一种改进的基于区域的无线传感器网络密钥管理机制
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一种改进的基于区域的无线传感器网络密钥管理机制
摘要：安全机制中密钥管理方案的研究一直是无线传感器网络的研究热点。本文给出了一
种用于无线传感器网络的密钥预分配机制：基于区域的增强型随机密钥预分配机制。该机
制基于已知区域信息，将密钥空间划分为多个子空间，同时引入 q合成技术和单向密钥序
列，提高了邻居结点拥有相同密钥的概率，从而提高了节点能够安全通信的概率。在此基
础上，通过 MATLAB 对性能进行了仿真和分析表明：相对于传统 的投放模型的随机密钥
预分配机制，该机制有更好的抗节点俘获能力。
关键词：无线传感器网络；密钥管理；随机密钥预分配；投放模型
0 引 言
无线传感器网络(WSN，wireless sensor networks)是计算机、通信和传感器三种技术相结合。
它由许多功能相同或不同的无线传感器节点以自组织网络的方式构成，节点之间主要通过
组播进行通信。由于其网络规模庞大、节点数目多、网络拓扑结构变化快、节点易失效和能源
有限等特性，使其安全问题面临着严峻的考验。大多数现有的无线网络安全协议和保护机
制无法直接应用于无线传感器网络，密钥管理机制亦是如此。考虑到无线传感器网络自组
织、能量有限的显著特征，如何实现高效的安全多播，密钥管理显得尤为重要。
传统多播密钥管理方案的拓扑结构主要有集中式、分布式以及分层分组式三种类型，在
无线传感器网络中一般采用分层分组的层簇式方案。一般密钥分配和管理方法不适合 WSN:
首先，公钥算法（如 Diffie-Hellman 或RSA）不适合 WSN，因为传感器节点的计算和存储
资源非常有限；其次，在线的基于 KDC（key distribution center）的机制也不适合，因为通
信量过大，且 KDC 易称为攻击目标。再者，pairwise key 机制也不合适，因为每个节点要为
其他所有节点都保存一个密钥，这需要很大的存储空间。
基于密钥预分布的方案，当前研究的热点是随机密钥预分布模型。在该模型中，节点
利用预分发的密钥进行共享密钥协商，邻居节点能够协商共享密钥的概率达到一定的值，
使得网络的密钥共享图成为连通图，从而实现整个 WSN 的安全通信。基于随机密钥预分布
模型的方案已有很多，这些方案在初始化和密钥建立阶段采用不同的机制，有各自的优缺
点。针对 WSN 的特点，Perrig [1]提出了 q合成技术和多路增强技术。 WenLiang Du 等首先
提出利用节点部署信息的密钥预分配方案[2],他们认为传感器节点在播撒时是不均匀的,同
一批播撒的节点在物理位置上相邻的概率要大于其它节点.如果把节点分成组,并以组为单位
来部署,能提高密钥预分配方案的性能。
本文在利用节点部署信息的密钥预分配方案上引入区域的概念，将 q合成技术和多路
增强技术结合，提出了一种基于区域的增强型随机密钥预分配机制 DER-KPS（Domain-
based enhanced random key pre-distribution scheme）。DER-KPS 进一步提高了安全性能，使
传感器网络能抵御包括物理俘获在内的多种攻击，并支持在大规模网络中的应用。
1随机密钥预分配方案
Eschenauer 和Gligor 提出的随机密钥预分配方案分为三个阶段：密钥预分配、共享密钥发现
和路径密钥建立。
在密钥预分配阶段，传感器节点从一个大的密钥池S中随机选取，n个不同的密钥组成节
点的密钥链( key chain)。节点部署到指定区域后，进入共享密钥发现阶段，每对物理上相邻
的节点(节点在彼此的无线通信覆盖范围内)寻找共享密钥。如果在彼此的密钥链中找到共享
密钥，则用此密钥作为两者之间的会话密钥。如果两个邻居节点之间不存在共享密钥，则
进入路径密钥建立阶段。此时，传感器网络己由部署时离散的节点以一定的概率变成连通
摘要：
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一种改进的基于区域的无线传感器网络密钥管理机制摘要：安全机制中密钥管理方案的研究一直是无线传感器网络的研究热点。本文给出了一种用于无线传感器网络的密钥预分配机制：基于区域的增强型随机密钥预分配机制。该机制基于已知区域信息，将密钥空间划分为多个子空间，同时引入q合成技术和单向密钥序列，提高了邻居结点拥有相同密钥的概率，从而提高了节点能够安全通信的概率。在此基础上，通过MATLAB对性能进行了仿真和分析表明：相对于传统的投放模型的随机密钥预分配机制，该机制有更好的抗节点俘获能力。关键词：无线传感器网络；密钥管理；随机密钥预分配；投放模型0引言无线传感器网络(WSN，wirelesssensorne...
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