基于MD5算法的无线传感网...户身份分簇节点安全认证方法_卓蔚.pdf

敬请登录网站在线投稿（）年第期 基于 算法的无线传感网络用户身份分簇节点安全认证方法卓 蔚（上海烟草集团有限责任公司，上海 ）摘要：为防止恶意的中间节点截获、篡改和干扰信息的传输，以及反馈延迟导致认证密钥丢失等问题的出现，提出基于 算法的无线传感网络用户身份分簇节点安全认证方法。预处理无线传感网络用户身份分簇节点数据，将数据加密参量转换为 的 位标准；根据用户分簇节点对应的 变换参量对其认证规则加以定义，用于 算法优化规则制定；通过 算法对请求数据进行数据融合压缩，解析交互认证过程密钥，完成对应节点数据簇头信息的安全认证。实验结果表明：该方法收发成功率均在 以上，开销率最高在。该方法在多种条件环境下均有效可行，其所得各项指标数据均为最佳，能够在满足相关指标要求的基础上保持连续稳定运行，具有一定的应用推广价值。关键词：算法；无线传感网络；用户分簇节点；安全认证规则中图分类号：文献标识码：（，）：，：；引言伴随无线网络诞生的用户身份认证技术经历了多次大版本技术更新，但是仍然无法更好地解决用户分簇节点认证误差问题。参考文献 提出一种优化的 算法与硬件实现，虽然能够改善认证密钥的加密与解密的硬件关联问题，但是缺乏在用户分簇节点实际认证上的具体实践；而参考文献 提出的分级分簇无线传感器网络协议的优化仅对用户分簇认证协议优化方法进行了研究，缺乏硬件关联性，很难将研究成果转化为实际生产力以解决现有问题。因此，本文提出基于 算法的无线传感网络用户身份分簇节点安全认证方法。用户身份分簇节点安全认证方法 描述分簇节点数据形态首先通过预处理操作将数据加密参量转换为 的 位标准，便于后续节点的统一安全认证。具体如下：考虑到原始数据的认证加密位数不够 的 编码数量，因此首先对其加密码数进行位数补充，使其码数 年第期 达到 位的整倍数，以此保证后续认证数据的节点长度符合认证条件。令待准备 加密认证转换处理的数据为：，（）式中，代 表 数 据 整 体 的 字 节 量 为 。码数长度的补充方法为：以数据末尾字节为初始点，补偿个“”，同时在空码数位置上补偿相应个“”，使其满足补充条件：（）补充后的数据长度为（），其中 代表常数量。将 转换为 位码长的形式与初始数据末尾字节相绑定。此时便可得到一个补充完整的数据长度为：（）（）（）将补充后的数据定义为，将其按照 算法的 位进行节点划分，以此获得（）个子段数据：，（）考虑到后续优化认证过程需要多种参量的定义与函数关系的建立，因此在补充码长后对其关系函数及参量进行同步定义，具体分为如下点：对 优化过程中的数据对接系数量进行定义，共分为组变量，分别对应认证过程中种类型的数据参量，具体字节形态特征如下：（）根据 算法的变换规则对其种参量进行变换赋值操作，得到：，（）经过上述变换获得可用于 认证优化的个数据基础变量、。基于上述变换所得的个优化变量，对优化认证数据的非线性函数进行定义，定义形态可分为种情况（、均为最小字节为的整数节点），由此可得到种情况的非线性函数关系定义表达式为：，（）（）（）（），（）（）（）（），（），（）（）（）将其定义关系代入一个 位长度 子数据段，经过轮 变 换 计 算，可 得 到 个 子 块 数 据 集 合 量，（）；代表重复左移码位长度，经过整理与处理后的数据形态共分为种，分别描述如下：，（）（），（）（），（）（），（）（）式（）（）中，“”为向左赋值符号。输出 分簇节点认证规则根据用户分簇节点对应的 变换参量对其认证规则加以定义，以此保证认证过程中分簇节点的纠错精度与稳定。定义：令，（）与 ，（）为 对应参量的关联向量，进一步可得到向量的 加权系数值非零时所对应的向量的总数，此时向量与之间的 距离代表存在不同属性码长或存在差异的对应位数总值。定义：向量空间中任意一个节点集合中均包含一个对应的线性子空间，将其称作；线性子空间 对应的线性码指向元为。其中满足上述关系成立，需要 符合个基本条件：子空间对应数据节点的码长为；码长字节总数为（或使用用户节点分簇信息簇头到簇尾位数 ），；差异线性码有效距离不得小于 （）。基于上述定义与约束，用户信息分簇节点的认证纠错码可表示为 ，（）或 ，。利用线性空间工具在线性子空间中抽取一组基，其 中，（），（）。由此可得到纠错码长度构成规则：（）进一步推导可得到每个分簇节点对应码字的唯一表达方式为：，（）（）即 为 认证向量空间中线性码 的一个分簇节点子矩阵。考虑到维 认证向量空间中包含个分簇节点子向量，（），在纠错认证过程中，子向量需要将其向量逐个映射到维线性子空间 中，与其中码字 ，（）进行分簇节点握手，并完成节点交换，即：，（），（）（）因此，可以判定在的维线性子空间一定满足齐次线性约束，其约束函数可通过方程组表达为：，（）敬请登录网站在线投稿（）年第期 式中，矩阵 （），则其中任意一个分簇节点，经过整理得到 分簇节点认证规则输出表达式为：（）树状结构认证网络待认证数据在 算法优化转换下已经形成多级分簇网络拓扑结构，此时为了保证每一级节点簇头能够稳定向上级簇头发送认证请求，并对请求数据进行数据融合压缩，需要对其认证节点的簇头信息进行统一身份认证。在认证过程中，针对节点簇头对应基站数据的差异性，利用密钥认证信息对应唯一性，逐一对认证簇头信息进行身份识别，通过识别的簇头信息将被放行，并下发至下一层级簇头节点，同时上一级认证信息将保留在下发节点信息当中，作为下一层级簇头节点身份认证的唯一标识。当下一层级簇头完成下发簇头节点合法性认证后，将合法信息与认证日志同时保存于验证簇头节点信息当中，直到底层簇内节点全部认证完毕通过后停止。整个认证过程的密钥解析交互均由 算法完成，过程中的数据认证协议格式如下：?（）数据认证过程的具体步骤如下：由基层节点向上层分簇节点的簇头发送认证请求信息，请求数据信息函数表达形式如下：?：?（）式中，请求节点的簇头身份标识为?，则对应此标识信息的数据 明文函数可以表达为：?：?（）?（）（）将明文中认证信息节点的簇头身份标识?和动态变量?与认证空间中的哈希值?（）进行参量绑定，生成用于节点簇头认证的密钥加密的 密钥?：?：（）为了保证加密数据安全性，将基层节点的内容设定为空文。接收到基层簇头发出的请求数据后，将其与自身信息进行融合，生成新的认证数据并对其生成数据利用 算法进行压缩，得到二级认证请求数据?，将其与系数值?（）进行融合计算，获得解析明文数据后继续向上级节点簇头发出认证请求，并将反馈的数据信息进行记录，循环往复直至到达目标认证基站。在生成的新认证数据节点簇头中，?与?部分与相邻节点之间的信息量保持一致，则?部分信息量的函数表达式为：?：?（）（）（）生成认证信息节点簇头到达目标认证基站后，请求数据经过基站节点解压缩处理后，得到树状结构认证网络。算例测试与结果分析对提出方法进行实例数据的仿真对比测试，将基于多级分簇的无线传感器网络节点认证方法、基于 算法的无线网络节点认证方法、基于网络技术的节点认证应用统一设定为对比组，各自标识按照顺序分别为对比组、对比组、对比组；提出方法设置为测试组，标识为测试组。分簇节点认证成功率测试测试节点按照发送请求与接收请求进行统计，统计数量各为 组，具体结果如表所列，根据表数据对比结果得出测试结论。表用户身份分簇节点认证成功率测试结果序号请求节点认证成功率对比组对比组对比组测试组 序号反馈节点认证成功率对比组对比组对比组测试组 年第期 根据表中测试组与对比组的数据综合分析后发现，对比组中的种认证方法的成功率整体偏低，且认证过程中存在局部抖动，相比之下测试组 的表现更好，收发成功率均在 以上。点到点数据节点认证扰动测试在仿真测试环境下，通过仿真计算机模拟实际场景下数据节点的点对点认证过程，仿真测试数据节点认证方向，如图所示。图仿真测试数据节点认证方向由图可知，请求节点与反馈节点均采用预约池机制，因此在测试过程中不必考虑节点认证过程出现溢出问题及其带来的扰动。按照上述设定测试条件，得到测试组与对比组的点对点认证曲线，如图所示。图测试组与对比组的数据节点点对点认证测试结果由图（）可知，对比组 的节点请求发送峰值为 字节，均值波动在 字节区间，说明对比组 的请求速率较低，在相同时间内，成功通过认证的概率偏低，结合反馈节点波动情况，可以判定对比组 存在认证延迟问题；由图（）可知，对比组 节点发送请求状态良好，波动范围在正常范围内，但是整体发送率与对比组 基本相同，整体偏低，结合反馈节点数据分析，可以判定对比组存在远程认证响应节点丢包问题；由图（）可知，发送与接收均衡性较对比组 与对比组 有很大提升，说明认证响应性能良好，但是整体速率严重偏低，说明认证算法的算力不足，点对点认证效率偏低，且存在误差；相较上述对比组种方法数据，测试组的曲线指标无论在发送速率还是在收发均衡性方面，均在标准范围之内，且整体稳定性表现出色。通信开销测试考虑到认证过程中数据开销是衡量认证质量的重要指标，因此方案中设计一组通信开销测试对比测试组与对比组认证方法。测试认证开销密码形式采用 标准进行，认证码长为 位，开销数据分为申请开销与反馈开销两部分统计，具体数据对比如图所示。图认证节点开销测试结果由图（）可知，对比组的申请开销率最大，对比组次之，对比组上升幅度与速度最高，测试组资源开销最小，资源控制效果最好；由图（）可知，对比组 反馈资源开销最大、对比组 次之，对比组 上升 年第期 量装置是否仍能完成其余点名指令的下达，测试结果如图所示，网络中的任一测量装置的离线并不会影响主测量装置对后续点名指令的下发。图离线节点测试 高优先级节点延时返数测试通过向图中 为的从测量装置的发送数据程序添加 的延迟，模拟高优先级节点因为外部干扰而出现延迟返数的问题，测试 为的从测量装置是否仍能将个标准帧的数据包成功返回。实验结果如图所示，即使高优先级的测量装置存在返数延迟问题，处于低优先级的测量装置仍能正常返数。图高优先级节点延迟返数 结语根据缓变信号的特征，选用了在工业控制领域和汽车行业广泛应用的 接口，在软硬件上做了设计优化，解决了测量装置在返回数据的过程中因为外部干扰而导致数据包出现长短帧、从节点延迟返数和故障节点异常离线等传输过程中存在的问题。经过多次测试，该设计可在工业控制和汽车领域广泛使用，随着传感器接入数量的增多，可以考虑将以太网作为上下游模块通信的桥梁。参考文献杨婷婷基于 总线网络的车辆电子故障在线监测系统设计齐齐哈尔大学学报（自然科学版），（）：柳灏 面向智能驾驶的 广播式时间同步机制 信息与电脑（理论版），（）：杨志民 基于 总线的电子设备运行数据采集软件设计 电子技术与软件工程，（）：霍明瑞，文丰，焦新泉，等基于 的温度采编转发系统设计电子器件，（）：钱小东，宣浩，曾巧，等 软核的 总线接口设计及星载应用单片机与嵌入式系统应用，（）：布朋生 基于 总线错误帧机制的矿用设备网络安全问题研究 煤矿机械，（）：代普，李永锋，韩建刚，等 基于 总线和大容量数据存储的舰炮远程监控系统设计 兵工学报：，（）：王鹏 一种抗辐射加固 总线收发器的设计与实现成都：电子科技大学，陈凡汽车高速 总线的故障机理分析汽车维修，（）：刘畅，张清，彭晴晴，等 多路传感器信号采集无线传输模块设计现代电子技术，（）：李文祥，周小军，亢超，等 基于增强型海明码的 总线实时性研究 仪表技术与传感器，（）：，叶青艳 总线的车用仪表系统设计与实现微型电脑应用，（）：林建宇 基于 总线的智能小车通信系统设计 上海电力大学学报，（）：皇迎港（硕士研究生），主要研究方向为电路与系统；杨洋（研究员）、张凯华（工程师），主要研究方向为测试计量技术及仪器；任勇峰（教授），主要研究方向为测试计量技术及仪器、电路与系统。通信作者：杨洋，。（责任编辑：薛士然收修改稿日期：）幅度与速度仍是最高，测试组 相对稳定，反馈资源开销与申请资源开销保持一致。综上所述，节点认证资源开销测试中，测试组 表现最好，对比组次之，对比组 表现一般，对比组 资源开销最大，表现最差。结语从用户节点认证的分簇节点优化入手，利用 算法对其分簇认证过程进行策略优化。算法优化在加解密过程中，密钥池需要创建共享才能完成与下一节点信息的融合，由此所产生的缓存开销会影响认证速率，因此优化密钥池共享机制可以作为今后研究方向，通过引入新算法使方法更加完善。参考文献王镇道，李妮 一种优化的 算法与硬件实现 湖南大学学报（自然科学版），（）：张文飞，李昊，张美分级分簇无线传感器网络协议的优化中阿科技论坛（中英文），（）：樊爱京，孙泽军，潘中强，等 基于区块链的无线传感网络安全认证模型 平顶山学院学报，（）：徐荣无线传感器网络分布式分簇算法韶关学院学报，（）：李洪兵，刘子路，陈强，等基于分级邻近节点的无线传感器网络分簇路由算法 计算机工程，（）：一种基于 算法的安全认证方法 电脑知识与技术（学术版），（）：余北缘，刘建伟，周子钰自组织网络环境下的节点认证机制研究 信息网络安全，（）：卓蔚（工程师），主要研究方向为信息安全、密码安全等。通信作者：卓蔚，。（责任编辑：薛士然收修改稿日期：）