[发明专利]一种无线传感器网络密钥预分配方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种无线传感器网络密钥预分配方法，属于信息安全技术领域。

背景技术

无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSN)集微电技术、传感器技术、通信技术于一体，可广泛应用于教育、军事、医疗、交通等诸多领域，拥有巨大的应用潜力和商业价值，引起了国内外广泛的关注和研究。

无线传感器网络的安全问题来源于：无线通信的特性，传感器节点的资源严格受限，传感器网络分布区域广及密集，缺少固定的网络基础设施，配置前无法获知网络的拓扑结构，部署区域的开放性。特别是当无线传感器网络部署在无人看护或容易受损的环境时，保证无线传感器网络的安全性更是应优先考虑的问题。以提供安全、可靠的保密通信为目标的密钥管理是无线传感器网络安全研究最为重要、最为基本的内容，有效的密钥管理机制也是其它安全机制，如安全路由、安全定位、安全数据融合及针对特定攻击的解决方案等的基础。相对于传统网络，无线传感器网络更易受到包括被动窃听、数据篡改和重发、伪造身份、拒绝服务、节点俘获等安全威胁和攻击，使得这些研究成果一般不能直接应用于无线传感器网络。为满足无线传感器网络数据的安全需求，需要设计出更适用于无线传感器网络的密钥管理方案。

发明内容

发明目的：为了提高WSN中节点之间的网络连通度同时降低计算量，本发明提出了一种无线传感器网络的密钥预分配方法。本发明采用混合对称BIBD的方法为每个节点分配若干随机数，再将节点之间共同的随机数带入轮换对称的三元多项式中，计算得出两节点之间的对密钥。本发明在提高了共享密钥概率的同时，也降低了计算开销。

技术方案：一种无线传感器网络密钥预分配方法，将三元多项式和组合数学的知识应用到了无线传感器网络，将混合对称BIBD与轮换对称的三元多项式结合在一起，来给节点分配密钥的方法。其特殊之处在于：该方法包括以下步骤：

1)密钥预分配，其包括：

1-1)参数生成

基站随机生成一个轮换对称三元多项式f(x,y,z)，f(x,y,z)满足f(x,y,z)＝f(y,z,x)＝f(z,x,y)，将此多项式分配给每个节点。然后基站生成n²+n+1个随机数R_i，N为无线传感器网络中的节点个数，所有的随机数组成集合。

1-2)生成对称BIBD的区组

使用BIBD的方法，生成区组，其中每个区组有n+1个随机数，每一对区组之间有1个共同的元素。

1-3)生成互补的BIBD区组

生成互补区组其中每个区组有n²个随机数，从互补方案的区组中任意选出N-(n²+n+1)个区组，然后在每个区组中任意选择n+1个随机数，将这些区组构成的集合记为H。

1-4)混合对称BIBD最后得到的区组集合就是BUH，集合中共有N个区组。将每个区组分配给一个节点。这样分配完成之后，每个节点就存储了一个节点ID，一个共享三元多项式和n+1个随机数组成的区组。

2)会话密钥协商，其包括：

2-1)查看与邻居节点共享的随机数

首先要发起连接的节点i广播一条消息，该消息包括以下内容：

(1)节点i的ID_i

(2)节点i所持有的随机数

邻居节点j收到消息后，将自己的标识IDj和共享的随机数发送回i。

2-2)建立对密钥

假设节点i和j共同的随机数为R_c，其中i是会话发起方，j是接收方，则i计算三元多项式k_ij＝f(ID_i,ID_j,R_c)，j计算k_ji＝f(R_c,ID_i,ID_j)。由于它们共享的三元多项式具有轮换对称性，所以节点i和j计算出来的密钥是相等的，即k_ij＝f(ID_i,ID_j,R_c)＝f(R_c,ID_i,ID_j)＝k_ji。