高效传感器网络加密方案

第 1 页 共 9 页 高效传感器网络加密方案高效传感器网络加密方案 一 引言 近年来 随着无线通信 集成电路 嵌入式计算 及微机电系统等技术的飞速发展和日益成熟 具有感 知能力 计算能力和通信能力的微型无线传感器开始 在世界范围内出现 这些传感器具有低成本 低功耗 多功能等特点和无线通信 数据采集 信息处理 协 同合作等功能 由这些微型传感器节点构成的传感器 网络 能够协调地实时监测 感知和采集网络分布区 域内的各种环境或监测对象的信息 并对这些数据进 行处理 从而获得详尽而准确的信息 将其传送到需 要这些信息的用户 因此 传感器网络是信息感知和 采集的一场革命 它能够在任何时间 任何地点和任 何环境条件下提供大量详实可靠的信息 因而可以被 广泛应用于军事斗争 国家安全 环境监测 交通管 理 医疗卫生 制造业和反恐抗灾等领域 由于传感器网络一般配置在恶劣环境 无人区域 或敌方阵地中 加之无线网络本身固有的脆弱性 因 而传感器网络安全 2 3 引起了人们的极大关注 传 感器网络的许多应用在很大程度上取决于网络的安全 运行 一旦传感器网络受到攻击或破坏 将可能导致 第 2 页 共 9 页 灾难性的后果 如何在节点计算速度 电源能量 通 信能力和存储空间非常有限的情况下 通过设计安全 机制 提供机密性保护和身份认证功能 防止各种恶 意攻击 为传感器网络创造一个相对安全的工作环境 是一个关系到传感器网络能否真正走向实用的关键性 问题 传感器网络的研究始于 20 世纪 90 年代末期 但 安全问题的研究成果近几年才陆续出现 各种安全方 案 4 13 不断被提出 但由于传感器网络还未被真正 地模型化和量化 无线传感器网络安全方案正处于理 论研究阶段 距离实际应用和形成普遍接受的标准还 相差甚远 的组织结构如下 第 2 节给出了无线传感器网络 的安全需求 第 3 节全面描述了消息加密方案中有关 的协议和算法 第 4 节详细分析了方案的安全性和效 率 第 5 节对全文进行总结得出结论 二 无线传感器网络的安全需求 传感器网络具 有许多鲜明特点 如通信能力有限 电源能量有限 计算速度和存储空间有限 传感器节点配置密集和网 络拓扑结构灵活多变等 这些特点对于安全方案的设 计提出了一系列挑战 一种比较完善的无线传感器网 络解决方案应当具备如下基本特征 2 4 第 3 页 共 9 页 机密性 传感器网络不应当向其他网络泄漏任何 敏感的信息 且因密钥泄漏造成的影响应当尽可能控 制在一个小的范围内 从而使得一个密钥的泄露不至 于影响整个网络的安全 真实性 节点身份认证或数据源认证在传感器网 络的许多应用中是非常重要的 在传感器网络中 攻 击者极易向网络注入信息 接收者只有通过数据源认 证才能确信消息是从正确的节点处发送过来的 完整性 在通信过程中 数据完整性能够保证接 收者收到的信息在传输过程中没有被攻击者篡改或替 换 新鲜性 为防止攻击者进行任何形式的重放攻击 我们必须保证每条消息是新鲜的 简单地说 新鲜性 是指发送方传给接收者的数据是在最近时间内生成的 最新数据 扩展性 传感器网络的可扩展性表现在传感器数 量 网络覆盖区域 生命周期 时间延迟 感知精度 等方面的可扩展极限 因此 给定传感器网络的可扩 展性级别 安全解决方案必须提供支持该可扩展性级 别的安全机制和算法 来使传感器网络保持良好的工 作状态 可用性 传感器网络的安全解决方案所提供的各 第 4 页 共 9 页 种服务能够被授权用户使用 并能够有效防止非法攻 击者企图中断传感器网络服务的恶意攻击 同时 安 全性设计方案不应当限制网络的可用性 三 基本协议 协议中所用到符号的意义 表示 x 在集合 N 中随机地选取 分别表示两个不同的碰撞 自由的单向散列函数 表示字符串连接操作符 表 示使用秘密密钥 Ki 对消息 M 进行加密 表示使用密 钥 Ki 生成 M 的消息认证码 1 会话密钥建立协议 在传感器网络中 一个完 整的会话密钥建立过程通常包括三个阶段 即密钥预 分发 单跳密钥发现和多跳密钥建立 基站产生 n 个密钥及其对应的标识符 这些密钥 和标识符形成一个密钥池 P 即 其中 ki 为基站生成的密钥 IDi 为密钥 ki 对应 的标识符 基站从 n 个密钥中随机选出 r 个密钥 组成某个 传感器节点 A 的密钥环 RA 并将密钥环加载到 A 的 存储器中 即 其中 IDAi 为密钥 kAi 对应的标识符 基站保存 每个传感器节点的密钥环 传感器节点 A 计算与基站共享的密钥 KBA 并将其加 载到存储器中 其中 IDB 表示基站的身份标识 第 5 页 共 9 页 至此 密钥预分发阶段结束 该阶段保证了簇内 任意两个节点能够以某一概率在各自的密钥环上找到 双方共享的会话密钥 传感器网络配置时 节点 A 被随机或者特定地散 布在指定的感知区域内 在簇形成过程结束后 它广 播一个信息 表示节点 A 所在簇内的任意节点 LA 表示节点 A 的位置信息 收到该信息的所有节点将确信它在节点 A 的传输 范围内 即二者在同一个簇中 并通过遍历其密钥环 检查是否存在与 A 广播的密钥标识符集相交的元素 假定节点 C 在其密钥环上发现存在与 A 标识符集相交 的元素 IDAC 则证明节点 C 与 A 共享有与 IDAC 对应 的会话密钥 KAC 于是 节点 C 返回给 A 一响应消息 A 使用共享会话密钥 KAC 对响应消息进行解密 确信其密钥环与节点 C 有交集 单跳密钥发现过程使得节点能够通过广播消息的 方式 找到簇内与其共享有密钥环上某个会话密钥的 节点 在单跳密钥发现过程结束后 节点 A 保存已找 到共享实体的密钥 并将密钥环上其余密钥删除 对于簇内尚未与 A 建立共享密钥的节点来说 可 第 6 页 共 9 页 以通过如下过程生成会话密钥 假定节点 D 在单跳密 钥发现过程结束后 仍未与节点 A 建立共享密钥 但 它找到与节点 C 共享的会话密钥 KDC 且节点 A 与节 点 C 也共享有密钥 KAC 此时 A 发送一个挑战信息 给节点 C 在对其进行身份认证后 该信息包含 A 和 D 共享的密钥 KAD 及 A 的位置信息 LA 节点 C 解密消息 并将其使用密钥 KDC 对消息再次加密后转发给节点 D 节点 D 验证挑战消息的合法性 并发送一个响应 信息给节点 A 其中 nonce 是一个随机数 LD 是节点 D 的位置 信息 节点 A 使用共享密钥 KAD 对响应消息进行解密 确信与 D 共享的密钥已经建立 在多跳密钥建立过程结束后 簇内任意两个节点 之间都共享有一个会话密钥 2 消息加密协议 传感 器网络中的会话密钥建立后 任意两个节点之间即可 遵循消息加密协议进行安全通信 假定节点 A 需要与节点 C 进行通信 他首先计算 加密密钥 Ke 和认证密钥 Km 节点 A 使用加密密钥 认证密钥和计数器 C 对消息 M 进行加密并将其发送给 节点 C 发送的消息格式如下 第 7 页 共 9 页 节点 C 收到 A 发送来的消息后 重新根 据共享密钥 KAC 来计算 Ke 和 Km 并验证消息的合法 性 三 性能分析 1 安全性分析 节点 A 和 C 在会话 过程中 使用了共享密钥 KAC 对消息进行了加密 节 点 C 和 D D 和 A 在会话密钥建立时也采取了相应的 共享密钥加密的方法 使得攻击者无法获知传输消息 的内容 因而机密性得到了保证 由于通信双方共享唯一的会话密钥 该会话密钥 具有与数字签名相似的身份认证功能 接收者可以通 过数据源认证确信消息是从正确的节点处发送过来的 从而确保了消息的真实性 消息认证码要求将共享密钥和待检验的消息连接 在一起进行散列运算 根据散列函数的强无碰撞特性 对数据的任何细微改动都会对消息认证码的值产生较 大影响 从而能够有效地防止攻击者对截获的信息进 行篡改 保证了消息的完整性 本方案将计数器信息包含在待加密消息中 共享 密钥加密确保了攻击者无法获知和篡改计数器的信息 计数器的内容又能使接收者确信收到的数据是在最近 时间内生成的最新数据 即消息是新鲜的 在本方案中 会话过程不需要基站的参与 认证 第 8 页 共 9 页 密钥和加密密钥可由通信双方根据共享的会话密钥自 主地计算 从而有效地降低了基站的工作负荷 避免 基站成为网络通信的瓶颈 这使得方案具有很好的可 扩展性 由于引入了认证密钥 加密密钥和计数器 本方 案具备了身份验证 消息保密和内容保鲜等诸多功能 并能够有效防止各种攻击 从而使得其可用性大大提 高 2 效率分析 在构建传感器网络加密方案时 我 们充分考虑到节点计算速度 电源能量 通信能力和 存储空间非常有限的特点 会话密钥建立协议和消息 加密协议都设计得比较简单 参与各方在通信过程中 需要传输的内容尽可能地少 并采取科学的分簇方法 合理确定簇的规模 确保通信的质量 减少因节点通 信能力有限造成会话失败的机率 同时 本方案避开了代价昂贵的公钥运算 通过 引入对称密钥 散列算法和计数器 来达到公钥基础 设施的类似功能 并通过减少会话步骤 简化计算方 法来降低节点的工作负荷 从而使得整个方案的计算 存储和通信开销都非常小 大大提高了方案的执行效 率 四 结论 提出了一种传感器网络中的加密方案 第 9 页 共 9 页 该方案不需要基站的