85、无线传感器网络安全组密钥更新与容错安全路由方案解析

无线传感器网络安全组密钥更新与容错安全路由方案解析

1. 安全组密钥更新方案

在无线传感器网络中，组通信的安全至关重要，涉及到节点间的密钥共享、节点的撤销与加入等多个方面。
- 密钥共享模式
- 直接密钥共享 ：若节点 A 与组头（GH）共享了密钥，它会直接向 GH 回复共享密钥的 ID。例如，节点 A 存储了与 GH 共享的密钥 KA,GH，当需要通信时，就将该密钥的 ID 发送给 GH。
- 间接密钥共享 ：当节点 B 未与 GH 共享密钥时，它会借助与 GH 和自身都有直接密钥共享的节点 A 来建立与 GH 的共享密钥。节点 A 会帮助节点 B 和 GH 建立起秘密共享密钥。
- 组密钥分发
- 组密钥材料通过安全通道单播给每个节点。消息模式如下：
- GC →∗: e, idGH, MAC(e, idGH)
- A →GH : idA, idKA,GH, MAC(KA,GH, idA, idGH)
- 其中，e 表示组创建事件，idA 和 idGH 分别是节点 A 和 GH 的 ID，KA,GH 是 A 和 GH 共享的密钥。当节点 A 和 GH 之间的秘密通道建立后，GH 会将组密钥信息发送给节点。
- 会话密钥处理
- 组形成后，GH 为每个会话 i 生成一个随机会话密钥 SKi，并在组的每个会话中广播该会话密钥。
- 首先，SKi 通过该会话的前向哈希和后向哈希值的异或运算进行加密，然后广播给组内节点。拥有该会话哈希值的节点在接收到会话密钥后，将两个哈希值异或即可得到密钥。
- 组密钥的生成公式为：Kg = Hl−t1(SB₀) + Ht₁(SF₀) + SKi
- 节点撤销机制
- 时间限制撤销 ：每个节点只有在其生命周期内才能参与组通信。当节点生命周期结束，它将无法生成解密密钥，从而自动从组中被撤销。
- 受损节点撤销 ：当检测到组内有节点受损时，为防止其获取组密钥和解密组消息，采用多项式生成秘密更新密钥 Kr 来更新所有有效节点的密钥材料。具体步骤如下：
1. BS 检测到受损节点后，使用 n 次多项式 F(x) = a₀ + a₁x + a₂x² + … + anxⁿ。每个节点 v 包括 GH 都有其单独的秘密随机值 SECv 和 F(SECv)，这些可以在预部署阶段预加载。
2. BS 随机选择另一个 n 次多项式 s(x) = b₀ + b₁x + b₂x² + … + bnxⁿ，并选取一个随机数作为更新密钥 Kr 用于更新密钥材料。同时，BS 生成另一个多项式 t(x) = Kr - s(x)。
3. 为防止受损节点 c 获取更新密钥，BS 根据受损节点的秘密 SECc 计算撤销多项式 r(x) = (x - SECc)。
4. BS 生成广播消息：BS →∗: SECc, idc, w, S(x), T(x), MAC(SECc, idc, w, S(x), T(x))，其中 S(x) = r(x)·s(x) - F(x)，T(x) = r(x)·t(x) - F(x)，w 表示会话。
5. 有效节点 v 可以从消息中提取 s(SECv) 和 t(SECv)：
- s(SECv) = [S(SECv) + F(SECv)] ÷ [r(SECv - SECc)]
- t(SECv) = [T(SECv) + F(SECv)] ÷ [r(SECv - SECc)]
6. 计算更新密钥 Kr = s(SECv) + t(SECv)。受损节点 c 由于 r(SECc) = SECc - SECc = 0，无法计算 s(x) 和 t(x)，也就无法更新密钥。
7. 节点获取更新密钥 Kr 后，通过伪随机函数 K′ᵢ = fKr(Ki) 修订其预部署的密钥。
8. 为从当前组中撤销节点 c，还会更新正在进行的会话的前向和后向哈希值：
- Hw′(SF₀) = f(Hw(SF₀), Kr)
- Hl−w′(SB₀) = f(Hl−w(SB₀), Kr)
- 节点加入机制 ：新节点发送加入请求消息后，首先选择 GH 与节点之间的秘密密钥。建立秘密通道后，GH 向新节点单播包含其前向和后向哈希值（根据分配给节点的生命周期和当前会话密钥确定）的消息。

2. 容错安全路由方案

在基于簇的移动传感器网络中，由于节点的移动性，链路中断更为频繁，因此需要一种可靠的安全路由方案。
- 方案背景与动机
- 移动传感器网络给研究人员带来了新的挑战。在移动网络环境中，节点可能根据应用需求移动到其他位置，导致链路中断比静态网络更频繁，所以需要提高路由到目的地的可靠性。
- 传感器网络通常部署在各种不同甚至恶劣的环境中，在设计路由协议时，除了考虑减少开销、可扩展性、可靠性、损失响应和功耗等传统因素外，还需要考虑安全性。
- 该方案的动机是为采用时间同步、基于簇方法（簇头 CH 负责聚合和路由信息到基站 BS）的移动传感器网络设计路由协议。
- 相关工作分析
- 为移动传感器网络（MSN）开发路由协议的工作较少，部分原因是假设静态网络便于简化聚类和路由协议。
- 为移动自组网（MANET）开发的路由协议可作为 MSN 路由协议的参考，但由于 MSN 的资源稀缺性，MANET 协议需要修改才能在 MSN 中使用。
- 一些已有的路由协议存在不足，例如：
- Arboleda 和 Nasser 提出的基于簇的移动传感器网络路由协议，有路由创建和路由维护两个阶段，但在应对复杂情况时可能不够高效。
- 最常用的 Adhoc On demand Distance Vector 路由协议（AODV）及其多路径变体 Adhoc On demand Multipath Distance Vector 路由协议（AOMDV）使用单调递增的序列号系统来避免路由环路。AOMDV 通过在 RREQ 中添加邻居 ID 字段，可形成从源到目的地的多个不相交链路路径，但在安全性方面存在一定问题，通过引入 RREQ 的双重签名扩展来避免。

下面用 mermaid 流程图展示受损节点撤销的流程：

graph TD;
    A[BS检测到受损节点] --> B[使用多项式F(x)];
    B --> C[选择多项式s(x)和随机数Kr];
    C --> D[生成多项式t(x)];
    D --> E[计算撤销多项式r(x)];
    E --> F[生成广播消息];
    F --> G[有效节点提取s(SECv)和t(SECv)];
    G --> H[计算更新密钥Kr];
    H --> I[节点更新预部署密钥];

综上所述，安全组密钥更新方案和容错安全路由方案分别从组通信安全和路由可靠性两个方面为无线传感器网络提供了保障，在实际应用中具有重要的价值。

无线传感器网络安全组密钥更新与容错安全路由方案解析

3. 方案分析

3.1 安全组密钥更新方案分析

• 前向保密性 ：当节点在会话 z 被撤销时，它无法计算会话 ≥ z + 1 的组密钥。因为被撤销的节点虽然可以计算会话 z 之后的前向链 Hz + 1(SF₀)，但无法计算会话 z + 1 的后向哈希 Hl - z - 1(SB₀)，而获取 SKz + 1 需要同时知道这两个值。因此，通过使用双哈希链实现了前向保密性。
• 后向保密性 ：如果新节点在会话 w 加入组，它无法根据所拥有的密钥计算之前的组密钥。因为新节点加入时获得的是 Hz(SF₀) 和 Hl - z(SB₀)，要计算之前的组密钥需要知道会话 w 之前的前向哈希链值，而这在计算上是不可行的。
• 受损节点撤销效率 ：使用多项式生成更新密钥 Kr 来撤销受损节点，每个节点 v 计算 Kr 需要进行 (3t + 2) 次乘法运算（t 是多项式的次数），仅在撤销受损节点时需要进行此计算，其他节点在生命周期结束时自动撤销。相比之下，一些其他方案（如 Wang 方案）在每次重新密钥时广播所有撤销节点的 ID，增加了消息大小和带宽消耗，且会话密钥依赖于撤销节点的 ID，随着撤销节点列表的增加，计算量也会增加。而该方案通过仅广播受损节点的秘密一次，减少了计算和通信开销。

方案特性	本方案	Wang 方案
受损节点撤销计算	(3t + 2) 次乘法运算（仅撤销受损节点时）	每次重新密钥广播所有撤销节点 ID，会话密钥依赖撤销节点 ID，计算随撤销节点列表增加
通信开销	仅广播受损节点秘密一次	每次重新密钥广播所有撤销节点 ID

3.2 容错安全路由方案分析

• 可靠性 ：该方案考虑了节点的移动性和跳数，创建多条到目的地的路径，为数据传输提供了故障安全机制。即使某些路径因节点移动导致链路中断，仍有其他路径可用于数据传输，提高了数据传输的可靠性。
• 安全性 ：该方案能够抵御各种提出的威胁模型，确保路由信息的安全性。例如，通过对路由消息进行加密和认证，防止攻击者篡改或伪造路由信息。
• 故障容错性 ：由于创建了多条路径，当一条路径出现故障时，可以快速切换到其他可用路径，减少了数据传输的中断时间，提高了网络的故障容错能力。

4. 方案总结与展望

4.1 方案总结

• 安全组密钥更新方案通过直接和间接密钥共享模式、组密钥分发、会话密钥处理、节点撤销和加入机制，实现了组通信的安全性。该方案具有前向保密性、后向保密性，能够高效地撤销受损节点，且具有较好的可扩展性。
• 容错安全路由方案考虑了移动传感器网络的特点，通过创建多条路径提高了路由的可靠性和故障容错性，同时确保了路由信息的安全性。

4.2 未来展望

• 广播认证 ：安全组密钥更新方案未解决广播认证问题，而广播认证是防止攻击者发送虚假消息进行受损节点撤销等操作的关键。可以考虑使用 μTESLA 等方法来实现广播认证。
• 方案优化 ：在容错安全路由方案中，可以进一步优化路径创建和选择算法，以提高路由的效率和性能。例如，可以结合节点的剩余能量、移动速度等因素来选择最优路径。
• 跨层设计 ：可以考虑将安全组密钥更新方案和容错安全路由方案进行跨层设计，实现更紧密的协作，进一步提高无线传感器网络的整体性能和安全性。

下面用 mermaid 流程图展示整个无线传感器网络方案的整体流程：

graph LR;
    A[节点加入/撤销] --> B[安全组密钥更新];
    B --> C[容错安全路由];
    C --> D[数据传输];
    D --> E[广播认证（待完善）];

综上所述，无线传感器网络的安全组密钥更新和容错安全路由方案为网络的安全和可靠运行提供了重要保障，但仍有一些方面需要进一步研究和完善，以适应不断发展的应用需求。