解；
2、利用口信算法，如果叛徒數(shù)少于1/3，Byzantine問題可解；
3、利用書寫算法，如果至少有2/3的將軍是忠誠的，Byzantine問題可解。BGP (Byzantine Generals Problem拜占庭將軍問題)主要用于解決現(xiàn)代密碼 學(xué)和分布式系統(tǒng)中的容錯(cuò)及可信問題，廣泛應(yīng)用于軍事、金融、因特網(wǎng)等領(lǐng)域。近年來， Byzantine容錯(cuò)問題的研究研究已取得了相當(dāng)大的進(jìn)展，但大多集中在局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)方 面。美國約翰霍普金斯大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)系的Yair Amir教授提出了 Byzantine容錯(cuò)問題 在廣域網(wǎng)中的可擴(kuò)展性方案；2008年圖靈獎(jiǎng)獲得者，美國麻省理工學(xué)院計(jì)算機(jī)系女教授 Barbara Liskov將Byzantine容錯(cuò)問題應(yīng)用到因特網(wǎng)以解決基于Web系統(tǒng)的容錯(cuò)問題，并 取得了重大突破；在移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域有少量學(xué)者進(jìn)行了探索性的研究，因此有必要采 用Byzantine容錯(cuò)問題來研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的容錯(cuò)問題。基于分簇的雙層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，首先其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)便于管理，有利 于分布式算法的應(yīng)用，可以對系統(tǒng)變化作出快速反應(yīng)，具有較好的可擴(kuò)展性，適合大規(guī) 模網(wǎng)絡(luò)。各簇選舉產(chǎn)生簇頭節(jié)點(diǎn)作為本簇節(jié)點(diǎn)的代表，簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)只和本簇節(jié)點(diǎn)通信，簇 頭融合了成員節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)之后再進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，簇與簇之間及簇與基站之間的通信則由簇 頭節(jié)點(diǎn)完成，在保證了原有覆蓋范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)上減少了數(shù)據(jù)通信量，大規(guī)模 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基于分簇的雙層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖見圖1。假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中其有N個(gè)節(jié)點(diǎn)，劃分
3為S個(gè)分簇，每個(gè)簇產(chǎn)生一個(gè)簇頭，即共有S個(gè)簇頭。信息交換復(fù)雜度從平面型網(wǎng)絡(luò)的
降為O^2)，極大的增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性。在基于分簇的雙層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的無線傳感
器網(wǎng)絡(luò)中，對于簇內(nèi)含有f個(gè)拜占庭錯(cuò)誤節(jié)點(diǎn)，簇內(nèi)總節(jié)點(diǎn)數(shù)不少于3f+l時(shí)，即可保證整個(gè) 網(wǎng)絡(luò)的容錯(cuò)性能。在公鑰密碼體制中，相對于RSA等密碼體制來說，ECC橢圓曲線加密體制是比較新 的技術(shù)，并且ECC因其安全性高、計(jì)算量小、處理速度塊、存儲(chǔ)空間占用小、帶寬要求低、靈 活性好等特點(diǎn)，大有取代目前的主流公鑰加密體制RSA的趨勢。而傳統(tǒng)的RSA及ECDSA等 算法因計(jì)算復(fù)雜、能耗要求高等特點(diǎn)，都不適用于大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對1000個(gè)以上節(jié)點(diǎn)的大規(guī)模雙層拓?fù)錈o線傳感器網(wǎng)絡(luò)的 容錯(cuò)問題，提供一種基于快速ECDSA的大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)輕量級Byzantine容錯(cuò)路由， 針對不同的網(wǎng)絡(luò)層面運(yùn)行不同的容錯(cuò)協(xié)議。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是
一種基于快速ECDSA的大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)輕量級Byzantine容錯(cuò)路由，其特征在
于
1)、基站統(tǒng)一頒發(fā)安全證書給各簇頭節(jié)點(diǎn)，證書安全性基于Montgomery型橢圓曲線加 密體制。簇內(nèi)傳輸?shù)拿織l信息均采用基于快速ECDSA算法輕量優(yōu)化了的(2f+l，3f+l)門限 體制進(jìn)行簽名，各簇頭向外發(fā)送的消息中攜帶基于快速E⑶SA算法的數(shù)字簽名。圖3為快 速E⑶SA算法流程圖。2)、在局部范圍的簇內(nèi)層面運(yùn)行BFT協(xié)議，領(lǐng)袖節(jié)點(diǎn)角色由本簇簇頭節(jié)點(diǎn)來擔(dān)任。 限制簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)只和本簇節(jié)點(diǎn)通信，通過BFT協(xié)議三輪通信來保證更新信息已通過一致性協(xié) 議且被執(zhí)行。圖4為BFT協(xié)議三輪通信的示意圖。3)、在整體范圍的簇間層面運(yùn)行量級良性容錯(cuò)協(xié)議。限制簇與簇之間及簇與基站 之間的通信則由簇頭節(jié)點(diǎn)完成。通過良性容錯(cuò)協(xié)議兩輪通信來確保簇間視圖信息一致性。 圖5為BFT協(xié)議三輪通信的示意圖。4)、在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的承載層面上，采用添加了節(jié)點(diǎn)認(rèn)證因子和可信因子的蟻群優(yōu)化 增強(qiáng)算法，快速實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的安全認(rèn)證并搜索建立可信路由。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見的突出實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著優(yōu)點(diǎn)
本發(fā)明基于快速ECSA優(yōu)化門限體制，采用添加節(jié)點(diǎn)認(rèn)證因子和可信因子的蟻群優(yōu)化 算法來增強(qiáng)算法的可信性，能有效消除拜占庭節(jié)點(diǎn)的錯(cuò)誤影響，快速實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的安全認(rèn)證 并搜索建立可信路由，保證了網(wǎng)絡(luò)的通信安全，同時(shí)使網(wǎng)絡(luò)能耗更加均衡。


圖1為大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基于分簇的雙層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖 圖2為本發(fā)明整體算法示意圖
圖3為快速ECDSA算法流程圖 圖4為BFT協(xié)議三輪通信 圖5為良性容錯(cuò)協(xié)議兩輪通信。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例結(jié)合

如下本基于快速ECDSA的大規(guī)模無線傳 感器網(wǎng)絡(luò)輕量級Byzantine容錯(cuò)路由為
1.基站統(tǒng)一頒發(fā)安全證書給各簇頭節(jié)點(diǎn)，證書安全性基于Montgomery型橢圓曲線加 密體制。簇內(nèi)傳輸?shù)拿織l信息均采用基于快速ECDSA算法輕量優(yōu)化了的(2f+l，3f+l)門限 體制進(jìn)行簽名，各簇頭向外發(fā)送的消息中攜帶基于快速ECDSA算法的數(shù)字簽名。(1)、簇頭選舉采用LEACH協(xié)議的優(yōu)化版本DCHS，將門限值修正為
權(quán)利要求
一種基于快速ECDSA的大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)輕量級Byzantine容錯(cuò)路由，其特征在于(a)基站統(tǒng)一頒發(fā)安全證書給各簇頭節(jié)點(diǎn)，證書安全性基于Montgomery型橢圓曲線加密體制；簇內(nèi)傳輸?shù)拿織l信息均采用基于快速ECDSA算法輕量優(yōu)化了的(2f+1，3f+1)門限體制進(jìn)行簽名，各簇頭向外發(fā)送的消息中攜帶基于快速ECDSA算法的數(shù)字簽名；(b)在局部范圍的簇內(nèi)層面運(yùn)行BFT協(xié)議，領(lǐng)袖節(jié)點(diǎn)角色由本簇簇頭節(jié)點(diǎn)來擔(dān)任；限制簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)只和本簇節(jié)點(diǎn)通信，通過BFT協(xié)議三輪通信來保證更新信息已通過一致性協(xié)議且被執(zhí)行；(c)在整體范圍的簇間層面運(yùn)行量級良性容錯(cuò)協(xié)議，限制簇與簇之間及簇與基站之間的通信則由簇頭節(jié)點(diǎn)完成；通過良性容錯(cuò)協(xié)議兩輪通信來確保簇間視圖信息一致性；(d)在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的承載層面上，采用添加了節(jié)點(diǎn)認(rèn)證因子和可信因子的蟻群優(yōu)化增強(qiáng)算法，快速實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的安全認(rèn)證并搜索建立可信路由。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于快速ECDSA的大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)輕量級Byzantine容錯(cuò)路由。本路由針對不同的網(wǎng)絡(luò)層面運(yùn)行不同的容錯(cuò)協(xié)議。在局部范圍的各簇內(nèi)運(yùn)行BFT(Byzantine fault-tolerant protocols拜占庭容錯(cuò)協(xié)議)，簇內(nèi)傳輸?shù)拿織l信息均采用基于快速ECDSA算法輕量優(yōu)化了的(2f+1，3f+1)門限體制進(jìn)行簽名，各簇頭向外發(fā)送的消息均攜帶基于快速ECDSA的數(shù)字簽名，在整體范圍的各簇間運(yùn)行輕量級的良性容錯(cuò)協(xié)議。在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的承載層面上，采用添加了節(jié)點(diǎn)認(rèn)證因子和可信因子的蟻群優(yōu)化增強(qiáng)算法，快速實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的安全認(rèn)證并搜索建立可信路由。
文檔編號H04W12/04GK101969641SQ20101054541
公開日2011年2月9日 申請日期2010年11月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月16日
發(fā)明者張振華, 王潮 申請人:上海大學(xué)