无线传感器网络安全S-MAC协议研究

1、第29卷第5期2007年5月 武汉理工大学学报 JO U R N A L OF W U H A N U NIV E RSIT Y O F TE C H N O L O G Y Vo l. 29No . 5M ay 2007无线传感器网络安全 S -MAC 协议研究 杨铭熙 , 殷 菲 , 李腊元(武汉理工大学计算机科学与技术学院, 武汉430070摘要: S -M AC 协议是在 802. 11M AC 协议基础上提出的传感器网络 M AC 协议 。 首先简要介绍了无线传感器网络及 其主要特点和问题 , 接着介绍了无线传感器网络的安全需求 , 然后提出了安全的 S SM AC 协议 , 其中使

2、用公钥加密算法NTRU 来实现 S SM AC 协议的数字签名 . 最后采用 N S -2平台对其进行仿真 , 并进行了性能和安全性的分析 . 仿真和分析结果表明 , S SM AC 能保证通信包的数据完整性 , 身份真实性和抗否认 。 与 RS A 公钥算法相比 , N TRU 加解密速度更快 , 适合于无线传感器网络 。关键词: 无线传感器网络 ; 安全协议 ; 仿真 ; SM AC ; 公钥中图分类号: TP393文献标志码: A 文章编号:1671-4431(2007 05-0142-04Securi ty Research of S-M A C Protocol in W ire l

3、 ess Sensor Ne tworkY A N G M ing-xi ,YIN Fe i ,LI La-yuan(Schoo l o f Com puter Sc i ence and Techno l ogy , W uhan U ni ver s i ty of Techno l ogy , W uhan 430070, Chi naA bs tract : S-M A C pro toco l was sensor protoco l proposed on bas i s of 802. 11M A C protoco l. In thi s paper , at f i rs t

4、 the ma in char ac te rs and prob l ems o f wi re l es s s ensor ne tworks were i nt roduced . T hen the secur i ty demands of wi re l e ss sensor ne twork we re int roduced . And a secure SS M A C protoco l was propos ed . In thi s protoco l, N T R U wa s used to rea l i ze Di gi t a l Si gnature .

5、 At l as t N S-2p l at form was adopted to s im u l ate i t and make per formance and secur i ty ana lys i s . The s im u l at i ng and ana l ys i s re-sul t sshowed that SS M A C was abl e to as sur e da ta i nt egr i ty , ident i ty authent i c i ty and ant i -deny o f co m m uni cat ing packe t s

6、 . N T R U speed of enc rypt i on and dec rypt i on was fas t er than RSA . I t was f i t for wi r e l e ss sensor ne tworks .K ey words :wi re l es s sensor ne twork ; secur i ty prot oco l; s im ul at i on ; S M A C ; pub l i c key收稿日期:2007-01-21.基金项目:国家自然科学基金 (60672137 和教育部博士点基金 (20060497015 .作者简

7、介:杨铭熙 (1956- , 女, 副教授. E-m a i l:yang m x w hut . edu . cn无线传感器网络 1综合了传感器技 术, 嵌 入式 计算 技术, 分布 式信 息处 理技 术和 无线 通信 技术。它能够实时监测, 感知和采集各种环境或监测对象的信息, 并对其进行处理, 然后把信 息传送到 用户。这种网络 系统是计算机科学技术的一个新的研究领域, 具有十分广阔的应 用前景, 可以广泛应用 于国防 军事、 国家安全、 环境监测、 交通管理、 医疗卫生、 制造业、 反恐抗灾 等领域。其主要特点与 问题 2是:通信能 力有限; 电源能量有限; 计算能力有限; 传感器数量

8、大, 分布范围广; 感知数据量大等。1无线传感器网络的安全需求传感器网络具有传统网络的安全需求, 但是根据其自身的特点, 还有一些特定的安全特点。1 数据机密性传感器网络不应该泄露感知的信 息给邻居网络, 节点间传输 高度机密 数据。保护数据 机密的标准方法是用密钥加密数据, 接收者能够解密数据, 因此达到保密性。 2 数据认证数据认证允许接 收者验证数据是所声称的发送者发出的。在两个实体通信的情况下, 可使发送者 和接收者 共享一 个密钥来计算所有通信数据的消息认证码 (M A C 。当消息带着正确的 M A C 到来时, 接收者知道该 消息是 真实发送 者发出的。 3 数据完整性在通信中,

9、 数据完整性保证接收者所接收的数 据在传输的过程 中没有 被敌人改 变。可以通过数据认证来达到数据完整性。 4 数据实时性所有的传感器网络测量的数据都是与时间有关 的, 并不能足以保证机密性和认证, 但是一定要确保每 个消息是实时的。 5 密钥管理 为了实 现、 满足上面 的安全需求, 需要对加密密钥进行管理。密钥管理应该包括密钥 分配, 初 始化阶 段, 节点增加, 密钥撤销, 密 钥更新。2无线传感器网络安全设计协议2. 1 S -M AC 简介 S-M A C(sensor M A C 协议 3是在802. 11M A C 协议基础上, 针对传 感器网络 的节省能 量需求 而提出的传感器

10、网络 M A C 协议, 存在安全问题。节点开始周期性睡眠之前, 要选择工作进程并告诉其邻节点它的进程。每个 节点有一 个工作 进程表格 记录所有邻节点的工作进程。节点先侦听一段时间, 侦听的时间 不少于同步时间。如果没 有侦听 到邻节点 的工作进程, 则立即选择自己进程, 同时, 通过广播 S Y N C 信号告知邻节点自己的工作进程。如果节点在选 择自己进程或广播进程前收到 S Y N C 信号, 它立即选择跟从该进程, 并在下一个醒时间广播该进程。S M A C 协议将非睡眠时间段分为两部分, 前一部分用来接收S Y N C 信号, 后一部分用来接收 R T S 包, 每 一部分又划分成

11、许多小的时段供发送节点进行介质访问。S Y N C 信号告知邻节点自己的工作进程。 S M A C 消息传输是将长 消 息 划 分 成 短 消 息, 一 次 将 它 们 全 发 送 出 去。 在 这 过 程 中, 只 需 要 用 一 个 R T S 和 一 个 C T S , 它们为整个消息占领介质。每次短消息传输完成, 发送节点等待接收节点发出 A C K 信号。为了可靠 传输及通知邻居节点正在进行的通信过程, 目的节点 对每个短消息都要发送一个 应答。如 果发送 节点没有 收到 A C K 信 号, 则 延 长 传 输 时 间, 并 重 新 传 输 刚才 的 短 消 息。每 个 节 点 在

12、 传 输 数 据 时, 都 要 经 历 R T S/C T S/D A T A/A C K 的通信过程。在传输的每个分组中, 都有一 个域值表 示剩余通 信过程需 要持续 的时间长 度。源和目的节点的邻居节点在侦听期间侦听到分组时, 记录这个时间长度值, 并进入睡眠状态。当剩余时 间减少至零, 若节点处于侦听周期会被唤醒; 否则处于睡眠状态直到下一个调度的侦听周期。该协议存在的安全缺陷主要是协议中传输的各个消息和信 号均容易被伪造、 修改和否 认。为 了保证数 据的完整性, 可以通过对 S M A C 协议中传输的消息和信号添加数字签名来实现。2. 2基于整数环的公钥算法 N TRU 介绍N

13、T R U 公钥体制是由 H of f ste in 、 Pipher 和Si lver m an 于1996年首先提出的, 由于该公钥体制只使用了简 单的模乘法和模求逆运算, 因此它的加解密速度很快, 密钥生成速度也很 快, 是目 前为止已 知的最 快的公钥 密码体制。它的安全性基于多项式、 不同模混 合运 算的 相互 作用, 也依 赖于 最大格 及寻 找最 短向 量的 困难 性。由于其良好的密码性质, N T R U 已引起了众多密码学家的关注, 与此同时基于 N T R U 体制的 数字签名 也于2003年提出。N T R U 公钥体制介绍:系统公开参数:(N , p , q , 其中

14、N 为一大素数, p 为一小的奇素数, 且 (p , q =1, q 远大于p 。在加解 密过程中将用到3个模运算 (m od p , (m od q 和 (m od x N -1 。出于 N T R U 算法的局限, 为保证解密成功, (m od q 的结果将限制在 (-q/2, q/2上, 而不是 0, q 上。同样的道理, (m od p 的结果应限制在 (-p/2, p/2上, 而不是 0, p 上。 G F(p 的元素也是限制在 (-p/2, p/2上。1 密钥生成:任意选取 2个 次数 不 超过 N -1的 多 项 式 f(x 和 g(x , 其 中 多 项 式 的 系 数 取 至

15、集 合 0, +1, -1。验证 f(x 和 g(x 关于 (m od p , m od x N -1 和 (m od q , m od x N -1 是否 可逆, 如果 不可逆, 重新选取 f(x 和 g(x 。计算 h(x =f(x -1g(x(m od q , m od x N -1 , 则 公钥 为 h(x , 私 钥为(f(x , g(x 。2 加密:明文 m (x 是系数 为 G F (p 上的 次数 不超 过 N -1次多 项式。发送 者任 意选 取一 工作 密钥 r(x , 其中 r(x 是系数为 G F(p 上的次 数不 超过 N -1次多 项式。计算 密文 c(x =m (

16、x +pr(x h (x (m od q , m od x N -1 。3 解密:接收者计算 d(x =f(x c(x(m od q , m od x N -1 =f(xm (x +pr(x g(x(m od q ,341第29卷第5期杨铭熙, 等:无线传感器网络安全S-M A C 协议研究m od x N -1 。(注意到 f(x 、 m (x 、 r(x 和 g(x 的系数都很小, 所以多项式 f(xm (x +pr(x g(x(m od x N -1 的系数以很大概率在区间 (-q/2, q/2, 即 d(x =f(xm (x +pr(x g(x(m od x N -1 。 再计算 m

17、(x =d(x f(x -1(m od p , m od x N -1 =f(x f(x -1m (x (m od p , m od x N -1 , 便得到明文。最后, 应该指出当多项式 f(xm (x +pr(x g(x(m od x N -1 的系数有一个不在区间 (-q/2, q/2时, 解密会出现失败的情况。N T R U 的作者已经分析了解密失败的概率非常小。2. 3 S SMAC 安全协议的设计针对无线传感器 网 络 的 安 全 需 求 及 现 有 协 议 存 在 的 问 题, 设 计 了 基 于 N T R U 公 钥 密 码 机 制 的 安 全 S M A C 协议SS M

18、A C 。公钥算法具有算法复杂、 计算效率低、 能耗大等特点, 所以一直未在无线传感器网络中 得到应用。由于新的公钥 算 法 N T R U 只 需 比 R S A 等 经 典公 钥 算 法 短 得 多 的 处 理 时 间, 并 且 密 钥 尺寸 与R S A 差不多大小, 在传感器结点可承受范围之内。N T R U 和 R S A 的对比 4见表 1。基 于以上 考虑, 文中提出通过公钥算法来实现通信的可靠性认证。表 1 NTR U 和 R S A 的对比表 算法密钥长度 /位 生成密钥时间 /(10-3s 加密 /(块 s -1 解密 /(块 s -1 RSA1024目前主流的公钥算法主

19、要 有 R S A 、 椭 圆曲 线 公 钥算 法 E C C 、 基于 整 数 环的 公 钥算 法 N T R U , ElGa m a l -l ike 公钥算法等。文献 5, 6指出相同安全等级的 N T R U 算法在加、 解密速度上比 R S A 、 E C C 快20倍以上。 文献 7指出 N T R U 在 A R M 7上加密所耗用的时间只有5m s 左右。文献 8指出利用 R S A 算法 进行可靠 性认证计算或存储数据等所耗能量只有 A E S 的8倍左右, 当 用 N T R U 算 法实现 时, 能耗会 更低。因此, 对 于通信的可靠性认证, N T R U 公钥算法是

20、一个很好的可选算法, SS M A C 协议描述如下:假设 A 为发送节点, B 为目的节点。2. 3. 1密钥初始化1 假设 N T R U 参数为 (N , p , q , 其中 N 为一大素数, p 为一小的奇素数, 且 (p , q =1, q 远大于p 。 2 根据上文2. 2N T R U 密钥生成算法, 任 意选取2个次数不 超过 N -1的多 项式 f(x 和 g(x , 验证 f(x 和 g(x 关于 (m od p , m od x N -1 和 (m od q , m od x N -1 是否 可逆, 如果 不可逆, 重 新选取 f(x 和g(x 。计算 h(x =f(x

21、 -1g(x(m od q , m od x N -1 , 则公钥为 h(x , 私钥为 (f(x , g(x 。3 在传感器网络进行部署前, 根据 N T R U 算法产生公 /私钥对, 把公钥 h(x 预存储在 各个传 感器节点 中, 私钥 (f(x , g(x 存储在发送结点 A 中。2. 3. 2发送节点签名和传输S M A C 协议将非睡眠时间段分为2部分, 前一 部分 用来 接收 S Y N C 信号, 后一部 分用 来接 收 R T S 包。 S Y N C 信号告知邻节点自己的工作进程。在传输包的过程中, 发送节点 A 发送请求发送帧 (R T S , 该帧包括 源地址, 目的

22、地址和这次通信所需的持续时间。由于 S M A C 遵循 C S D A /M A 协议, 故当信道空闲, B 就发送 允许发送帧 (C T S 。A 收到 C T S 后就可以发送报文。当 A 要发送报文 m 时, 发送节点 A 使用 N T R U 算法 数字签名的过程如下:1 哈希 (m 的摘要, 选用 S H A-1算法,摘要的大小为20字节。2 利用 A 的 N T R U 的私钥 (f(x , g(x 对该摘要进行签名,得到签名 N T R U (hash (m 。3 签名后的长消息为:m N T R U (hash (m , 然后将长消息分割成短消息发送。2. 3. 3接收节点接

23、收和验证1 若目的节点 B 收齐短消息, 则将收到的短消 息装配成 长消息后 利用公 钥 h(x 对签名 进行验 证。如 果验证通过, 则认为该信息合法, 则转下一步, 从而保证了信息的真实性和完整性。否则将包丢弃, 退出。2 B 向 A 发送确认帧 (A C K 及其B 对确认帧的签名。若 A 在规定时间内没有收到确认帧 A C K , 就必须 重传此长消息, 直到收到确认为止, 或者经过若干次的重传失败后放弃发送。441武汉理工大学学报 2007年5月 3仿真3. 1 N S -2介绍 N S-2是针对网络技术的源代码公开的, 开放源代码的软件模拟平台, 它是进行网络仿真最流行的 软件,

24、已广泛被科研院所和各大高校 用于进行网络分析、 研究和教学。在论文中, 在其中的 S M A C 基础上扩展构 建了 SS M A C 网络仿真模块并对协议进行了网络性能仿真。3. 2结果由于协议中涉及消息摘 要, 在仿真 过程中, 设置 使用 S H A-1生成消息摘要的延迟时间为 0. 00576ms , 根据 上文 2. 3. 1小节 提供 的数据, 经过换算, 设置 N T R U 签名 延迟 为0. 355m s ,验 证延 迟为 0. 168ms 。为进行对比, 还仿真了以 R S A 为公钥的安全S M A C 协议, 其中设置 R S A 签名延迟为45. 45ms ,验 证延

25、迟为 1. 07m s 。根据 S M A C 规范, 节点均为静止节点。设置一个1000m ×500m 的区域, 仿真时间设为200s 。采用 C B R 数据源, 设 定发送 速率为每 秒1个数据包。设置数据包的长度为256字节。对于不同的结点数, 进行多次仿真, 并算出数据包链路延迟时间的平均值。如 图1所示。4结语对S M A C 协议的安 全性进行了研究, 提出了一个新的安全的 SS M A C 协议并用 N S2进行了网络仿 真。 该协议通过使用公钥加密算法 N T R U 来实现数字签名, 可以 保证通 信包的数 据完整性, 身 份真实 性和抗否 认性3种安全服务。与

26、R S A 公钥算法相比, SS M A C 协议使用的 N T R U 加解密速度, 密钥生成速度更 快, 能 耗消耗更低, 更适合于无线传感器网络。参考文献1任丰原, 黄海宁, 林闯. 无线传感器网络 J. 软件学报, 2003, 14(7 :1282-1291.2王安东, 张方舟, 秦刚, 等. 无线传感器网络安全协议的研究 J. 计算机工程, 2005, 31(21 :10-13.3孙利民, 李建中, 陈渝, 等. 无线传感器网络 M . 北京:清华大学出版社, 2005.4 J i f f Hof f s te in , Dani e l Li eman , J i l l Pipher . N T R U :A Pub l i c Key Cryptosysyem . U SA :N T R U Cryptosys tems Inc , 2001. ht tp :/grouper . i eee . org/groups/1363/l at tP K/sub