專利名稱：一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)密鑰管理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種密鑰管理方法，特別涉及一種無線網(wǎng)絡(luò)信息安全領(lǐng)域，應(yīng)用于無 線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)密鑰管理方法。
背景技術(shù)：
隨著無線通信技術(shù)、微芯片制造等技術(shù)的進(jìn)步，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wirelesssensor networks，簡稱WSN)取得廣泛應(yīng)用，如目標(biāo)跟蹤、病人監(jiān)護(hù)、環(huán)境監(jiān)測等重要的軍用和商用 領(lǐng)域。與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)一樣，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)也存在各種安全威脅。無線信道的 廣播特性和自組織的組網(wǎng)特性都使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)容易受到攻擊者的被動(dòng)攻擊和主動(dòng) 攻擊，常見攻擊如消息的監(jiān)聽，篡改，偽造和阻斷等。同時(shí)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)還有其自身特點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)多部署在非受控區(qū)域和節(jié)點(diǎn)資源的 有限性。要保證無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全有效傳輸，無線信道的開放性需要加密體制，資源約束 的節(jié)點(diǎn)需要輕量級(jí)高效安全的實(shí)現(xiàn)方案，非受控操作需要無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全策略具有較 高的安全彈性，這些都給無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全帶來了新的挑戰(zhàn)。實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)安全必須有一個(gè)現(xiàn)實(shí)可行的密鑰管理系統(tǒng)作為基礎(chǔ)，由于無線傳感器網(wǎng) 絡(luò)(wireless sensor networks，簡稱WSN)節(jié)點(diǎn)的能力諸多受限，有線網(wǎng)絡(luò)和傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò) 中的經(jīng)典密鑰管理方案，如Diffie-Helman密鑰交換協(xié)議，基于密鑰分發(fā)中心KDC，RSA公鑰 體系等，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中并不適用。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種分布式無線網(wǎng)絡(luò)，部署后節(jié)點(diǎn)依靠協(xié)同工作完成任務(wù)，不 存在全局的公鑰基礎(chǔ)設(shè)施PKI，其次，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)能量受限，非對(duì)稱密鑰體制 大量使用指數(shù)運(yùn)算，對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)而言負(fù)擔(dān)過重。綜上所述，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，特別需要一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)密鑰管理方法，以 解決以上提到的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)密鑰管理方法，解決上述現(xiàn)有技術(shù)的 缺陷，考慮了傳感器網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)，采用了基于密鑰鏈的預(yù)分配方法，為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中各節(jié) 點(diǎn)分配安全對(duì)密鑰和簇密鑰，方法計(jì)算簡單，所占存儲(chǔ)資源少，支持網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)擴(kuò)展和節(jié)點(diǎn) 的動(dòng)態(tài)移動(dòng)，為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全應(yīng)用提供基礎(chǔ)。本發(fā)明所解決的技術(shù)問題可以采用以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)密鑰管理方法，其特征在于，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)包括基站、簇頭 節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)三類節(jié)點(diǎn)，各節(jié)點(diǎn)有唯一身份編號(hào)id ，所述密鑰管理方法包括如下步 驟1)在各節(jié)點(diǎn)部署前由基站使用兩單向函數(shù)生成兩條密鑰鏈{k10, kn, k12. · · kn, k1(i+1). · · klm}， {k20，k21 j k22· · · k2i k2(i+1). · · k2m}；
4
其中，k1(i+1)=F1 (kn), k2(i+1) =&(1^)，111為兩密鑰鏈長度，？1、？2為兩單向函數(shù)， k10>k20為兩密鑰鏈?zhǔn)酌荑€，且F1 Φ F2、k1Q Φ k20,kn為第一條密鑰鏈上第i個(gè)密鑰，k2i為第 二條密鑰鏈上第i個(gè)密鑰；2)傳感器節(jié)點(diǎn)部署前由基站預(yù)分配叫、Ii2及初始密鑰kinit ；其中，ηι、η2為基站為每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)生成的兩隨機(jī)數(shù)；3)簇頭節(jié)點(diǎn)預(yù)分配F^ F2、k1Q、k20 ；其中，F(xiàn)pF2為密鑰生成函數(shù)；4)各節(jié)點(diǎn)部署到檢測區(qū)域后，基站、簇頭節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生兩隨機(jī)數(shù)N” N2, N1彡m、N2彡m，利用密鑰生成函數(shù)F1. F2,生成對(duì)應(yīng)密鑰鏈上密鑰km、KN1， Kn1 =Fx^ikw)、klNi =<2(‘)即對(duì)首密鑰k1Q、k20分別用單向函數(shù)F” F2做N” N2次單
向函數(shù)運(yùn)算，并計(jì)算該簇內(nèi)簇密鑰Kbrad，^irai/ =Aiv1 Κν2，各節(jié)點(diǎn)部署到檢測區(qū)域后，
各節(jié)點(diǎn)自組織形成簇狀網(wǎng)絡(luò)，傳感器節(jié)點(diǎn)向自己的簇頭發(fā)送自己身份編號(hào)1《及兩條密 鑰鏈上密鑰編號(hào)￥ η2 ；簇頭節(jié)點(diǎn)接收到消息后，根據(jù)F” F2、k1(l、k20和隨機(jī)數(shù)N1為該傳 感器節(jié)點(diǎn)計(jì)算對(duì)密鑰K_ n和該傳感器節(jié)點(diǎn)初始密鑰kinit，&&=iV,- ,| 、|A^2|，其中
kP1-^l = ^'""''(^o)、Km = F^iK,)，IN1-H11、IN1-H21 為取絕對(duì)值運(yùn)算，并為此次通信
選擇隨機(jī)數(shù)R1來認(rèn)證傳感器節(jié)點(diǎn)合法性，將R1, Kpair n, Kbrod用傳感器節(jié)點(diǎn)初始密鑰Kinit加 密，回傳給傳感器節(jié)點(diǎn)，傳感器節(jié)點(diǎn)接收信息后解密并保存對(duì)密鑰Kpaiul、簇密鑰Kbrad和R1, 用對(duì)密鑰Kpaiui加密R1應(yīng)答簇頭節(jié)點(diǎn)對(duì)該節(jié)點(diǎn)的合法性檢測，簇頭節(jié)點(diǎn)解密判斷，若為自 己選擇的R1，則該傳感器節(jié)點(diǎn)通過認(rèn)證，簇頭節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)該傳感器節(jié)點(diǎn)身份編號(hào)1《和對(duì)密鑰 Kpair n,經(jīng)以上過程完成了傳感器節(jié)點(diǎn)和簇頭節(jié)點(diǎn)對(duì)密鑰建立和簇密鑰分發(fā)；5)基站與簇頭節(jié)點(diǎn)或簇頭與簇頭節(jié)點(diǎn)間通過廣播N2，建立對(duì)密鑰，若N2 = N' 2，
則對(duì)密鑰火_—"=& ;若隊(duì)7^' 2，則夂A U;，N2為本節(jié)點(diǎn)隨機(jī)數(shù)，N' 2為收
到另一節(jié)點(diǎn)的隨機(jī)數(shù)，對(duì)密鑰建立后，父簇頭節(jié)點(diǎn)用對(duì)密鑰加密該簇簇密鑰Kbrad給子簇頭 節(jié)點(diǎn)。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，為保證網(wǎng)絡(luò)安全性，需定期更新密鑰，對(duì)密鑰更新 時(shí)，由簇頭節(jié)點(diǎn)重新產(chǎn)生新的隨機(jī)數(shù)N' 并為各傳感器節(jié)點(diǎn)計(jì)算新的對(duì)密鑰K' pair_
n，K-_n = w;_ 2j ,并用傳感器節(jié)點(diǎn)原來對(duì)密鑰加密分發(fā)給各傳感器節(jié)點(diǎn)；簇
密鑰更新時(shí)，簇頭節(jié)點(diǎn)重新產(chǎn)生新的隨機(jī)數(shù)N" pN" 2，并計(jì)算新的簇密鑰K' brod,
K'brod=kw[ kw.，并用各節(jié)點(diǎn)對(duì)密鑰加密分發(fā)新的簇密鑰，密鑰更新時(shí)一次發(fā)送包含多個(gè)
節(jié)點(diǎn)密鑰更新信息。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)包括一個(gè)基站、少量簇頭節(jié)點(diǎn)和 大量傳感器節(jié)點(diǎn)；所述基站為全網(wǎng)的管理中心，數(shù)據(jù)匯聚中心，為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與其他網(wǎng) 絡(luò)連接的網(wǎng)關(guān)；所述簇頭節(jié)點(diǎn)將網(wǎng)絡(luò)分成子簇、為數(shù)據(jù)提供轉(zhuǎn)發(fā)，將數(shù)據(jù)匯聚到基站；所述 傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)所在區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測，上傳采集到的信息。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述傳感器節(jié)點(diǎn)部署前由基站預(yù)分配ni、Ii2及初始密 鑰KniPn1^2為基站為每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)生成的兩隨機(jī)數(shù)，Ii1 ^ m、n2 < m表示兩條密鑰鏈上密鑰編號(hào)，kinit為基站根據(jù)密鑰編號(hào)ηι、η2為傳感器節(jié)點(diǎn)生成的初始密鑰，《《〃 =^n k2ni， 其中、=KiW、K1 =斤2他。)即對(duì)首密鑰k1Q、k20分別用單向函數(shù)F。F2做ηι、n2次單 向函數(shù)運(yùn)算，φ為按位異或運(yùn)算。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，各節(jié)點(diǎn)部署到檢測區(qū)域后，各節(jié)點(diǎn)自組織形成簇狀網(wǎng) 絡(luò)，簇密鑰產(chǎn)生后，簇頭節(jié)點(diǎn)向鄰居傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)出邀請加入請求，傳感器節(jié)點(diǎn)接收到多個(gè) 請求后選擇信號(hào)最強(qiáng)的簇頭節(jié)點(diǎn)作為自己簇頭，并加入到該簇中；離基站較近能與基站直 接通信的簇頭節(jié)點(diǎn)加入到基站所在簇中，離基站較遠(yuǎn)簇頭節(jié)點(diǎn)做為子節(jié)點(diǎn)加入到離基站較 近的的簇頭節(jié)點(diǎn)所建立的簇中，基站所在簇中沒有傳感器節(jié)點(diǎn)。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，密鑰更新時(shí)一次發(fā)送包含多個(gè)節(jié)點(diǎn)密鑰更新信息，對(duì) 密鑰或簇密鑰更新時(shí)，為減少發(fā)送次數(shù)，一次發(fā)送消息包含多個(gè)節(jié)點(diǎn)密鑰更新信息，對(duì)密鑰 更新時(shí)消息內(nèi)容為
權(quán)利要求
1.一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)密鑰管理方法，其特征在于，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)包括基站、簇頭節(jié) 點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)三類節(jié)點(diǎn)，各節(jié)點(diǎn)有唯一身份編號(hào)idn，所述密鑰管理方法包括如下步驟1)在各節(jié)點(diǎn)部署前由基站使用兩單向函數(shù)生成兩條密鑰鏈 ik10，kn, k12...kn，k1(i+1)---klm}，{k20, k21，k22...k2i，k2(i+1)··· k2m}；其中，k1(i+1) = F1 (kn)，k2(i+1) = F2 (k2i)，m 為兩密鑰鏈長度，F(xiàn)1^F2 為兩單向函數(shù)，k1(1、k2(1 為兩密鑰鏈?zhǔn)酌荑€，且F1 Φ F2^k10 Φ k20,kn為第一條密鑰鏈上第i個(gè)密鑰，k2i為第二條密 鑰鏈上第i個(gè)密鑰；2)傳感器節(jié)點(diǎn)部署前由基站預(yù)分配叫、ri2及初始密鑰kinit； 其中，ηι、η2為基站為每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)生成的兩隨機(jī)數(shù)；3)簇頭節(jié)點(diǎn)預(yù)分配Hk10、k20 ； 其中，F(xiàn)pF2為密鑰生成函數(shù)；4)各節(jié)點(diǎn)部署到檢測區(qū)域后，基站、簇頭節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生兩隨機(jī)數(shù)N1AyN1^ m、N2 ^ m，利用密鑰生成函數(shù)K、F2，生成對(duì)應(yīng)密鑰鏈上密鑰、Jcuh=F^kw)、k2Ni =F2^(Zc20)BP對(duì)首密鑰k1(l、k2(l分別用單向函數(shù)&不做&為次單向函數(shù)運(yùn)算，并計(jì)算該簇內(nèi)簇密鑰Kbrad，Kbrod = Kn, k2N,，各節(jié)點(diǎn)部署到檢測區(qū)域后，各節(jié)點(diǎn)自組織形成簇狀網(wǎng)絡(luò)，傳感器節(jié)點(diǎn)向自己的簇頭發(fā)送自己身份編號(hào)id 及兩條密鑰鏈上密鑰編號(hào)ηι、η2 ；簇頭節(jié)點(diǎn)接收到消息 后，根據(jù)K、F2、k1(l、k20和隨機(jī)數(shù)N1為該傳感器節(jié)點(diǎn)計(jì)算對(duì)密鑰Kpaiui和該傳感器節(jié)點(diǎn)初始密鑰 kinit，= V、Φ ，其中 「ηι| = 知)、= d)，IN1-H11、IN1-H21為取絕對(duì)值運(yùn)算，并為此次通信選擇隨機(jī)數(shù)R1來認(rèn)證傳感器節(jié)點(diǎn)合法性，將R1, n，Kbrad用傳感器節(jié)點(diǎn)初始密鑰Kinit加密，回傳給傳感器節(jié)點(diǎn)，傳感器節(jié)點(diǎn)接收信息后解密并 保存對(duì)密鑰Kpaiui、簇密鑰Kbrad和R1，用對(duì)密鑰Kpa—加密R1應(yīng)答簇頭節(jié)點(diǎn)對(duì)該節(jié)點(diǎn)的合法 性檢測，簇頭節(jié)點(diǎn)解密判斷，若為自己選擇的R1，則該傳感器節(jié)點(diǎn)通過認(rèn)證，簇頭節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ) 該傳感器節(jié)點(diǎn)身份編號(hào)idn和對(duì)密鑰K_ n，經(jīng)以上過程完成了傳感器節(jié)點(diǎn)和簇頭節(jié)點(diǎn)對(duì)密 鑰建立和簇密鑰分發(fā)；5)基站與簇頭節(jié)點(diǎn)或簇頭與簇頭節(jié)點(diǎn)間通過廣播N2，建立對(duì)密鑰，若N2= N' 2，則對(duì) 密鑰=^in2 ;若N2 Φ N' 2，則欠__"=允瑪0^jN2為本節(jié)點(diǎn)隨機(jī)數(shù)，N2為收到另一節(jié)點(diǎn)的隨機(jī)數(shù)，對(duì)密鑰建立后，父簇頭節(jié)點(diǎn)用對(duì)密鑰加密該簇簇密鑰Kbrad給子簇頭節(jié)點(diǎn)。
2.如權(quán)利要求1所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)密鑰管理方法，其特征在于，為保證網(wǎng)絡(luò)安全 性，需定期更新密鑰，對(duì)密鑰更新時(shí)，由簇頭節(jié)點(diǎn)重新產(chǎn)生新的隨機(jī)數(shù)N' ”并為各傳感器節(jié)點(diǎn)計(jì)算新的對(duì)密鑰K' ρ& η，‘"-〃 〃； ，并用傳感器節(jié)點(diǎn)原來對(duì)密鑰加密分發(fā)給各傳感器節(jié)點(diǎn)；簇密鑰更新時(shí)，簇頭節(jié)點(diǎn)重新產(chǎn)生新的隨機(jī)數(shù)N" pN" 2，并計(jì)算新的簇密鑰K' ^xrod= kn- kn2，并用各節(jié)點(diǎn)對(duì)密鑰加密分發(fā)新的簇密鑰，密鑰更新時(shí)一次發(fā)送包含多個(gè)節(jié)點(diǎn)密鑰更新信息。
3.如權(quán)利要求1所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)密鑰管理方法，其特征在于，所述無線傳感器 網(wǎng)絡(luò)包括一個(gè)基站、少量簇頭節(jié)點(diǎn)和大量傳感器節(jié)點(diǎn)；所述基站為全網(wǎng)的管理中心，數(shù)據(jù)匯 聚中心，為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與其他網(wǎng)絡(luò)連接的網(wǎng)關(guān)；所述簇頭節(jié)點(diǎn)將網(wǎng)絡(luò)分成子簇、為數(shù)據(jù)提供轉(zhuǎn)發(fā)，將數(shù)據(jù)匯聚到基站；所述傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)所在區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測，上傳采集到的信息。
4.如權(quán)利要求1所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)密鑰管理方法，其特征在于，所述傳感器節(jié)點(diǎn) 部署前由基站預(yù)分配叫、Ii2及初始密鑰kinit，ηι、n2為基站為每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)生成的兩隨機(jī) 數(shù)，Ii1彡m、n2彡m表示兩條密鑰鏈上密鑰編號(hào)，kinit為基站根據(jù)密鑰編號(hào)ni、ri2為傳感器節(jié) 點(diǎn)生成的初始密鑰，^^ =、 k2n2，其中
5.如權(quán)利要求1所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)密鑰管理方法，其特征在于，各節(jié)點(diǎn)部署到檢 測區(qū)域后，各節(jié)點(diǎn)自組織形成簇狀網(wǎng)絡(luò)，簇密鑰產(chǎn)生后，簇頭節(jié)點(diǎn)向鄰居傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)出邀 請加入請求，傳感器節(jié)點(diǎn)接收到多個(gè)請求后選擇信號(hào)最強(qiáng)的簇頭節(jié)點(diǎn)作為自己簇頭，并加 入到該簇中；離基站較近能與基站直接通信的簇頭節(jié)點(diǎn)加入到基站所在簇中，離基站較遠(yuǎn) 簇頭節(jié)點(diǎn)做為子節(jié)點(diǎn)加入到離基站較近的的簇頭節(jié)點(diǎn)所建立的簇中，基站所在簇中沒有傳 感器節(jié)點(diǎn)。
6.如權(quán)利要求2所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)密鑰管理方法，其特征在于，密鑰更新時(shí)一次 發(fā)送包含多個(gè)節(jié)點(diǎn)密鑰更新信息，對(duì)密鑰或簇密鑰更新時(shí)，為減少發(fā)送次數(shù)，一次發(fā)送消息 包含多個(gè)節(jié)點(diǎn)密鑰更新信息，對(duì)密鑰更新時(shí)消息內(nèi)容為
全文摘要
本發(fā)明的目的在于公開一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)密鑰管理方法，支持網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展和節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)移動(dòng)，當(dāng)有新傳感器節(jié)點(diǎn)或簇頭節(jié)點(diǎn)加入到網(wǎng)絡(luò)中時(shí)，新加入節(jié)點(diǎn)能獲得自己的對(duì)密鑰和加入簇的簇密鑰。當(dāng)節(jié)點(diǎn)從一個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)通信范圍移出而進(jìn)入另一個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)通信范圍時(shí)，新的簇頭采用相同的方式為該傳感器節(jié)點(diǎn)分配新的對(duì)密鑰，和分發(fā)該簇的簇密鑰。方法對(duì)節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)資源要求低，傳感器節(jié)點(diǎn)只需預(yù)存儲(chǔ)一個(gè)初始密鑰，簇頭節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)兩個(gè)密鑰；提高了網(wǎng)絡(luò)安全性能，若網(wǎng)絡(luò)中有x個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)被俘獲，則網(wǎng)絡(luò)中其余鏈路被攻破的概率僅為1-(1-1/215)x，實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的。
文檔編號(hào)H04W12/04GK102006595SQ20101057638
公開日2011年4月6日 申請日期2010年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月7日
發(fā)明者歐國華, 郭弘, 金波, 黃杰, 黃道麗 申請人:東南大學(xué), 公安部第三研究所