基于时间部署的无线传感器网络密钥管理方案.doc

５２６ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｏｆｔｗａｒｅ软件学报Ｖ０１．２ １，Ｎｏ．３，Ｍａｒｃｈ ２０ １ ０ 制，从而可以根据网络应用旳实际状况按需进行增长． 根据袭击模型旳描述，假设Ｔｅｓ，＜Ｔｍｉｎ＇这在方案旳实际应用中对大多数经典旳ＷＳＮ网络和袭击者而言是可 以实现旳．我们考虑目前被广泛使用旳ＭＩＣＡ２ ｍｏｔｅｌｌ９１传感器节点所构成旳ＷＳＮ网络．％，重要包括布署组节点 完毕成对密钥预生成过程所需旳时ｆＨＪ，而由于节点在广播各自旳密钥信息时使用旳是广播密钥标识旳措施，信 息量很小，且该广播仪存在于发送节点旳邻居区域内，不会被其他节点转发，因而信息传播旳时间很短，埘 ＭＩＣＡ２ ｍｏｔｅ节点而言一般只有数秒旳时间，而通过使用高效旳ＣＳＭＡ媒体访问控制协议【２川，我们可以使尤线 信道访问旳冲突次数减剑很小，极大地缩短了不必要旳冲突延迟时间．我们因而认为％，可以被控制在数秒之 内，而袭击者一般需要长得多旳时间（％ｊ。为数百秒）来成功获取节点中旳密钥信息．冈此，节点布署事件旳进行 是安全旳，可以有效地防止袭击者对节点密钥信息旳恶意获取． ５结束语及未来旳工作 本文描述了一种用于大规模无线传感器网络旳随机密钥管理方案，该方案使用了两级随机密钥管理机制 和密钥清除机制使网络具有厂在高节点连通度下比Ｅ．Ｇ方案和ｑ－ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ方案更强旳抵御节点受损袭击旳 能力．与后者旳两种方案・样，该方案所波及旳资源开销取决于密钥环旳尺、Ｊ。和成对密钥旳生成措施，而特有旳 密钥清除机制使密钥环旳尺寸不停地减小并最终到达Ｏ，这使得在使用相似旳初始密钥环尺寸和成对密钥生成 措施旳状况下。该方案比后者旳两种方案旳资源开销更小，资源旳使用效率更高． 作为后来旳工作，我们将在即将搭建旳ＷＳＮ网络硬件平台上对该方案进行实际旳布署并且再次比较其与 同步布署旳Ｅ．Ｇ方案和ｑ－ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ方案任性能和安全面旳效果．同步，我们也将试图推广本方案中旳密钥管 理思想，结合其他某些已知旳密钥管理方案设计和实现新旳方案，在性能损失可以接受旳条件卜｜提供更强旳抵 抗节点受损袭击旳能力． ＲｅｆｅＦｅｎｃｅｓ 【１】Ａｋｙｉｌｄｉｚ ＩＦ，Ｓｕ Ｗ，Ｓａｎｋａｒａｓｕｂｒａｍａｎｉａｍ Ｙ，Ｃａｙｉｒｃｉ Ｅ．Ａ Ｓｕｒｖｅｙ ４０（８）：１０２－１ 【２】 Ｓｕ Ｚ，Ｌｉｎ １４． ＦＪ，Ｒｅｎ ＦＹ．Ｋｅｙ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｓｃｈｅｍｅｓ ａｎｄ ｐｒｏｔｏｃｏｌｓ ｆｏｒ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｏｎ Ｓｅｎｓｏｒ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ．ＩＥＥＥ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｍａｇａｚｉｎｅ，２００２， Ｃ，Ｆｅｎｇ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋｓ．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｏｆｔｗａｒｅ， ２００７，１８（５）：１２１８—１２３１（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ ｗｉｔｈ Ｅｎｇｌｉｓｈ ａｂｓｔｒａｃｔ）．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗｄｏｓ．ｏｒｇ．ｃｎ／１０００—９８２５／１８／１２１８．ｈｔｍ 【３】Ｃｒｏｓｓｂｏｗ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｐｒｏｄｕｃｔ ｆｅａｔｕｒｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ：Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｘｂｏｗ．ｃｏｍ／Ｐｒｏｄｕｅｔｓ／Ｐｒｏｄｕｃｔ＿ｐｄｆ＿＿ｆｉｌｅｓ／ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ＿ｐｄｆ／Ｐｒｏｄｕｃｔ＿Ｆｅａｔｕｒｅ—Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ＿Ｃｈａｒｔ．ｐｄｆ 【４】Ｄｉｆｆｉｅ Ｗ，Ｈｅｌｌｍａｎ ＭＥ．Ｎｅｗ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓ ｉｎ ｃｒｙｐｔｏｇｒａｐｈｙ．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ｏｎ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｔｈｅｏｒｙ，１ ９７６，２２（６）：６４４—６５４． 【５】Ｒｉｖｅｓｔ ｔｈｅ ＲＬ，Ｓｈａｍｉｒ Ａ，Ａｄｌｅｍａｎ ＬＭ．Ａ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｏｂｔａｉｎｉｎｇ ｄｉｇｉｔａｌ ｓｉｇｎａｔｕｒｅｓ ａｎｄ ｐｕｂｌｉｃ ｋｅｙ ｃｒｙｐｔｏｓｙｓｔｅｍｓ．Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ ＡＣＭ，１９７８，２ｌ（２）：１２０—１２６． ＢＣ，Ｔｓｏ Ｔ．Ｋｅｒｂｅｒｏｓ：Ａｎ 【６】Ｎｅｕｍａｎ ３３－３８． ａｕｔｈｅｎｔｉｃａｔｉｏｎ ｓｅｒｖｉｃｅ ｆｏｒ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｎｅｔｗｏｒｋｓ．ＩＥＥＥ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｍａｇａｚｉｎｅ，１９９４，３２（９）： 【７Ａｎｊｕｒａ Ｆ，Ｍｏｕｃｈｔａｒｉｓ 【８】 Ｅｓｃｈｅｎａｕｅｒ Ｐ．Ｓｅｃｕｒｉｔｙ ｆｏｒ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ａｄ Ｈｏｅ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ．Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎｓ，２００７． ｓｃｈｅｍｅ Ｌ，Ｇｌｉｇｏｒ ＶＤ．Ａ Ｋｅｙ—Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｆｏｒ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋｓ．Ｉｎ：Ｐｒｏｃ．ｏｆ ｔｈｅ ９ｔｈ ＡＣＭ Ｃｏｎｅ ｏｎ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ ａｎｄ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｓｅｃｕｒｉｔｙ．Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ：ＡＣＭ Ｐｒｅｓｓ．２００２．４ｌ—４７． 【９】Ｃｈａｎ ａｎｄ Ｈ，Ｐｅｒｒｉｇ Ａ，Ｓｏｎｇ Ｄ．Ｒａｎｄｏｍ ｋｅｙ ｐｒｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｓｃｈｅｍｅｓ ｆｏｒ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋｓ．Ｉｎ：Ｐｒｏｅ．ｏｆ ｔｈｅ ２００３ ＩＥＥＥ Ｓｙｍｐ．ｏｎ Ｓｅｃｕｒｉｔｙ Ｐｒｉｖａｃｙ．Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ：ＩＥＥＥ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｏｃｉｅｔｙ，２００３．１９７—２１３． Ｊ，Ｈａｎ 【１０】Ｄｕ Ｗ，Ｄｅｎｇ ＡＣＭ Ｃｏｎｅ ＹＳ，Ｖａｒｓｈｎｅｙ ＰＫ．Ａ ｐａｉｒｗｉｓｅ ｋｅｙ ｐｒｅ—ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｓｃｈｅｍｅ ｆｏｒ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋｓ．Ｉｎ：Ｐｒｏｃ．ｏｆ ｔｈｅ １０ｔｈ ｏｎ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ ａｎｄ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｓｅｃｕｒｉｔｙ．Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ：ＡＣＭ Ｐｒｅｓｓ，２００３．４２—５ １． 【１ １】Ｂｌｏｍ Ｒ．Ａｎ ｏｐｔｉｍａｌ ｃｌａｓｓ ｏｆ ｓｙｍｍｅｔｒｉｃ ｋｅｙ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ １９８４．３３５－３３８． ｓｙｓｔｅｍｓ．Ｉｎ：Ｐｒｏｃ．ｏｆ ｔｈｅ ＥＵＲＯＣＲＹＰＴ １ ９８４．Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ：Ｓｐｒｉｎｇｅｒ－Ｖｅｒｌａｇ， ［１２】Ｌｉｕ Ｄ，Ｎｉｎｇ Ｐ．Ｅｓｔａｂｌｉｓｈｉｎｇ ｐａｉｒｗｉｓｅ ｋｅｙｓ ｉｎ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋｓ．Ｉｎ：Ｐｒｏｃ．ｏｆ ｔｈｅ １０ｔｈ ＡＣＭ Ｃｏｎｅ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｓｅｃｕｒｉｔｙ．Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ：ＡＣＭ Ｐｒｅｓｓ．２００３．５２—６１． ｏｎ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ ａｎｄ 万 　 方数据
袁埏等：基于时间布署旳无线传感器网络密钥管理方案 ５２７ ［１３】 Ｂｌｕｎｄｏ Ｃ，Ｄｅ Ｓａｎｔｉｓ Ａ，Ｈｅｒｚｂｅｒｇ Ａ，Ｋｕｔｔｅｎ Ｓ，Ｖａｃｃａｒｏ Ｕ，Ｙｕｎｇ Ｍ．Ｐｅｒｆｅｃｔｌｙ—Ｓｅｃｕｒｅ ｋｅｙ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｆｏｒ ｄｙｎａｍｉｃ ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅｓ．Ｉｎ： Ｐｒｏｃ．ｏｆｔｈｅ ＣＲＹＰＴＯ １９９２．Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ：Ｓｐｒｉｎｇｅｒ－Ｖｅｒｌａｇ，１９９３．４７１－４８６． １１４］ Ｌｉｕ Ｄ。Ｎｉｎｇ Ｐ．Ｌｏｃａｔｉｏｎ—Ｂａｓｅｄ ｐａｉｒｗｉｓｅ Ｓｅｃｕｒｉｔｙ ｏｆＡｄ Ｈｏｃ ａｎｄ Ｓｅｎｓｏｒ ｋｅｙ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｍｅｎｔｓ ｆｏｒ ｓｔａｔｉｃ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋｓ．Ｉｎ：Ｐｒｏｃ．ｏｆ ｔｈｅ １ｓｔ ＡＣＭ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ ｏｎ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ．Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ：ＡＣＭ Ｐｒｅｓｓ，２００３．７２—８２． ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｓｃｈｅｍｅ ｆｏｒ ｗｉｒｅｌｅｓｓ 【１５］ Ｄｕ Ｗ，Ｄｅｎｇ Ｊ，Ｈａｎ ＹＳ，Ｃｈｅｎ Ｓ．Ｖａｒｓｈｎｅｙ ＰＫ．Ａ ｋｅｙ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋｓ ｕｓｉｎｇ ｄｅｐｌｏｙｍｅｎｔ ｋｎｏｗｌｅｄｇｅ．Ｉｎ：Ｐｒｏｃ．ｏｆｔｈｅ ＩＥＥＥ ＩＮＦＯＣＯＭ．Ｐｉｓｃａｔａｗａｙ：ＩＥＥＥ Ｐｒｅｓｓ，２００４．５８６－５９７． 【ｌ ６】 Ｐｅｒｒｉｇ Ａ，Ｓｚｅｗｃｚｙｋ Ｒ，Ｔｙｇａｒ ＪＤ，Ｗｅｎ Ｖ，Ｃｕｌｌｅｒ ＤＥ．ＳＰＩＮＳ：Ｓｅｃｕｒｉｔｙ ｐｒｏｔｏｃｏｌｓ ｆｏｒ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋｓ．Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ。２００２。 ８（５）：５２１－５３４． ［１７】 Ｚｈｕ Ｓ，Ｓｅｔｉａ Ｓ，Ｊａｊｏｄｉａ Ｓ．ＬＥＡＰ：Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｓｅｃｕｒｉｔｙ ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ ｆｏｒ ｌａｒｇｅ—ｓｃａｌｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋｓ．Ｉｎ：Ｐｒｏｃ．ｏｆ ｔｈｅ １０ｔｈ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ ａｎｄ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｓｅｃｕｒｉｔｙ．Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ：ＡＣＭ Ｐｒｅｓｓ．２００３．６２—７２． ＡＣＭ，１９８ｌ。２４（１ １）：７７０－７７２． ＡＣＭ Ｃｏｎｆ．ｏｎ ［１８】 ［１９】 Ｌａｍｐｏｒｔ Ｌ．Ｐａｓｓｗｏｒｄ ａｕｔｈｅｎｔｉｃａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｉｎｓｅｃｕｒｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ．Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆｔｈｅ Ｃｒｏｓｓｂｏｗ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．ＭＩＣＡ２：Ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｘｂｏｗ．ｃｍｒｄＰｒｏｄｕｃｔｓ／Ｐｒｏｄｕｃｔ ａｃｃｅｓｓ ｐｄｆ＿ｆｉｌｅｓ／Ｗｉｒｅｌｅｓｓ＿ｐｄｆ／ ＭＩＣＡ２＿Ｄａｔａｓｈｅｅｔ．ｐｄｆ Ｗｏｏ Ａ，Ｃｕｌｌｅｒ ＤＥ．Ａ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｃｈｅｍｅ ｆｏｒ ｍｅｄｉａ Ｍｏｂｉｌｅ ｉｎ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋｓ，Ｉｎ：Ｐｒｏｃ．ｏｆ ｔｈｅ ７ｔｈ Ａ／ｌｎｕａｌ Ｃｏｎｆ．ｏｎ Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ ａｎｄ Ｎｅｔｗｏｒｋｉｎｇ．Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ：ＡＣＭ Ｐｒｅｓｓ，２００１．２２１－２３５． 附中文参照文献： 【２】苏忠，林闯，封富君。任丰原．无线传感器网络密钥管理旳方案和协议．软件学报２００７，１８（５）：１２１８—１２３１．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｊｏｓ．ｏｒｇ．ｃｎ／ １０００．９８２５／１ ８／１２ ｌ ８．ｈｔｍ 袁瑗（１９８１一），男，上海人，博士，重要研究 领域为无线自组织网络，无线传感器网络， 网络安全． 钟亦平（１９５３一），女，专家，博士生导师，主 要研究领域为网络安全。协议分析与测试． 马建庆０９７４－－），男，博士，讲师，重要研究 领域为无线网络．网络安全． 张世永（１９５０一），男，专家，博士牛导师，ＣＣＦ 高级会员，重要研究领域为计算机网络，信 息安全，无线通信，移动计算． 万 　 方数据
基于时间布署旳无线传感器网络密钥管理方案 作者单位： 刊名： 英文刊名： 年，卷(期： 袁珽， 马建庆， 钟亦平， 张世永 复旦大学,计算机科学技术学院,上海,202333 软件学报 JOURNAL OF SOFTWARE 2023,21(3 参照文献(21条 1.Chan H;Perrig A;Song D Random key predistribution schemes for sensor networks 2023 2.Eschenauer L;Gligor VD A Key-Management scheme for distributed sensor networks 2023 3.Anjum F;Mouchtaris P Security for Wireless Ad Hoc Networks 2023 4.Neuman BC;Tso T Kerberos:An authentication service for computer networks 1994(09 5.Rivest RL;Shamir A;Adleman LM A method for obtaining digital signatures and public key cryptosystems 1978(02 6.Diffie W;Hellman ME New directions in cryptography.IEEE Trans 1976(06 7.苏忠;林闯;封富君;任丰原 无线传感器网络密钥管理旳方案和协议[期刊论文]-软件学报 2023(05 8.Woo A;Culler DE A transmission control scheme for media access in sensor networks 2023 9.Crossbow Technology MICA2:Wireless measurement system 10.Lamport L Password authentication with insecure communication 1981(11 11.Zhu S;Setia S;Jajodia S LEAP:Efficient security mechanisms for large-scale distributed sensor networks 2023 12.Perrig A;Szewczyk R;Tygar JD;Wen V Culler DE SPINS:Security protocols for sensor networks[外文期 刊] 2023(05 13.Du W;Deng J;Han YS;Chen S,Varshney PK A key management scheme for wireless sensor networks using deployment knowledge 2023 14.Liu D;Ning P Location-Based pairwise key establishments for static sensor networks 2023 15.Blundo C;De Santis A;Herzberg A;Kutten S,Vaccaro U,Yung M Perfectly-Secure key distribution for dynamic conferences 1993 16.Liu D;Ning P Establishing pairwise keys in distributed sensor networks 2023 17.Blom R An optimal class of symmetric key generation systems 1984 18.Du W;Deng J;Han YS;Varshney PK A pairwise key pre-distribution scheme for wireless sensor networks 2023 19.Crossbow Technology Product feature reference:Sensors and functions 20.Su Z;Lin C;Feng FJ;Ren FY Key management schemes and protocols for wireless sensor networks[期刊 论文]-Journal of Software 2023(05 21.Akyildiz IF;Su W;Sankarasubramaniam Y;Cayirci E A Survey on Sensor Networks 2023(08 本文链接：