[发明专利]一种基于密钥矩阵的密钥分配方法

说明书

本发明公开了一种基于密钥矩阵的密钥分配方法，该方法包括：步骤1密钥管理中心为传感器网络生成一个私密矩阵D并构造公开矩阵G；步骤2根据所述公开矩阵G和所述秘密矩阵D，进一步得到任意两个节点之间生成共享密钥的密钥计算公式，进而实现密钥分配和密钥生成。任意一对节点在需要认证和通信时，通过互相交换公开的序列号，就可以根据此密钥计算公式生成共享密钥。本发明各节点间通过交换公开的序列号即可生成密钥，节点无需存储任何其他节点的信息，从而使得网络中各节点的耦合性降到最低，增加、更换、减少一个节点，无需对原有的节点做任何修改，具有较高的灵活性、较高的安全性和较低的计算复杂度。

技术领域

本发明涉及一种密钥分配方法，具体涉及一种基于密钥矩阵的密钥分配方法。

背景技术

在现代密码学体系中，密码机制和密码算法的安全依赖且仅依赖密钥的安全，因而对于一个安全系统而言，选择合适的密钥管理方法是其重点所在。需要有合适的密钥管理和分配方法，以满足系统各方面的要求。

物联网节点和嵌入式节点的运算和处理能力一般比较低，网络的拓扑结构变化较大。而在这种网络环境中，一般很难采用PKI/CA体系。因此需要有具备较高灵活度、较低运算复杂度的密钥分配和生成方法，以满足网络中节点间认证和安全通信的需要。

常用的用于嵌入式网络和传感器网络的密钥分配方法有：基于预分配的密钥分配、基于数字证书的非对称密钥分配、基于矩阵的密钥分配。

其中，基于预分配的认证密钥分配，即各节点在部署到应用场景之前，已经将节点所需要的密钥置入节点内部。节点间可基于预分配的秘密信息进行认证和通信。为安全考虑，一般不能让整个网络都共享一个相同的密钥。而如果要让所有节点两两之间都具有独立的密钥，势必要求每个节点中都存储有和其他所有节点分别共享的密钥。这既对节点提出了较高的存储量要求，同时也使各节点间耦合性增加。当一个节点被更换，或者添加一个新的节点的时候，必然要对系统中与之相关的节点做出修改。

采用数字证书的非对称密钥分配，可以避免增加各节点的耦合性。各节点中无需存储其他节点的公钥，只需要持有经可信机构，比如密钥管理中心KM，签名的公钥证书。在认证时，节点间交换自己的公钥和KM对公钥的签名，就可获取其他节点的公钥，并验证其真实性和合法性，在此基础上实现节点间的认证和安全通信。但使用非对称密钥，一般存在计算复杂度过高、运算时间太长的缺陷，在一些运算能力很低的节点中，是很难应用的。

矩阵密钥分配在传感器网络中有着广泛应用。在一个密钥矩阵中包含整个网络中所有节点需要用到的密钥，该矩阵可以通过一个私密矩阵和一个公共矩阵相乘得出。在实际分发密钥时，无需将整个矩阵分发给每个节点，只需要分发给每个节点私密矩阵的某一行和公共矩阵的某一列。在通信和认证时，两个节点间交换自己保存的公共矩阵份额，就能计算出相同的密钥。该方法的具体实施过程为：

首先在密钥管理中心的离线服务器中，生成一个有限域GF(q)内的k×m的矩阵G，作为公开矩阵，其中m一般为节点个数，k一般小于m。然后再生成一个有限域GF(q)内的k×k的对称矩阵D，作为私密矩阵。再计算(D·G)^T，得到m×k的私密矩阵A。密钥矩阵K可通过计算A·G得到。对于矩阵K，则有：

K＝A·G＝(D·G)^T·G＝G^T·D^T·G＝G^T·D^T·G^T＝G^T·A^T＝K^T

可知矩阵K为对称矩阵，

在分发密钥的时候，将私密矩阵A的第i行和公开矩阵G的第i列分配给节点i，将矩阵A的第j行和矩阵G的第j列分配给节点j。当节点i和节点j需要进行认证或通信的时候，二者交换和节点i和节点j就可分别计算出K_i，j和K_j，i。