CN104980270A - 一种基于身份的无线传感器网络密钥管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于身份的无线传感器网络密钥管理方法，具体包括以下步骤：（1）网络参数初始化阶段；（2）传感器节点注册成簇阶段；（3）簇内传感器节点密钥协商阶段。本发明采用Bloom Filter技术来实现公钥的合法性验证，避免通过认证中心复杂的认证过程，同时也节省大量的存储空间；本发明采用基于身份的密钥管理方法，提高密钥管理过程的安全性。

Description

一种基于身份的无线传感器网络密钥管理方法

技术领域

本发明涉及网络安全技术领域，特别涉及一种基于身份的无线传感器网络密钥管理方法。

背景技术

计算、通信和传感器三大技术的迅速发展催生了无线传感器网络。目前无线传感器网络己越来越广泛的应用于军事国防、环境科学、医疗健康、空间探索、建筑领域以及危险领域的远程控制等诸多领域。

由于无线传感器网络的体系结构是开放式的，其自身的一些特性决定了该网络的安全性较差，敌手可以很容易的对传输的信息进行窃听、截取和伪造，因此安全性成为无线传感器网络急需解决的关键问题之一。构建一个安全有效的密钥管理机制则成为构建安全的无线传感器网络的前提条件。

在现有的密钥管理机制中，基于非对称的密钥***相比于对称密钥***在密钥管理和安全性上具有更大的优势。但是由于非对称密钥管理技术需要更强的节点计算及存储能力，所以在无线传感器网络中实现该技术难度较大。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于解决现有技术中存在的不足，提供一种基于身份的无线传感器网络密钥管理方法，本发明属于一种非对称的密钥管理技术。

技术方案：本发明的一种基于身份的无线传感器网络密钥管理方法，具体包括以下步骤：

（1）网络参数初始化阶段：基站选择合适的***参数，产生椭圆曲线E，P为椭圆曲线E上的点，设定主密钥s，计算公钥P_pub=sP，基站为簇头节点和传感器节点分配ID和公私钥对，并存于节点和基站内，其中ID表示身份；

（2）传感器节点注册成簇阶段：网络部署完成后，网络中簇头节点向传感器节点广播自身ID和公钥，簇头节点和传感器节点计算共享密钥；

（3）簇内传感器节点密钥协商阶段：簇头节点将收集到的传感器节点ID和公钥列表制成Bloom Filter并发送给簇内传感器节点，传感器节点间先利用BloomFilter相互验证公钥的合法性，最后共享密钥。

进一步的，所述无线传感器网络包括基站、簇头节点和传感器节点，所述基站上连接有若干簇头节点，所述的每个簇头节点上均分别连接有若干传感器节点。

进一步的，所述步骤（1）中网络初始化阶段中基站选择大素数p和q，产生随机的定义在有限域F_p上的椭圆曲线E，并生成***参数(G₁,q,P,e,H₁,H₂)，

其中G₁为q阶的加法群，P为椭圆曲线E上的点，G₁是以P为生成元的加法群，双线性映射e:哈希函数H₁:{0,1}^*→E(F_p)，H₂:{0,1}^*→Z_p；

其具体步骤如下：

（1-1）基站选择随机数s，计算P_pub=sP∈G₁并将P_pub作为公钥，基站公布公共参数(G₁,E(F_P),p,q,e,P,P_pub,H₁,H₂)；

（1-2）基站为传感器节点生成ID和公私钥对，并将ID和公私钥对存储在传感器节点内，其中公钥Q_N=H₁(ID_N)，私钥S_N=sQ_N，N表示传感器节点Node；

（1-3）基站为簇头节点生成ID和公私钥对，并将ID和公私钥对存储在簇头节点内，其中公钥Q_CH=H₁(ID_CH)，私钥S_CH=sQ_CH，CH表示簇头节点Cluster Header；

（1-4）基站保存所有节点ID清单和公私钥对，以及所有簇头节点公钥。

进一步的，所述步骤（2）中传感器节点注册的具体步骤如下：

（2-1）每个簇头节点分别向周围传感器节点广播自己的ID和公钥，可表示为：

（2-2）传感器节点接收到簇头节点广播后，将自己的ID和公钥用簇头节点公钥加密后发给簇头节点表示加入该簇，

（2-3）收到簇内传感器节点的ID和公钥后，簇头节点计算出共享密钥，然后制作自己簇内传感器节点的Bloom Filter，并将该Bloom Filter发送给簇内所有传感器节点；

K_C2=e(S_CH,Q_N)

（2-4）传感器节点计算与该簇头节点的共享密钥：

K_C1=e(S_N,Q_CH)

下面证明传感器节点与簇头节点计算出的共享密钥相同：

K_C1=e(S_N,Q_CH)=e(S_N,H₁(ID_CH))=e(sQ_N,H₁(ID_CH))=e(sH₁(ID_N),H₁(ID_CH))=e(sH₁(ID_CH),H₁(ID_N))=e(sQ_CH,H₁(ID_N))=e(S_CH,H₁(ID_N))=e(S_CH,Q_N)=K_C2

进一步的，所述步骤（3）网络分簇之后，簇内传感器节点间协商共享密钥：

（3-1）A传感器节点在簇头处注册之后向周围传感器节点广播自己的ID和公钥：

（3-2）B传感器节点接收到A传感器节点的广播后利用Bloom Filter验证ID_A||Q_A是否合法，若通过则计算共享密钥K_S1，并用A传感器节点的公钥加密自己的ID和公钥后返回给A传感器节点：

K_S1=e(S_B,H₁(ID_A))

（3-3）A传感器节点收到后首先使用私钥解密，得到B传感器节点的ID及公钥，并使用Bloom Filter验证其合法性，验证通过后计算共享密钥K_S2：

K_S2=e(S_A,H₁(ID_B))；

其中，具体的验证K_S1等于K_S2的方法如下：

K_S1=e(S_B,H₁(ID_A))=e(sQ_B,H₁(ID_A))=e(sH₁(ID_B),H₁(ID_A))=e(sH₁(ID_A),H₁(ID_B))=e(sQ_A,H₁(ID_B))=e(S_A,H₁(ID_B))=K_S2

（3-4）A传感器节点和B传感器节点使用K_S1,K_S2进行安全通信。

有益效果：本发明采用Bloom Filter技术来实现公钥的合法性验证，不再需要类似PKI***的CA中心，不需保存大量的用户的公钥和证书；用户使用公钥加密时，也不再需要经过复杂的证书认证过程，同时也节省大量的存储空间；另外本发明采用基于身份的密钥管理方法，提高密钥管理过程的安全性。

附图说明

图1是本发明的网络拓扑结构图；

图2是本发明的***流程图；

图3是本发明中传感器节点注册阶段示意图；

图4是本发明中传感器节点间密钥协商阶段示意图；

图5是本发明中A传感器节点的Bloom Filter生成图；

图6是本发明中簇内所有传感器节点的Bloom Filter生成图。

具体实施方式

下面对本发明技术方案结合附图进行详细说明。

如图1所示，本发明基于层次式无线传感器网络，该无线传感器网络包括基站、簇头节点和传感器节点，基站上连接有若干簇头节点，每个簇头节点上均分别连接有若干传感器节点。其中传感器节点对所在区域进行监测，上传采集到的信息，簇头节点将数据汇集到基站。基站是数据汇聚中心和全网管理中心，可以与外界进行通信，默认是安全的。簇头节点较传感器节点拥有更强的计算及存储能力。

如图2所示，本发明具体包括三个步骤：分别是网络参数初始化阶段、传感器节点注册成簇阶段和簇内传感器节点密钥协商阶段。

网络初始化阶段中：基站选择合适的***参数，设定主密钥s，计算公钥P_pub=sP，基站为簇内节点和传感器节点等配身份和公私钥对，并存于节点和基站内，具体为：基站选择大素数p和q，产生随机的定义在有限域F_p上的椭圆曲线E，选择椭圆曲线E上的点P，，以P为生成元构造q阶的加法群G₁，生成***参数(G₁,q,P,e,H₁,H₂)，其中G₁为q阶的加法群，P为椭圆曲线E上的点，P为G₁的生成元，双线性映射e:哈希函数H₁:{0,1}^*→E(F_p)，H₂:{0,1}^*→Z_p；

其具体步骤如下：

（1-1）基站选择随机数s，计算P_pub=sP∈G₁并将P_pub作为公钥，基站公布公共参数(G₁,E(F_P),p,q,e,P,P_pub,H₁,H₂)；

（1-2）基站为传感器节点生成ID和公私钥对，并将ID和公私钥对存储在传感器节点内，其中公钥Q_N=H₁(ID_N)，私钥S_N=sQ_N，N表示传感器节点Node；

（1-3）基站为簇头节点生成ID和公私钥对，并将ID和公私钥对存储在簇头节点内，其中公钥Q_CH=H₁(ID_CH)，私钥S_CH=sQ_CH，CH表示簇头节点Cluster Header；

（1-4）基站保存所有节点ID清单和公私钥对，以及所有簇头节点公钥。

如图3所示，传感器节点注册成簇阶段完成传感器节点注册成簇，并与簇头节点生成共享密钥，具体步骤为：

（2-1）每个簇头节点分别向周围传感器节点广播自己的ID和公钥，可表示为：

（2-2）传感器节点接收到簇头节点广播后，将自己的ID和公钥用簇头节点公钥加密后发给簇头节点表示加入该簇，

（2-3）收到簇内传感器节点的ID和公钥后，簇头节点计算出共享密钥，然后制作自己簇内传感器节点的Bloom Filter，并将该Bloom Filter发送给簇内所有传感器节点；

K_C2=e(S_CH,Q_N)

（2-4）传感器节点计算与该簇头节点的共享密钥：

K_C1=e(S_N,Q_CH)

下面证明传感器节点与簇头节点计算出的共享密钥相同：

K_C1=e(S_N,Q_CH)=e(S_N,H₁(ID_CH))=e(sQ_N,H₁(ID_CH))=e(sH₁(ID_N),H₁(ID_CH))=e(sH₁(ID_CH),H₁(ID_N))=e(sQ_CH,H₁(ID_N))=e(S_CH,H₁(ID_N))=e(S_CH,Q_N)=K_C2

如图4所示，网络分簇之后，簇内传感器节点间协商共享密钥，具体方法如下：

（3-1）A传感器节点在簇头处注册之后向周围传感器节点广播自己的ID和公钥：

（3-2）B传感器节点接收到A传感器节点的广播后利用Bloom Filter验证ID_A||Q_A是否合法，若通过则计算共享密钥K_S1，并用A传感器节点的公钥加密自己的ID和公钥后返回给A传感器节点，

K_S1=e(S_B,H₁(ID_A))

（3-3）A传感器节点收到后首先使用私钥解密，得到B传感器节点的ID及公钥，并使用Bloom Filter验证其合法性，验证通过后计算共享密钥K_S2：

K_S2=e(S_A,H₁(ID_B))。

其中，具体的验证K_S1等于K_S2的方法如下：

K_S1=e(S_B,H₁(ID_A))=e(sQ_B,H₁(ID_A))=e(sH₁(ID_B),H₁(ID_A))=e(sH₁(ID_A),H₁(ID_B))=e(sQ_A,H₁(ID_B))=e(S_A,H₁(ID_B))=K_S2；

（3-4）A传感器节点和B传感器节点使用K_S1,K_S2进行安全通信。

如图5所示，传感器节点注册成簇阶段中，簇头收集簇内传感器节点ID和公钥后生成Bloom Filter，对每一个传感器节点的ID和公钥分别进行k次哈希计算，将表中每次得到的哈希值所对应的的位设为1，例如，若h₁(ID_A||Q_A)=9，则将b₉位值设为1。

同理对所有传感器节点进行同样的运算可得出如图6所示的Bloom Filter。

本发明考虑到Bloom Filter有一定的误判概率，对Bloom Filter的参数选取进行讨论：由Bloom Filter性质可得其错误率为f=(1-e^-kn/m)^k，进一步可推知k=(m/n)ln2时其错误率为最小，即m=n(k/ln2)，其中k为哈希函数个数，m为Bloom Filter位数，n为节点个数。例如：若选取k=10，n=30则m=432bits。其错误率约为2^-10，可基本忽略不计。

Claims (4)

1.一种基于身份的无线传感器网络密钥管理方法，其特征在于：具体包括以下步骤： 

（1）网络参数初始化阶段：基站选择合适的***参数，产生椭圆曲线E，P为椭圆曲线E上的点，设定主密钥s，计算公钥P_pub=sP，基站为簇头节点和传感器节点分配ID和公私钥对，并存于节点和基站内，其中ID表示身份； 

（2）传感器节点注册成簇阶段：网络部署完成后，网络中簇头节点向传感器节点广播自身ID和公钥，簇头节点和传感器节点计算共享密钥； 

（3）簇内传感器节点密钥协商阶段：簇头节点将收集到的传感器节点ID和公钥列表制成Bloom Filter并发送给簇内传感器节点，传感器节点间先利用Bloom Filter相互验证公钥的合法性，最后共享密钥。 

2.根据权利要求1所述的基于身份的无线传感器网络密钥管理方法，其特征在于：所述步骤（1）中网络初始化阶段中基站选择大素数p和q，产生随机的定义在有限域F_p上的椭圆曲线E，并生成***参数(G₁,q,P,e,H₁,H₂)， 

其中G₁为q阶的加法群，P为椭圆曲线E上的点，G₁是以P为生成元的加法群，双线性映射e:哈希函数H₁:{0,1}^*→E(F_p)，H₂:{0,1}^*→Z_p； 

其具体步骤如下： 

（1-1）基站选择随机数s，计算P_pub=sP∈G₁并将P_pub作为公钥，基站公布公共参数(G₁,E(F_P),p,q,e,P,P_pub,H₁,H₂)； 

（1-2）基站为传感器节点生成ID和公私钥对，并将ID和公私钥对存储在传感器节点内，其中公钥Q_N=H₁(ID_N)，私钥S_N=sQ_N，N表示传感器节点Node； 

（1-3）基站为簇头节点生成ID和公私钥对，并将ID和公私钥对存储在簇头节点内，其中公钥Q_CH=H₁(ID_CH)，私钥S_CH=sQ_CH，CH表示簇头节点Cluster Header； 

（1-4）基站保存所有节点ID清单和公私钥对，以及所有簇头节点公钥。 

3.根据权利要求1所述的基于身份的无线传感器网络密钥管理方法，其特征在于：所述步骤（2）中传感器节点注册的具体步骤如下： 

（2-1）每个簇头节点分别向周围传感器节点广播自己的ID和公钥，可表示为： 

（2-2）周围的传感器节点接收到簇头节点广播后，将自己的ID和公钥用簇头节点公钥加密后发给簇头节点表示加入该簇， 

（2-3）收到簇内传感器节点的ID和公钥后，簇头节点计算出共享密钥，然后制作自己簇内传感器节点的Bloom Filter，并将该Bloom Filter发送给簇内所有传感器节点； 

K_C2=e(S_CH,Q_N) 

（2-4）传感器节点计算与该簇头节点的共享密钥： 

K_C1=e(S_N,Q_CH) 。

4.根据权利要求1所述的基于身份的无线传感器网络密钥管理方法，其特征在于：所述步骤（3）网络分簇之后，簇内传感器节点间协商共享密钥，具体步骤如下： 

（3-1）A传感器节点在簇头处注册之后向周围传感器节点广播自己的ID和公钥： 

（3-2）B传感器节点接收到A传感器节点的广播后利用Bloom Filter验证ID_A||Q_A是否合法，若通过则计算共享密钥K_S1，并用A传感器节点的公钥加密自己的ID和公钥后返回给A传感器节点： 

K_S1=e(S_B,H₁(ID_A)) 

（3-3） A传感器节点收到后首先使用私钥解密，得到B传感器节点的ID及公钥，并使用Bloom Filter验证其合法性，验证通过后计算共享密钥K_S2： 

K_S2=e(S_A,H₁(ID_B))； 

其中，具体的验证K_S1等于K_S2的方法如下： 

K_S1=e(S_B,H₁(ID_A))=e(sQ_B,H₁(ID_A))=e(sH₁(ID_B),H₁(ID_A))=e(sH₁(ID_A),H₁(ID_B))=e(sQ_A,H₁(ID_B))=e(S_A,H₁(ID_B))=K_S2

（3-4）A传感器节点和B传感器节点使用K_S1，K_S2进行安全通信。