[发明专利]无线传感器网络中基于物理不可克隆函数的密钥分配方法

说明书

本发明是无线传感器网络中基于物理不可克隆函数的密钥分配方法，通过在传感器节点安装物理不可克隆函数芯片，并将其物理不可克隆函数的激励响应对预存储在网关节点上。节点投放后，若网关节点和传感器节点同簇，则网关节点和传感器节点通过激励响应对完成双向认证后，由网关节点生成会话密钥并生成其密文发送给传感器节点，由此完成密钥分配。若存储有激励响应对的网关节点和传感器节点不同簇，则通过物理网关转发实现间接密钥分发。该种密钥分配方法基于物理不可克隆函数进行身份认证与密钥分配，传感器节点中不需预存储密钥，既降低存储开销，又防止密钥泄露，具有较强的抗网关节点俘获性和抗传感器节点俘获性，适用于资源受限的传感器节点。

技术领域

本发明涉及轻量级密码协议和无线传感器网络技术领域，具体的说是无线传感器网络中基于物理不可克隆函数的密钥分配方法。

背景技术

无线传感器网络通常部署在敌对环境中，易受到各种恶意攻击。因此必须对节点间通信进行加密和认证以保证安全性，而密钥管理，特别是密钥分配，是保密通信与消息验证的前提和关键。由于传感器节点的存储、计算与通信资源受限，所以传统的基于公钥或可信中心的密钥分配方案并不适用。因此，必须对无线传感器网络密钥分配开展针对性研究，其中如何平衡高安全和低能耗两个需求是技术难点。

物理不可克隆函数(Physical Unclonable Function，PUF)技术的出现与发展为密钥分配的研究提供了崭新的思路，为解决上述关键问题提供全新的低成本和高安全性的解决方案。物理不可克隆函数是一种新兴的加密组件，能够提取集成电路内门电路或连接线(导线)间由于制造工艺的不一致性而引入的随机差异并利用这些随机差异以一定规则生成加密(响应)信号。基于物理不可克隆函数的密钥分配，利用物理不可克隆函数芯片在极低的硬件资源成本下，实现密钥的在线生成，使得节点不需要预存储密钥，降低密钥泄露的风险，且提供认证性，因此具有极高的性价比和应用前景。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供无线传感器网络中基于物理不可克隆函数的密钥分配方法，该种分配方法通过在传感器节点安装物理不可克隆函数芯片，并将其物理不可克隆函数的激励响应对预存储在网关节点上。节点投放后，网关和传感器节点通过激励响应对完成双向认证后，由网关节点生成会话密钥并生成其密文发送给传感器节点，由此完成密钥分配。与传统的数字信封技术不同，该种分配方法基于物理不可克隆函数进行身份认证与密钥分配，传感器节点中不需预存储密钥，既降低存储开销，又防止密钥泄露，提高安全性，可广泛适用于资源受限的传感器节点。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

无线传感器网络中基于物理不可克隆函数的密钥分配方法，其特征在于：包括网关节点和不少于一个的传感器节点，所述的传感器节点内安装有物理不可克隆函数芯片，所述的密钥分配方法具体步骤如下：

步骤1，初始化阶段，将传感器节点内的物理不可克隆函数芯片的物理不可克隆函数激励响应对预存储在网关节点上；

步骤2，密钥分发阶段，网关节点和传感器节点通过激励响应对完成双向认证后，由网关节点生成会话密钥并生成其密文发送给传感器节点，完成密钥分配。

所述的步骤1中，初始化阶段具体步骤如下：

步骤1.1，安装芯片：给每个传感器节点安装一个物理不可克隆函数芯片；

步骤1.2，生成激励：生成一个随机数作为激励并输入物理不可克隆函数芯片；

步骤1.3，生成响应：传感器节点中的物理不可克隆函数根据输入的激励生成响应；

步骤1.4，存储激励响应对：输入物理不可克隆函数芯片内的激励以及物理不可克隆函数芯片生成的响应共同组成激励响应对，将激励响应对保存到网关节点。

所述的步骤2中，密钥分发阶段具体步骤如下：