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摘要：提出了一種基于密鑰預(yù)分配無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中的加密方案。方案在加密過(guò)程中使用了計(jì)數(shù)器和消息認(rèn)證碼，從而較好地滿(mǎn)足了傳感器網(wǎng)絡(luò)安全需求。同時(shí)，考慮到傳感器節(jié)點(diǎn)資源有限的特點(diǎn)，方案中相關(guān)協(xié)議和算法都比較簡(jiǎn)單，并完全避開(kāi)了代價(jià)昂貴的公鑰運(yùn)算，從而使得方案計(jì)算、存儲(chǔ)和通信開(kāi)銷(xiāo)都比較小，執(zhí)行效率大大提高。

關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)加密安全方案

一、引言

近年來(lái)，隨著無(wú)線(xiàn)通信、集成電路、嵌入式計(jì)算及微機(jī)電系統(tǒng)等技術(shù)的飛速發(fā)展和日益成熟，具有感知能力、計(jì)算能力和通信能力的微型無(wú)線(xiàn)傳感器開(kāi)始在世界范圍內(nèi)出現(xiàn)。這些傳感器具有低成本、低功耗、多功能等特點(diǎn)和無(wú)線(xiàn)通信、數(shù)據(jù)采集、信息處理、協(xié)同合作等功能。由這些微型傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的傳感器網(wǎng)絡(luò)，能夠協(xié)調(diào)地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、感知和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種環(huán)境或監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息，并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而獲得詳盡而準(zhǔn)確的信息，將其傳送到需要這些信息的用戶(hù)。因此，傳感器網(wǎng)絡(luò)[1]是信息感知和采集的一場(chǎng)革命，它能夠在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)和任何環(huán)境條件下提供大量詳實(shí)可靠的信息，因而可以被廣泛應(yīng)用于軍事斗爭(zhēng)、國(guó)家安全、環(huán)境監(jiān)測(cè)、交通管理、醫(yī)療衛(wèi)生、制造業(yè)和反恐抗災(zāi)等領(lǐng)域。

由于傳感器網(wǎng)絡(luò)一般配置在惡劣環(huán)境、無(wú)人區(qū)域或敵方陣地中，加之無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)本身固有的脆弱性，因而傳感器網(wǎng)絡(luò)安全[2,3]引起了人們的極大關(guān)注。傳感器網(wǎng)絡(luò)的許多應(yīng)用（如軍事目標(biāo)的監(jiān)測(cè)和跟蹤等）在很大程度上取決于網(wǎng)絡(luò)的安全運(yùn)行，一旦傳感器網(wǎng)絡(luò)受到攻擊或破壞，將可能導(dǎo)致災(zāi)難性的后果。如何在節(jié)點(diǎn)計(jì)算速度、電源能量、通信能力和存儲(chǔ)空間非常有限的情況下，通過(guò)設(shè)計(jì)安全機(jī)制，提供機(jī)密性保護(hù)和身份認(rèn)證功能，防止各種惡意攻擊，為傳感器網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)造一個(gè)相對(duì)安全的工作環(huán)境，是一個(gè)關(guān)系到傳感器網(wǎng)絡(luò)能否真正走向?qū)嵱玫年P(guān)鍵性問(wèn)題。

傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究始于20世紀(jì)90年代末期，但安全問(wèn)題的研究成果近幾年才陸續(xù)出現(xiàn)，各種安全方案[4~13]不斷被提出。但由于傳感器網(wǎng)絡(luò)還未被真正地模型化和量化，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)安全方案正處于理論研究階段，距離實(shí)際應(yīng)用和形成普遍接受的標(biāo)準(zhǔn)還相差甚遠(yuǎn)。

本文的組織結(jié)構(gòu)如下：第2節(jié)給出了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全需求；第3節(jié)全面描述了消息加密方案中有關(guān)的協(xié)議和算法；第4節(jié)詳細(xì)分析了方案的安全性和效率；第5節(jié)對(duì)全文進(jìn)行總結(jié)得出結(jié)論。

二、無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全需求

傳感器網(wǎng)絡(luò)具有許多鮮明特點(diǎn)，如通信能力有限、電源能量有限、計(jì)算速度和存儲(chǔ)空間有限、傳感器節(jié)點(diǎn)配置密集和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活多變等，這些特點(diǎn)對(duì)于安全方案的設(shè)計(jì)提出了一系列挑戰(zhàn)。一種比較完善的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)解決方案應(yīng)當(dāng)具備如下基本特征[2~4]：

機(jī)密性：傳感器網(wǎng)絡(luò)不應(yīng)當(dāng)向其他網(wǎng)絡(luò)泄漏任何敏感的信息，且因密鑰泄漏造成的影響應(yīng)當(dāng)盡可能控制在一個(gè)小的范圍內(nèi)，從而使得一個(gè)密鑰的泄露不至于影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的安全。

真實(shí)性：節(jié)點(diǎn)身份認(rèn)證或數(shù)據(jù)源認(rèn)證在傳感器網(wǎng)絡(luò)的許多應(yīng)用中是非常重要的。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，攻擊者極易向網(wǎng)絡(luò)注入信息，接收者只有通過(guò)數(shù)據(jù)源認(rèn)證才能確信消息是從正確的節(jié)點(diǎn)處發(fā)送過(guò)來(lái)的。

完整性：在通信過(guò)程中，數(shù)據(jù)完整性能夠保證接收者收到的信息在傳輸過(guò)程中沒(méi)有被攻擊者篡改或替換。

新鮮性：為防止攻擊者進(jìn)行任何形式的重放攻擊，我們必須保證每條消息是新鮮的。簡(jiǎn)單地說(shuō)，新鮮性是指發(fā)送方傳給接收者的數(shù)據(jù)是在最近時(shí)間內(nèi)生成的最新數(shù)據(jù)。

擴(kuò)展性：傳感器網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性表現(xiàn)在傳感器數(shù)量、網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域、生命周期、時(shí)間延遲、感知精度等方面的可擴(kuò)展極限。因此，給定傳感器網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性級(jí)別,安全解決方案必須提供支持該可擴(kuò)展性級(jí)別的安全機(jī)制和算法，來(lái)使傳感器網(wǎng)絡(luò)保持良好的工作狀態(tài)。

可用性：傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全解決方案所提供的各種服務(wù)能夠被授權(quán)用戶(hù)使用，并能夠有效防止非法攻擊者企圖中斷傳感器網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的惡意攻擊。同時(shí)，安全性設(shè)計(jì)方案不應(yīng)當(dāng)限制網(wǎng)絡(luò)的可用性。

三、基本協(xié)議

協(xié)議中所用到符號(hào)的意義：表示x在集合N中隨機(jī)地選取，分別表示兩個(gè)不同的碰撞自由的單向散列函數(shù)（如MD5和SHA-1），║表示字符串連接操作符，表示使用秘密密鑰Ki對(duì)消息M進(jìn)行加密，表示使用密鑰Ki生成M的消息認(rèn)證碼。

1.會(huì)話(huà)密鑰建立協(xié)議

在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，一個(gè)完整的會(huì)話(huà)密鑰建立過(guò)程通常包括三個(gè)階段，即密鑰預(yù)分發(fā)、單跳密鑰發(fā)現(xiàn)和多跳密鑰建立。

（1）基站產(chǎn)生n個(gè)密鑰及其對(duì)應(yīng)的標(biāo)識(shí)符（），這些密鑰和標(biāo)識(shí)符形成一個(gè)密鑰池P，即

其中ki為基站生成的密鑰，IDi為密鑰ki對(duì)應(yīng)的標(biāo)識(shí)符。

（2）基站從n個(gè)密鑰中隨機(jī)選出r個(gè)密鑰,組成某個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)A的密鑰環(huán)RA，并將密鑰環(huán)加載到A的存儲(chǔ)器中，即：

其中IDAi為密鑰kAi對(duì)應(yīng)的標(biāo)識(shí)符?；颈４婷總€(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的密鑰環(huán)（包括r個(gè)密鑰及其對(duì)應(yīng)的標(biāo)識(shí)符）。

（3）傳感器節(jié)點(diǎn)A計(jì)算與基站共享的密鑰KBA

并將其加載到存儲(chǔ)器中。其中，IDB表示基站的身份標(biāo)識(shí)。

至此，密鑰預(yù)分發(fā)階段結(jié)束，該階段保證了簇內(nèi)任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)能夠以某一概率在各自的密鑰環(huán)上找到雙方共享的會(huì)話(huà)密鑰。

（4）傳感器網(wǎng)絡(luò)配置時(shí)，節(jié)點(diǎn)A被隨機(jī)或者特定地散布在指定的感知區(qū)域內(nèi)。在簇形成過(guò)程結(jié)束后，它廣播一個(gè)信息：

*表示節(jié)點(diǎn)A所在簇內(nèi)的任意節(jié)點(diǎn)，LA表示節(jié)點(diǎn)A的位置信息。

（5）收到該信息的所有節(jié)點(diǎn)將確信它在節(jié)點(diǎn)A的傳輸范圍內(nèi)，即二者在同一個(gè)簇中，并通過(guò)遍歷其密鑰環(huán)，檢查是否存在與A廣播的密鑰標(biāo)識(shí)符集相交的元素。假定節(jié)點(diǎn)C在其密鑰環(huán)上發(fā)現(xiàn)存在與A標(biāo)識(shí)符集相交的元素IDAC，則證明節(jié)點(diǎn)C與A共享有與IDAC對(duì)應(yīng)的會(huì)話(huà)密鑰KAC。于是，節(jié)點(diǎn)C返回給A一響應(yīng)消息：

（6）A使用共享會(huì)話(huà)密鑰KAC對(duì)響應(yīng)消息進(jìn)行解密，確信其密鑰環(huán)與節(jié)點(diǎn)C有交集。

單跳密鑰發(fā)現(xiàn)過(guò)程使得節(jié)點(diǎn)能夠通過(guò)廣播消息的方式，找到簇內(nèi)與其共享有密鑰環(huán)上某個(gè)會(huì)話(huà)密鑰的節(jié)點(diǎn)。在單跳密鑰發(fā)現(xiàn)過(guò)程結(jié)束后，節(jié)點(diǎn)A保存已找到共享實(shí)體的密鑰，并將密鑰環(huán)上其余密鑰刪除。

（7）對(duì)于簇內(nèi)尚未與A建立共享密鑰的節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，可以通過(guò)如下過(guò)程生成會(huì)話(huà)密鑰。假定節(jié)點(diǎn)D在單跳密鑰發(fā)現(xiàn)過(guò)程結(jié)束后，仍未與節(jié)點(diǎn)A建立共享密鑰，但它找到與節(jié)點(diǎn)C共享的會(huì)話(huà)密鑰KDC，且節(jié)點(diǎn)A與節(jié)點(diǎn)C也共享有密鑰KAC。此時(shí)，A發(fā)送一個(gè)挑戰(zhàn)信息給節(jié)點(diǎn)C在對(duì)其進(jìn)行身份認(rèn)證后，該信息包含A和D共享的密鑰KAD及A的位置信息LA

（8）節(jié)點(diǎn)C解密消息，并將其使用密鑰KDC對(duì)消息再次加密后轉(zhuǎn)發(fā)給節(jié)點(diǎn)D：

（9）節(jié)點(diǎn)D驗(yàn)證挑戰(zhàn)消息的合法性，并發(fā)送一個(gè)響應(yīng)信息給節(jié)點(diǎn)A：

其中，nonce是一個(gè)隨機(jī)數(shù)，LD是節(jié)點(diǎn)D的位置信息。

（10）節(jié)點(diǎn)A使用共享密鑰KAD對(duì)響應(yīng)消息進(jìn)行解密，確信與D共享的密鑰已經(jīng)建立。

在多跳密鑰建立過(guò)程結(jié)束后，簇內(nèi)任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間都共享有一個(gè)會(huì)話(huà)密鑰。2.消息加密協(xié)議

傳感器網(wǎng)絡(luò)中的會(huì)話(huà)密鑰建立后，任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間即可遵循消息加密協(xié)議進(jìn)行安全通信。

（1）假定節(jié)點(diǎn)A需要與節(jié)點(diǎn)C進(jìn)行通信，他首先計(jì)算加密密鑰Ke和認(rèn)證密鑰Km:

（2）節(jié)點(diǎn)A使用加密密鑰、認(rèn)證密鑰和計(jì)數(shù)器C對(duì)消息M進(jìn)行加密并將其發(fā)送給節(jié)點(diǎn)C，發(fā)送的消息格式如下：

（3）節(jié)點(diǎn)C收到A發(fā)送來(lái)的消息后，重新根據(jù)共享密鑰KAC來(lái)計(jì)算Ke和Km，并驗(yàn)證消息的合法性。

三、性能分析

1.安全性分析

節(jié)點(diǎn)A和C在會(huì)話(huà)過(guò)程中，使用了共享密鑰KAC對(duì)消息進(jìn)行了加密，節(jié)點(diǎn)C和D、D和A在會(huì)話(huà)密鑰建立時(shí)也采取了相應(yīng)的共享密鑰加密的方法，使得攻擊者無(wú)法獲知傳輸消息的內(nèi)容，因而機(jī)密性得到了保證。

由于通信雙方共享唯一的會(huì)話(huà)密鑰，該會(huì)話(huà)密鑰具有與數(shù)字簽名相似的身份認(rèn)證功能，接收者可以通過(guò)數(shù)據(jù)源認(rèn)證確信消息是從正確的節(jié)點(diǎn)處發(fā)送過(guò)來(lái)的，從而確保了消息的真實(shí)性。

消息認(rèn)證碼要求將共享密鑰和待檢驗(yàn)的消息連接在一起進(jìn)行散列運(yùn)算，根據(jù)散列函數(shù)的強(qiáng)無(wú)碰撞特性，對(duì)數(shù)據(jù)的任何細(xì)微改動(dòng)都會(huì)對(duì)消息認(rèn)證碼的值產(chǎn)生較大影響，從而能夠有效地防止攻擊者對(duì)截獲的信息進(jìn)行篡改，保證了消息的完整性。

本方案將計(jì)數(shù)器信息包含在待加密消息中，共享密鑰加密確保了攻擊者無(wú)法獲知和篡改計(jì)數(shù)器的信息，計(jì)數(shù)器的內(nèi)容又能使接收者確信收到的數(shù)據(jù)是在最近時(shí)間內(nèi)生成的最新數(shù)據(jù)，即消息是新鮮的。

在本方案中，會(huì)話(huà)過(guò)程不需要基站的參與，認(rèn)證密鑰和加密密鑰可由通信雙方根據(jù)共享的會(huì)話(huà)密鑰自主地計(jì)算，從而有效地降低了基站的工作負(fù)荷，避免基站成為網(wǎng)絡(luò)通信的瓶頸，這使得方案具有很好的可擴(kuò)展性。

由于引入了認(rèn)證密鑰、加密密鑰和計(jì)數(shù)器，本方案具備了身份驗(yàn)證、消息保密和內(nèi)容保鮮等諸多功能，并能夠有效防止各種攻擊（如重放攻擊），從而使得其可用性大大提高。

2.效率分析

在構(gòu)建傳感器網(wǎng)絡(luò)加密方案時(shí)，我們充分考慮到節(jié)點(diǎn)計(jì)算速度、電源能量、通信能力和存儲(chǔ)空間非常有限的特點(diǎn)，會(huì)話(huà)密鑰建立協(xié)議和消息加密協(xié)議都設(shè)計(jì)得比較簡(jiǎn)單，參與各方在通信過(guò)程中需要傳輸?shù)膬?nèi)容盡可能地少，并采取科學(xué)的分簇方法，合理確定簇的規(guī)模，確保通信的質(zhì)量，減少因節(jié)點(diǎn)通信能力有限造成會(huì)話(huà)失敗的機(jī)率。

同時(shí)，本方案避開(kāi)了代價(jià)昂貴的公鑰運(yùn)算，通過(guò)引入對(duì)稱(chēng)密鑰、散列算法和計(jì)數(shù)器，來(lái)達(dá)到公鑰基礎(chǔ)設(shè)施的類(lèi)似功能，并通過(guò)減少會(huì)話(huà)步驟、簡(jiǎn)化計(jì)算方法來(lái)降低節(jié)點(diǎn)的工作負(fù)荷，從而使得整個(gè)方案的計(jì)算、存儲(chǔ)和通信開(kāi)銷(xiāo)都非常小，大大提高了方案的執(zhí)行效率。

四、結(jié)論

本文提出了一種傳感器網(wǎng)絡(luò)中的加密方案，該方案不需要基站的參與，認(rèn)證密鑰和加密密鑰可由通信雙方根據(jù)共享的會(huì)話(huà)密鑰自主地計(jì)算，因而具有良好的可擴(kuò)展性；方案在加密過(guò)程中使用了計(jì)數(shù)器和消息認(rèn)證碼，從而較好地滿(mǎn)足了傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全需求。同時(shí)，考慮到傳感器節(jié)點(diǎn)計(jì)算速度、電源能量、通信能力和存儲(chǔ)空間非常有限的實(shí)際情況，方案中有關(guān)的協(xié)議和算法設(shè)計(jì)得都比較簡(jiǎn)單，并使用對(duì)稱(chēng)加密算法來(lái)代替了代價(jià)昂貴的公鑰算法，從而使得方案的各種開(kāi)銷(xiāo)都比較小，執(zhí)行效率大大提高。

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