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适用于大规模无线传感器网络的分布式组密钥管理方案周建钦;王影【期刊名称】《苏州科技学院学报（自然科学版）》【年(卷),期】2014(31)3【摘要】When the node resources are limited and placed in a hostile environment, wireless sensor networks are highly vulnerable to attacks and easily captured. Based on the cluster collaboration scheme, we put a group key management scheme for large-scale distributed wireless sensor networks. Mutual collaboration between the neighboring head nodes of the nearest group could update the group key in real time to reduce the attacks from the compromised nodes. The head node updates its group key when the number of compromised nodes in its own is below a threshold, and the neighboring head instead of the group head updates it when above a threshold. The neighboring heads will inform the base station and entire network in the latter situation that the group has failed, cut their communication with it, and redeployed it. When the head node compromises, its nearest head nodes will collaborate with other neighboring heads to select a new node in the group as their head. Compared with that the whole network has one common polynomial, that every group has a distinct polynomial greatly decreases the at-tacks of collusion. The network has increased its self-healing property by setting related parameters. The experi-mental results show that thecommunication overhead of the head node comes to a certain value with the increase of the member in each group. Therefore, this scheme is suitable for large-scale networks having multiple different levels of self-healing demands.%当节点资源受限且处于敌对环境中时，无线传感器网络极易受到攻击且易被俘获。
无线传感器网络中的密钥管理技术研究随着无线传感器网络技术的发展，各种应用场景中对于传感器数据的采集越来越依赖于无线传感器网络(Wireless Sensor Network, WSN)，因此保护数据的安全性也愈发成为一项关键性问题。
传感器节点的生命周期长、功耗低、通信带宽有限等特点，是传统安全机制无法完全适应的，而WSN中密钥管理技术的重要性就凸显出来了。
一、 WSN中的密钥管理技术1.密钥的生成在WSN中，密钥的生成应当尽量简化。
一般可采用一些轻量级的算法如TEA、XTEA、SKIPJACK等，以保证密钥的随机性。
但对于关键应用场景，需要考虑使用更为安全的算法如AES等。
另外，为减小密钥管理带来的开销，在密钥更新时，可以利用第一次生成的密钥作为种子值，借助伪随机数生成算法生成粗略而安全的密钥流，再通过加密变换得到新的加密密钥。
2.密钥的分发密钥的分发主要包括中心化和分布式两种方式。
在中心化密钥管理中，密钥生成、分配、更新等操作由一个信任的中心节点来控制，通过安全信道分发密钥。
这种方式的缺点是单点故障风险高，而且在分散的无线传感器网络中，无法避免节点的频繁变更，从而增加了密钥分发的难度和开销。
因此，在WSN中，更多采用分布式的密钥管理方式。
在分布式密钥管理中，每个节点均可担任密钥管理器的角色，通过自主密钥生成、共享等方式，将其他节点加入到信任圈内。
因此，分布式密钥管理具有更好的容错性和灵活性，但其开销也更加复杂和高昂。
3.密钥的更新WSN中传感器节点的故障频繁，因此对密钥的更新需更为重视。
同时，为避免敌方获得过期密钥的恶意攻击，密钥的更新应当始终落后于节点故障的发生时间，从而保证密钥能够对故障节点及时失效。
因此，密钥的更新周期应该小于节点寿命的一半。
二、密钥管理技术的安全、有效性评价1.性能指标为评价密钥管理技术的有效性，首先需要考虑其对传感器网络的性能的影响。
具体的指标如下：（1）安全性：密钥强度、安全性能、抗攻击性等。
无线传感器网络的密钥管理无线传感器网络是由大量无处不在的、具有无线通信与计算能力的微小传感器节点构成的自组织分布式网络系统，能根据环境自主完成指定任务。
此种网络以应用为驱动，集成了成千上万的低能耗、低成本、小体积的微型传感器件。
这些微小的器件由数字硬件及软件组成，具备高度的无线互连与协同处理能力。
它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、微机电系统(MEMS)技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等等。
一、无线传感器网络安全框架——SPINSSPINS安全协议是传感器网络安全框架之一，是由Adrian Perrig等人提出的一种基本的安全协议，它建立在对称密钥体系的基础之上，包括SNEP(Secure Network Encryption Protocol ) 和€%eTESLA ( micro Timed Efficient Streaming Loss-tolerant Authentication Protocol) 两个部分。
前者用于实现点到点通信的机密性、完整性和新鲜性，后者实现网络广播消息的验证。
下面对SNEP和€%eTESLA 进行简单的介绍。
1.安全网络加密协议SNEP。
SNEP协议提供网络所需的数据机密性、认证性、完整性和新鲜性。
SNEP 本身只描述安全实施的协议过程，并不规定实际使用的算法,具体的算法在具体实现时考虑。
SNEP 协议采用预共享主密钥的安全引导模型,假设每个节点都和基站之间共享一对主密钥，其他密钥都是从主密钥衍生出来的。
SNEP 协议的各种安全机制是通过信任基站完成的。
2.基于时间的高效的容忍丢包的流认证协议€%eTESLA 协议。
SNEP协议可以较好的完成点对点的通信，但是对于广播消息的验证却有一定的困难。
因为发送方和每一个接收者都采用的不同的对称密钥，发送方无法产生多个接收方都可以验证的消息验证码。
为了实现广播消息的认证，SPINS提供€%eTESLA 协议。
