簇狀WSN的分層密鑰管理方案_矩陣-論文網(wǎng)

1、簇狀WSN的分層密鑰管理方案_矩陣-論文網(wǎng)論文摘要：有效的密鑰管理方案是實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡安全通信的關鍵。針對簇狀結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡自身的一些特性，本文提出一種簇狀無線傳感器網(wǎng)絡的分層密鑰管理方案。在本方案中， 分別在簇內(nèi)和簇間采用不同的密鑰管理體制,簇內(nèi)通信密鑰利用中國剩余定理生成，在將復雜計算轉(zhuǎn)交給基站的同時，降低了組密鑰的存儲空間；簇間通信密鑰借助BLOM矩陣的思想生成，有效地提高了簇頭節(jié)點抗擊俘獲的能力。通過對比分析，該方案有效地節(jié)省了節(jié)點的能量，每個節(jié)點不需要存儲大量的共享密鑰，而是按照不同的傳輸信息和安全需求存儲相應類型的密鑰，并提供了較強的可擴展性、網(wǎng)絡的可靠性、高效性等安全性能

2、。論文關鍵詞：簇狀無線傳感器網(wǎng)絡,密鑰管理,分層,中國剩余定理,矩陣1、引言無線傳感器（WSNS）是由大量具有無線通信、傳感、數(shù)據(jù)處理能力的傳感器節(jié)點以自組織、多跳方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡。WSNS以其無中心、自組織、網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)動態(tài)變化、抗毀性強、組網(wǎng)靈活、不依賴固定基礎設施、節(jié)點加入和退出方便等優(yōu)點，因而在日常生活和軍事領域中得到廣泛應用。雖然WSNS有許多優(yōu)點，但當無線傳感器節(jié)點部署在敵對區(qū)域或其他可能遭到惡意攻擊的地帶時，安全問題就顯得尤其重要，密鑰管理成為一個非常值得研究的問題。目前，很多學者針對WSN密鑰管理方案進行了相關的研究，但這些方案中節(jié)點的抗捕獲性不好、密鑰更新的開銷代價大、擴展

3、性不好等。針對這些問題，本文提出一種簇狀無線傳感器網(wǎng)絡的分層密鑰管理方案，該方案在簇內(nèi)和簇間分別采用不同的密鑰管理機制，提高了網(wǎng)絡的擴展性。2、簇狀無線傳感器網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)分簇無線傳感器結(jié)構(gòu)是由三種類型的節(jié)點構(gòu)成：基站、簇頭節(jié)點、簇內(nèi)節(jié)點。基站（basestation,BS）的主要功能是數(shù)據(jù)匯總，對網(wǎng)絡中的傳感器節(jié)點發(fā)送命令，基站具有無限能量、高計算能力以及充足的存儲空間；簇頭結(jié)點（clusterhead,CH）將本簇成員收集到的信息進行簡單的數(shù)據(jù)處理并發(fā)送到基站，同時下達基站對本簇成員的命令，其能量、計算能力、存儲空間有限；簇內(nèi)節(jié)點(clustermember,CM)負責感知周圍環(huán)境，將采集到

4、的數(shù)據(jù)傳送給簇頭節(jié)點。如圖1所示：按照分簇無線傳感器網(wǎng)絡的結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)傳輸被分為兩層：MCL(CM-to-CHlayer)和CBL(CH-to-BSlayer)。MCL即數(shù)據(jù)在簇內(nèi)節(jié)點與簇頭節(jié)點間的傳輸層；CBL是數(shù)據(jù)在簇頭節(jié)點與基站間的傳輸層。在實際應用中，簇內(nèi)節(jié)點主要負責采集數(shù)據(jù)，彼此間通信需求很少，故不生成簇成員之間的通信密鑰，當簇成員之間需要通信時，簇成員節(jié)點可以通過簇頭協(xié)商簇成員之間的通信密鑰。3、簇狀無線傳感器網(wǎng)絡的分層密鑰管理方案5網(wǎng)絡部署后，網(wǎng)絡中簇頭層既是基站的子結(jié)點又是簇內(nèi)節(jié)點層的父節(jié)點，發(fā)揮重要作用。為增強簇頭節(jié)點的安全性，BLOM矩陣用于生成簇間通信密鑰，但通信密鑰不是直

5、接從BLOM矩陣中得來的，而必須經(jīng)過相應的運算求得，進一步提高簇頭的抗捕獲性。簇內(nèi)節(jié)點則采用了基于中國剩余定理的密鑰管理方案。本文提出的分層密鑰管理方案將分為三個階段：密鑰預分配階段、密鑰建立階段、密鑰更新階段。3.1密鑰預分配階段網(wǎng)絡部署前，各節(jié)點中預置一個公共散列函數(shù)和全網(wǎng)共享密鑰（用于密鑰生成階段加密信息），各簇內(nèi)節(jié)點預存一個BS隨機產(chǎn)生的，作為BS與其的通信密鑰。按照BLOM算法，生成對稱矩陣：在有限域上，由BS產(chǎn)生一個0的矩陣，滿足列是線性無關的，從而保證俘獲個節(jié)點也不會破壞安全性，公開。其中為足夠大的素數(shù)，為網(wǎng)絡中簇頭節(jié)點的個數(shù)，是一個安全閥值。只要不超過個簇頭節(jié)點被俘，就不會威脅

6、簇頭之間的通信安全。BLOM給出了矩陣的構(gòu)造方法：如果為有限域上的一個初始元素，則上的非零元素都可由的整數(shù)冪表出，只要知道列的序列號和就可以生成范德蒙德矩陣。矩陣可以定義為然后又BS產(chǎn)生在上建立一個的對稱矩陣,即滿足,保密。BS同時計算一個的矩陣,也是非奇異矩陣，這樣的矩陣稱為BLOM矩陣。令,顯然是的對稱矩陣，即0中元素滿足。簇頭節(jié)點根據(jù)自己的只需保存矩陣中的第行與矩陣的初始元素，僅占用個存儲空間。其他簇頭節(jié)點依照同樣的方法存儲系相關信息，兩簇頭節(jié)點之間只需知道對方，無需額外通信就可以在矩陣中找到公共信息。3.2密鑰建立階段網(wǎng)絡部署形成簇和簇頭后，還需要進行通信密鑰的建立和管理，以保證節(jié)點之間傳遞信息的可靠性和保密性。根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，主要分為簇內(nèi)密鑰建立和簇間密鑰建立兩層。3.2.1簇內(nèi)密鑰建立簇內(nèi)通信采用基于中國剩余定理的密鑰管理方案，具體步驟如下：中國剩余定理5：令為兩兩互素的自然數(shù)，即當時，。令為任意整數(shù)，則存在