[发明专利]基于快速ECDSA的大规模无线传感器网络轻量级Byzantine容错路由

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于快速ECDSA的大规模无线传感器网络轻量级Byzantine容错路由，采用添加了节点认证因子和可信因子的蚁群优化算法来增强算法的可信性，能有效消除拜占庭节点的错误影响，快速实现节点的安全认证并搜索建立可信路由，保证了网络的通信安全，同时使网络能耗更加均衡。

背景技术

对于含有1000个以上节点的大规模无线传感器网络来说，容错能力是网络稳定运行的重要因素。在网络中的个别节点、个别链路、个别子网可能发生故障的状况下，网络中的其它节点、链路、子网仍能正常协作工作，即我们通常所指的容错性能。相比于传统网络，大规模无线传感器网络节点数量巨大、分布范围广，且多分布在险恶的工作环境中，网络的维护十分困难甚至不可维护。同时，网络节点能量极其有限且都须有路由功能，更易受到攻击。

BGP（Byzantine Generals Problem拜占庭将军问题）起源于5～15世纪拜占庭军队的将军达成一致的问题。当时驻扎在敌人城外的拜占庭军队有很多分支，每一分支由各自的将军指挥。将军之中可能存在叛徒，因此将军们进行通信的方法应该实现两个确保，一要确保所有忠诚的将军必须基于相同的行动计划做出统一决策；二要确保少数叛徒不能使忠诚的将军做出错误的行动计划。BGP的可解性可描述为以下三点：

1、叛徒数大于或等于1/3，Byzantine问题不可以解；

2、利用口信算法，如果叛徒数少于1/3，Byzantine问题可解；

3、利用书写算法，如果至少有2/3的将军是忠诚的，Byzantine问题可解。

BGP（Byzantine Generals Problem拜占庭将军问题）主要用于解决现代密码学和分布式系统中的容错及可信问题，广泛应用于军事、金融、因特网等领域。近年来，Byzantine容错问题的研究研究已取得了相当大的进展，但大多集中在局域网或广域网方面。美国约翰霍普金斯大学计算机科学系的Yair Amir教授提出了Byzantine容错问题在广域网中的可扩展性方案；2008年图灵奖获得者，美国麻省理工学院计算机系女教授Barbara Liskov将Byzantine容错问题应用到因特网以解决基于Web系统的容错问题，并取得了重大突破；在移动自组织网络领域有少量学者进行了探索性的研究，因此有必要采用Byzantine容错问题来研究无线传感器网络中的容错问题。

基于分簇的双层拓扑结构的无线传感器网络，首先其拓扑结构便于管理，有利于分布式算法的应用，可以对系统变化作出快速反应，具有较好的可扩展性，适合大规模网络。各簇选举产生簇头节点作为本簇节点的代表，簇内节点只和本簇节点通信，簇头融合了成员节点的数据之后再进行转发，簇与簇之间及簇与基站之间的通信则由簇头节点完成，在保证了原有覆盖范围内的数据通信的基础上减少了数据通信量，大规模无线传感器网络基于分簇的双层拓扑结构图见图1。假设网络中其有N个节点，划分为S个分簇，每个簇产生一个簇头，即共有S个簇头。信息交换复杂度从平面型网络的降为，极大的增强了网络的可扩展性。在基于分簇的双层拓扑结构的无线传感器网络中，对于簇内含有f个拜占庭错误节点，簇内总节点数不少于3f+1时，即可保证整个网络的容错性能。

在公钥密码体制中，相对于RSA等密码体制来说，ECC椭圆曲线加密体制是比较新的技术，并且ECC因其安全性高、计算量小、处理速度块、存储空间占用小、带宽要求低、灵活性好等特点，大有取代目前的主流公钥加密体制RSA的趋势。而传统的RSA及ECDSA等算法因计算复杂、能耗要求高等特点，都不适用于大规模无线传感器网络。

发明内容

本发明的目的在于：针对1000个以上节点的大规模双层拓扑无线传感器网络的容错问题，提供一种基于快速ECDSA的大规模无线传感器网络轻量级Byzantine容错路由，针对不同的网络层面运行不同的容错协议。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于快速ECDSA的大规模无线传感器网络轻量级Byzantine容错路由，其特征在于：

1）、基站统一颁发安全证书给各簇头节点，证书安全性基于Montgomery型椭圆曲线加密体制。簇内传输的每条信息均采用基于快速ECDSA算法轻量优化了的(2f+1，3f+1)门限体制进行签名，各簇头向外发送的消息中携带基于快速ECDSA算法的数字签名。图3为快速ECDSA算法流程图。