基于圓錐曲線密碼的WSNs密鑰管理方案*

張得生，劉直良

（黃淮學院 信息工程學院，河南 駐馬店 463000）

基于圓錐曲線密碼的WSNs密鑰管理方案*

張得生，劉直良

（黃淮學院 信息工程學院，河南 駐馬店 463000）

為有效解決資源有限的無線傳感器網絡密鑰管理問題，給出了一種基于圓錐曲線無線傳感器網絡密鑰管理方案。通過引入證書服務，實現了密鑰的分配和新加入節點密鑰的生成、更新、撤銷等過程，并從方案的安全性、可擴展性和效能方面進行性能分析。實驗分析結果表明：與經典密鑰管理方案相比，所給方案能夠有效減少密鑰存儲空間，并且具有較強可擴展性和抵抗網絡攻擊的能力。

無線傳感器網絡；圓錐曲線密碼；密鑰管理；證書服務

0　引言

無線傳感器網絡 (Wireless Sensor Networks，WSNs)是由多種學科高度交叉的熱點研究領域，被廣泛應用在軍事監察、醫療護理、交通監管和環境監測等各類領域[1]。然而，無線傳感器網絡也面臨著諸如竊聽、注入、陷阱、欺騙、重放、拒絕服務和 HELLO擴散攻擊等多種安全風險，因此如何解決安全問題成為無線傳感器網絡研究的熱點和難點問題[2]。由于無線傳感器網絡的節點在能量、計算能力、存儲能力和通信帶寬等方面有限制，傳統的密鑰管理方案無法直接應用在無線傳感器網絡中，使得無線傳感器網絡的密鑰管理面臨著諸多困難和挑戰。適用于無線傳感器網絡的一種比較簡單的密鑰管理方案是在所有節點中都預先存儲一個對稱密鑰進行通信，但是如果其中某一個節點被攻擊成功，則全網絡就不再安全，而且對稱密鑰管理方案限制了新節點的加入和密鑰更新等動態性操作，因此對稱密鑰管理方案不能滿足無線傳感器網絡的動態性和安全性需求。而非對稱密鑰管理方案既可以保證網絡的安全性需求也可以很好地滿足動態性需求，然而需要更多的能量和資源開銷[3]。但隨著大規模集成技術的飛速發展，傳感器節點在能量、計算能力、存儲能力和通信帶寬等方面都有很大提高，可以通過有效的控制把非對稱密碼體制中的部分方法應用于無線傳感器網絡中來實現安全密鑰管理。

圓錐曲線密碼是一種比橢圓曲線密碼更加高效的非對稱密碼體制，具有密鑰短、參數選擇靈活、實現速度快和安全性高等優點，通過將其應用在無線傳感器網絡的密鑰管理方案中，給出一種基于圓錐曲線密碼的無線傳感器網絡密鑰管理方案(Key Management scheme based on Conic Curve cryptography for wireless sensor network，KMCC)。所給方案可以有效實現通信密鑰分配以及動態添加新節點、密鑰更新和回收，并且在密鑰存儲空間、可擴展性和抗網絡攻擊等方面都要比基于橢圓曲線密碼的無線傳感器網絡密鑰管理方案等經典的密鑰管理方案具有更好的性能，因此所給方案可以較好地適用于無線傳感器網絡中。

1　KMCC方案設計

1.1網路模型

假設部署的無線傳感器網絡中有且僅有一個基站，且該基站不會失效或者被攻擊。網絡中每個節點都能夠感知其鄰近的節點，同時假設在網絡初始化階段不存在外部入侵的問題，即所有節點都具有一定抵御外部攻擊的能力，且為每個節點賦予唯一的身份標識ID以抵御Sybil攻擊和Newcomer攻擊。其中，基站作為證書管理機構，用來為每個節點分配證書，證書內容應包含與節點私鑰匹配的公鑰、節點身份標識以及時間戳。證書形式為 CAi=ESKCA(PKi，IDi，T)，i表示某個節點，Ci表示節點 i的證書，SKCA表示基站的私鑰，PKi表示節點 i的公鑰，IDi表示節點i身份標識號，T表示證書的有效期，且節點i自身私鑰為SKi，同時被注入基站的公鑰PKCA。

1.2網絡初始化

部署無線傳感器網絡之前，需要對整個網絡中的基站和所有節點進行初始化設置。首先需要構造安全圓錐曲線C，然后分別在其上選取階為k的基點P，并定義圓錐曲線 C上的點加運算和標量乘法運算[4]。節點 i的配置參數則為(k，C/Fq，E，F，G，H)，k表示有限域 Fq上的素數，C表示有限域Fq上的圓錐曲線，E表示有限域Fq上的加法群，F表示圓錐曲線上的 Frobenius映射，G表示加法群E上隨機選取的生成元，H表示單向散列函數，且有SKi=KMH(IDi)，KM表示系統的主密鑰。

1.3通信密鑰建立

部署無線傳感器網絡完成后，需要在基站和節點間建立通信密鑰，具體執行過程如下所示：

(1)首先，每個節點都通過廣播“Hello”消息來發現鄰居節點，鄰居節點在收到“Hello”消息后回復確認消息；

(2)當一對節點i和節點j互相確認為鄰居節點之后，節點i通過利用公鑰證書 CAi將自己的公鑰 PKi發送給鄰居節點 j，節點 i發送給節點 j的消息為，節點 j發送給節點 i的消息為，發送的消息都包括時間戳 t，主要作用是為了保證節點j收到證書的有效性，避免節點i重發已過期證書或防止惡意節點冒充節點i重發過期證書；

(3)節點i和節點 j只有利用預注入基站公鑰 PKCA才能對證書解密，以驗證證書是由基站發放的，并獲得鄰近節點的身份標識和公鑰。節點j利用基站公鑰 PKCA來驗證節點i發送的消息，節點 j獲得節點 i的身份標識 IDi和公鑰PKi；同樣，節點i也需要利用利用基站公鑰 PKCA對節點j發送的消息進行驗證，獲得節點 i獲得節點 j的身份標識IDj和公鑰PKj；

(4)鄰居節點 i和節點 j互相獲得對方的公鑰后，利用初始化預先加載的私鑰SKi=KMH(IDi)和SKj=KMH(IDj)建立對密鑰 Ki，j。節點 i生成對密鑰 Ki，j=F(SKi，H(IDj))，節點 j生成對密鑰 Kj，i=F(SKj，H(IDi))，由映射 F性質可知 Ki，j=Kj，i，則建立起鄰居節點 i和 j之間對密鑰。

1.4節點的加入和刪除

新節點加入網絡時，需要首先對其配置身份標識，產生新節點的證書和私鑰，再與鄰近節點建立通信對密鑰，具體執行過程如下：

(1)新節點 t請求加入網絡時，基站首先為該節點分配一個身份標識號 IDt，用以生成證書以及私鑰 SKt=KMH(IDt)，并同時為該節點預先注入基站公鑰PKCA；

(2)新節點t部署后，向周圍節點廣播“Hello”消息尋找鄰居節點，鄰居節點回復確認消息后，然后新節點t與鄰居節點之間建立對立對密鑰 Ki，t。

由于整個網絡中每對鄰居節點的密鑰與其他節點之間的對密鑰是相互獨立的，所以刪除被捕獲或失效的節點不會給其他節點造成危害，節點刪除的執行過程如下：

(1)當一個節點 s能量耗盡或被捕獲后，在網絡中廣播該失效或被捕獲節點s的身份標識IDs及該節點已退出的消息，從而其證書CAs失效；

(2)其余節點收到節點 s的身份標識 IDs退出的消息后，若再有節點s發送到消息則直接丟棄。

1.5密鑰的更新和回收

網絡中鄰居節點利用公私密鑰對更新對密鑰，假定是由節點i發起密鑰更新請求，具體執行過程如下所示：

(1)節點 i采用節點 j的公鑰 PKj來加密節點 i的身份標識 IDi和一個一次性隨機數 R1，然后發送給節點 j，即節點 i發送消息到節點 j，其中 R1唯一地標識節點i更新；

(2)節點 j采用節點 i的公鑰 PKi來加密節點 i的一次性隨機數 R1和節點j新產生的一次性隨機數 R2，然后發送給節點 i，即節點 j發送消息到節點i，其中 R2唯一地標識節點 j更新回復；

(4)節點 j收到消息 EPKj(R2)進行解密得到隨機數 R2，所以節點j可以確認此次消息是節點i發送的；

(5)節點 i選擇通信會話密鑰 KD，并采用自己的私鑰SKi和節點j的公鑰 PKj加密會話密鑰 KD達到密鑰更新報文消息M，即有，然后發送給基點 j。

在無線傳感器網絡中，如果有節點發現某個節點不合法時，需要向基站對該節點投不信任票，當基站收到對這個節點的不信任投票超過一定的閾值，則基站就會通過廣播節點私鑰的方式對該節點的密鑰進行回收，具體執行過程如下：

(1)當基站收到對節點e的不信任投票超過閾值d時，則向網絡廣播發送密鑰回收消息(SKe，PKe)；

(2)網絡中節點在收到回收消息(SKe，PKe)后，查找自己是否與不信任節點e是鄰居節點，如果不是鄰居節點則直接丟棄該消息，如果是鄰近節點則今后不再接收節點e的消息，等到證書過期后，則鄰居節點之間的對密鑰自動撤銷。

2　實驗仿真與性能分析

實驗仿真工具采用伯克利大學研制的MICA2mote，使用的是8位ATmega128L處理器，4 KB的 SRAM以及128 KB的 ROM，MAC層協議采用 802.11標準協議，路由協議采用 DSR協議，傳感器節點數目為 500，有且僅有1個基站。主要從安全性、存儲開銷、能耗和可擴展性四個方面分別與E&G方案、IBC方案和基于ECC方案三種經典密鑰管理方案進行分析比較，以驗證所給KMCC方案的優越性。

2.1安全性分析

KMCC方案的安全是建立在圓錐曲線上離散對數問題難解性的基礎之上的。在網絡通信密鑰建立過程中，攻擊者無法獲得圓錐曲線密碼標量乘算法的初始密鑰k，而如果通過截獲網絡通信密鑰協商消息來推導出初始密鑰是困難的。當有新節點加入網絡時，由于該節點沒有初始密鑰，其現在的密鑰分配的密鑰無法解密之前的報文消息，因而能夠保證網絡的后向安全性；假如攻擊者捕獲了網絡中的一個節點，由于鄰居節點之間的對密鑰只涉及鄰居節點本身，與其余節點無關，為避免攻擊者通過恢復被捕獲節點初始密鑰獲取通信報文消息，可以通過密鑰更新方法來更新密鑰，從而使得老的對密鑰不能解密以后的報文或生成冒充的加密報文，從而有效防止外部惡意節點或被捕獲節點的攻擊，保證網絡的前向安全性。攻擊者即使捕獲控制了網絡一個節點，也不可能獲取其余節點的密鑰信息和其他相關信息，并且可以通過其余節點的不信任投票來刪除該節點，所以可以減少安全威脅影響整個網絡，所以KMCC方案具有較高的抗毀性。

由于攻擊者總是試圖在無線傳感器網絡中通過捕獲控制傳感器節點來獲得其余節點密鑰信息，所以節點捕獲對于無線傳感器網絡是一種需要非常重視的安全威脅。E&G方案由于節點需要存儲密鑰個數較多，如果其中一個節點被捕獲，則極有可能造成多個節點的密鑰信息泄露，網絡的抗毀性較差，其節點的密鑰被捕獲概率為 1-(1-a/P)n[5]。IBC方案、基于ECC方案以及所給KMCC方案由于只存儲鄰近節點密鑰信息，所以單個節點被捕獲不會擴散整個網絡，IBC方案的節點密鑰被捕獲的概率為，基于 ECC方案的節點密鑰被捕獲的概率為[7]，所給 KMCC 方案的節點密鑰被捕獲概率為。其中，a表示密鑰環大小，P表示密鑰池大小，n表示被捕獲的節點個數，m表示網絡節點數目，e1表示基于 ECC方案的密鑰回收成功概率，e2表示KMCC方案的密鑰回收成功概率。其中，節點數 m=500。假定令 a=300，P= 1 000，n=200，e1=0.27，e2=0.35，則KMCC方案與E&G方案、IBC方案和基于ECC方案的密鑰抵抗被捕獲能力的比較分析如圖1所示。

圖1　KMCC方案與經典密鑰管理方案的抗毀性能力比較

2.2能耗分析

由于無線傳感器網絡節點的能量有限，所以密鑰管理方案應盡可能節約能量消耗，密鑰管理方案的能耗主要包括運算能耗和通信能耗。在無線傳感器網絡中，節點傳輸信息所需的通信能耗比執行計算時的運算能耗大得多，一般認為傳輸1 bit信息100 m所需能量大約可以執行3 000條指令。對于 E&G方案，密鑰分配建立階段需需執行單向散列函數運算和XOR運算，同時需要進行節點間的通信，當密鑰環超過閾值時，通信能耗將會大幅增加，當有新節點加入或更新密鑰時，需要重新執行密鑰分配過程，能耗幾乎相同。對于IBC方案，需要執行單向散列函數運算、XOR運算和公鑰運算，當需要更新密鑰時，只需在鄰居節點之間進行計算能量和通信能量消耗。對于基于ECC方案，需要執行單向散列函數運算、橢圓曲線密碼標量乘運算和橢圓曲線點加運算，對密鑰只存在于鄰居節點之間，所以只需考慮鄰居節點之間的計算和通信能量消耗。對于KMCC方案，需要執行單向散列函數運算、圓錐曲線密碼標量乘運算和圓錐曲線點加運算，對密鑰只存在于鄰居節點之間，所以只需考慮鄰居節點之間的計算和通信能量消耗，但是圓錐曲線密碼標量乘運算和圓錐曲線點加運算優于橢圓曲線密碼標量乘運算和橢圓曲線點加運算，所以KMCC方案比ECC方案所需能耗更少。其中，假定網絡中每個節點的初始能量為0.5 J。圖2給出了隨網絡規模變化KMCC方案與經典密鑰管理方案的能耗分析比較。

圖2　KMCC方案與經典密鑰管理方案的能耗比較

2.3存儲開銷分析

假定節點之間通信密鑰的長度是相等的，令存儲參數的開銷為 Sc，存儲單個密鑰的開銷為 Sk，h表示平均鄰居節點的個數，有h=。對于E&G方案，只需要存儲節點的通信密鑰，所以其存儲開銷只與網絡規模的大小有關，則其單個節點的存儲開銷為m(lnm+9.21)Sk/h[8]。對于IBC方案，需要存儲鄰居節點的通信密鑰，還需存儲系統參數、系統公鑰、節點公私鑰對以及身份標識，所以其存儲開銷與對網絡規模大小和參數個數有關，則其單個節點的存儲開銷為 Sc+(h+4)Sk[9]。對于基于 ECC方案，需要存儲鄰居節點之間的通信密鑰，還需要存儲公共參數、節點公私鑰對以及節點認證密鑰，所以其存儲開銷與對網絡規模大小和參數個數有關，則其單個節點的存儲開銷為 Sc+(h+3)Sk[10]。對于所給 KMCC方案，需要存儲鄰居節點之間的通信密鑰，還需要存儲節點公私鑰對和節點認證密鑰，所以其存儲開銷與對網絡規模大小和參數個數有關，則其單個節點的存儲開銷為Sc+(h+2)Sk。而且由于IBC方案和基于ECC方案以及所給KMCC方案都是存儲鄰居節點之間的密鑰信息，所以網絡規模的增加節點的存儲開銷變化不大。則KMCC方案與E&G方案、IBC方案和基于ECC方案的存儲開銷比較如圖3所示。

圖3　KMCC方案與經典密鑰管理方案的存儲開銷比較

3　結束語

密鑰管理是無線傳感器網絡其他安全機制的基礎，也是無線傳感器網絡的研究熱點。通過將圓錐曲線密碼應用到無線傳感器網絡的密鑰管理中，給出了一種有效的KMCC密鑰管理方案。由于通信密鑰的生成算法是基于圓錐曲線上離散對數問題的難解性之上的，可以有效防止外來節點的攻擊，同時新節點加入的密鑰生成以及密鑰更新與回收采用的是圓錐曲線密碼，可以有效提高密鑰安全性以防止內部惡意節點的攻擊。并且所給KMCC方案的密鑰建立、更新、回收、節點對密鑰生成以及新節點密鑰建立都是發生在鄰居節點之間的通信，不需要進行集中管理，所以具有良好的動態擴展性。通過與經典密鑰管理方案相比，所給方案在安全性、能量消耗和存儲開銷方面都具有較好的優越性，因此所給方案具有較好的可行性，適用于動態無線傳感器網絡并且可以有效保證網絡性能。

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Key management scheme for WSNs based on conic curve cryptography

Zhang Desheng，Liu Zhiliang
(School of Information Engineering,Huanghuai University,Zhumadian 463000,China)

To resolve the key management problem of limited wireless sensor network effectively,a key management scheme for wireless sensor network based on conic curve cryptography was proposed.The proposed scheme could realize the process of the key distribution and the key generation,update and revocation of the new joined nodes,and make the performance analysis from the aspects of security,extendibility and efficiency.The results of experiment analysis shows that the proposed scheme is able to reduce the storage space of the key and have the strong capacity of extendibility and resisting network attacks comparing with the classic key management schemes.

wireless sensor network；conic curve cryptography；key management；certificate service

TP393

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2015.10.029

河南省科技攻關計劃項目(122102210430)

2015-05-13)

張得生(1982－)，男，碩士，實驗師，主要研究方向：計算機應用、信息安全。

劉直良(1982－)，男，碩士，講師，主要研究方向：計算機應用、信息安全。

中文引用格式：張得生，劉直良.基于圓錐曲線密碼的WSNs密鑰管理方案[J].電子技術應用，2015，41(10)：107-110.

英文引用格式：Zhang Desheng，Liu Zhiliang.Key management scheme for WSNs based on conic curve cryptography[J].Application of Electronic Technique，2015，41(10)：107-110.