用于WSN中结点认证协议的投票机制

用于WSN中结点认证协议的投票机制第３６卷第３期计算机工程２０１０?２月ＶｏＬ３６Ｎｏ．３ＣｏｍｐｕｔｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＦｅｂｒｕａｒｙ２０１?安全技术?ｌ０００＿－３４２８（２０ｌｏ）０３＿＿０１６９＿＿０３ＡＴＰ３９３．０８用于ＷＳＮ中结点认证协议的投票机制范畴。谭劲（中国计鼍学院信息工程学院，杭州３１００１８）摘要研究并设计一种超半数“投票”方案。以簇头为计票者，认证结点为投票者，由簇头搜集与统计“选票”信息。依据超半数投票原则得出统计结果，断定町疑结点的真实性。通过?论推导和计算证明，在异构的传感网络中，投票统计结果的町信度达９０％以上，能够准确、可靠地检测出可疑结点，提高无线传感器网络的安全。关健词超半数“投票”；结点认证；网络安全ＶｏｔｉｎｇＭｅｃｈａｎｉｓｍＵｓｅｄｆｏｒＮｏｄｅ－ａｔｔｅｓｔａｔｉｏｎＰｒｏｔｏｃｏｌｉｎＷＳＮＦＡＮＣｈｏｕ，ＴＡＮＪｉｎ（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＣｈｉｎａＪｉｌｉａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ３１００１８）［ＡｂｓｔｒａｃｔｌＡｍａｊｏｒｉｔｙｖｏｔｉｎｇｓｃｈｅｍｅｉｓｒｅｓｅａｒｃｈｅｄａｎｄｄｅｓｉｇｎｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．Ｉｔａｄｏｐｔｓｃｌｕｓｔｅｒ－ｈｅａｄａｓｃｏｕｎｔｅｒａｎｄＵＳｅＳａｔｔｅｓｔｅｄｎｏｄｅｓａｓｖｏｔｅｒｓ．Ａｔｔｅｓｔｅｄｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｉｓｃｏｌｌｅｃｔｅｄａｎｄｃｏｕｎｔｅｄｂｙｃｌｕｓｔｅｒ－ｈｅａｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｏｆｖｏｔｉｎｇｗｈｉｃｈａｄｏｐｔｓｔｈｅｍａｊｏｒｉｔｙｖｏｔｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅｔｏｃａｌｃｕｌａｔｅｄｅｃｉｄｅｓｏｎｔｈｅａｕｔｈｅｎｔｉｃｉｔｙｏｆｓｕｓｐｉｃｉｏｕｓｎｏｄｅ．Ｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｔｈｅｏｒｙｄｅｄｕｃｉｎｇａｎｄｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎｔｅｓｔ，ｉｎｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｏｕｓｓｅｆｌｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋ，ｉｔＣａｎｂｅｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄｔｈａｔｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｏｆｖｏｔｉｎｇｃａｎｓｕｒｐａｓｓ９０％．Ｔｈｕｓ，ｔｈｅｖｏｔｉｎｇｓｃｈｅｍｅＣａｌｌｄｅｔｅｃｔｓｕｓｐｉｃｉｏｕｓｎｏｄｅｍｏｒｅａｃｃｕｒａｔｅｌｙａｎｄｒｅｌｉａｂｌｙ，ａｎｄｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｓｅｃｕｒｉｔｙｏｌＷｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋ．｜ＫｅｙｗｏｒｄｓＩｍａｊｏｒｉｔｙｖｏｔｉｎｇ；ｎｏｄｅ－ａｔｔｅｓｔａｔｉｏｎ；ｎｅｔｗｏｒｋｓｅｃｕｒｉｔｙｌ概述电子投票最早是由文献【】】提出的，它以各种密码技术为?论基础，通过计算机和网络来完成投票的整个过程。电子投票系统可以减少种种人为的因索，做到?公平、?安全、?高效。“投票”又是一种著名的容错技术ＩｚＪ，其主要机制与电子投票类似。但是作为一项专门的技术，它?能像电子投票系统一样独立地开发与设计。它需要与各种网络Ｆ的具体应用相结合，综合考虑和设计。无线传感器网络（ＷｉｒｅｌｅｓｓＳｅｎｓｏｒＮｅｔｗｏｒｋ，ＷＳＮ）被称为是下一代的“智能”网络，“投票”技术被广泛地应用于ＷＳＮ的多项关键研究领域中。但是将其应用于ＷＳＮ安全问题的研究还较为少见。究其原因与无线传感器网络中的结点能?有限、计算能??强、内存小、通信能?低等特性有直接关系。这些限制使得原有安全协议中高强度的密码体制、复杂的数据计算?能得以应用。因此，在ＷＳＮ中应用“投票”机制，必须依据具体的安全技术设计出相适应的“投票”方案。２相关工作“投票”机制多用于分布式系统中，使其具有自我诊断能?。文献［３］将电子投票应用于移动的自组织网络中，但在ＷＳＮ环境下应用，该电子投票方案的设计仍过于复杂。近?来也有?少研究将电子投票引入到了ＷＳＮ网络中。文献［４】提出了一种基于超半数投票的认证方案（ＡＭａｊｏｒｉｔｙＶｏｔｉｎｇｂａｓｅｄＡｔｔｅｓｔａｔｉｏｎＳｃｈｅｍｅ，ＡＭＶＡＳ）。该方案基于软件测试结点代码的方法，利用可疑结点的邻结点作为认证结点，对町疑结点进?验证；并通过共同“投票”的方式最终决定可疑结点的真实性。这种认证方法提高了检测的准确性和可靠性，但是文中只详细叙述了验证结点代码的算法和过程，而由哪个结点如何进?搜集和统计认证结点的验证信息的“投票”方案并未阐明。而“投票”方案的设计将直接影响到整个认证协议的实用性、安全性和可靠性。网上投票系统的设计一般满足如Ｆ特征合法性，保密性，公正性，完备性，可验证性，健壮性Ｉ，Ｊ。而网上投票系统的最基本要求主要体现在以下２个方面【ｂ１（１）投票的有效性。包括投票者的合法性、投票格式的合法性和一人只能投一次票。投票者合法性是指投票者必须具备投票资格，否则投票无效。投票格式的合法性是指必须按照格式要求投票，否则投票无效。（２）投票的安全性。由于利益关系，在网络环境Ｆ，投票系统可能受到黑客攻击篡改统计结果，因此，安全问题?客忽视。通过对文献【４］的ＡＭＶＡＳ认证协议的研究，本文提出了与之相适应的超半数“投票”方案。该方案采用簇头作为计票者，对认证结点的验证信息进?搜集与统计。同时对网上投票系统的设计要求进?了简化，只满足最基本的有效性和安全性。３超半数。投票刀方案的设计３．１相关说明每个传感器结点都有唯一的ＩＤ号标识。“投票”方案是在无线传感网络的某个簇中实施的。由于簇头是簇的管?者，因此作为计票者是最为合适的。作者筒介范畴（１９８４－－），男，硕士，主研方向无线传感网络，信息安全；谭劲，副教授、博上后２００９－０９－０５Ｅ－ｍａｉｌｘｉａｏｘｉｅｚｉ０１１＠１６３．ｃｏｒｎ—１６９＿一万方数据根据网上投票系统必须满足的有效性和安全性对提出的超半数投票方案进?说明。（１）有效性。假设可疑结点”的ＩＤ为ｘ，投票结点ｖｌ，ｙ２，?，＇ｇｎ－．，Ｖｎ的ＩＤ分别为ＹｌＹ２，?，儿。投票结点ｖｆ产生的选票，必须将町疑结点Ⅳ的ＩＤ与自身ＩＤ?接（ｘ＋”）作为选票的标识。这种标识规定了选票的有效性，包含了必要的结点ＩＤ信息。簇头根据标识叮判断是否为选票信息。并且簇头可通过拆分标识，检测投票结点的ＩＤｙ，是否为本簇的合法成员。因为投票结点是可疑结点甜的所有邻结点，其他结点无法与结点“通信。所以，在投票方案中，只有投票结点可以产生具有?接标识的选票信息。那么，投票结点只要是合法的簇成员 ?可被证明为合法的投票者。这是由ＷＳＮ自身特点所决定的。最后，通过记录投票结点ＩＤ来防止重复计票。以上设计满足了有效性要求的３个方面。（２）安伞性。认证协议中的２个莆要算法（“噪音”产生和“遍历”内存）应用的都是ＲＣ５．ＣＴＲ模型１４Ｊ。因此，采用ＲＣ５对选票信息进 ?加密。这样就?用另?设计加密模块，节省了内存和计算复杂度。簇头与簇内每个结点都有一个对话密钥ｋｉ。因此，每个结点无法获知其他结点与簇头的通信信息。３．２。投票”方案的实麓（１）选票发送首先，可疑结点Ｕ与投票结点ｖ的ＩＤ标识?接，即ｘ＋Ｙｉ。然后用ＲＣ５加密算法将验证信息只与标识ｊ＋雎一起加密。得屯缸＋＂只｝，屯是投票结点叶与簇头的对话密钥。最后，发送消息Ｍ到簇头。Ｍ包含投票结点ｖ的ＩＤ号和加密信息，即Ｍ（乃，七忸＋只，只｝）。流程图如图１所示。接ＩＤ标识ｘ’ｙ。‘８譬翟臻雩Ｐ形成选票信息ＭＭ

。，ｋ？讧＋ｙ！，咚＼上发送村到簇头结点上（一次选票发送结束）圈１选曩发送藏程（２）选票统计簇头接收到投票结点ｖ的信息耽首先检验ＩＤ只是否为本簇成员的有效ＩＤ。假设有效，则查找ｖＪ相应的加密密钥ｋｌ对信息进 ?解密。解密后，发现为?接标识，簇头可知为选票信息。接着，簇头将?接标拆分为工，咒，并且开始进?选票统计。１）统计过程首先检测ＩＤＸ，看对结点Ⅳ的选票统计信息是否建它，如果没有ＩＤ工，则建它统计信息，然后统计投票结点ｖｆ的选票信息